М.Х. Джонс - Электроника практический курс (1055364), страница 55
Текст из файла (страница 55)
Такие большие скорости 304 «Строительные блоки» анааоювой электроники на интегральных микросхемах (и( !1 (нв> в о а.з ( |в г ьз Вр«н«(м»кр««««унда) (ь( в | «»а (в] а Рис. 11.25. Сравнение времени нарастания при малом сигнале (а) с нарастанием выходного напряжения с максимаяьно возможной скоростью (Ь) для усилителя на ИС 741. Введена обратная связь, даюшая единичный коэффиниент усиления. достигаются за счет увеличения тока, которым внутри усилителя перезаряжается емкость, и за счет минимизапии фазового сдвига на высоких частотах, так что оказывается возможным использовать коррекгируюшне конденсаторы сравнительно малой емкости.
11.13 Источники питания 78 13. 7 Напряжение питания и погрузочная способность Большинство параметров ИС 741 и 748 бывает указано для случая, когда напряжение питания равно +15 В и — 15 В. Однако усилители будут работать и при других значениях напряжения питания из интервала от +3 В и — 3 В до +!8 В н — 18 В. Обычно козффипиент усиления напряжения без обратной связи падает от 2 " 10' при У = 15 В до 4 х!0«при У = 3 В.
Пределы, в которых может колебаться выходное напряжение, зависят, конечно, от напряженна питания, и, как правило, диапазон, внутри которого может изменяться выходное напряжение, не достигая отсечки, определяется значе- Активные фильтры 305 пнями, на 1 В меньшими по величине, чем У . В результате возможный полный размах выходного сигнала приблизительно равен (21' — 2) В.
Это относится к случаю, когда нагрузка на выходе усилителя равна 10 кОм, а частота — 10 кГц. На частотах выше 10 кГц диапазон возможного изменения выходного напряжения у ИС 741 ограничивается максимальной скоростью нарастания; например, при 1' = 15 В максимальный полный размах выхолного напряжения равен 28 В на частотах, не превышаюших 10 кГц, но на частоте 20 кГц он составляет только 15 В, а на частоте 50 кГц — всего лишь б В. При нагрузках меньше 10 кОм полный размах выходного сигнала сужается из-за ограничений по току, но даже при нагрузке 500 Ом возможный размах колебаний все еше равен 20 В на частотах до 1О кГц при У = 15 В.
Если требуются ббльшие по величине выходные сигналы, то можно воспользоваться ИС ХЕ5534, которая позволяет получать колебания в пределах +20 В на нагрузке 600 Ом (при У = 22 В) и имеет тот же самый корпус типа РП., что и ИС 741. Широко распространены также мошные ОУ, такие как 1.М12.
Эта ИС размешена в таком же металлическом корпусе типа ТОЗ, как мошный транзистор, и ее выходной ток может иметь немалую величину в пределах +10 А, работая от источников питания +30 В и развивая в звуковом диапазоне мошность выходного сигнала 150 Вт на нагрузке 4 Ом.
11.13.2 Стабильность питания и требования к пульсациям Большинство ОУ легко переносят изменение напряжения питания. У ИС 741 коэффициент ослабления влияния напряжения источника питания равен 30 мкВ1В. Эта величина свидетельствует о том, что отклонение У на 1 В (или, в данном контексте, наличие накладываюшихся на У переменных пульсаций величиной 1 В) эквивалентно подаче на вход усилителя всего лишь ЗОмкВ. При этом предполагается, что величины У и У изменяются синхронно и симметрично, как обычно и бывает на самом деле. Типичные пульсации питания с размахом 30 мВ эквивалентны фону на входе величиной всего лишь 1 мкВ. Этим замечательным свойством подавления пульсаций ОУ обязаны дифференциальной конфигурации схемы на входе. Поскольку пульсации действуют одновременно на обоих входах, они подавляются вместе с другими синфазными сигналами.
11.14 Активные фильтры 11. 14. 1 Вступление В электронике имеется много случаев, когда необходимо, чтобы полоса частот была ограничена. Один из примеров — это оптимизация с точки зрения 20 эьк. 4729. 306 «Строительные блоки» анаюгоаой электроники на интегральных микросхемах отношения сигнал/шум: мы видели в параграфе 5.9, что мошность шума, как правило, прямо пропорциональна ширине полосы в герцах. Следовательно, имеет смысл сделать ширину полосы системы предельно малой, при которой полезный сигнал еше проходит без искажений.
Примером из этой области является граммофонная пластинка для проигрывателя со скоростью 78 об/мин, у которой поверхность является источником шума, обусловленного природой материала, из которого она изготовлена. Если такую пластинку проигрывать на широкополосной системе высшего класса, то музыку можно будет едва разобрать за шипением пластинки. Однако, если ту же пластинку поставить на электрофон выпуска 1950 года или раньше с его ограниченной полосой частот (порядка 5 кГц), то звучание может оказаться вполне приемлемым.
Это происходит потому, что полоса частот достаточно широка, чтобы пропустить музыку, но одновременно достаточно узка, чтобы не дать шуму возможности проявить себя в полную силу. Чтобы получить удовлетворительные результаты при проигрывании такой пластинки на современной широкополосной системе, необходимо искусственно сузить полосу частот с помошью фильтра нижних частот, согласованного с частотным спектром музыки. Точная фильтрация составляет также сердцевину сегодняшних цифровых систем. Как мы увидим в главе 14, при взятии выборок аналогового сигнала перед его оцифровыванием наибольшая частота сигнала должна быть строго меньше половины частоты выборок, для чего в отдельных случаях требуется фильтр нижних частот с очень крутым срезом. 7Б 74.2 Филынры нижних частот Характеристика «идеального» фильтра имеет прямоугольную форму и вырезает строго определенную полосу частот (рис.
11.26(а)). Характеристика такой формы нереализуема на практике, как и можно было ожидать. Более реальной целью могло бы быть получение характеристики, показанной на рис. 11.26(Ь); в обшем случае, чем более сложным является фильтр, тем круче срез характеристики. Как правило, желательно, чтобы «изгиб» характеристики был настолько резким, насколько это возможно при плоской характеристике в пределах полосы пропускания и быстром переходе к области подавления. Несколько практических фильтров нижних частот показаны на рис. 11.27 вместе с графиками типичных частотных характеристик.
У знакомого нам одиночного ЯС-фильтра (рис. 11.27(а)) наибольшая скорость спада равна 6 дБ на октаву и переход от горизонтального участка к максимальному наклону происходит постепенно. Фильтр второго порядка (рис. 11.27(Ь)), составленный из двух ЯС-цепей, дает характеристику с более крутым спадом с максимальным наклоном 12 дБ на октаву, но изгиб все еше остается слишком плавным с точки зрения многих применений. Включение индуктивности (рис. 11.27(с)) делает схему ошугимо более гибкой. Наличие двух реактивных элементов означает, что максимальный наклон равен 12 дБ на октаву, а наличие тупого резонанса в БС-системе, когда оба реактивных сопротивления равны, можно использовать для обострения изгиба частотной харак- Активные фильтры 307 1'в/ ею ее а йа Ы Частат (Га) г'Ь/ о а* чатем <гм Рис.
11.26. Идеализированные частотные характеристики фильтра нижних частот. (а) Нереализуемая прямоугольная характеристика. (Ь) Характеристика, на шаг более близкая к реальности: плоская вершина в пределах полосы пропускания при конечной скорости спала в ее наклонной части. Ширина полосы, как правило, измеряется на уровне -3 дБ (точка у,).
теристики так, чтобы в результате приблизиться к идеальному случаю, изображенному на рис. 11.26(Ь). Высота резонансного пика определяется добротностью цепи (',), как мы вскоре увидим. Катушки индуктивности служат очень ценным подспорьем при проектировании фильтров с точно заданными характеристиками, но у них есть недостатки. Они дороги, в частности, и том случае, когда требуются точные значения нндуктивностей, и они чувствительны к фону, который магнитным путем наводится от расположенных поблизости силовых трансформаторов. Этот последний недостаток можно устранить, поместив катушку индуктивности в экран из мю-металла (магнитный сплав с высоким )з — Прим. дерев.), но это сделает их еше дороже.
Поэтому проектировшик предпочитает избегать применения катушек индуктивности, если это возможно. К счастью, ОУ позволяет решать эту задачу путем имитации поведения ХСЯ-фильтра, изображенного на рнс. 11.27(с), с применением только резисторов и конденсаторов. Такой фильтр, содержаший в себе усилитель, называется активным филылрам . Возможных схем активных фильтров исключительно много, и понадобилась бы отдельная книга, чтобы надлежащим образом разобраться с ними. Мы рассмотрим олин из самых удобных активных фильтров, так называемый фильтр Саллена и Кея. Сравнивая выражение для его частотной характеристики с характеристикой ЕСА-фильтра, мы намереваемся продемонстрировать, что они могут выполнять одну и ту же функцию. 308 «Строительные йлокио анааогжй электроники на интегргыьных микросхемах Ы о з а -3 -(о а л Ч агота (Га) (н л Частота (3 а) Р -3 к а -(о а Частот (3'а) Рис.
11.27. Схемы пассивных фильтров нижних частот и нх частотные характеристики; (а) однозвенный ЯС -фильтр (первого порядка), (Ь) двухзвенный 3(С- фильтр (второго порядка)„(с) однозвенный (,С-фильтр (второго порядка). Вернемся сначала к ЬС)(-фильтру нижних частот на рис. 11.27(с). Учет импедансов в этой схеме дает следу)ошее выражение для отношения выходного напряжения ко входному (передаточная функция): )о (11. 7) 1-а) ЕС+ /а)СЯ Активные фильтры 309 Резонанс наступает на частоте аго, где азО ЕС-1; в этой точке величина Ур/ Уг достигает своего максимального значения (ниже это утверждение уточняется автором — Прим.
лерев.). За остроту резонансного пика отвечает добротность цепи Д, которая, по определению, равна На рис. 11.28 на примере двух значений (Э показано влияние добротности на характеристику ЕСЯ-фильтра нижних частот. Большие значения Д дают острый пик, а малые (э (большие значения Я) приводят к более плавному изгибу. Активный фильтр Саллена и Кея представлен на рис.
!!.29(а) в его основной форме, относяшейся к нижним частотам. Чтобы доказать, что эта схема может имитировать ЕСЯ-фильтр, поучительно в процессе вывода пе- о З а 8 -~о Ы 1о х 1а Чаыата (Га1 Рис. 11.28. Влияние изменения добротности цепи (2 на характеристику ЕО(- фильтра нижних частот, изображенного на рис. 1!.27(с): (а ) большое (2(Д 3), (Ь) малое (2 (О = 0,5). редаточной функции У / Уг проанализировать различные токи и напряжения. Для облегчения анализа перерисуем схему, представив ее в эквивалентной форме, как показано на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
