Чижма С.Н. - Основы схемотехники 2008 (1055377), страница 29
Текст из файла (страница 29)
При этом коэффициент передачи цепи ООС стремится к единице и выходное напряжение фиксируется на уровне, равном напряжению стабилизации стабилитрона. При необходимости коэффициент передачи ограничителл уровня в диапазонс входных напряжений, недостаточных для выхода стабилитрона в режим стабилизации, может быть установлен на требуемом уровне. Для этого параллельно стабилитрону включают резистор обратной связи, ив 1 а) Рис,12.14. Ограничитель уровня (а) и его передаточная характеристика (б) ГЛАВА 13 АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ . 13.1. Назначение и классификация активных фильтров Электрический фильтр представляет собой частотно-избирательное уст,::, рьойство, которое пропускает сигналы определенных частот и задерживает или ;-:,'ослабляет сигналы других частот.
В устройствах электроники фильтры используются очень широко. Различают аналоговые и цифровые фильтры. В аналого.:-'вых фильтрах обрабатываемые сигналы не преобразуют в цифровую форму, а -'.;,:- в цифровых перед обработкой осуществляют такое преобразование. В соот',: ",,ветствии с обшей тенденцией перехода от аналоговой к цифровой электронике ;-=':такие фильтры применяются все чаще.
Для реализации цифрового фильтра ':: ";необходимы аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорное устрой'::.ство, а сама процедура фильтрации осуществляется программным способом. В аналоговых фильтрах в качестве частотно-зависимых элементов ши:-':,.рпко используются йС-цепи. Однако пассивные йС-звенья имеют большие '::;,- потери и характеризуются низкими избирательными свойствами. Часто возникает необходимость в фильтрах с высокими фильтрующи":„ми способностями, например, для выделения сигнала на фоне помехи. Наи';: более простое решение — каскадное включение одинаковых фильтров низ.'::;-", ких частот„дающих в сумме необходимую характеристику.
Однако простое -::: ачаскддное соединение не дает результата без ухудшения общей характерис:;.:;:;тики, так как входное сопротивление каждого звена будет служить существен'-:зной нагрузкой для предыдущего звена. Соединенные каскадно йС-фильтры ',:. дсйствительно дадут суммарную характеристику с крутым наклоном, но кизлом» этой амплитудно-частотной характеристики не будет резким.
Если по,':--.ставить буферные усилители между всеми звеньями (или сделать входное ; - Сппротивление каждого звена намного выше, чем выходное сопротивление ::предыдущего), то можно добиться желаемого эффекта. Поэтому такие цепи применяют с компенсирующими потери акгивны:;.:" мн элементами, чаще всего с операционными усилителячи.
Такие избира- 'Л' телвиые усилители называют активными фильтрами. К преимуществам активных фильтров следует отнесзи: способность усиливать сигнал, лежащий в полосе их пропускания; отсутствие индуктивностей, имеющих большие габариты; легкость настройки; 165 малые масса и объем; простота каскадного включения при построении фильтров высокого порядка. Недостатки активных фильтров: невозможность использования в силовых цепях, например в качестве фильтров выпрямителей; ограниченный частотный диапазон, определяемый собственными частотными свойствами используемых усилителей; необходимость наличия источника питания усилителя.
Как и фильтры на пассивных элементах, активные фильтры классифицируются как фильтры низких гастот (ФНЧ), пропускающие сигналы с частотой ге~ Полоса ро успел я увл оса подвале Полоса сюдаалеянп К(б подсел я успг Папаш ра у 1ср ~ Полоса сро у уг Полоса подав а усну усаг у — г Полоса ро ус а л1 ур уг П посв одев е н у1 Рис. 13.! .
АЧХ фильтров ФНЧ (а), ФВЧ (б), ППФ (в), ПЗФ (г) 166 :ту= 0 до некоторой„~~,; фильтры высоких частот (ФВЧ), пропускающие сит»итвпы с частотой от„~=у„,, до эг — + со; паласио-пропускающие (полосовые, ПР)Ф), пРопУскающие сигналы в диапазоне частот от Гс„, до,гт, и ~юлосно Зй!граждающие фильтры !режекторные, ПЗФ), не пропускающие сигналы в .~~Ко)м диапазоне частот от7т, доусгг Типовые АЧХ приведсны па рнс.!3.! ''':дегрвхОдыые участки определяют изменения частотных характеристик, при :этом' их граничные значения представляют спад или возвышение на 3дБ .
', 'о»тиспсительно полос подавления или пропускания, Участок АЧХ между поло.,':,Сазмн пропускания и задерживания называется переходной полосой. 'Наклон АЧХ в переходной полосе прямо определяется порядком фильт'"-'ра или количеством полюсов фильтра (рис.!3.2). Например, фильтр второго .,' порядка-двухполюсный.
Слово «ползос» взято нз области математики — фун.:::кции комплексной переменной, которая используется при расчете частотных 3!врдктеристик фильтра. Для практических целей достаточно знать, что полюс ;у~ацывает на слагаемое наклона ЛАЧХ на переходной полосе, обусловленной , '",зисбой из ЯС-цепей, используемой для формирования частотной характерис: тики активного фильтра. Известно, что каждая АСч!епь фильтра вносит в на- 'кдрн переходной полосы ЛАЧХ свои 20 дБ)дек, Например, ФНЧ б-го порядка :.";яйиеет'6 полюсов, наклон его на переходном участке равен 120 дБ,'дек. Следует обратить внимание, что в конкретной схеме наклон ЛАЧХ в '."''переходной полосе может отличаться от названных цифр, что обусловлено :, взаимодействием ЯС-цепей и ОУ в определенном диапазоне частот.
';; -'-,.:" Проектирование активных фильтров состоит из двух этапов: решается задача аппроксимации — отыскание аналитической аппрокси'мирующей функции, которая с требуемой точностью воспроизводит заданную по условиям АЧХ, Рис. 13.2. ЛАЧХ ФНЧ Баттерворта разных порядков !67 решается задача схемной реализации — отыскание совокупности цепей, имеющих характеристики, достаточно близкие к аппроксимирующей функции. Одним из основных методов проектирования активных фильтров, у которых порядок выше второго, является каскадное соединение звеньев 1-го и 2-го порядка, что позволяет получить фильтр любого порядка. Как видно из рис.13.3, каскадное соединение фильтров 1-го и 2-го порядков дает фильтр 3- го порядка, каскадное соединение двух фильтров 2-го порядка дает фильтр 4- го порядка. Суммарный коэффициент передачи фильтра равен произведению коэффициентов передачи исходных звеньев.
— ы Второй Первый ы :, Второй ' Второй ~ порядок , порядок, ~ порядок,' ~ порядок; в) о) Рттс.!33. Структурные схемы фильтров третьего (а) и четвертого (б) порядка Существуст несколько основных типов стандартных фильтров, которые могут использоваться д;ш аппроксимации заданных АЧХ проектируемых активных фильтров: фильтры Батгерворта, Чебышева и Бесселя, АЧХ которых представлены на рис.!3.4. Для большей наглядности АЧХ представлены в логарифмическом га) и линейном (б) масштабе. На рис.13.5. показаны типичные переходные характеристики фильтров, т.е, временные диаграммы выходных напряжений при ступенчатом изменении входных сигналов. Из рисунка следует, что во временной области фильтр Бесселя имев~ наилучшие свойства, фильтр Чебышева — наихудшие свойства, а фильтр Баттерворта по своим свойствам занимает промежуточное положение.
Фильтр Баттерворта имеет в полосе пропускания частотную характеристику, близкую к равномерной. Наклон переходного участка определяется как 20 дБ/дек на каждую )тС-цепь фильтра. Преимуществом фильтра Баттераорта является постоянство коэффициента усиления, а недостатком — нелинейность фазово-частотной характеристики, Фильтр Чебышева имеет в полосе пропускания характеристику с волнообразнтпми зубцами, амплитуда которых на уровне 0,5...3 дБ задается при проектировании. Иоложительнь1м свойством фильтра Чебышева является увеличение крутизны наклона переходной полосы по мере увеличения амплитуды зубцов. Возможность получения высокой скорости изменения амплитуды на переходном участке при отсутствии требований равномерности АЧХ позволяет обеспечить при помощи фильтра Чебышева наклон переходного участка с меньшим а) и ;-''" Рис.
)3.4. Сравнение АЧХ фильтров 6-го порядка в логарифмическом (а) '.,:: ' и линейном (б) масштабе: ! — фильтр Бесселя, 2 — фильтр Батгерворта, 3 — фильтр Чебышева (пульсации 0,5 дБ) ' - . рис.)3.5 Переходные характеристики грНЧ четвертого порядка при ступенчатом входном сигнале; ! — пассивный ЕС-фильтр, 2 — фильтр Бесселя, 3 — фильтр Баттерворта, 4 — фильтр Чебышева числом АС-цепей по сравнению с фильтром Баттерворта. Недостатком фивы. ра Чебышева является большая, чем у фильтра Баттерворта, неравномерность фазово-частотной характеристики. Фильтр Бесселя имеет наклон переходного участка менее 20 дБ7дек при равномерности фазово-частотной характеристики.
Благодаря равномерности изменения фазы в зависимости от частоты фильтры Бесселя почти не дают выбросов при подаче ступенчатых сигналов и наиболее подходят для филю- рации сигналов прямоугольной формы. Фильтры характеризуются следующими параметрами: К вЂ” коэффициент передачи фильтра в полосе пропускания; 7" — частота среза (гранична которой К уменьшилось на 3 дБ; Лг" = 7" — 7", — ширина переходной п (формула справедлива для ФНЧ); АК- неравномерностью коэффициент дачи в полосе пропускания.
ППФ и ПЗФ характеризуются добротнос связывающую среднюю частоту полосы пропускания и ширину пол уровне ЗдБ, нли ,(А.6, О=), ((,-~,)=~~ я), прн олосы а перстью 1). осы на (13,1) где )', = Д7~ — средняя частота, а 7', и (, — нижняя и верхняя частоты 13.2. Схемиая реализация активных фильтров Для реализации фильтров используют АС-цепи„подробно описанные в главе 3 Простые КС-цепи обладают одним недостатком; их свойства зависят от нагрузки.
Поэтому необходимо дополнить ее усилителем. Придав ему функцию усиления сигнала, одновременно получают возможность свободно задавать значение коэффициента передачи. Построение фильтров на ОУ отличается включением усилителя в режиме повторителя (фильтр на источнике напряжения, управляемом напряжени- 170 среза па уровне 3 дБ. Для выполнения расчетов фильтров с учетом температурных изменений параметров компонентов известные значения чувствительности позволяют ускорить получение требуемых результатов.
При реализации фильтров, особенно высоких порядков, целесообразно применять резисторы с допуском номинала менее 1'А и конденсаторы с допуском наминала менее 2',4. Тем пе менее при этих точностях параметров компонентов необходимо использовать подстройку для получения требуемых значений средней частоты. Фильтры одного порядка любого из рассмотренных видов строятся цо обшей схеме и отличаются только значениями параметров компонентов. 'и ИНУН) или инвеРтоРа (фильтР с многоп '-""-.,~~ О(у обеспечивает необходимое усиление , '-' '~~:: "'::.„':" ..йбточника сигнала с нагрузкой, делая возмо "„--~камаз активных ФНЧ первого порядка на ус - ' ="::: -::~,'~гнверторе показаны на рис.13.6. етлевой обратной связью или в полосе пропускания и разжным регулировку и настройнлителе-повторителе и усили- а) б) ; Рхис."13.6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
