Курсовая работа: Проектирование активного RC-фильтра нижних частот с ограниченной полосой пропускания
Требования к частотной характеристике фильтра.
Для LC - фильтров они определяются неравномерностью затухания в полосе пропускания и величиной относительного затухания в полосе задерживания. Поскольку в активных RС-фильтрах существует усиление сигнала в полосе пропускания, то для них можно говорить о неравномерности усиления в полосе пропускания и относительном усилении в полосе задерживания. Однако здесь используется традиционная терминология.
Входное и выходное сопротивления фильтра .
Применение активных элементов в фильтрах позволяет развязать фильтр со стороны входа и выхода без дополнительных схемных элементов. При этом, в отличие от LC-филыров, входное и выходное сопротивления могут иметь чисто активный характер, т. е. не зависеть практически от частоты, как в полосе пропускания, так и в полосе задерживания. Каскадное включение звеньев производится не по принципу согласования (равенства входного и выходного сопротивлений стыкуемых звеньев), а соединением низкоомного выходного сопротивления с высокоомным входным и наоборот.
Условия параллельной работы фильтров.
В случае активных RC-фильтров упрощаются условия параллельной работы. Поскольку фильтры с управлением по напряжению имеют большое входное сопротивление, то они должны применяться для параллельной работы со стороны входа, источником сигнала при этом должен быть генератор напряжения. Для параллельной работы со стороны выхода целесообразно использовать фильтры с управлением по току, которые имеют высокое выходное сопротивление, сопротивление нагрузки при этом должно быть значительно меньше высокоомного выходного сопротивления фильтра.
Динамические диапазон и нелинейные искажения .
При использовании активных RC-фильтров эти характеристики, по сравнению с LC-фильтрами, требуют к себе значительно большего внимания. Динамический диапазон сигналов ограничивается снизу уровнем шумов и наводок. Верхняя граница динамического диапазона зависит от типа транзистора, его режима и схемного исполнения активного элемента. В этом отношении схемы активных элементов, построенные на основе эмиттерных повторителей, обладают известными преимуществами по сравнению с усилителями тока.
Основным источником нелинейных искажений в активных RC - фильтрах являются активные элементы, построенные на основе усилителей. Поэтому в последних при высоких требованиях по нелинейности должна применяться отрицательная обратная связь.
Источники питания.
Реализация некоторых характеристик в активных RС-фильтрах накладывает специфические требования на источники питания их активных элементов. Условия стыковки по постоянному току определяют количество и полярность источников питания, а динамический диапазон — величину питающего напряжения. Кроме того, повышаются требования в отношении пульсации питающего напряжения, которые могут усиливаться в отдельных звеньях, представляя значительную помеху. Необходимо обратить внимание на внутреннее сопротивление источника питания, так как большая величина его может служить причиной недостаточного затухания в полосе задерживания фильтра.
Порядок расчета и соображения по методике настройки активных фильтров
При окончательном расчете активного RС-фильтра с целью получения практической схемы приходится учитывать большое количество факторов, которые часто противоречат друг другу. Поэтому процесс проектирования фильтра имеет несколько итеративный характер. Однако можно выделить основные этапы в расчете фильтра
Аппроксимация заданной амплитудно-частотной характеристики.
Задачей аппроксимации является определение функции передачи фильтра в виде сомножителей 1 и 2-го порядков, а именно коэффициентов b1 , b2 , br при комплексной переменной р.
Порядок п аппроксимирующей функции фильтра НЧ определяется по заданному затуханию в полосе задерживания и неравномерности передачи в полосе пропускания в зависимости от вида аппроксимации.
В заключение определяются добротности звеньев 2-го порядка и рассчитываются координаты контрольных точек характеристик соответствующих типов фильтров. По этим точкам в дальнейшем осуществляется настройка звеньев фильтра.
Выбор активного элемента и вида фильтра.
Выбор типа активного элемента определяет вид фильтра и является поэтому одним из основных этапов расчета.
Если по заданию должна обеспечиваться параллельная работа со стороны входа, то необходимо использовать фильтры с управлением по напряжению (например, фильтры на основе единичных усилителей напряжения); при параллельной работе со стороны выхода целесообразно применять фильтры с управлением по току.
Вид фильтра может определяться характером источника сигнала, а также условиями нагрузки. Низкое сопротивление источника сигнала и большое сопротивление нагрузки требуют фильтров с управлением по напряжению, а высокоомный источник сигнала и малое сопротивление нагрузки — фильтров с управлением по току. При других комбинациях условий источника сигнала и нагрузки возможно построение фильтра смешанного вида из каскадного соединения соответствующих звеньев.
При сравнительно большом динамическом диапазоне и большой величине входного сигнала преимущество имеют фильтры, активный элемент которых построен на основе эмиттерного повторителя, ибо в других схемах выполнение этих требований достигается более сложным путем.
Единичные усилители тока и напряжения (с ограниченным коэффициентом усиления) предпочтительнее других активных элементов в силу их относительной простоты, минимального числа транзисторов и достаточной стабильности (при использовании внутренней отрицательной обратной связи). Однако для построения высокодобротных звеньев эта стабильность может оказаться недостаточной, что вызовет необходимость применения звеньев с более сложными активными элементами — операционным усилителем или гиратором, где имеется возможность более стабильной реализации
После определения вида фильтра необходимо произвести выбор активных элементов для каждого звена в зависимости от его добротности, которая для многих видов звеньев определяет чувствительность реализуемой характеристики к нестабильности элементов фильтра. Для звеньев с добротностью Q<3 можно применять простейшие однотранзисторные усилители тока и напряжения. Двухтранзисторные усилители и конверторы отрицательного сопротивления могут, как правило, применяться при добротностях Q <30 – 40. Для более высокодобротных звеньев необходимо применять гираторы или операционные усилители.
Вопрос об использовании германиевых или кремниевых транзисторов в активных элементах решается в зависимости от температурных условий работы Однако, если есть возможность уменьшить сопротивления смещения (являющиеся одновременно «смысловыми» элементами фильтра) в достаточной для температурной стабилизации мере, то следует применять германиевые транзисторы, которые обеспечивают лучшее приближение параметров активных элементов к идеальным значениям.
Для выбранных активных элементов определяются параметры, особенно сопротивление, которое одновременно является «смысловым» элементом звена фильтра Обычно относительно этого сопротивления осуществляется нормирование величин элементов звена.
Оптимизация чувствительности.
Расчет соотношения величин элементов с целью оптимизации чувствительности проводится, как изложено в соответствующих разделах реализации. В случае одинаковых активных элементов оптимизацию имеет смысл проводить только для самого высокодобротного (а значит и самого нестабильного) звена.
Для низкодобротных звеньев нет необходимости проводить подобный расчет.
Порядок каскадного построения фильтра.