Лабораторная работа № 5. Моделирование ARC-фильтров на операционных усилителях

5.1. Цели работы:

– освоить расчет и моделирование активного ФНЧ или ПФ на операционных усилителях (ОУ);

– оценить изменение АЧХ фильтров при замене ОУ или разбросе величин элементов.

Для того чтобы рассчитать ФНЧ или ПФ на операционных усилителях, передаточную характеристику фильтра обычно представляют как произведение передаточных характеристик порядка не выше второго, каждая из которых может быть создана звеном, содержащим один или несколько ОУ и RC-элементы.

Например, функция передачи ФНЧ Баттерворта «n -го» порядка может быть представлена следующим образом:

(5.1)

где k = n/ 2 при n четном и k = (n –1)/2 при n нечетном; b ₁, … b_i, … b_k, коэффициенты, величины которых зависят от порядка «n»функции ФНЧ.

Примеры сомножителей аппроксимации по Баттерворту приведены в таблице 5.1 [4].

Таблица 5.1

n	Сомножители полиномиальной аппроксимации по Баттерворту
	p + 1
	p 2 +1, 4142 p + 1
	(p +1)(p 2 + p +1)
	(p 2 +0, 7654 p +1)(p 2 +1, 8478 p + 1)
	(p + 1)(p 2 +0, 6180 p +1)(p 2 +1, 6180 p + 1)
	(p 2 +0, 5176 p +1)(p 2 +1, 4142 p + 1) (p 2 +1, 9319 p +1)
	(p +1) (p 2 +0, 4450 p +1)(p 2 +1, 2470 p + 1) (p 2 +1, 8019 p +1)
	(p 2 +0, 3902 p +1)(p 2 +1, 1111 p + 1) (p 2 +1, 6629 p +1) (p 2 +1, 9616 p +1)
	(p +1) (p 2 +0, 3473 p +1)(p 2 + p + 1) (p 2 +1, 5321 p +1) (p 2 +1, 8794 p +1)
	(p 2+0, 3129 p +1)(p 2+0, 9080 p +1) (p 2+1, 4142 p +1)(p 2+1, 7820 p +1)(p 2+1, 9754 p +1)

Как следует из табл. 5.1, во все функции нечетного порядка (n = 1, 3, 5, 7, 9), помимо сомножителей второго порядка, входит сомножитель первого порядка, например:

(5.2)

Здесь b ₁ = 0, 3473; b ₂ = 1; b ₃ = 1, 5321; b ₄ = 1, 8794.

В функции ФНЧ четного порядка сомножители первого порядка не входят.

АЧХ фильтра девятого порядка (5.2) может быть записана следующим образом:

(5.3)

где: 0, 12 = ; 1 = ; 2, 347 = ; 3, 532 = — коэффициенты при вторых степенях частоты под радикалами,

— нормированная частота,

— частота среза фильтра.

АЧХ фильтра девятого порядка и АЧХ его сомножителей представлены на рис. 5.3.

Передаточная характеристика сомножителя первого порядка реализуется интегрирующим звеном.

Рис. 5.1. Реализация сомножителя первого порядка (интегрирующее звено)

; (5.4)

; (5.5)

. (5.6)

Передаточная характеристика сомножителя второго порядка реализуется звеном активного RC-фильтра с многопетлевой ОС.

Рис. 5.2. Реализация сомножителя второго порядка (ФНЧ с многопетлевой ОС)

; (5.7)

; (5.8)

; (5.9)

. (5.10)

Рис. 5.3. АЧХ ФНЧ девятого порядка (жирная кривая) и АЧХ сомножителей

Если при расчете ФНЧ порядка выше третьего выбрать значения емкостей С 2 в звеньях второго порядка одинаковыми С 2₁ =... С 2 _i = С 2 _k = = С, например, С = 1 нФ (или 2, 3, 4, 5 и т. д.), а коэффициент усиления |K| = 1, тогда значения емкостей C 1 _i, резисторов R 1 _i = R 2 _i и R 3 _i рассчитывают по формулам [2]:

; (5.11)

; (5.12)

. (5.13)

Расчет элементов интегрирующего звена легко выполняется по соотношениям (5.4), (5.5), (5.6).

Пример схемы фильтра девятого порядка приведен на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Пример составления схемы фильтра девятого порядка

5.2. Задание.

5.2.1. Выполняется при подготовке:

Получить у преподавателя номер задания. Начертить схему фильтра и рассчитать значения элементов по данным из таблицы 5.2.

Рассчитать и изобразить ожидаемый вид частотной зависимости напряжения на выходе фильтра U _Н, а также частотные зависимости характеристик сомножителей.

Таблица 5.2

5.2.2. Выполняется в лаборатории:

Создать новый проект в подпапке lab5. Изобразить на поле OrCAD рассчитанную схему. Выполнить анализ ее частотных характеристик. Последовательность действий аналогична действиям, описанным в лабораторной работе № 1.

При реализации звеньев сомножителей фильтра использовать ОУ типа MAX4100ESA/MXM из библиотеки MAXIM.

Заменить ОУ в первом звене второго порядка на ОУ с меньшей граничной частотой – MAX407CPA/MXM. Выполнить анализ АЧХ фильтра и объяснить ее изменения.

5.3. Содержание отчета:

1. Принципиальная схема фильтра.

2. Прогнозируемый вид частотной характеристики.

3. Частотные характеристики, построенные в ходе моделирования.

4. Частотная характеристика фильтра после замены ОУ первого звена второго порядка.

5. Краткие выводы по результатам работы.

5.4. Контрольные задания:

1. Вывести передаточную характеристику интегрирующего звена.

2. В интегрирующем звене установлены следующие элементы: R 1 = 1 кОм, R 2 = 1 кОм, С = 10 нФ. Рассчитать значения К и f _СР.

3. Рассчитать и изобразить ожидаемую АЧХ звена второго порядка, если значение коэффициента b_i = 1. В фильтрах какого порядка имеются звеньяс такими коэффициентами?

4. Вычислить значения элементов (С 1, R 1, R 2, R 3)звена с коэффициентом b_i = 1 для заданных: f _СР =15, 9 кГц; С = 1 нФ; К = 1.

5. Объяснить понятие «нормированной частоты» W.

6. Вывести соотношение для коэффициента передачи звена второго порядка на нулевой частоте.

Список литературы

1. Ханзел Г. Е. Справочник по расчету фильтров. США, 1969. Пер. с англ., под ред. А. Е. Знаменского. М.: Сов. радио, 1974. 288 с.

2. Пейтон А. Дж., Волш. В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. М.: БИНОМ, 1994. 352 с.

3. Джонсон Д., Джонсон Дж., Мур Г. Справочник по активным фильтрам. М.: Энергоатомиздат, 1983.

4. Знаменский А. Е., Теплюк И. Н. Активные RC-фильтры. М.: Связь. 1970. 280 с.

5. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: учеб. пособие / Б. В. Гусев. Екатеринбург: УГТУ–УПИ, 2002. 138 с.

6. Проектирование радиопередающих устройств: учеб. пособие для вузов / В. В. Шахгильдян, В. В. Власов, В. Б. Козырев и др.; под ред. В. В. Шахгильдяна. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1993. 512 с.

7. Белецкий А. Ф. Основы теории линейных электрических цепей. М.: Связь. 1967. 608 с.

8. Нефедов А. В., Гордеева В. И. Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги: справочник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1985. 288 с.

9. https://www.cadence.com/products/orcad.

Учебное издание

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
В ORCAD 9.1

Составители: Гусев Борис Владимирович

Лагунов Евгений Владимирович

Редактор В. И. Новикова

Компьютерный набор авторский

Подписано в печать __.__.2010. Формат 60x84 1/16.

Бумага писчая. Плоская печать. Усл. печ. л. 1, 86

Уч.-изд. л. 1, 6 Тираж 100 экз. Заказ

Редакционно-издательский отдел УрФУ

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

rio@mail.ustu.ru