Разработка устройств телекоммуникаций на операционных усилителях

Усилитель с заданными значениями входного, выходного сопротивлений и коэффициента усиления

Разработаем усилитель, имеющий следующие параметры:

1) Входное сопротивление ;

2) Выходное сопротивление ;

3) Коэффициент усиления .

Используем схему инвертирующего усилителя 2.3.

Рис. 2.3. Схема инвертирующего усилителя

Входное сопротивление равно:

;

В соответствии с (2.2)

В соответствии с (2.3)

.

Исходя из формулы

.

Выходное сопротивление ОУ равно нулю.

Используем схему неинвертирующего усилителя.

Рис. 2.4. Схема неинвертирующего усилителя

Входное сопротивление ОУ равно бесконечности. Поэтому входное сопротивление неинвертирующего усилителя равно .

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя равен

;

Примем . Тогда , .

Сумматор

Схема сумматора на ОУ приведена на рисунке 2.5.

Рис. 2.5. Схема сумматора

Ток резистора равен . В соответствии с (4.2)

; .

Тогда .

При .

Таким образом, выходное напряжение пропорционально сумме входных напряжений.

Вычитающее устройство

Схема вычитающего устройства приведена на рисунке 2.6.

Рис. 2.6. Вычитающее устройство на ОУ

Входные сигналы должны обеспечивать на выходе ОУ амплитуды выходных сигналов, равных по величине и противоположных по знаку. Коэффициент усиления по инвертирующему входу равен , по неинвертирующему (при отсутствии резисторов ) . Видно, что модуль коэффициента усиления по неинвертирующему входу на единицу больше, чем по инвертирующему. Поэтому по неинвертирующему входу включается делитель на резисторах , коэффициент передачи которого равен

Значения резисторов должны быть выбраны таким образом, что .

Откуда .

2.2.4. Разработать схему устройства, обеспечивающего следующую зависимость между выходными и входными напряжениями:

.

Решение.

Схема обеспечивает суммирование трех сигналов с коэффициентами усиления по каждому входу .

Рис. 2.7. Сумматор трех сигналов

Выберем . Тогда

2) Разработать схемы, реализующие следующие алгоритмы

;

.

Входное сопротивление по каждому входу равно 50 Ом.

ФИЛЬТРЫ

Для выполнения практических занятий по данной теме студенты должны:

знать:

– основы расчета схем на операционных усилителях;

- основные характеристики фильтров;

уметь:

- разрабатывать устройства телекоммуникаций на ОУ.

Краткие теоретические сведения

Основные сведения о фильтрах изложены в первой части методического пособия (Ч1, п.4.7). Простые RC - фильтры нижних или верхних частот обеспечивают пологие характеристики коэффициента передачи с наклоном 6Дб/октава после точки, соответствующей значению коэффициента передачи -3 Дб. Для многих целей такие характеристики вполне подходят, особенно в тех случаях, когда сигнал, который должен быть подавлен, далеко сдвинут по частоте относительно полосы пропускания. В качестве примеров можно привести шунтирование радиочастотных сигналов в схемах усиления звуковых частот, «блокирующие» конденсаторы для устранения постоянной составляющей и разделения модулирующей и несущей частот.

Однако часто возникает необходимость в фильтрах с более пологой характеристикой в полосе пропускания и более крутыми склонами. Такая потребность существует всегда, когда надо отфильтровать сигнал от помехи близкой по частоте.

Активные фильтры можно использовать для реализации фильтров нижних (АФНЧ) и верхних (АФВЧ) частот, полосовых и полосно подавляющих фильтров, выбирая тип фильтра в зависимости от наиболее важной характеристики, таких, как максимальная равномерность усиления в полосе пропускания, крутизна переходной области характеристики или независимость времени запаздывания от частоты. Кроме того можно построить как «всепропускающие фильтры» с плоской амплитудно-частотной характеристикой. Но не стандартной фазо-частотной характеристикой (они также известны как «фазовые корректоры»), так и наоборот - фильтры с постоянным фазовым сдвигом, но с произвольной амплитудно-частотной характеристикой.

Типы фильтров нижних частот

Предположим, что требуется фильтр нижних частот с плоской характеристикой в полосе пропускания и резким перходом в полосе подавления. Окончательный же наклон характеристики в полосе задерживания всегда будет 6n дБ/октава, где n-количество «полюсов». На каждый полюс необходим один конденсатор (или катушка индуктивности), поэтому требования к окончательной скорости спада частотной характеристики фильтра, грубо говоря, определяют его сложность.Теперь предположим, что мы решили использовать 6-полюсный фильтр нижних частот. Нам гарантирован окончательный спад характеристики на высоких частотах 36 дБ/октава. В свою очередь теперь можно оптимизировать схему фильтра в смысле обеспечения максимально плоской характеристики в полосе пропускания за счет уменьшения крутизны перехода от полосы пропускания к полосе задерживания. С другой стороны, допуская некоторую неравномерность характеристики в полосе пропускания, можно добиться более крутого перехода от полосы пропускания к полосе задерживания. Третий критерий, который может оказаться также важным, описывает способность фильтра пропускать сигналы со спектром, лежащим в полосе пропускания, без искажений их формы, вызываемых фазовыми сдвигами. Можно также интересоваться временем нарастания, выбросом и временем установления. Известны методы проектирования фильтров, пригодные для оптимизации любой из этих характеристик или их комбинации. Действительно разумный выбор фильтра происходит не так, как описано выше; как правило, сначала задаются требуемая равномерность характеристики в полосе пропускания и необходимое затухание на некоторой частоте вне полосы пропускания и некоторые другие параметры. После этого выбирается наиболее подходящая схема с количеством полюсов, достаточным для того, чтобы удовлетворялись все эти требования. Имеется три наиболее популярных схемы фильтров, а именно фильтр Баттерворта (максимально плоская характеристика в полосе пропускания), фильтр Чебышева (наиболее крутой переход от полосы пропускания к полосе подавления) и фильтр Бесселя (максимально плоская характеристика времени запаздывания). Любой из этих типов фильтров можно реализовать с помощью различных схем фильтров. Все они разным образом годятся для построения фильтров верхних и нижних частот, а так же полосовых фильтров.

Фильтры Баттерворта и Чебышева

Фильтр Баттерворта обеспечивает наиболее плоскую характеристику в полосе пропускания, что достигается ценой плавности характеристики в переходной области, т.е. между полосами пропускания и задерживания. Его амплитудно-частотная характеристика задаётся следующей формулой:

,

где n - определяет порядок фильтра (число полюсов). Увеличение числа полюсов дает возможность увеличить крутизну спада от полосы пропускания к полосе подавления.

Выбирая фильтр Баттерворта мы ради плоской характеристики поступаемся всем остальным. Его характеристика идет горизонтально, начиная от нулевой частоты, перегиб ее начинается на частоте среза f_C - эта частота обычно соответствует точке -3 дБ.

В большинстве применений самым существенным обстоятельством является то, что неравномерность характеристики в полосе пропускания недолжна превышать некоторой величины, скажем 1 дБ. Фильтр Чебышева отвечает этому требованию, при этом допускается некоторая неравномерность характеристики по всей полосе пропускания, но при этом сильно увеличивается крутизна АЧХ. Для фильтра Чебышева задают число полюсов и неравномерность в полосе пропускания. Допуская увеличение неравномерности в полосе пропускания., получаем более острый излом. Амплитудная характеристика этого фильтра описывается уравнением:

,

где Сn - полином Чебышева первого рода степени n, а e - константа, определяющая неравномерность характеристики в полосе её пропускания. Фильтр Чебышева, как и фильтр Баттерворта имеет фазо-частотные характеристики далекие от идеальных.

На самом деле фильтр Баттерворта с максимально плоской характеристикой в полосе пропускания не так привлекателен, как это может показаться, поскольку в любом случае приходится мириться с некоторой неравномерностью характеристики в полосе пропускания (для фильтра Баттерворта это будет постепенное понижение характеристики при приближении к частоте fc, а для фильтра Чебышева - пульсации, распределенные по всей полосе пропускания). Кроме того, активные фильтры, построенные из элементов, номиналы которых имеют некоторый допуск, будут обладать характеристикой, отличающейся от расчетной, а это значит, что в действительности на характеристике фильтра Баттерворта всегда будет иметь место некоторая неравномерность в полосе пропускания.

В свете вышеизложенного весьма рациональной структурой является фильтр Чебышева. Иногда его называют равноволновым фильтром, так как его характеристика в области перехода имеет большую крутизну за счет того, что в полосе пропускания распределено несколько равновеликих пульсаций, число которых возрастает вместе с порядком фильтра. Даже при сравнительно малых пульсациях (порядка 0,1дБ ) фильтр Чебышева обеспечивает намного большую крутизну характеристики в переходной области, чем фильтр Баттерворта. Чтобы выразить эту разницу количественно, предположим, что требуется фильтр с неравномерностью характеристики в полосе пропускания не более 0,1 дБ и затуханием на частоте, отличающейся на 25% от граничной частоты пропускания. Расчет показывает, что в этом случае требуется 19-полюсной фильтр Баттерворта или всего лишь 8-полюсный фильтр Чебышева.

Расчет фильтров