Активные полосовые фильтры в сравнении с пассивными имеют существенные преимущества, особенно на низкой частоте, поскольку позволяют отказаться от катушек, имеющих в этой частотной области большие габариты, да и по многим другим характеристикам далеких от идеальных. Высокой устойчивостью и стабильностью обладает активный биквадратный фильтр, позволяющий в режиме полосового фильтра получать значение добротности, превышающее 100. Типовая схема такого фильтра, построенного на операционных усилителях, показана на рис. 1.

Полосовой фильтр на инверторах КМОП

В биквадратном фильтре суммирующий интегратор вычитает из входного выходное напряжение фильтра нижних частот (они сдвинуты по фазе на 180 град.)- На частоте, находящейся ниже переходного участка, эти сигналы взаимно компенсируются и выходной сигнал значительно ослаблен. Когда она, увеличиваясь, выходит на переходной участок, уменьшающийся выходной сигнал интегратора уже не компенсирует входной, поэтому на выходе фильтра уровень сигнала возрастает. При дальнейшем увеличении частоты спад частотной характеристики интегратора обеспечивает ослабление выходного сигнала и завершает формирование частотной характеристики полосового фильтра.

Недостаток биквадратного фильтра - повышенное число активных элементов. Перспективным в этих условиях можно считать применение в качестве активных элементов инверторов КМОП, которые могут работать в линейном режиме и имеют перед операционными усилителями ряд преимуществ, например, отсутствие склонности к самовозбуждению, повышенная рабочая частота. Да и стоимость, как правило, оказывается ниже.

Из недостатков рассмотренных активных элементов отметим их небольшое усиление (30...50 дБ). Однако, учитывая, что биквадратные фильтры не предъявляют высоких требований к усилению, этот недостаток - не препятствие для применения инверторов КМОП в качестве активных элементов.

Одна из наиболее распространенных микросхем структуры КМОП - К561ЛН2 - содержит в одном корпусе шесть инверторов, что позволяет построить полосовой фильтр четвертого порядка. Схема подобного фильтра, полученная каскадным соединением двух фильтров второго порядка, изображен на рис. 2.

Полосовой фильтр на инверторах КМОП

Легко видеть, что оба фильтра второго порядка идентичны и по структуре аналогичны типовому фильтру на ОУ (см. рис. 1). В фильтре предусмотрены два выхода, сигналы на которых противофазны.

Ток, потребляемый фильтром, устанавливают подборкой резистора R13. При этом напряжение питания может изменяться в пределах 5...15 В. При уменьшении тока питания увеличивается усиление активных элементов фильтра, но ухудшаются их частотные свойства и увеличивается выходное сопротивление. Оптимальным следует считать потребляемый ток в пределах 0,5...2мА.

При указанных на схеме номиналах фильтр имеет центральную частоту fo=1000 Гц, полосу пропускания Δf=100 Гц, коэффициент передачи Кп=10. Для других параметров фильтр можно рассчитать по следующей методике.

Положим для входного звена С2=C3=С и R3=R4=R5=R. Рассчитаем R, R1 и R2: R=1/(2πf0∙C); R1=Q/(2π∙f0∙C)∙√Кп; R2=Q/(2πf0∙C); Q=f0/Δf', где Δf'=Δf/v2-n, где Q - добротность фильтра; n - число каскадно соединенных звеньев второго порядка.

Фильтр допускает независимую подстройку параметров, если она необходима. Так, центральную частоту fo входного звена можно корректировать подборкой резистора R3, добротность Q - R2, коэффициент передачи Кп - R1.

Рабочая частота фильтра, построенного на инверторах микросхемы К561ЛН2, может достигать сотен килогерц. Применение аналогичных микросхем серий КР1564, 74АС, 74НС позволит увеличить рабочую частоту в 10...15 раз.

Одна из особенностей рассмотренного фильтра состоит в том, что ширина полосы пропускания при изменении центральной частоты остается неизменной. Кроме этого, при R1=R3 коэффициент усиления звена определяется отношением R2/R1. Входное сопротивление звена - более сопротивления резистора R1, выходное - 10... 15 кОм. Конечное усиление активных элементов может привести к некоторому увеличению добротности по сравнению с расчетным значением.

Результаты макетирования подтвердили простоту регулирования фильтра, хорошее соответствие реальных характеристик расчетным и их высокую стабильность.

Литература

Фолкенбери Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС (пер. с англ.). - М. Мир, 1986, 598 с.

Автор: Д.Онышко, г.Новочеркасск Ростовской обл.

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить

Навигация

Инструкции по эксплуатации

Copyright © 2017 Электрические принципиальные схемы.