Фильтры на операционных усилителях (активные фильтры)

Фильтры используют для получения схем с заданными частотными характеристиками. По полосе пропускаемых частот различают четыре основных группы фильтров: нижних частот, верхних частот, полосовые и заграждающие. Фильтры нижних частот препятствуют пропусканию сигналов, частота которых выше заданного значения. Фильтры верхних частот пропускают только те сигналы, частота которых выше некоторого заданного значения. Полосовые фильтры пропускают только сигналы с частотами из определенного диапазона. Заграждающие фильтры не пропускают сигналы с определенным спектром частот. Основной характеристикой фильтров является частотная характеристика.

Существует много способов схемных реализаций активных фильтров. Все они имеют одно общее свойство: их трудно рассчитывать. Ниже приводится три часто применяемые схемы активных фильтров. Основной целью моделирования является построение их частотных характеристик.

Задание 5. Запустите редактор Capture и начертите схему, представленную на рис.6. Задайте значения: R1=22k, R2=24k, R3=47k, R4=12k, а для конденсаторов C1=10n, C2=45n. Напряжения для источников питания: V2 – -12V, V3 – +12V. Для источника входного синусоидального напряжения V1 отредактируйте значения свойств: AC=0.01; VOFF=0; VAMPL=20mV; FREQ=1kHz; TD=0; DF=0; PHASE=0. Заметим, что в анализе типа AC Sweep используется только амплитуда AC=0.01, а значения остальных свойств игнорируются.

Создайте профиль моделирования AC Sweep со следующими параметрами: введите в поле Start Frequency (Начальная частота): 10Hz, в поле End Frequency (Конечная частота): 2kHz, а в поле Points/Decade (Число точек на декаду): 1000. Поля в разделе Noise Analysis оставьте незаполненными, так как в данный момент не проводится анализ шумовых характеристик. Сохраните созданный профиль.

Запустите процесс моделирования, по окончанию которого отобразите частотную характеристику, т. е. зависимость V(U1:out) от частоты и занесите её в отчет. Проанализируйте полученную частотную характеристику.

Сохраните проект в папке Zadanie5.

Рис. 6. Схема фильтра низких частот.

Задание 6. Запустите редактор Capture и начертите схему, представленную на рис.7. Задайте значения: R1=29k, R2=8.8k, R3=4.7k, R4=1.2k, а для конденсаторов C1=10n, C2=10n. Напряжения для источников питания: V2 – -12V, V3– +12V. Для источника входного синусоидального напряжения V1 отредактируйте значения свойств: AC=0.01; VOFF=0; VAMPL=20mV; FREQ=1kHz; TD=0; DF=0; PHASE=0. Заметим, что в анализе типа AC Sweep используется только амплитуда AC=0.01, а значения остальных свойств игнорируются.

Создайте профиль моделирования AC Sweep со следующими параметрами: введите в поле Start Frequency (Начальная частота): 100Hz, в поле End Frequency (Конечная частота): 20kHz, а в поле Points/Decade (Число точек на декаду): 1000. Поля в разделе Noise Analysis оставьте незаполненными, так как в данный момент не проводится анализ шумовых характеристик. Сохраните созданный профиль.

Запустите процесс моделирования, по окончанию которого отобразите частотную характеристику, т.е. зависимость V(U1:out) от частоты и занесите её в отчет. Проанализируйте полученную частотную характеристику.

Сохраните проект в папке Zadanie6.

Рис. 7. Схема фильтра высоких частот.

Задание 7. На рис. 8 приведена схема универсального фильтра. В зависимости от того какое место схемы определяется в качестве выхода, он работает как фильтр верхних частот или как полосовой фильтр. Обратите внимание, что резисторы, определяющие частотный диапазон, имеют одинаковое значение 15kOm и все конденсаторы имеют одинаковую емкость 10nF.

Запустите редактор Capture и начертите схему, представленную на рис. 8 и задайте значения всем компонентам согласно этой схеме. Задайте напряжения для источников питания: V2 – -15V, V3– +15V. Для источника входного синусоидального напряжения V1 отредактируйте значения свойств: AC=0.01; VOFF=0; VAMPL=10mV; FREQ=1kHz; TD=0; DF=0; PHASE=0. Заметим, что в анализе типа AC Sweep используется только амплитуда AC=0.01, а значения остальных свойств игнорируются.

Создайте профиль моделирования AC Sweep со следующими параметрами: введите в поле Start Frequency (Начальная частота): 10Hz, в поле End Frequency (Конечная частота): 100kHz, а в поле Points/Decade (Число точек на декаду): 1000. Поля в разделе Noise Analysis оставьте незаполненными, так как в данный момент не проводится анализ шумовых характеристик. Сохраните созданный профиль.

Запустите процесс моделирования, по окончанию которого отобразите частотные характеристики, т.е. зависимость напряжения полосового фильтра V(U2:out) от частоты, зависимость напряжения фильтра верхних частот V(U3:out) и занесите их в отчет. Проанализируйте полученные частотные характеристики, которые для наглядности приведены на рис. 8.а.

Рис. 8. Схема универсального фильтра.

Рис. 8.а. Частотные характеристики полосового фильтра V(U2:out)

и фильтра верхних частот V(U3:out).

Сохраните проект в папке Zadanie7.

Выполнение работы

3.1. Включить ПК и запустить OrCad Capture.

3.2. Последовательно выполните задания 1,..,7, сохраняя проекты соответственно в папках Zadanie1,..,Zadanie7.

Форма отчетности

Отчет должен содержать:

4.1. Цель работы и основные положения по пункту 2.1.

4.2. При выполнении каждого задания приведите перечисленные в условии: моделируемую схему, диаграммы напряжений, результаты расчетов.

5. Контрольные вопросы

1. Какими параметрами операционного усилителя определяются реализуемые функции каждой из приведенных схем?

2. Приведите схемы и формулы для выходных напряжений инвертора и сумматора.

3. Приведите формулу для выходного напряжения интегратора. Как изменить масштаб интегрирования во времени?

4. Перечислите четыре группы фильтров на операционных усилителях и поясните их назначение.

Литература

1. Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE / пер. с нем. М.: ДМК Пресс, 2008. – 336 с.: ил.

2. Бриндли К., Карр Дж. Карманный справочник инженера электронной техники / Пер. с англ. 2-е изд., стер. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. – 480 с.: ил.