Проектирование и исследование

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ

АКТИВНОГО ФИЛЬТРА НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ.

Задание

1. Получить у преподавателя номер варианта, в соответствии с номером варианта выбрать исходные данные для проекта (Приложение 1) и сформировать техническое задание на проект.

2. Исходя из технического задания и принимая во внимание стоимость

микросхемы, выбрать модель операционного усилителя. При выборе ОУ при-

нять во внимания данные, указанные в технической документации (datasheet) на микросхему*. При прочих равных условиях следует выбирать

малопотребляющие, с низким дрейфом нуля и входным током, с низким тем-

пературным дрейфом*.

3. Произвести расчет схемы по известным соотношениям, полученные

номиналы округлить до соответствия номиналам компонентов выпускае-

мых промышленностью (для резисторов ряд с отклонением 5% (Е24), для

конденсаторов ряд с отклонением 10% (Е12)*, построить АЧХ, ФЧХ и пере-

ходную характеристику* схемы, рассчитать с помощью метода малых

приращений коэффициенты чувствительности характеристик схемы (ко-

эффициент передачи в полосе пропускания, частоты среза и резонанса, ши-

рина полосы пропускания) к изменению номиналов пассивных компонентов,

найти компоненты с максимальной чувствительностью *.

4. Ввести схему ЭВМ и получить основные зависимости и параметры,

характеризующие ее работу.

4.1. Получить АЧХ, ФЧХ, переходную и импульсную характеристи-

ку*, эпюры синусоидального напряжения на входе и выходе схемы, ча-

стоты при этом выбрать таким образом, чтобы продемонстрировать ра-

боту схемы во всем частотном диапазоне (от 3 до 5 частот), проанали-

зировать характеристики на их взаимное соответствие и соответствие

техническому заданию, зафиксировать время переходного процесса,

время задержки и нарастания*, частоты среза, резонанса, ширину по-

лосы пропускания, коэффициент передачи, крутизну спада, оценить

линейность в полосе пропускания.

4.2. Произвести анализ шумов и получить зависимость напряжения вы-

ходного шума от частоты, получить зависимость отношения сиг-

нал/шум от частоты.

4.3. Получить АЧХ, переходные характеристики и зависимости выход-

ного шума от частоты для различных температур из рабочего диапазо-

на (обязательно для крайних значений и комнатной температуры (но-

минальная характеристика)), получить зависимость коэффициента

передачи, ширины полосы пропускания и характерных частот от

температуры*; получить зависимость отношения сигнал/шум от

температуры*.

5. Проанализировать влияние разброса параметров элементов на работоспособность устройства.

5.1. С помощью метода малых отклонений произвести анализ чувствительности характеристик схемы (коэффициент передачи в полосе

пропускания, частоты среза и резонанса) к разбросу номиналов пассивных компонентов, найти элементы с максимальной чувствительностью.

5.2. Выполнить вероятностный анализ Монте-Карло и расчет на

наихудший случай для АЧХ. Построить гистограммы распределения

основных параметров фильтра.

6. Выполнить параметрическую оптимизацию: рассчитать номиналы

пассивных компонентов схемы средствами OrCAD. Построить АЧХ каскада с оптимизированными параметрами, и зафиксировать основные параметры фильтра.

7. Составить общий вывод, включающий основные результаты прове-

денных исследований, заключение о работоспособности устройства в раз-личных условиях и рекомендации по улучшению технических характеристик фильтра и обеспечению работоспособности.

8. Оформить ОТЧЕТ

**Использовать любые программные средства для проведения автоматизированного проектирования и инженерных расчетов.

1. Рекомендации по выполнению пунктов задания

Пункт 1. Получить у преподавателя номер варианта, в соответствии с

номером варианта выбрать исходные данные для проекта (Приложение 1) и

сформировать техническое задание на проект.

Техническое задание на проект должно включать следующие данные:

● наименование проектируемого устройства (тип фильтра);

● технические и эксплуатационные требования:

– амплитуда входного сигнала;

– амплитуда выходного сигнала;

– коэффициент усиления;

– допустимая неравномерность коэффициента передачи в полосе

пропускания;

– допустимое отклонение частот среза и резонанса;

– диапазон рабочих температур.

Пункт 2. Исходя из технического задания и принимая во внимание

стоимость микросхемы, выбрать модель операционного усилителя.

При выборе ОУ принять во внимания данные, указанные в технической

документации (datasheet) на микросхему*. При прочих равных условиях сле-

дует выбирать малопотребляющие, с низким дрейфом нуля и входным то-

ком, с низким температурным дрейфом*.

В качестве основного узла фильтра – ОУ предлагается использовать

микросхемы фирмы Analog Devices. Выбор ОУ произвести по табл. П.6. В

первую очередь следует ориентироваться на:

● амплитуду выходного сигнала – не должна превышать напряжение

питания в противном случае сигнал будет искажаться;

● частоту единичного усиления – как правило, должна быть на три-

четыре порядка выше верхней частоты фильтра.

Поскольку в задание на проект не оговорен ряд технических характе-

ристик фильтра, другие параметры ОУ (дрейф, смещение, цена и т.д.) следу-

ет считать второстепенными, но при выборе ОУ руководствоваться рекомен-

дациям задания п.2.

Выполнение дополнительных заданий подразумевает обоснование вы-

бора ОУ в соответствии с рекомендациями

Наиболее актуальная информация по ОУ Analog Devices размещается

на сайте фирмы по адресу http://www.analog.com/ru/index.html. Размещенный

на сайте каталог обеспечивает параметрический поиск компонентов, что зна-

чительно облегчает подбор ОУ.__

2.2. Некоторые определения и теоретические сведения

Об активных фильтрах

Коэффициент затуханияопределяет форму характеристики на пере-

ходном участке и вид выброса вблизи переходного участка. Таким образом,

коэффициент затухания определяет форму частотной характеристики, т.е. его

тип. Так, фильтр Баттерворта второго порядка имеет коэффициент затухания

, равный 1.414, а фильтр Чебышева второго порядка с неравномерностью

3 дБ имеет a = 0.766 .

Одна и та же схема в зависимости от выбора значений ее компонентов

может действовать как фильтр Бесселя, фильтр Баттерворта или фильтр Че-

бышева, и форма частотной характеристики фильтра определяется коэффи-

циентом затухания.

Добротностьсвязывает среднюю частоту полосы пропускания и ее

ширину на уровне 3 дБ. Численно добротность равна

Qo = fo/(f2 – f1),

где fo – средняя частота, f1 и f2 – нижняя и верхняя частота среза на уровне 3 дБ.

Для активных фильтров Q =1/α .

Чувствительностьюодного из параметров фильтра по отношению к

другому его параметру называется отношение величины изменения первого

параметра к величине изменения второго, если изменение второго параметра

вызвало изменение первого. Например, равенство

S _R1^ω = - 0,5, где

где ω₀ = 2π f₀ – средняя частота, а R1– сопротивление резистора в схеме активного фильтра, показывает, что, если ω ₀ уменьшается на 0,5% если R1увеличивается на 1%.

Часто приходиться рассчитывать чувствительность таких параметров

фильтров, как f ср, ω₀ ,α , Q . Соответствующие вычисления необходимо вы-

полнять, если предполагается использовать фильтр в широком диапазоне

внешних температур или если параметры компонентов имеют большой раз-

брос.__

Список литературы

1. Опадчий Ю. Ф. Аналоговая и цифровая электроника: Полный курс:

учебник для вузов / Ю. Ф. Опадчий, А. И. Гуров; ред. О. П. Глудкин. – М.: Горячая линия-Телеком, 2000. – 768 с.

2. Павлов В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб-

ник для вузов / В. Н. Павлов, В. Н. Ногин. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005. –320 с.

3. Пейтон А. Дж. Аналоговая электроника на операционных усилите-

лях / А. Дж. Пейтон, В. Волш; пер. с англ. В. Л. Григорьева, под ред.

А. П. Молодяну. – М.: БИНОМ, 1994. – 352 с.

4. Титце У. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. В 2 т. Т.2. /

У. Титце, К. Шенк; под ред. А. Г. Алексеенко. – М.: ДМК Пресс, 2008. –

832 с.

5. Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линей-

ных ИС: пер. с англ. / Л. Фолкенберри; пер. с англ. Л. М. Наймарка, под ред.

М. В. Гальперина. – М.: Мир, 1985. – 572 с.

6. Хьюлсман Л. П. Введение в расчет активных фильтров: пер. с

англ. / Л. П. Хьюлсман, Ф. Е. Ален; пер. с англ. Н. Н. Слепцова; под ред.

А. Е. Знаменского. – М.: Радио и связь, 1984. – 384 с.

ИСХОДНЫЕДанные

Общие указания.

Спроектировать активный фильтр второго порядка на основе операционного усилителя. Тип фильтра (ФНЧ, ФВЧ, ППФ, ПЗФ) выбрать по табл. П.1.

Тип входного сигнала – гармонический;

диапазон рабочих температур – от -40^оС до +85^оС;

Допустимые отклонения от исходных значений:

ΔK₀ ≤3 дБ неравномерность коэффициента передачи в полосе пропускания;

Δf ср≤ 5% fср , Δfo ≤ 5% fo– отклонение частот среза и резонанса.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Фирмы Analog Devices

http://www.analog.com/ru/index.html

Усилители фирмы Analog Devices сегодня – самый популярный бренд

среди высококачественных усилителей. Ни одна фирма не поставляет более

широкий выбор высококачественных усилителей для самых современных

проектов. Разработчики, которым нужны проверенные, надёжные комплек-

тующие с отличными характеристиками, обращаются к комплектующим фир-

мы Analog Devices. Это самые современные высокоскоростные, прецизион-

ные, радиочастотные, широкополосные, измерительные и другие усилители.

Список обозначений используемых в табл. П.6.

Vos– напряжение смещения нуля ОУ (чем меньше, тем ОУ точнее, и

дороже);

-3dB Bandwidth– частота единичного усиления (в отечественных

справочниках – частота среза);

Slew Rate– скорость нарастания выходного напряжения (характеризу-

ет быстродействие ОУ);

Ib– входной ток при отсутствии сигнала (в отечественных справочни-

ках – входной ток смещения, раньше обычно составлял наноамперы сейчас

до фемтоампер (10-15));

Rail-Rail Out –возможность ОУ работать с сигналами, равными раз-

маху напряжения питания (rail-to-rail);

Vcc-Vee Supply (V) –размах минимального и максимального напряже-

ния питания (в таблице стоит “2.7 to 6”: если питание однополярное, зна-

чит минимальное допустимое однополярное напряжение питания – 2.7 В, а

максимальное – 6 В, в случае двухполярного питания – ± 1.35 В и ± 3 В соот-

ветственно. !!!ОУ может и не допускать применение однополярного пита-

ния);

Iq per Amplifier (max)– потребляемый ток;

Price– цена микросхемы (актуальна на 2010г).

Из табл. П.6исключены все ОУ-клоны, например, AD8551/ AD8552/

AD8554 –это одна и та же микросхема, в одинарном, сдвоенном и счетве-

ренном исполнении, т.е. по несколько независимых ОУ в одном корпусе, и

исключены микросхемы, для которых spice-модель не найдена.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ