Технические требования к электрическим фильтрам

При расчете электрического фильтра необходимо выбрать порядок фильтра исходя из затухания, заданного в полосе пропускания и полосе задерживания, а также построить АЧХ фильтра и определить напряжение выделяемой гармоники на его выходе.

После этого определяется необходимость в применении выходного усилителя и осуществляется его расчет.

Исходные данные для расчета электрического фильтра сведены в табл. 1.3.

Обозначения, принятые в табл. 1.3:

- U_{пит ф.} – напряжение питания фильтра;

- n – номер гармоники автогенератора, выделяемой фильтром;

- U_{m вых} – амплитуда выходного напряжения;

- ∆A – неравномерность ослабления в полосе пропускания;

- A_min – ослабление в полосе непропускания;

Таблица 1.3. Технические требования к электрическим фильтрам

Номер варианта	n	Um вых, В	D А, дБ	Аmin, дБ	Uпит. ф, В
			0.5 0.1 0.2 0.5 0.2

Таблица 1.3. Продолжение

			0.1 0.5 0.5 0.1 0.1 0.2 0.5 0.1 0.2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5

Таблица 1.3. Продолжение

			0.5 0.5 0.2 0.5 0.5 0.5 0.2 0.5 0.5 0.5 0.2 0.5 0.5 0.2 0.5 0.5 0.5

Таблица 1.3. Продолжение

			0.5 0.5 0.2 0.2 0.5 0.2 0.5 0.1 0.2 0.2 0.2 0.5

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ

2.1. Расчет автогенератора

В качестве задающего генератора в работе используются схемы на биполярном транзисторе с пассивной RC-цепью обратной связи (рис. 3.1). Однако по согласованию с преподавателем может быть выбрана любая из известных схем автогенераторов на полевых транзисторах, операционных усилителях (ОУ), либо схемы с колебательными контурами. При этом в пояснительной записке желательно привести обоснование принятого решения.

Теория автоколебательных цепей изложена в [1-3]. Исходными данными, для расчета задающего генератора являются:

- тип схемы;

- тип активного элемента (биполярного транзистора - для схем рис. 3.1);

- напряжение питания U_пит;

- сопротивление R_K в коллекторной цепи биполярного транзистора.

Автогенератор собран на составном транзисторе VT1 - VT2 для увеличения входного сопротивления транзистора по цепи базы.

При расчете RС - генератора необходимо руководствоваться следующими практическими соображениями. Сопротивление нагрузки выбирается так, чтобы выполнялось условие: R_K<<R (по меньшей мере на порядок, т.е. в 10 раз). Поскольку это сопротивление задано, то при выполнении расчетов нужно следить за тем, чтобы вычисленные значения сопротивлений R в цепи обратной связи удовлетворяли бы указанным условиям.

Существуют рекомендации в по выбору сопротивления базы R_б: R_б>>R. Подобный выбор удобнее делать после расчета значений сопротивлений R.

Емкости конденсаторов С цепи обратной связи обычно выбирают в пределах 100 пФ ¸ 1 мкФ, а величину емкости разделительного конденсатора Ср - из условия: Ср >> С. В пояснительной записке нужно обосновать применение такого разделительного конденсатора.

В отличие от напряжения питания активного элемента (биполярного транзистора), которое можно найти в исходных данных к работе, напряжение смещения U₀, задающее положение рабочей точки па проходной вольтамперной характеристике (ВАХ) транзистора i_k = F(U_бэ), выбирается студентами самостоятельно. Если это не оговорено особо, то рабочую точку лучше всего выбрать в середине линейного участка проходной ВАХ.

Расчет генератора считается законченным, если:

- определены значения всех элементов схемы, найдена амплитуда стационарного колебания на выходе генератора;

- приведена полная схема задающего генератора.

Необходимые справочные данные для расчета приведены в разделе 3 (табл. 3.1 и 3.2, рис. 3.1).

В табл. 3.1 использованы обозначения:

Sср - средняя крутизна ВАХ активного элемента генератора в режиме стационарного колебания;

Ri - внутреннее сопротивление активного элемента;

Hyc(jω) - передаточная функция цепи прямой связи (т.е. активного усилительного элемента);

Hос(jω) - передаточная функция цепи обратной связи;

R_К - сопротивление в коллекторной цепи биполярного транзистора;

R_Н - входное сопротивление составного транзистора.

Для получения передаточной функции Hyc(jω) транзистор был заменен упрощенной эквивалентной схемой рис. 2.1, т.е. активный элемент был представлен источником тока, управляемым напряжением (ИТУН). Передаточные функции Нoc(jω) для цепей обратной связи легко находятся известными из теории электрических цепей методами.

Для успешной защиты курсовой работы необходимо уметь делать вывод этих формул.

При пользовании формулой для Hус(jω) следует иметь в виду, что обычно Ri >> R_K. Этот факт позволяет упростить формулу:

.

В таблице 3.2 приведены входные и выходные характеристики некоторых транзисторов.

ПРИМЕР РАСЧЕТА: Рассчитать RС-генератор, выполненный по схеме, рис. 3.1, а на биполярном транзисторе 2Т658А.

Частота генерации f_Г = 10 кГц.

Напряжение питания U_{пит авт} = -20 В.

Сопротивление нагрузки в коллекторной цепи R_K = 1 кОм.

В стационарном режиме работы автогенератора на частоте генерации w_г=2pf_г, то должны выполнятся условия баланса амплитуд и фаз:

где Н_УС(w_г), Н_ОС(w_г) – модули передаточных функций Н_УС(jw) (усилительного элемента), Н_ОС(jw) (цепи обратной связи), соответственно;

j_УС(w_г), j_ОС(w_г) – аргументы этих передаточных функций.

Для заданной схемы:

Н_УС(w_г)@ -S_СРR_K@S_СРR_Ke^jp

Из этой формулы видно, что j_УС(w_г)=p, значит для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы цепь обратной связи вносила сдвиг фаз, равный p. Это будет выполнено при равенстве нулю мнимой части знаменателя выражения Н_ОС(jw) из табл. 3.1:

6-R²w²C²+4R/R_H=0

Отсюда получаем выражение для частоты генерации:

Теперь можно записать, что:

Для схемы, приведенной на рис. 3.1б, также можно получить выражение для частоты генерации:

и коэффициента передачи цепи обратной связи на частоте генерации:

Найдём значения сопротивлений R_H и R, входящих в формулы для расчёта w_г и Н_ОС(w_г).

Входное сопротивление R_Н составного транзистора:

R_Н=bR_бэ2 ,

где b - коэффициент усиления транзистора по току (для VT1);

R_бэ2 – входное сопротивление транзистора VT2.

Для определения b и R_бэ2 нужно выбрать рабочую точку транзистора.

Для этого вначале необходимо построить проходную характеристику транзистора i_k=F(u_бэ) – зависимость действующего значения тока в выходной цепи от входного напряжения u_бэ. В свою очередь, исходными для построения проходной характеристики являются:

· входная характеристика транзистора i_б=F(u_бэ) (рис.2.2);

· выходная характеристика транзистора i_k=F(u_кэ) (рис.2.3).

Эти и подобные им характеристики для разных типов транзисторов являются справочным материалом и приведены в настоящем пособии в разделе 3, табл. 3.2.

На семействе выходных характеристик используемого транзистора 2Т658А (рис. 2.3) проводится нагрузочная прямая через точки с координатами: (0, U_пит) и (U_пит/R_K, 0).

По точкам пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками строим промежуточную характеристику i_k=F(i_б). Для этих целей удобно составить таблицу:

Iб, мА	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Iк, мА	2,5	4,8	6,5	8,2	10,5	12,2	13,8	15,0	16,5	17,5

Затем используя полученную зависимость (рис. 2.4) и входную характеристику i_б=F(u_БЭ) (рис. 2.2), определяют требуемую зависимость: i_K=F(u_БЭ) (рис. 2.5).

Все данные, необходимые для построения характеристики, сведены в таблицу:

uБЭ, В	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,35
Iб, мА	0,1	0,25	0,5	0,8	1,25	1,75
Iк, мА	2,5		10,5

По проходной характеристики определяют положение рабочей точки. Лучше всего задаться значением U_БЭ0 = 0,2 В – это середина линейного участка проходной ВАХ.

Тогда по входной ВАХ транзистора определяют в рабочей точке:

.

Рис. 2.1

Рис. 2.2

Коэффициент усиления транзистора по току:

.

Δiб

Δiб = 0,1 мА

2Т658А

Uкэ , В

Iк , мА

Зная R_БЭ2 и b, можно рассчитать сопротивление R_H составного транзистора:

R_H = b · R_БЭ2 = 20 ∙ 0,2 = 4 кОм.

Из условия R>>R_K следовало бы выбрать значение R ³ 10 кОм. Но эту величину необходимо уточнить при дальнейшем расчёте.

Определим теперь амплитуду стационарного колебания на выходе генератора. Для этого построим колебательную характеристику S_ср = F(U_БЭ).

Значение средней крутизны для разных значений U_БЭ можно определить по методу 3–х ординат по формуле:

Представим все расчёты в виде таблицы:

U1(БЭ), B	0,05	0,1	0,15	0,2	0,3	0,4
IK max , mA			18,2	18,2	18,2	18,2
IK min , mA		2,5	1,0
SСР, мА/В		77,5	57,3	45,5		22,7

Определение величины I_Kmax и I_Kmin для U_1(БЭ) = 0,05 В показано в на рис.2.5.

На основании этой таблицы строится колебательная характеристика S_СР = F(U_1(БЭ)). Она приведена на рис.2.6.

Для того чтобы по колебательной характеристике определить стационарное действующее значение U_БЭ необходимо предварительно рассчитать значение средней крутизны в стационарном режиме .

Известно, что Н_УС(w_Г)= R_K. С другой стороны из баланса амплитуд Н_УС(w_Г) = 1/Н_ОС(w_Г). Отсюда

.

Определим значение Н_ОС(w_Г) для рассчитанных значений R_H и R.

.

Для этого расчётного значения Н_ОС(w_Г) средняя стационарная крутизна =111,5 мА/B располагается выше колебательной характеристики, и поэтому схема не будет генерировать колебания.

Для понижения значения уменьшим значение R в 2 раза. Из ряда номинальных значений сопротивления выбираем R = 5,3 кОм.

Тогда

и S^*_ср = 66,5 mA/В.

Используя колебательную характеристику и зная значение средней крутизны в стационарном режиме S^*_ср = 66,5 mA/В, легко найти стационарное действующее значение U_БЭ. Оно равно: U_БЭ = U_ВХ = 0,12 В. Тогда напряжение на выходе генератора в стационарном режиме можно найти из соотношения

U_ВЫХ = U_ВХ ∙ Н_УС(w_Г) = 0,12 ∙ 66,5 = 8 В.

Определим теперь значение емкости в цепи обратной связи. Из выражения для частоты w_Г найдем

;

Емкость С_Р разделительного конденсатора выбирается из условия С_Р>>С или 1/w_ГС_Р ≤ 0,01R. Возьмем С_Р = 0,5 мкФ.

Осталось определить только значение сопротивления R_Б, задающего рабочую точку U_БЭ0, I _БЭ0. Рассчитаем его по формуле:

.

Выбираем резистор с номиналом R = 820 кОм.

На этом расчет RC-генератора можно считать законченным. Остается лишь привести его схему с найденными значениями элементов. Не забудьте, что все схемы должны вычерчиваться в строгом соответствии с действующими ГОСТами.

2.2. Расчет спектра сигнала на выходе нелинейного преобразователя

Чтобы получить гармоники колебания, вырабатываемого RC-генератором, это колебание следует подать на нелинейный преобразователь. Таким образом, каскадно с генератором включается нелинейный преобразователь. Его цель - исказить гармонический сигнал так, чтобы в составе его спектра появились гармоники с достаточно большими амплитудами.

Из теории известно [1]-[3], что для этого нужно выбрать соответствующее напряжение смещения U₀, подаваемое на нелинейный элемент. Лучше всего, если нелинейный элемент работает в режиме отсечки.

Анализ работы нелинейного преобразователя обычно проводится во временной и частотной областях. При анализе во временной области графически строится зависимость тока i_ВЫХ(t) напряжения U_ВЫХ(t) на выходе нелинейной цепи от напряжения U_ВХ(t) на входе, используя проходную ВАХ нелинейного элемента ([1], стр. 271-272). При анализе в частотной области рассчитывается спектр тока и напряжения на выходе нелинейной цепи. Для этого выполняется аппроксимация характеристики нелинейного элемента ([1], стр. 266-270); определяются амплитуды спектральных составляющих тока и напряжения ([1], стр. 270-274), строится спектр амплитуд тока |i_ВЫХ| = F₁(w) и напряжения |i_ВЫХ| = F₂(w).

Схемы типовых нелинейных преобразователей приведены на рис. 3.2. В качестве резистивных нелинейных элементов используются биполярные, полевые транзисторы и диоды. Проходные ВАХ этих элементов приведены в таблице 3.3.

В схемах транзисторных нелинейных преобразователей конденсаторы C_р1 и C_р2 (емкостью в несколько десятков микрофарад) служат для разделения по постоянному току автогенератора, нелинейного преобразователя и фильтров.

Питание выходной цепи нелинейного преобразователя с биполярным транзистором осуществляется от источника напряжения U_{ПИТ.НЕЛ.} Напряжение смещения U₀ подается на базу транзистора через гасящее сопротивление R₁, оно составляет единицы килоом и зависит от типа транзистора.

В нелинейном преобразователе с полевым транзистором напряжение смещения подается на затвор транзистора от отдельного источника напряжения U₀ через сопротивление R₁.

По желанию студента может быть использована и любая другая схема нелинейного преобразователя с соответствующим обоснованием в пояснительной записке.

При подключении нелинейного преобразователя к автогенератору необходимо обеспечить развязку этих устройств. Это означает, что входное сопротивление нелинейного преобразователя должно быть намного больше выходного сопротивления генератора. Такому условию удовлетворяют схемы преобразователей па полевых транзисторах (входное сопротивление, таких схем порядка 10⁶¸10⁹ Ом). Их можно подключить к генератору непосредственно.

Схемы же с биполярными транзисторами и диодами имеют небольшое входное сопротивление. Поэтому между генератором и преобразователем нужно включать развязывающее, устройство. Им может служить схема эмиттерного повторителя на биполярном транзисторе (рис. 2.7). В ней транзистор включен по схеме с общим эмиттером, за счет чего и обеспечивается большие входное сопротивление (порядка 100¸200 кОм) и малое выходное (100¸200 Ом) ([1], стр. 359-368).

Однако может случиться так, что амплитуда напряжения на выходе, генератора не совпадает с заданной амплитудой напряжения на входе нелинейного преобразователя. Тогда между ним и генератором следует включить масштабный усилитель, усиление которого выбирается из условия согласования указанных напряжений. Для усиления сигнала можно использовать схему рис. 2 в табл. 3.7. Ее передаточная функция

Для ослабления сигнала вполне подходят схема рис.1 в табл. 3.7. Передаточная функция такой схемы

Выбирая соответствующие значения R₁ и R₂, добиваются получения нужной амплитуды колебания. Заметим, что две последние схемы, выполненные на операционных усилителях, одновременно обеспечивают и развязку генератора и преобразователя, поскольку имеют высокое входное и малое выходное сопротивления.

Методика анализа схем с нелинейными элементами описана в ([1], стр. 266-274). Она включает в себя аппроксимацию ВАХ нелинейного элемента и расчет спектрального состава выходного тока и напряжения. Соответствующий справочный материал приведен в табл. 3.4.

		Рис. 2.7

При составлении пояснительной записки желательно включить в нее графики ВАХ и временных характеристик, выполненные в соответствующем масштабе в "трех плоскостях" (рис. 2.8).

Результатом расчета является получение значений амплитуд гармоник напряжения на выходе нелинейного преобразователя.

ПРИМЕР РАСЧЕТА: Требуется рассчитать спектр тока и напряжения на выходе нелинейного преобразователя. Исходные данные: схема нелинейного преобразователя - рис. 3.2,а.

Тип нелинейного элемента - КТ203А.

Напряжение па входе Um = 1,5 В

Напряжение смещения U₀ = - 0,7 В.

Амплитуда напряжения на выходе автогенератора, рассчитанного в предыдущем примере, больше амплитуды напряжения, которое следует подать на вход нелинейного преобразователя, поэтому сигнал генератора нужно ослабить. Для этой цели можно воспользоваться схемой рис. 1 в табл. 3.7, которую включают между генератором и нелинейным преобразователем. Передаточная функция такой схемы

.

Поскольку Um_ВХ = 1,5 В, а Um_{ВЫХ ГЕН} = 8 В, то

.

Задавая R₁ = 10 кОм; получаем R₂ = 0,19 ∙ R₁ = 1,9 кОм.

Напряжение, подаваемое на вход нелинейного преобразователя, имеет вид u_ВХ(t) = U₀ + U_mcos wt = - 0,7+1,5cos 2p ∙ 10⁴t, В. Используя проходную ВАХ транзистора, графически определим вид тока на выходе нелинейного преобразователя (рис. 2.8).

Для расчета спектра тока и напряжения на выходе нелинейного преобразователи необходимо сделать аппроксимацию ВАХ. Амплитуда входного сигнала достаточно велика, поэтому выбираем кусочно-линейную аппроксимацию

По ВАХ определяем U_ОТС = 0,65 В.

Для расчета крутизны S выбираем любую точку на прямой, аппроксимирующей ВАХ, например U_БЭ = 0,8 В, I_К = 3 мА, тогда

Рассчитываем угол отсечки:

Затем вычисляем функции Берга (формулы приведены в табл. 3.4): g₀(q) = 0,013 , g₁(q) = 0,025, g₂(q) = 0,023, g₃(q) = 0,021.

Постоянная составляющая и амплитуды гармоник спектра тока i_вых рассчитывается по формуле:

I_mk = S U_m g_k(q), k = 0, 1, 2, 3, ...

Ограничиваясь третьей гармоникой, имеем:

I₀ = 0,39 мА; I_m1 = 0,75 мА; I_m2 = 0,69 мА; I_m3 = 0,63 мА.

Напряжение на выходе нелинейного преобразователя при наличии разделительного конденсатора не пропускающего постоянную составляющую u_вых = i_вых ∙ R_к .

Амплитуды гармоник выходного напряжения:

U_m1 = 450 мВ, U_m2 = 414 мВ, U_m3 = 378 мВ.

Спектры амплитуд тока и напряжения приведены на рис. 2.9 и 2.10.