АКТИВНЫЕ RC-ФИЛЬТРЫ

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

На практике часто возникает необходимость в различного рода схемах частотной селекции сигналов, осуществляемой электрическими фильтрами.

Использование пассивных фильтров в области низких и инфранизких частот очень часто не представляется возможным из-за их неприемлемых габаритов и массы, низкой избирательности и подверженности воздействию магнитных полей.

Активные RC-фильтры свободны от перечисленных недостатков пассивных фильтров, работающих в области инфранизких частот.

Основной трудностью в построении усилителей активных RC-фильтров является обеспечение высокой стабильности коэффициентов передачи и больших значений входных сопротивлений [4]. Проблема обеспечения высоких входных сопротивлений усилителей (для снижения ёмкости конденсаторов) достаточно просто решается использованием полевых транзисторов. Применение специально разработанных для активных фильтров микросхем типа К2СС841, К2СС842 позволяет упростить расчёт, получить хорошие электрические характеристики, уменьшить габариты и повысить надёжность фильтров [12, 13].

Теория и расчёт активных фильтров хорошо изложены в [3-5]. Поэтому здесь будут рассмотрены лишь практические схемы фильтров и методика их настройки.

Усилители для активных фильтров. На рис. 1, а изображена схема простого двухкаскадного усилителя на полевом и биполярном транзисторах, нашедшего широкое применение в активных фильтрах. Температурный коэффициент изменения коэффициента передачи усилителя (ТКК) в данной схеме уменьшен в результате введения отрицательной обратной связи, а также выбором напряжения отсечки (соответствующего типа транзистора).

Рис. 1. Схемы УПТ для активных RC-фильтров.
а - простой двухкаскадный УПТ; б - высококачественный УПТ.

Введение резистора R3 в цепь базы биполярного транзистора Т2 эквивалентно увеличению внутреннего сопротивления источника сигнала для второго каскада. В [4] показано, что при R3≥R_вх2 ТКК второго, каскада становится положительным, что частично компенсирует отрицательный (при U_отс>0,6 В) коэффициент передачи усилителя.

Рис. 2. Принципиальная схема ФНЧ.

Рассмотрим схему более сложного усилителя, предназначенного также для построения активных RC-фильтров (рис. 1, б) [1]. Полевой транзистор T1 и биполярный p-n-p - транзистор Т2 включены по каскодной схеме. Напряжение смещения для каскодной пары задаётся с помощью стабилитрона Д2 с напряжением стабилизации 6,8 В. На исток полевого транзистора сигнал в фазе с входным сигналом подаётся через эмиттерный повторитель на транзисторе Т3. Ток смещения ПТ устанавливается с помощью переменного резистора в коллекторной цепи транзистора Т2. При регулировке потенциометром R1 добиваются, чтобы погрешность усилителя по постоянному току равнялась нулю.

Практическая схема фильтра. На рис. 2 изображена принципиальная схема ФНЧ. Аппроксимация по Чебышеву при заданном числе элементов позволяет получить наибольшую избирательность. Параметры фильтра следующие:

Частота среза, Гц
Неравномерность АЧХ в полосе пропускания, дБ	<0,5
Затухание на частоте 130 Гц, дБ	>30

Таблица 1

Значения собственных частот звеньев и коэффициентов передачи усилителей приведены в табл. 2.

Параметр	Номер звена
I	II	III	IV
Коэффициент передачи	0,69	1,04	1,19	1,28
Собственная частота, Гц	32,24	61,15	87,01	101,3

Таблица 2

Расчёт фильтра производился по методике, предложенной в [4].

Звенья фильтра имеют непосредственную связь, благодаря чему обеспечивается прохождение постоянной составляющей сигнала. Установка требуемых значений коэффициентов передачи производится подбором резисторов R5, R10, R16, R21. Стабильность параметров ФНЧ достигается соответствующим выбором напряжения отсечки полевых транзисторов (типа транзистора), а также включением в базы транзисторов резисторов R15, R22. Их компенсирующее действие рассмотрено в [4].

Методика настройки активного RC-фильтра. Активные фильтры реализуются путём каскадного включения избирательных звеньев, поэтому амплитудно-частотная характеристика фильтров является произведением АЧХ звеньев, причём форма АЧХ и расположение её на оси частот определяются значениями коэффициента затухания и собственной частоты звена. Отсюда следует, что для настройки фильтра необходимо точно установить рассчитанные значения собственных частот и коэффициентов затухания звеньев.

Методику настройки фильтра проиллюстрируем на примере ФНЧ, изображённого на рис. 2.

Первоначально устанавливается собственная частота первого звена 32,24 Гц (табл. 5), для чего каскад, выполненный на транзисторах Т1 и Т2, вводят в режим генерации, повышая коэффициент передачи усилителя посредством увеличения сопротивления резистора R5 (его на время настройки фильтра следует заменить потенциометром).

Следует заметить, что амплитуду колебаний для более точного измерения частоты необходимо устанавливать минимально возможной. Измерив частоту полученных колебаний и сопоставив её с расчётным значением, необходимо изменением сопротивления резисторов R1 и R2 (или ёмкостей конденсаторов С1 и С2) установить требуемую собственную частоту звена.

Затем, установив подобным же образом собственные частоты остальных звеньев, следует выставить требуемые значения коэффициентов передач. Для этого, подавая на вход каскада с помощью генератора напряжение с частотой, равной собственной частоте звена, изменением сопротивления резистора R5 выставляют расчётное значение коэффициента передачи. После предварительной настройки каждого звена определяется АЧХ всего фильтра и производится корректировка значений коэффициентов передачи усилителей (с помощью резисторов R5, R10, R16, R21) с целью получения требуемой неравномерности в полосе пропускания.

При составлении схем ФНЧ и ФВЧ звенья целесообразно включать в порядке увеличения коэффициентов передачи усилителей, при этом обеспечивается наибольший динамический диапазон.

Реализация фильтров на основе микросхем К2СС841 и К2СС842. Дальнейшим шагом на пути к микроминиатюризации избирательных систем является применение микросхем типа К2СС841, К2СС842, специально разработанных для построения активных RC-фильтров [12, 13].

Использование данных микросхем в схемах фильтров позволяет упростить их расчёт, изготовление и настройку, уменьшает габариты и повышает надёжность.

Микросхема К2CC842, принципиальная схема которой изображена на рис. 3, содержит три активных высококачественных элемента, во входных каскадах которых применены полевые транзисторы, и один эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе.

Рис. 3. Микросхема К2СС842.

Значения входных сопротивлений для всех трёх усилителей составляет несколько тысяч мегаом. Максимальная амплитуда сигнала на выходе каждого из усилителей, при которой значение коэффициента гармоник не превышает 2%, не менее 2,5-3 В. Уровень собственных шумов каждого усилителя не превышает 10 мкВ в полосе частот 1 Гц - 40 кГц. Выходное сопротивление не более 75 Ом [5].

Среднее значение нестабильности коэффициента передачи при включении усилителей по схеме истоковых повторителей (при этом 0,98<К<1) и изменении температуры от -45 до +55°С составляет 0,3%.

На базе микросхемы К2СС842 можно проектировать фильтры нижних и верхних частот с крутизной спада до 60 дБ на октаву при изменении температуры окружающей среды от -20 до +55°С и с крутизной затухания до 40 дБ на октаву, работающие стабильно при изменении температуры от -45 до +55° С [5].

Большие значения входных сопротивлений единичных усилителей позволяют строить фильтры для диапазона низких и инфранизких частот.

Рис. 4. ФНЧ на микросхеме К2СС842.

На рис. 4 изображена принципиальная схема чебышевского фильтра, где в качестве активного элемента используется микросхема К2СС842. По данным [5] такой фильтр обладает следующими техническими характеристиками:

Частота среза, Гц
Неравномерность АЧХ в полосе пропускания, дБ	0,2
Крутизна спада АЧХ, дБ/октаву

Таблица 3

Микросхема типа К2СС841, представляющая собой операционный усилитель (см. ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ОУ), также достаточно часто используется для построения активных RC-фильтров. При использовании ОУ стабильность характеристик фильтра практически определяется только стабильностью его пассивных компонентов. Кроме того, ОУ как активный элемент RC-фильтров обладает весьма высокой универсальностью. О методах построения активных фильтров на основе ОУ и их практические реализации можно найти в [5, 11].