Файл: конспект лекций схемотехника.pdf

опорна напруга Uоп позитивної полярності, а вихідна напруга визначається наступним чином:

1) якщо напруга на вході Uвх Uоп , то згідно із передавальною характеристикою компаратора напруга на

виході дорівнює негативній напрузі насичення: Uвих 2) якщо напруга на вході Uвх

виході дорівнює позитивній напрузі насичення: Uвих

Таким чином, вихідна напруга стрибком перемикається від рівня Uнас до рівня Uнас . Вихідна напруга показує вхідна напруга Uвх більша або менша за опорну напругу Uоп . Перемикання схеми відбувається при рівності напруг: Uвх Uоп .

Компаратори застосовують у наступних схемах.

1)у схемі формування сигналу, яка перетворює сигнал довільної форми у прямокутний або імпульсний сигнал;

2)у детекторі нуля – схемі, що показує момент і напрям проходження вхідного сигналу через нульовий рівень;

3)у детекторі рівня – схемі, яка показує момент досягнення вхідною напругою даного рівня опорної напруги;

4)у генераторах сигналів трикутної або прямокутної

форми.

Точність роботи компаратора характеризується

напругою, на яку необхідно перевищити опорну Uоп , щоб її

вихідна напруга досягла порогу спрацьовування логічної схеми.

Швидкодію компараторів характеризують часом вмикання (відновлення). Це проміжок часу від початку порівняння напруги на момент їх рівності до моменту, коли вихідна напруга досягає порогу спрацьовування логічної

233

схеми. Час вмикання tвмик можна розділити на дві складові (рисунок 9.24): час затримки tз і час наростання tн :

tвмик tз tн .

Через кінцеве значення коефіцієнта підсилення компаратора можливе плавне наростання Uвих . Якщо

плавне спрацьовування небажане, то застосовують компаратор на основі ОП із ланцюгом ПЗЗ (тригер Шмітта). Крім того, в схемі компаратора (рисунок 9.22 а) може виникати помилкове спрацьовування, якщо у вхідному сигналі наявні шуми. Для запобігання цьому також використовують позитивний зворотний зв'язок. Для цього частина вихідної напруги подається на неінвертувальний вхід операційного підсилювача.

Рисунок 9.24 – Часові діаграми перемикання компаратора

Схема такого компаратора наведена на рисунку 9.25 а, його передавальна характеристика – на рисунку 9.25 б.

Напруга позитивного 33, що визначається резистивним подільником R1 і R2 , виконує роль опорної

234

напруги, яка змінюється у процесі роботи, оскільки порогова напруга залежить від значення вихідної напруги. Позитивний зворотний зв'язок створює ефект спускового механізму, прискорюючи перемикання Uвих з одного стану

на інший. Якщо порогові напруги перевищують за значенням напругу шумів, то позитивний зворотний зв'язок не допускає помилкових спрацьовувань виходу.

Компаратор перетворює вхідний сигнал синусоїдної, трикутної або пилкоподібної форми у вихідний прямокутний сигнал, тобто перетворює аналогові сигнали у дискретні, його називають також формувачем рівнів.

236

10 Активні фільтри

Основні визначення

Фільтр – це електрична схема, розрахована на пропускання електричних сигналів у певній смузі частот і загородження їх за межами цієї смуги. Кола фільтрації можуть бути пасивними і активними. Пасивні містять лише пасивні елементи – резистори, конденсатори і котушки індуктивності. Активні фільтри включають разом із пасивними елементами транзистори та операційні підсилювачі. У більшості активних фільтрів намагаються не використовувати котушки індуктивності.

Прагнення виключити котушки індуктивності з фільтра обумовлено таким:

1) котушки індуктивності мають великі габарити і

масу;

2)втрати у котушках призводять до відхилення розрахункових характеристик фільтра від реальних значень;

3)у котушках розсіюється велика потужність;

4)у котушках із осердям виявляється нелінійний ефект, пов'язаний із насиченням осердя.

Пасивні частотні фільтри не вимагають джерел живлення і мають просте виконання, проте вони не забезпечують хорошого розділення смуги пропускання від смуги загородження; в області пропускання і загородження можуть спостерігатися великі нерівномірності передавальної характеристики; дуже складно виконати умову узгодження фільтра із навантаженням.

Порівняно з пасивними активні фільтри мають такі переваги:

1)використовують лише резистори і конденсатори, тобто компоненти, властивості яких ближче до ідеальних, ніж властивості котушок індуктивності;

2)відносно дешеві;

3) можуть забезпечувати підсилення у смузі

237

пропускання;

4)використання в активних фільтрах операційних підсилювачів забезпечує розв'язку входу від виходу (тому активні фільтри легко виготовляти багатокаскадними і тим самим покращувати їх показники);

5)активні фільтри відносно легко настроювати;

6)фільтри для дуже низьких частот можуть бути побудовані з компонентів, що мають помірні значення параметрів;

7)активні фільтри невеликі за розмірами і масою. Також на відміну від пасивних активні фільтри

забезпечують якісніше розділення смуг пропускання і загородження. У них порівняно просто можна регулювати нерівномірності частотної характеристики в області пропускання і загасання, не ставлять жорстких вимог до узгодження навантаження з фільтром.

Активні фільтри мають і недоліки. Вони потребують джерела живлення, а їх робочий діапазон частот обмежений згори максимальною робочою частотою операційного підсилювача. Це призводить до того, що більшість активних фільтрів можуть працювати лише на частотах, що не перевищують декількох мегагерц, хоча окремі типи операційних підсилювачів можуть забезпечити роботу фільтрів і на більш високих частотах.

Класифікація активних фільтрів. Активні фільтри можна розподілити на групи за різними ознаками: призначенням, смугою частот пропускання, типом підсилювальних елементів, виглядом зворотних зв'язків та ін.

За смугою частот пропускання фільтри розподіляють на такі:

селективні (вибірні) фільтри (СлФ);фільтри низькочастотні (ФНЧ);фільтри високочастотні (ФВЧ);смугові фільтри (СмФ);

238

режекторні (загороджувальні) фільтри (РФ).

За призначенням фільтри розподіляють на згладжувальні, фільтри живлення, загороджувальні фільтри завад, фільтри для селективних підсилювачів низької або високої частоти та інші.

За типом підсилювальних елементів можна виділити транзисторні фільтри, фільтри на підсилювачах з обмеженим підсиленням, на операційних підсилювачах, на повторювачах напруги та інші. Усі розглянуті фільтри можуть мати один ланцюг зворотного зв'язку або декілька. У зв'язку з цим розрізняють фільтри з одноконтурним і з багатоконтурним зворотним зв'язком. Окрім цього, розрізняють фільтри за кількістю полюсів на частотній характеристиці: фільтри першого порядку, другого та більш високих порядків. Кожен полюс дає нахил АЧХ фільтра (–20 дБ/дек), отже, фільтр другого порядку має два полюси і нахил АЧХ (–40 дБ/дек). Фільтри високих порядків мають більш круті межі смуг пропускання і загородження і більш плоску характеристику в області смуги пропускання. До таких фільтрів відносять фільтри Чебишова, Баттерворта, Бесселя та інші.

Якщо потрібен фільтр вищого порядку, використовують каскадне з'єднання фільтрів нижчого порядку. При цьому порядки (кількість полюсів) окремих кіл додають. Наприклад, каскадне з'єднання двох фільтрів першого і другого порядків є фільтр третього порядку, з'єднання трьох фільтрів другого порядку є фільтр шостого порядку.

10.1 Селективні фільтри

Селективний фільтр пропускає сигнал лише однієї частоти (частоті квазірезонансу f0 ) і послаблює їх на всіх

інших.

Амплітудно-частотна характеристика СлФ наведена на рисунку 10.1 (ідеальна показана суцільною лінією, реальна

239