Конспект лекций по курсу Электронные промышленные устройства Смоленск 2006 2

• Название: Конспект лекций по курсу Электронные промышленные устройства Смоленск 2006 2
• Дата: 30.04.2021
• Размер: 1.23 Mb.
• Имя файла: amelina_m.a._-_lektsii_po_kursu_epu._ch.2_(2006).pdf
• Тип: Конспект лекций; #200327
• страница: 6 из 9

1.7.
Синтез активных и пассивных фильтров с помощью программы
MICROCAP-8
В процессе синтеза с помощью программы Microcap-8 можно задать тип фильтра, частотную характеристику, схемную реализацию каждого звена. Оба вида синтеза фильтров (активных и пассивных) выбираются из пункта меню Design. Программа синте- за MC8 создаёт схему фильтра с заданными параметрами в виде схемного файла или макромодели.
Особенностью синтеза фильтров в пакете программ MICROCAP является то, что принципиальная схема фильтра вместе с текстовыми директивами видна на заднем плане во время выполнения синтеза.
Особенностью конкретной реализации (последней версии) программы MICROCAP-
8 по сравнению с предшествующими версиями является возможность построения им- пульсных и переходных характеристик (наряду с АЧХ) фильтра непосредственно из диа- логового окна синтеза фильтра.
1.7.1.
Синтез активных фильтров
Несколько слов о том, как работает программа создания активных фильтров.
Выбирается команда синтеза активных фильтров из пункта меню Design. Она по- зволяет задать тип фильтра по полосе пропускания и типу полиномов передаточной ха- рактеристики в s-области, схемную реализацию каждого звена, затем на заключитель- ном этапе создать схему фильтра.
Основные типы фильтров:
•
ФНЧ (Low Pass)
•
ФВЧ (High Pass)
•
Полосовые фильтры (Bandpass)
•
Заграждающие или режекторные (Notch)
•
Фазовые фильтры или всепропускающие фильтры, имеющие заданную ФЧХ
(Delay).
Первые 4 вида определяются своей диаграммой Боде — передаточной характери- стикой в частотной области (совокупностью АЧХ и ФЧХ). Фазовые фильтры (Delay) ха- рактеризуются временем задержки или фазочастотной характеристикой.
Возможны следующие способы реализации активных фильтров:
•
В виде фильтра Баттерворта (Butterworth)
•
В виде фильтра Чебышева (Chebyshev)
•
В виде фильтра Бесселя (Bessel)
•
В виде эллиптического фильтра (Elliptic)
•
В виде инверсного фильтра Чебышева (Inverse-Chebyshev)
Не все виды реализаций возможны для каждого конкретного выбранного типа фильтра (ФНЧ, ФВЧ, полосового, режекторного, фазового). Например, для реализации фазовых фильтров, можно использовать только фильтр Бесселя.

45
Для каждого звена синтезируемого фильтра в режиме диалога могут быть выбраны следующие схемные реализации:
•
звено Саллена-Ки (Sallen-Key) — наиболее распространенное звено при создании активных фильтров (см. рис. 1.22–1.25);
•
с многопетлевой обратной связью MFB (Multiple Feedback) (см. рис. 1.27–1.29);
•
Тоу-Томаса (Tow-Thomas)
•
Флейшера-Тоу (Fleischer-Tow)
•
KHN (Кервина-Хьюлсмана-Ньюкомба, см. рис. 1.30)
•
Acker-Mossberg (Аккерберга-Мосберга)
•
Тоу-Томаса 2 (Tow-Thomas 2)
•
DABP (Dual Amplifier Band Pass, см. рис. 1.35)
Не все из указанных схем подходят для реализации конкретного типа фильтра, по- скольку некоторые звенья не могут обеспечить заданный вид полинома AЧХ в s-области. Доступный порядок схем от 3 до 8.
Дизайнер активных фильтров расположен в меню Design. Выбор из этого меню пункта Active Filters вызывает появление следующего диалогового окна, которое имеет 3 основные закладки, доступ к которым осуществляется мышью или с помощью нажатия
: Design, Implementation, Options.
Закладка D e s i g n
Эта закладка позволяет выбрать тип фильтра (ФНЧ, ФВЧ…), спецификации и реа- лизацию в виде одного из основных типов (Батерворта, Чебышева и т.д.). Каждый раз, когда вы делаете выбор в любой группе параметров, в нижнем правом углу выводятся полюсы, нули и значения Q-фактора. Для подгонки формы частотной характеристики можно редактировать частоту полюса F0, значение Q0, и частоту нуля FN.
Закладка Design содержит 3 секции:
Type: В этой секции можно выбрать один из 5 основных видов фильтров (ФНЧ,
ФВЧ, ПФ, РФ, ФФ).
Response: В этой секции Вы можете выбрать математическую аппроксимацию идеального фильтра в виде полиномов Баттерворта, Чебышева, Бесселя, эллиптическо- го фильтра, инверсного Чебышева.
Число звеньев для реализации фильтра с заданными параметрами показывается справа от типа аппроксимации.
Specifications: Здесь вводятся численные значения параметров для реализуемого фильтра. Есть два способа задания фильтра Mode 1 и Mode 2.
В режиме 1 (Mode 1) указываются полные характеристики АЧХ фильтра. Общими
характеристиками всех фильтров (ВЧ, НЧ, полосовых, режекторных) являются:
•
Passband Gain (коэффициент передачи в полосе пропускания) — представляет со- бой коэффициент передачи фильтра в полосе пропускания, выраженный в дБ.
•
Passband Ripple R (пульсации коэффициента передачи в полосе пропускания) — изменение коэффициента передачи в пределах полосы пропускания, обычно 3 дБ;

46
•
Stopband Attenuation A (ослабление в полосе задержания) — это максимальный ко- эффициент передачи в полосе пропускания минус максимальный коэффициент пе- редачи в полосе задержания, выраженный в дБ. Ослабление всегда является по- ложительным числом.
Для ФНЧ (Low Pass Filters
) параметры Mode 1 иллюстрируются рис. 1.37:
•
Passband Frequency Fc (нижняя граница пере- ходной полосы или частота среза) — до этой частоты коэффициент передачи равен коэф- фициенту в полосе пропускания
±
пульсации
(PB gain
±
R).
•
Stopband Frequency Fs
(верхняя граница пере- ходной полосы). Выше этой частоты коэффициент передачи фильтра меньше или равен коэффициенту передачи в полосе пропускания
±
пульсации за вычетом ос- лабления в полосе задержания (stoppband attenuation), т.е.

K(j
ω
)

[дБ]
≤
PB gain
±
R-A
ФВЧ (High Pass Filters
)
полностью подобны сво- им типовым аналогам фильтрам нижних частот и их параметры Mode 1 иллюстрирует рис. 1.38.
•
Passband Frequency Fc(верхняя граница пере- ходной полосы или частота среза) — выше этой частоты коэффициент передачи равен коэффи- циенту в полосе пропускания
±
пульсации.
•
Stopband Frequency Fs(нижняя граница пере- ходной полосы). Ниже этой частоты коэффици- ент передачи меньше или равен коэффициенту передачи в полосе пропускания
±
пульсации, за вычетом ослабления в полосе задержания (stoppband attenuation),
т.е.

K(j
ω
)

[дБ]
≤
PB gain
±
R-A.
Параметры полосовых фильтров (Bandpass Filters) в Mode 1 иллюстрирует рис.
1.39.
•
Center Frequency Fc
(центральная частота) — центральная частота полосы пропускания.
•
Passband PB (полоса пропускания) — полоса час- тот, в которой коэффициент передачи фильтра равен passband gain
±
пульсации.
•
Stopband SB (границы полосы задержания) — это полоса частот, включающая полосу пропускания
PB и две переходные области выше и ниже верх-
Рис. 1.37. Основные параметры фильтра нижних частот (ФНЧ)
Рис. 1.38. Основные параметры фильтров верхних частот (ФВЧ)
Рис. 1.39. Основные параметры полосового (
Bandpass) фильтра

47 ней и нижней граничных частот полосы пропускания. Также этот диапазон можно определить как область частот, в которой коэффициент передачи фильтра

K(j
ω
)

[дБ]
≥
PB gain
±
R-A.
Параметры заграждающих фильтров (Notch Filters) в Mode 1 иллюстрирует рис.
1.40.
•
Center Frequency Fc (центральная частота) — центральная частота полосы задержания
Stopband.
•
Passband PB — полоса частот, которая включает в себя полосу частот задержания Stopband SB плюс 2 переходные области выше и ниже границ полосы задержания.
•
Stopband SB (полоса задержания) — это полоса частот, в которой коэффициент передачи фильтра

K(j
ω
)

[дБ]
≤
PB gain
±
R-A.
При синтезе указываются те параметры, которые хотят получить от готового фильтра, а программа вычисляет количество звеньев фильтра, требуемых для их дос- тижения при использовании конкретной аппроксимации.
Следует отметить, что для всех типов фильтров (нижних частот, верхних частот, полосовых, заграждающих) при реализации в виде эллиптических фильтров и фильтров
Чебышева коэффициент передачи в полосе пропускания изменяется в зависимости от значения (четности-нечетности) порядка фильтра:
Режим 2 (Mode 2), наоборот позволяет непосредственно задать порядок и лишь основные параметры и фильтра.
Общим параметром, задаваемом в этом режиме для всех типов фильтров (НЧ, ВЧ, полосовых, заграждающих фазовых) является порядок Order. Для фазовых (Delay) фильтров Order всегда равен 2.
Параметры фильтров нижних (верхних) частот для Mode 2
•
Gain — коэффициент передачи на нижних (верхних) частотах в дБ для ФНЧ (ФВЧ) соответственно.
•
Passband Frequency — частота, ниже (выше) которой, коэффициент передачи фильтра равен Gain.
•
Ripple — изменение коэффициента передачи в дБ в пределах полосы пропускания
(passband).
Параметры полосовых и заграждающих фильтров для Mode 2
•
Gain — коэффициент передачи фильтра на центральной частоте
Fc
в дБ для поло- сового фильтра или коэффициент передачи на нижних/верхних частотах (за преде- лами полосы задержания) для заграждающих фильтров.
•
Center Frequency Fc — частота, на которой достигается максимальный коэффици-
Рис. 1.40. Основные параметры заграждающего (
Notch) фильтра

48 ент передачи (для полосовых) фильтров или минимальный коэффициент передачи для заграждающих фильтров.
•
Ripple R — изменение коэффициента передачи в дБ в пределах полосы пропуска- ния PB для полосового фильтра или за пределами полосы задержания PB для за- граждающего фильтра.
•
Q — Q-фактор фильтра. Это мера резонансных свойств фильтра вблизи централь- ной частоты (добротность).
Параметры фильтров задержки (Delay Filters) для Mode 2:
•
Gain — коэффициент передачи на нижних частотах в дБ.
•
Delay — задержка, вносимая фильтром, в секундах.
Poles and Zeros: Эта секция закладки Design показывает численные значения по- люсов, нулей (корней полиномиальной характеристики) и добротности Qs. Она в сущно- сти представляет математическое описание фильтра. Если вносятся изменения в поля типа (Type), характеристики (Response) и параметров (Specifications), то программа за- ново вычисляет полиномиальные коэффициенты и обновляет численные значения этой секции. Если нажать кнопку , или , в открывшемся окне будут нарисованы амплитудно-частотная, переходная или импульсная характеристики фильт- ра соответственно. Кроме того, при нажатии кнопки , возможен вывод модуля ко- эффициента передачи, фазы и групповой задержки вместе или по отдельности в зави- симости от установок в закладке Options.
Выводимые графики всегда являются идеализированными, поскольку они строятся по полиномиальной формуле для выбранной характеристики, причем величины F0, Q0, и FN доступны для редактирования. Этот график может быть реализован в точности только при наличии совершенных компонентов (идеальных операционных усилителей).
Реальный фильтр, изготовленный из реальных электронных компонентов, может вести себя по-другому. Когда схема синтезирована, вы можете запустить анализ и посмотреть, как хорошо она соответствует заданной идеальной характеристике.
Реальная схема может быть выполнена на любом операционном усилителе из библиотеки от идеального до любой из наиболее широко распространенных микросхем; и на резисторах и конденсаторах, которые могут иметь точные значения или быть вы- бранными из стандартного ряда. Реальные операционные усилители и компоненты, ве- личина которых берется из стандартного ряда и лишь приближенно равна истинному номиналу, могут сильно изменять ход частотной характеристики.
Можно редактировать величины (F0, Q0, FN), чтобы исследовать их влияние на ход графика. Вы даже можете создать фильтр с модифицированными коэффициентами. Хо- тя при этом не удастся повторить на реальных компонентах идеальный фильтр, но ха- рактеристика синтезированной программой схемы приблизится к изображенному идеа- лизированному графику. Заметим, что любое редактирование в областях типа (Type), апроксимации (Response), и параметров АЧХ (Specifications) заставит программу заново

49 вычислить величины полюсов и нулей в соответствующей секции, уничтожив результаты предшествующего редактирования.
Закладка I m p l e m e n t a t i o n
Эта закладка позволяет:
1) выбрать схему для реализации звеньев фильтра;
2) выбрать, использовать ли точные значения пассивных компонентов или вос- пользоваться номиналами из стандартных рядов;
3) выбрать тип операционного усилителя
4) способ построения звеньев фильтра нечетного порядка.
Говоря коротко, секции закладки Implementation, позволяют задать способ реализа- ции фильтра. Закладка имеет несколько секций.
Stage Values (Параметры звеньев). Эта позиция позволяет указать для каждого звена тип схемной реализации и коэффициент передачи. Она также позволяет редакти- ровать частоты полюсов и нулей, значение добротности звеньев. Вы можете менять значения полюсов/добротности (F0/Q0) между различными звеньями фильтра с помо- щью клика правой клавиши мыши в поле F0 или Q0. Выпадающее меню в колонке Cir-
cuits позволяет вам выбрать другой тип звена для обмена установками F0/Q0. Это ино- гда бывает необходимо для оптимизации размаха сигнала и чувствительность к шумам.
Некоторые схемные реализации позволяют воздействовать на размах сигнала (увеличи- вать его) и уменьшать чувствительность к шумам. В этом случае нули передаточной функции должны быть фиксированными и не должны меняться местами между звенья- ми. После создания схемы фильтра звенья нумеруются слева направо, начиная с перво- го. Вход фильтра всегда расположен у крайнего слева звена, выход — у крайнего справа звена.
Same Circuit for Each Stage. Эта опция заставляет использовать для реализации фильтра одинаковые схемные звенья. Если она не установлена, то разрешается указы- вать различные цепи для реализации отдельных звеньев.
Impedance Scale Factor. Эта опция позволяет задавать масштабный коэффициент, применяемый к номиналам всех пассивных компонентов схемы. На этот коэффициент умножаются сопротивления всех резисторов и делятся емкости всех конденсаторов.
Opamp Model to Use. По умолчанию используемая модель — $IDEAL. Это модель источника тока, управляемого напряжением (ИТУН) с малым выходным сопротивлени- ем. Она имеет очень большой коэффициент передачи, неограниченную полосу пропус- кания, в ней отсутствуют токи утечки и ограничение выходного сигнала. Главная цель использования этой модели — посмотреть, как фильтр будет себя вести, имея в своем составе идеальные компоненты. Вы можете выбрать любую другую модель из откры- вающегося списка.
Resistor Values. Эта опция определяет, как выбираются величины сопротивлений резисторов. Во время реализации фильтра, когда синтезируется его схема, MC8 рассчи- тывает точные значения сопротивлений, требуемые для надлежащей работы фильтра.

50
Естественно резисторы с величинами, имеющими 16 значащих цифр не используются на практике, поэтому вы должны выбрать одно из двух: 1) хотите ли вы создать схему, ис- пользуя точные значения сопротивлений или 2) используя наиболее подходящие значе- ния из стандартного ряда величин. Выбор между этими двумя вариантами заключается в том, что можно использовать большинство компонентов из стандартного ряда и точно подгонять лишь некоторые номиналы резисторов. Существуют несколько рядов стан- дартных значений, можно внести в них добавочные значения или сделать новые ряды в соответствии со специфическими требованиями. См. «Синтез активных фильтров в про- грамме MC8». Кнопка «Browse» позволяет выбрать файл, содержащий ряд величин ре- зисторов, когда выбор точных значений запрещен.
Capacitor Values. Эта опция позволяет выбрать, как будут определяться величины емкостей конденсаторов. Она действует так же, как аналогичная опция для резисторов.
Odd Low Pass Stage (Нечетное звено ФНЧ). Опция позволяет выбрать последнее звено в реализации НЧ фильтра нечетного порядка (см. рис. 1.41). Существуют несколь- ко вариантов.
Рис. 1.41. Последние звенья для реализации НЧ и ВЧ фильтров нечетного порядка
•
LODD1 — это простой RC-фильтр.
•
LODD2 — это буферированный RC-фильтр с неинверт. повторителем на выходе.
•
LODD3 — это буферированный RC-фильтр с инверт. повторителем на выходе.
Odd High Pass Stage (Нечетное звено ФВЧ). Опция позволяет выбрать последнее звено в реализации ВЧ фильтра нечетного порядка (см. рис. 1.41). Существуют несколь- ко вариантов:
•
HODD1 — это простой RC-фильтр.
•
HODD2 — это буферированный RC-фильтр с неинверт. повторителем на выходе.
•
HODD3 — это буферированный RC-фильтр с инверт. повторителем на выходе.
Gain Adjust Stage. Опция позволяет выбрать звено для реализации регулировки коэффициента передачи. Существуют два варианта. NULL не добавляет дополнитель- ное звено, что означает, что величина коэффициента передачи фильтра будет проигно-

51 рирована. GADJ — это постановка в схему простого инвертирующего усилителя.
Закладка O p t i o n s
В этой закладке выбирается точность и способ представления используемых пас- сивных компонентов, графики для построения при нажатии
, сохранение синтези- рованного фильтра в виде макромодели или схемы, перенос результатов синтеза в те- кущую схему или создание новой.