Использование программы МС-7 при проектировании и расчете усилителей и синтезе активных фильтров

Задания на курсовой проект по дисциплине САЭУ могут содержать следующие варианты: проектирование и расчет аналоговых усилителей-импульсных, широкополосных, усилителей звуковой частоты или детальное исследование одного из каскадов таких усилителей, например, расчет оконечного

каскада усилителя мощности, дифференциального каскада, повторителей, каскодной схемы и т.д. Исследование и расчет схем может быть произведен при дополнительном изменении температуры и напряжения источников питания. Для выполнения такого типа заданий при проектировании и расчете производится моделирование схем и их анализ с помощью операций указанных выше в разделах введения 1,2и3. Кроме того, при выполнении курсовой работы может быть задано проектирование и расчет активных фильтров(АФ): нижних или верхних частот, полосовых или заграждающих, а также простейших (с изменением передачи сигнала в диапазоне частот-20 дБ на декаду) звеньев фильтров и использовании операционных усилителей с обратными связями.

Методика проектирования АФ достаточно хорошо отработана и приведена, например, в [2,3]. Как известно, она заключается в проектировании устройства на основе его ФНЧ-прототипа. Для этого в зависимости от типа синтезируемого фильтра -:ФНЧ,ФВЧ, ПФ или ЗФ, используется преобразование реальных частот в нормированные частоты ФНЧ прототипа. Далее с использованием требований к синтезируемому фильтру и, следовательно, его ФНЧ-прототипу определяется порядок и структура звеньев, т.е. их полюсы или соответствующие биномиальные коэффициенты. Затем обратным частотным преобразованием определяют комплексные(или операторные) коэффициенты передачи реальных звеньев, При этом в ПФ и ЗФ происходит удвоение порядка звеньев по сравнению с порядком звеньев прототипа. Далее строится частотная характеристика синтезируемого фильтра и определяется её соответствие техническому заданию. После такой проверки производится реализация звеньев фильтра, т.е. расчет резисторов и конденсаторов, а также выбор типа операционного усилителя. Такая методика с двумя примерами синтеза активных фильтров приведена в [3].

Имеется обширный набор схем звеньев АФ, приведенный, например, в [2,3], конфигурация которых зависит от типа фильтра: ФНЧ,ФВЧ, полосового или заграждающего и

добротности звена. В [2] приведена последовательность (направленный граф) расчета пассивных элементов-резисторов и конденсаторов для большого числа различных звеньев активных фильтров. Поэтому неудивительно, что подобный алгоритм синтеза активных фильтров может быть осуществлен в виде программного продукта, что и было выполнено разработчиками системы MICRO-CAP, начиная с её шестой версии [4]. В этой и последующих версиях программы приведена методика синтеза как пассивных, так и активных фильтров.При этом программа позволяет получить их схемную реализацию фильтра, их частотные и переходные характеристики,провести статистический анализ фильтра, чувствительность к изменению температуты, напряжения источников типания и т.п.

Приведем описание процесса синтеза активных фильтров на базе операционных усилителей с использованием программы МС7, который начинается с команды Active Filters меню Disian Окно задания параметров фильтра показано на рис.7.Сначала выбирается заданный тип фильтра (Low-pass, High - pass, Band-pass, Notch) и тип полинома, аппроксимирующего его частотную характеристику на закладке Response:

Batterworth, Chebyshev,Eliptic. Inverse Chebyshev.

Затем в группе полей с заголовком Specifications задаются параметры синтезируемого фильтра.

рис.7

. При этом имеются два варианта задания этих параметров – в режиме Mode 1 и режиме Mode 2.

В режиме Mode 1 для ФНЧ и ФВЧ задаются:

-коэффициент передачи напряжения К ₀ в полосе пропускания (Passband Gain) выраженный в децибеллах;

- неравномерность АЧХ в полосе пропускания (Passband Ripple) в децибелах (этот параметр задается только для фильтра Чебышева, т.к. фильтр Баттерворта имеет монотонную АЧХ;

- затухание в полосе задерживания (Stopband Attenuation) в децибелах;

- граничная частота полосы пропускания (Passeband);

- граничная частота полосы задерживания(Stopband )

Для полосовых и заграждающих (режекторных) фильтров задается центральная частота фильтра (Center Frequency), а вместо граничных частот полосы пропускания и полосы задерживания укаыываются значения ширины этих частотных областей. При использовании режима Mode1 порядок синтезируемого фильтра определяется автоматически.

В режиме Mode2 для ФНЧ и ФВЧ задаются:

-коэффициент передачи К₀ в полосе пропускания, вырааженный в децибелах;

-граничная частота полосы пропускания;

-неравномерность АЧХ в полосе пропускания в децибелах (только для фильтров Чебышева):

Для ПФ и РФ, кроме того, задается центральная частота фильтра, а вместо полосы пропускания задается добротность Q (отношение центральной частоты к полосе пропускания). В окне Poles и Zero выдаются результаты расчета комплексных полюсов и нулей передаточной функции синтезируемого фильтра.

На закладке Implementation (Реализация)-рис.8. выбирается тип реализации фильтра (Standart или Dual) и указываются значения сопротивлений генератора/нагрузки

(Sourse/Loud Resistor). Масштабный коэффициент (Impedance Scale Factor) используется для изменения значений параметров всех пассивных элементов: на него умножаются сопротивления резисторов и катушек индуктивности, на него делятся значения емкостей всех конденсаторов.

На панелях Resistor Value, Capacitor Value и Inductor Value указывается, какие значения номиналов элементов схемы следует использовать при реализации фильтра: точные, рассчитанные (Extac t) или округленные до ближайших стандартных значений. Перечень этих значений приведен в специальных файлах (имена фйлов задаются после нажатия кнопки Browse – просмотреть).

Рис.8

На закладке Option (Опции)- рис.9.выбирается формат представления численных значений номиналов компонентов (Component Value Format) и параметров передаточных функций (Polynomial Format).

Рис.9

На панели Plot -(Построить график)- выбирается перечень характеристик, графики которых будут построены. Если при выборе нескольких характеристик (например, АЧХ и ФЧХ) отмечена также позиция Separate Plot, то эти характеристики будут постоены на различных графиках. На панели Save To выбирается один из двух вариантов изображения схемы фильтра: New Circuit -на новой схеме, или - Current Circuit - на уже существующей схеме. На панели Create ( Создать) выбирается тип реализации фильтра: Circuit -в виде принципиальной схемы или Macro -в виде макромодели (в последнем случае имя файла макромодели создается автоматически или по указанию пользователя. Щелчком мыши на модели Macro можно при этом перейти к изображению принципиальной схемы, т.е. в режим Circuit. Исследование частотных, фазовых или переходных характеристик синтезируемых фильтров, их статистических испытаний и др. производится по тем же правилам, как это было показано в разделе 2 для принципиальных схем резисторных каскадов. На рис.10 для примера, показано окно задания синтеза фильтра нижних частот с аппроксимацией АЧХ по Баттерворту.

Рис.10

На рис.11 приведена принципиальная схема активного фильтра нижних частот синтезированного с помощью программы MICRO-CAP –7 согласно требованию задания указаного в окне рис. 10.

Из рис 11 видно, что фильтр нижних частот содержит два звена, состоящих из операционных усилителей с обратной связью- звенья Саллена-Кея. Включение конденсаторов С2 иС4 между входом операционных усилителей и общим проводом показывает. что звенья уменьшают передачу сингналов по мере увеличения частоты, т.е. фильтр относится к классу ФНЧ.

Рис.11.

На рис.12. приведены частотная и фазовая характеристики синтезированного активногофильтра нижних частот..

Рис.12