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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Bandpassfilter auf CMOS-Wechselrichtern. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Funkamateur-Designer Aktive Bandpassfilter haben insbesondere bei niedrigen Frequenzen erhebliche Vorteile gegenüber passiven, da sie den Verzicht auf Spulen ermöglichen, die in diesem Frequenzbereich groß sind und in vielen anderen Eigenschaften alles andere als ideal sind. Ein aktiver Biquad-Filter weist eine hohe Stabilität und Stabilität auf, wodurch im Bandpassfiltermodus ein Qualitätsfaktor von mehr als 100 erreicht werden kann. Eine typische Schaltung eines solchen Filters, aufgebaut auf Operationsverstärkern, ist in Abb. 1 dargestellt. XNUMX.
In einem Biquad-Filter subtrahiert der summierende Integrator die Ausgangsspannung des Tiefpassfilters vom Eingang (sie sind um 180 Grad phasenverschoben). – Bei einer Frequenz unterhalb des Übergangsabschnitts heben sich diese Signale gegenseitig auf und werden am Ausgang ausgegeben Das Signal wird erheblich gedämpft. Wenn es zunehmend in den Übergangsbereich eintritt, kompensiert das abnehmende Ausgangssignal des Integrators den Eingang nicht mehr, sodass der Signalpegel am Filterausgang ansteigt. Bei einer weiteren Erhöhung der Frequenz sorgt der Abfall des Frequenzgangs des Integrators für eine Dämpfung des Ausgangssignals und vervollständigt die Bildung des Frequenzgangs des Bandpassfilters. Der Nachteil des Biquad-Filters ist die erhöhte Anzahl aktiver Elemente. Als vielversprechend unter diesen Bedingungen kann der Einsatz von CMOS-Invertern als aktive Elemente angesehen werden, die linear arbeiten können und gegenüber Operationsverstärkern eine Reihe von Vorteilen aufweisen, beispielsweise das Fehlen einer Tendenz zur Selbsterregung und eine erhöhte Betriebsfrequenz . Und die Kosten sind normalerweise niedriger. Zu den Nachteilen der betrachteten aktiven Elemente zählen ihre geringe Verstärkung (30 ... 50 dB). Da Biquad-Filter jedoch keine hohen Verstärkungsanforderungen stellen, stellt dieser Nachteil kein Hindernis für den Einsatz von CMOS-Invertern als aktive Elemente dar. Einer der gebräuchlichsten Mikroschaltkreise der CMOS-Struktur – K561LN2 – enthält sechs Wechselrichter in einem Gehäuse, was den Aufbau eines Bandpassfilters vierter Ordnung ermöglicht. Eine Schaltung eines solchen Filters, die durch Kaskadierung zweier Filter zweiter Ordnung entsteht, ist in Abb. dargestellt. 2.
Es ist leicht zu erkennen, dass beide Filter zweiter Ordnung identisch sind und im Aufbau einem typischen Operationsverstärkerfilter ähneln (siehe Abb. 1). Der Filter verfügt über zwei Ausgänge, deren Signale gegenphasig sind. Der vom Filter aufgenommene Strom wird durch Auswahl des Widerstands R13 eingestellt. In diesem Fall kann die Versorgungsspannung innerhalb von 5 ... 15 V schwanken. Mit abnehmendem Versorgungsstrom erhöht sich die Verstärkung der aktiven Filterelemente, ihre Frequenzeigenschaften verschlechtern sich jedoch und die Ausgangsimpedanz steigt. Die Stromaufnahme sollte im Bereich von 0,5 ... 2 mA als optimal angesehen werden. Mit den im Diagramm angegebenen Nennwerten hat der Filter eine Zentralfrequenz fo=1000 Hz, eine Bandbreite Δf=100 Hz, einen Transmissionskoeffizienten Кп=10. Für andere Parameter kann der Filter mit der folgenden Methode berechnet werden. Setzen wir für die Eingangsverknüpfung С2=C3=С und R3=R4=R5=R. Berechnen Sie R, R1 und R2: R=1/(2πf0∙C); R1=Q/(2π∙f0∙C)∙√Кп; R2=Q/(2πf0∙C); Q=f0/Δf', wobei Δf'=Δf/v2-n, wobei Q der Qualitätsfaktor des Filters ist; n ist die Anzahl der kaskadierten Verbindungen zweiter Ordnung. Der Filter ermöglicht bei Bedarf eine unabhängige Anpassung der Parameter. So kann die Mittenfrequenz fo der Eingangsverbindung durch Auswahl des Widerstands R3, des Qualitätsfaktors Q - R2 und des Übertragungskoeffizienten Kp - R1 eingestellt werden. Die Betriebsfrequenz des auf den Wechselrichtern des K561LN2-Chips aufgebauten Filters kann Hunderte von Kilohertz erreichen. Durch die Verwendung ähnlicher Mikroschaltungen der Serien KR1564, 74AC, 74NS wird die Betriebsfrequenz um das 10- bis 15-fache erhöht. Eines der Merkmale des betrachteten Filters besteht darin, dass die Bandbreite bei einer Änderung der Mittenfrequenz unverändert bleibt. Wenn R1=R3 ist, wird außerdem die Verbindungsverstärkung durch das Verhältnis R2/R1 bestimmt. Der Eingangswiderstand des Links ist größer als der Widerstandswert des Widerstands R1, der Ausgang beträgt 10 ... 15 kOhm. Die endgültige Verstärkung der aktiven Elemente kann zu einer gewissen Erhöhung des Qualitätsfaktors im Vergleich zum berechneten Wert führen. Die Prototyping-Ergebnisse bestätigten die einfache Filtereinstellung, die gute Übereinstimmung zwischen den tatsächlichen und den berechneten Eigenschaften sowie ihre hohe Stabilität. Literatur Folkenbury L. Die Verwendung von Operationsverstärkern und linearen ICs (übersetzt aus dem Englischen). - M. Mir, 1986, 598 S. Autor: D. Onyshko, Nowotscherkassk, Gebiet Rostow.
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