Фильтр верхних частот на ОУ К153УД2
Пассивные RC фильтры имеют значительное затухание, малую крутизну спада АЧХ, при этом АЧХ зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала и нагрузки в пределах полосы пропускания. Для улучшения параметров RC фильтров к последним присоединяют активные элементы — транзисторы или ОУ, работающие в простейшем случае по схеме повторителя. Так как повторитель не меняет фазы входного сигнала, то пассивное RC звено включают в цепь положительной ОС. Этим частично компенсируют потери сигнала и повышают крутизну спада АЧХ всего фильтра.
Сопротивление резисторов и емкость конденсаторов в активных фильтрах сравнительно велики даже на очень низких частотах, вследствие чего конструкция активных фильтров получается компактной. На рис. 5.3 приведена несложная схема активного ФВЧ на базе ОУ К153УД2. Он состоит из последовательно соединенных пассивных RC ФВЧ на основе Г-образного звена (С2, R2) и собственно активного фильтра (СЗ, С4, R3, R4, DA1) верхних частот второго порядка. Такой фильтр (или фильтр Баттерворта) обладает максимально плоской АЧХ в пределах полосы пропускания.
При нажатии на кнопку SB1 включается пассивный RC фильтр (С2, R2, R4) с частотой среза около 100 Гц, имеющий крутизну спада 6 дБ на октаву. Нажатие на SB2 приводит к включению активного фильтра верхних частот. Точный расчет такого фильтра сложен, но при некоторых допущениях он упрощается. Например, приняв СЗ-С4-С, R3-R4/2, R4 можно приближенно определить по формуле
R4 = 0,707 /(тг/срС).
В данном случае фильтр имеет частоту среза около 40 Гц. Крутизна спада его АЧХ — 12 дБ на октаву. При нажатии на обе кнопки включаются пассивный и активный фильтры, при этом на частоте менее 20 Гц наклон АЧХ увеличивается до 18 дБ на октаву.
Для монтажа фильтра использована унифицированная плата. Переключатели SB1 и SB2 могут быть любого типа на два положения, например, П2К. Номиналы конденсаторов и резисторов, входящих в фильтр, должны иметь точность не хуже 2 %. Вместо микросхемы К153УД2 можно использовать любые ОУ с соответствующими цепями коррекции, например, К153УД1, К140УД8.
Для проверки работы узла необходим стабилизированный двухполярный источник питания напряжением ± 15 В и током не менее 10 мА. При использовании в фильтре элементов с точностью номиналов не хуже 2 % настройка не требуется. Если такие элементы подобрать не удалось, поступают следующим образом. Вначале, пользуясь рекомендациями (см. 5.2), настраивают пассивный RC фильтр С2, R2, R4 (кнопка SB1 нажата). Затем, отключив пассивный RC фильтр, включают активный. Подбирая конденсаторы СЗ, С4, добиваются, чтобы напряжение на выходе узла на частоте среза (/ср = = 40 Гц) составляло 0,7 t/BX.
Основные технические характеристики
Входное напряжение
номинальное .....................0,2 В
максимальное ...................... 8 В
Выходное напряжение
номинальное .....................0,19В
максимальное.....................7,6 В
Коэффициент передачи в полосе пропускания.........0,95
Перегрузочная способность, не менее ............32 дБ
Частота среза....................40 и 100 Гц
Крутизна спада АЧХ ............6 и 12 дБ на октаву
Коэффициент гармоник, не более ............0,07 %
Отношение сигнал/шум (невзвешенное) ..........66 дБ
Напряжение питания ..................±15В
Ток потребления .........................10 мА