Активні смугові фільтри в порівнянні з пасивними мають суттєві переваги, особливо на низькій частоті, оскільки дозволяють відмовитися від котушок, що мають у цій частотній області великі габарити, так і по багатьом іншим характеристикам далеких від ідеальних. Високою стійкістю і стабільністю володіє активний биквадратный фільтр, що дозволяє в режимі смугового фільтра отримувати значення добротності, перевищує 100. Типова схема такого фільтру, побудованого на операційних підсилювачах, показана на рис. 1.
У биквадратном фільтрі підсумовуючий інтегратор віднімає з вхідного вихідна напруга фільтра нижніх частот (вони зрушені по фазі на 180 град.)- На частоті, що знаходиться нижче перехідного ділянки, ці сигнали взаємно компенсуються і вихідний сигнал значно ослаблений. Коли вона, збільшуючись, виходить на перехідний ділянку, зменшується вихідний сигнал інтегратора вже не компенсує вхідний, тому на виході фільтра рівень сигналу зростає. При подальшому збільшенні частоти спад частотної характеристики інтегратора забезпечує ослаблення вихідного сигналу і завершує формування частотної характеристики смугового фільтра.
Недолік биквадратного фільтра - підвищену кількість активних елементів. Перспективним у цих умовах можна вважати застосування в якості активних елементів інверторів КМОП, які можуть працювати в лінійному режимі і мають перед операційними підсилювачами ряд переваг, наприклад, відсутність схильності до самозбудженню, підвищена робоча частота. Та і вартість, як правило, виявляється нижче.
З недоліків розглянутих активних елементів відзначимо їх невелике посилення (30...50 дБ). Однак, враховуючи, що биквадратные фільтри не пред'являють високих вимог до посилення, цей недолік - не перешкода для застосування інверторів КМОП в якості активних елементів.
Одна з найбільш поширених мікросхем структури КМОП - К561ЛН2 - містить в одному корпусі шість інверторів, що дозволяє побудувати смуговий фільтр четвертого порядку. Схема такого фільтра, отримана каскадним з'єднанням двох фільтрів другого порядку, зображений на рис. 2.
Легко бачити, що обидва фільтра другого порядку ідентичні за структурою і аналогічні типового фільтру на ОУ (див. рис. 1). У фільтрі передбачені два виходу, сигнали на яких противофазны.
Струм, споживаний фільтром, встановлюють підбором резистора R13. При цьому напруга живлення може змінюватися в межах 5...15 Ст. При зменшенні струму харчування збільшується посилення активних елементів фільтра, але погіршуються їх частотні властивості і збільшується вихідний опір. Оптимальним слід вважати споживаний струм в межах 0,5...2мА.
При вказаних на схемі номіналах фільтр має центральну частоту f=1000 Гц, смугу пропускання Δf=100 Гц, коефіцієнт передачі Кп=10. Для інших параметрів фільтр можна розрахувати за наступною методикою.
Покладемо для вхідної ланки C2=C3=З і R3=R4=R5=R. Розрахуємо R, R1 і R2: R=1/(2πf0∙C); R1=Q/(2π∙f0∙C)∙√Кп; R2=Q/(2πf0∙C); Q=f0/Δf', де Δf'=Δf/v2-n, де Q - добротність фільтру; n - число каскадно з'єднаних ланок другого порядку.
Фільтр допускає незалежну підстроювання параметрів, якщо вона необхідна. Так, центральну частоту fo вхідної ланки можна коригувати підбіркою резистора R3, добротність Q - R2, коефіцієнт передачі Кп - R1.
Робоча частота фільтра, побудованого на інверторах мікросхеми К561ЛН2, може досягати сотень кілогерц. Застосування аналогічних мікросхем серій КР1564, 74АС, 74НС дозволить збільшити робочу частоту у 10...15 разів.
Одна з особливостей розглянутого фільтра полягає в тому, що ширина смуги пропускання при зміні центральної частоти залишається незмінною. Крім цього, при R1=R3 коефіцієнт підсилення ланки визначається відношенням R2/R1. Вхідна опір ланки - більш опору резистора R1, вихідна - 10... 15 кОм. Кінцеве посилення активних елементів може призвести до деякого збільшення добротності порівняно з розрахунковим значенням.
Результати макетування підтвердили простоту регулювання фільтра, гарний відповідність реальних характеристик розрахунковим і їх високу стабільність.
Література
Фолкенбери Л. Застосування операційних підсилювачів і лінійних ІС (пер. з англ.). - М. Світ, 1986, 598 с.
Автор: Д. Онишко, р. Новочеркаськ Ростовської обл.