них в первый момент обратная связь действовать не будет, и схема может выйти из строя. В схемах с ОУ, имеющими малые значения 17еых, например К140УД2, желательно включение высокочастотных диодов.

Нередки случаи пробоя выходного каскада. Так, максимальный допустимый выходной ток ОУ К140УД1 равен 50 мА. Если при коротком замыкании этот ток будет превышен, то выходной транзистор выходит из строя. С этой точки зрения опасными являются случаи, когда непосредственно к ОУ подключается транзистор или конденсатор большой емкости. Для защиты выходного транзистора включают резистор Ron- Сопротивление ?доп можно найти из условия

R,on>-j-Rnu.. (3.141

вых max

Для К140УД1 ?вых=270 Ом, для К153УД1 /?вых=200 Ом. Можно ограничивать выходной ток с помощью полевого транзистора. Сопротивление его вырастает при больших токах любой полярности.

Многие новые ИС имеют внутреннюю защиту по входу (140УД6, 140УД7, 153УД2, 153УД4, 153УД5) и по выходу (140УД6, 140УД7).

Об устранении паразитной обратной связи. Обычно паразитные обратные связи возникают между выходом и неинвертирующим входом усилителя, между элементами корректирующих цепей и элементами, подключенными к входным зажимам. Кроме того, положительная обратная связь может образоваться по цепям питания и земли.

Для уменьшения паразитной обратной связи необходимо выполнять все подводящие проводники как можно короче, обеспечивая их минимальную индуктивность и минимальную емкость между выходными и входными зажимами. Влияние утечек и связей по сопротивлению изоляции печатной платы устраняется применением защитных контуров, окружающих входные цепи и соединенных с корпусом. Взаимоопасные проводники желательно располагать в различных слоях и перпендикулярно друг другу. Для снижения уровня помех, обусловленных индуктивностью шин питания и заземления, желательно увеличивать емкость фильтра, для чего шины делают более широкими (до 5 мм) и располагают их на соседних слоях в виде смежных плоскостей. В каждом каскаде на ОУ и перемножктеле желательно включать фильтры в цепях питания, причем конденсаторы необходимо устанавливать как можно ближе к корпусу ИС. Паразитная обратная связь между выходом ОУ и неинвертирующим входом особенно опасна в случае источника сигнала с большим выходным сопротивлением. Если нет цепей коррекции на входе, то для устранения генерации неинвертирующий вход можно соединить с землей через емкость 50-100 пФ, а входной сигнал подавать на инвертирующий вход.

Наибольшие трудности возникают при проектировании малогабаритных устройств с большим усилением на высокой частоте. В

этом случае особенно короткими должны быть проводники, идущие от ИС к переключателям и контурам. Контуры необходимо тщательно экранировать со всех сторон, помещая под экраны и контурные конденсаторы. Если в высокочувствительную ИС сигнал возвращается после детектора, то желательно экранировать все элементы детектора.

Глава 4

АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА УНИВЕРСАЛЬНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ

Вопросам, связанным с активными фильтрами, посвящено большое количество книг и статей. В (26] приводится обзор результатов, опубликованных более чем в 2000 отечественных и зарубежных работах. Общеизвестны работы [27-29] и другие, освещающие вопросы проектирования активных фильтров с использованием ИС. Подавляющее большинство работ предназначено для научных работников и инженеров, специально занимающихся разработкой активных ЯС-цепей. Однако за последние годы благодаря использованию ИС области применения активных ?С-фильтров значительно расширились. Теперь нередки случаи, когда разработчики аппаратуры связи вынуждены применять активные фильтре при проектировании радиоприемной, радиопередающей или контрольно-измерительной аппаратуры.

Далее приводится методика расчета, позволяющая специалистам различных радиотехнических специальностей оперативно проектировать часто применяемые активные iC-фильтры.

Основной характеристикой фильтра является его порядок (я), определяемый старшей степенью полиномов передаточной функции. Чем больше порядок фильтра, тем круче скаты частотной характеристики, т. е. выше избирательные свойства. Чем выше порядок фильтра, тем больше необходимо использовать реактивных элементов. Фильтры п-го порядка обычно строятся из каскадного соединения п/2 фильтров (звеньев) 2-го порядка и если п - нечетное, то к (п-1)/2 звеньям 2-го порядка добавляется звено 1-го порядка. Дд реализации каждого звена 2-го порядка требуется одна или несколько ИС. Звенья характеризуются также добротностью. Чем выше добротность, тем выше избирательные свойства звена вблизи частоты среза.

Для построения активных фильтров на ИС лучше всего подходят операционные усилители (ОУ), реже применяются ИС единичных усилителей. Единичным усилителем мы будем называть неинвертирующий усилитель с большим входным и малым выходным сопротивлениями и коэффициентом передачи близким, но не обязательно равным единице. Звенья 2-го порядка строятся на одном или нескольких ОУ с включением ЛС-цепей на входе и в цепи отрицательной обратной связи. Такие звенья хорошо стыкуются друг с другом, не оказывая взаимного влияния. Обычно для Qlo используются звенья на одном ОУ. Звенья на трех ОУ обеспечивают более высокую добротность.

Если в цепь обратной связи включить двойной Т-образный мост или мост Вина, то можно на одном ОУ построить полосовой фильтр 2-го порядка с довольно высокой добротностью. Подобные мостовые фильтры обычно не соединяются каскадно, так как они имеют большие выходные сопротивления и требуют экранировки. Однако благодаря легкости получения высокой добротности, простоте схемы, а также удобству перестройки резонансной частоты и возможности регулировки добротности мостовые фильтры 2-го порядка находят широкое применение.

Расчет активных многозвенных фильтров складывается из двух этапов: сначала определяются число звеньев и коэффициенты их передаточных функций, а затем рассчитываются значения сопротивлений и емкостей каждого звена.

В аппаратуре связи широкое применение в интегральном исполнении находят фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ) и полосо-

вые фильтры (ПФ). Режекторные фильтры (РФ) используются реже, так как их трудно настраивать (в особенности это относится к звеньям на одном ОУУ и они могут иметь всплеск частотной характеристики вблизи полосы режекции. Режекторный фильтр можно получить, используя инвертирующий полосовой фильтр, включенный на вход суммирующего усилителя (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема для получения режекторных свойств с помощью полосового фильтра

Сопротивления резисторов Rwn и R\ выбирают так, чтобы в полосе пропускания ПФ сигнал на входе ОУ был полностью скомпенсирован. Тогда передаточная функция такого узла будет

Я(5)рф = Яо-Я(5)пф. (4.1)

где S - комплексная частота; - затухание в полосе пропускания,

4.1. Определение коэффициентов передаточных функций фильтровых звеньев по исходным требованиям к фильтру

Расчет коэффициентов передаточных функций складывается из следующих этапов:

преобразование исходных требований к фильтру в требования к низкочастотному прототипу фильтра, который копирует селективные свойства в области низких частот;

аппроксимация передаточной функции низкочастотного прототипа;

расчет коэффициентов передаточных функций звеньев низкочастотного прототипа;

преобразование коэффициентов передаточных функций звеньев низкочастотного прототипа в коэффициенты передаточных функций звеньев требуемого фильтра.

Переход к низкочастотному прототипу.

Примем обозначения: (Оо - угловая частота среза ФНЧ или ФВЧ; шр - резонансная угловая частота ПФ или РФ; Q - нормированная (относительно частоты среза) частота; Q - добротность ПФ или РФ; Н - затухание. Если проектируется ФНЧ, то переход заключается в нормировании частоты относительно частоты среза. Необходимо задаться неравномерностью в полосе пропускания ДЯ и определить относительные частоты 0 = со/(0о (ио - частота среза) в полосе задерживания, где требуется получить данный коэффициент передачи (рис. 4.2а, д).

Для ФВЧ низкочастотным прототипом будет ФНЧ с теми же частотой среза, неравномерностью в полосе пропускания и относительными частотами для точек) с заданным затуханием, равным Q = u)o/ib. Рисунки 4.25, б поясняют переход от ФВЧ (б) к его низкочастотному прототипу (д).

Считаем, что fii=<Do/Q)i и £32=соо/ш2.

Рисунки 4.25, в поясняют переход от полосового фильтра (в) к его низкочастотному прототипу (д), где й)р= КшаШв! Юн и а - границы полосы пропускания. В этом случае

Oi = Q (шр/Mi - ©t/(Op) Qa=Q (Ша/сор - cop/cog), где Q = сор/(Шв - Шв).