2. Расчет фильтров

Первоначально необходимо все фильтры выполнить на операционных усилителях ОУ с тремя выводами (в этом случае в пакете Workbench на операционный усилитель автоматически подается два типовых источника питания); провести расчет элементов и плоттером снять характеристики. После того как Вы убедились, что получились нужные коэффициент усиления и частота среза следует перейти к выполнению этой же схемы, с одним источником питания + 12 В. С этой целью Вы заменяете ОУ с тремя выводам на ОУ с пятью выводами. Не забудьте подключить на неинвертирующий вход дополнительное положительное напряжение (U_доп), чтобы приоткрыть входные каскады ОУ, которые раньше были приоткрыты за счет использования второго источника питания (-Е₂). Для всех схем , где К_неинв – коэффициент усиления на постоянном токе по неинвертирующему входу.

2.1. Расчет ФНЧ – первого порядка

Схема каскада представлена на рис.22.3

Рис.22.3

, ,

где |K| - модуль коэффициента усиления по инвертирующему входу.

2.2. Расчет ФНЧ – второго порядка по схеме Рауха

Схема каскада представлена на рис.22.4

Рис.22.4

В соответствии с номером бригады (таблица 22.3) студенту задается тип фильтра. По таблице 22.1 определяются коэффициенты «в» и «с». Значения элементов определяются по нижеприведенным формулам:

(мкФ);

; ; ;

3. Расчет ФНЧ – второго порядка по схеме Саллен-КИ

Схема каскада представлена на рис.22.5

Рис.22.5

Для расчета используются выбранные значения коэффициентов «в» и «с». Значения элементов определяются по нижеприведенным формулам:

(мкФ); ; ; ; ; ;

2.4 Расчет ФНЧ второго порядка по схеме биквадратного активного звена

Схема каскада представлена на рис.22.6.

Рис.22.6

Для расчета используются выбранные значения коэффициентов «в» и «с». Значения элементов определяются по нижеприведенным формулам:

(мкФ); ; ; ; ; ;

При выбранных соотношениях , что подтверждает правильность применяемых формул.

Особенностью расчетов U_доп1 , U_доп2 , U_доп3 по сравнению с предыдущими схемами является то, что на каждый каскад подается U_доп и кроме этого на инвертирующий вход подается напряжение с предыдущего каскада. Как и раньше на выходе каждого каскада по постоянному току нужно получить Е/2 = 6В.

Не следует затрудняться и с расчетом U_доп3 , надо просто считать, что в цепи обратной связи стоит эквивалентное сопротивление Х_с.

Более сложно рассчитать U_доп1 . Эквивалентная схема для расчета U_доп1 приведена на рис.22.7.

Рис.22.7

Используя полученные значения R₁, R₂, R₆ и приведенную эквивалентную схему рассчитаем U_доп1 .

3.Экспериментальные исследования

3.1. Собрать схемы согласно рис.22.3, 22.4, 22.5, 22.6, установив расчетные значения элементов и ОУ с тремя выводами.

3.2. Снять плоттером АЧХ каждой схемы. Результаты исследований и расчетов погрешностей и скорости спада представить в виде таблицы 22.3.

Таблица 22.3

Вид схемы	/Кзад/	/Кэкс/	к	fср зад	fсрэкс	fср	/К^+экс/	/К^-экс/	Vспд	(fср)
	раз	раз	%	Гц	Гц	%	раз	раз	дБ/дек	
ФНЧ 1-го порядка
Схема Рауха
Схема Саллен-Ки
Схема биквадратного звена

3.3. Проверить устойчивость работы схем (не склонны ли они к самовозбуждению). Для этого следует изменить значение сопротивления R₁ на ± 10%. Полученные значения /К_экс/ в виде /К⁺_экс/ и /К^-_экс/ записать в таблицу 11.3. Если значения /К/ сильно изменятся (например, больше чем на 20%), то схема близка к самовозбуждению. Особенно это касается схемы Сален-КИ. Для этой схемы вначале поставьте U_{вх m} = 30 мВ, определите осциллографом амплитуду выходного сигнала при /К_зад/, /К⁺_экс/ и /К^-_экс/; затем то же самое сделайте при U_{вх m} = 30 мкВ. Если сигнал на выводе все равно получается большим, то схема самовозбудилась.

3.4. Соберите каждую схему с питанием ОУ (ОУ с пятью выводами) от одного источника питания (не забудьте установить расчетные значения U_доп ). Осциллографом измерьте постоянное выходное напряжение и определите коэффициент усиления каждой схемы по переменному току при R₁ = 10 кОм. Сравнить полученные данные с заданными.

3.5. Сделать один файл для всех схем с построением АЧХ всех фильтров на одном рисунке.