Исследование тепловой флуктуации параметров конденсаторов при реализации фильтров промежуточных частот на операционных усилителях
Автор: Зайцева И.Н., Пешков И.В., Фортунова Н.А.
Журнал: Международный журнал гуманитарных и естественных наук @intjournal
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 9-1 (60), 2021 года.
Бесплатный доступ
Полосовые фильтры являются эффективным средством выделения сигнала промежуточных частот. Полосовые фильтры ПЧ на операционных усилителях просты в проектировании, обладают малыми габаритами (вследствие необходимости в минимуме компонентов), что значительно облегчает их практическую реализацию. Предметом исследования в данной работе являются аспекты практической реализации активных фильтров для работы с ПЧ с учетом влияния температурного дрейфа компонентов ОУ.
Фильтры промежуточных частот, операционные усилители, температурный дрейф, тепловая флуктуация параметров
Короткий адрес: https://sciup.org/170189275
IDR: 170189275 | DOI: 10.24412/2500-1000-2021-9-1-66-70
Текст научной статьи Исследование тепловой флуктуации параметров конденсаторов при реализации фильтров промежуточных частот на операционных усилителях
Фильтры промежуточных частот (ПЧ) представляют собой полосовые фильтры, которые, являясь фильтрами с высокой избирательностью, подавляют помехи, близкие к краям спектра нужного сигнала. Полосовые фильтры достаточно широко используются в радиотехнике и выполняют несколько функций, при этом, основной остаётся фильтрация сигналов. Помимо пассивных полосовых фильтров, представляющих собой колебательный контур с резонансом, широко применяются активные ПФ, содержащие в себе активные элементы, чаще всего, операционные усилители. Полосовые фильтры на операционных усилителях (ОУ) довольно просты в исполнении, но самым сложным и трудоёмким является настройка, требующая последовательной регулировки элементов.
Применение ОУ даёт активным фильтрам большое преимущество по сравнению с пассивными фильтрами, так как он обладает следующим рядом преимуществ: способность к усилению сигнала, который лежит в полосе пропускания фильтра; отсутствие катушки индуктивности в цепи, как несовместимого с методами интегральных технологий компонента; относительная простота в настройке; малый объ-
ём, который практически не зависит от необходимой полосы пропускания, что важно для проектирования и разработки устройств, работающих в области низких частот; простота включения каскада при построении фильтров высоких порядков.
Но, несмотря на достоинства полосовых фильтров с активными компонентами для работы с ПЧ, а особенно простоту их реализации, возникает ряд проблем при их построении. Одной из главных проблем, возникающих при практической реализации ОУ, является смещение напряжения, которое в свою очередь заметно влияет на производительность усилителя. ОУ подвергаются небольшим изменениям в результате воздействия изменения рабочей температуры. Изменения производительности усилителя, возникающие в результате воздействия температуры относятся к дрейфу. Температурный дрейф в ОУ также оказывает влияние на ток и напряжение смещения. Из-за несовершенства компонентной основы операционных усилителей и несовершенства пассивных компонентов схемы, при реализации активного ПФ возникают проблемы, вызывающие пикирование добротности и нелинейные искажения.
Проведем исследование влияние температурной флуктуации конденсаторов на измерения. Сначала выполним моделирование схемы ПФ на ОУ второго порядка.
На рисунке 1 представлена схема ПФ на ОУ второго порядка в программном пакете MicroCap 9.

Рис. 1. Схема ПФ на ОУ второго порядка в ПП MicroCap 9
Для моделирования были выбраны реальные компоненты, обладающие характеристиками, приближенными к реальным. Был выбран операционный усилитель LN6361, так как он является улучшенным аналогом по сравнению с операционным усилителем AD847 и обладает следующими характеристиками: полоса пропускания 50 МГц; потребляемый ток 5 мА; высокая скорость нарастания 300 В/мкс; работает при любой емкостной нагрузке; достаточно небольшое время установления ступенчатого изменения напряжения на 10 В, составляющее 120 нс; малое входное напряжение смещения равное 0,5 мВ; диапазон температур от 0 до +75 и диапазон напряжения питания от 4,75 до 32 В. LM6361 необычайно устойчив к емкостным нагрузкам. Большинство операционных усилителей имеет тенденцию к колебаниям, когда их емкость нагрузки превышает предел в 200 пФ (особенно в цепях с низкими коэффициентами усиления). Компенсация LM6361 эффективно увеличивается с увеличением емкости нагрузки, уменьшая его пропускную способность и повышая его стабильность. При непосредственной реализации схемы полосового фильтра на операционных усилителях в данной работе будет использован операционный усилитель AD817ARZ, как единственный доступный приобретения в России улучшенный аналог для операционного усилителя LN6361 и обладает параметрами согласно официальной технической документации.
Далее, промоделировав схему простейшего полосового фильтра на ОУ, исследуем влияние температурной флуктуации конденсаторов на измерения.
Для проведения сравнений по очереди промоделируем схему (рис. 2) с идеальными компонентами и схему с внесением тепловой флуктуации в конденсаторы величиной 5 пФ в размере 0,5%. Для наглядной демонстрации помех, возникающих в результате влияния тепловой флуктуации параметров, попарно сравним амплитудно-частотную и фазово-частотную характеристики.

Рис. 2. Простейшая схема ПФ на ОУ в ПП Microcap 9
Выполним в программе MicroCap 9 частотный анализ для проверки АЧХ и ФЧХ, их соответствия идеальным характеристикам (рис. 3).

Рис. 3. АЧХ и ФЧХ для ПФ на ОУ с идеальными компонентами
Как видно из графиков АЧХ и ФЧХ для фильтра с идеальными компонентами, они являются идеальными, без потерь и сдвигов.
При внесении даже незначительного отклонения температурного коэффициента в параметры конденсатора, пределы графика переходных процессов уменьшились в 22 раза, появились «провалы» в графике (рис. 4).

Рис. 4. АЧХ и ФЧХ для ПФ на ОУ с флуктуацией параметров конденсатора
Как видно из сравнения графиков и АЧХ, и ФЧХ, тепловая флуктуация параметров конденсатора даже при 0,5% может привести к значительным проблемам при выполнении прямых задач устройства и к существенным отклонениям при измерениях. При сравнении графиков на рис. 3 и рис. 4, становится очевидно, что при учете в параметрах конденсатора тепловой флуктуации, АЧХ стала прямой в полосе пропускания, что делает практически не- возможным подавление мешающих соседних сигналов на границах спектра нужной промежуточной частоты. Это делает фильтр бесполезным для выполнения его непосредственных функций (вместо корректировки АЧХ – искажение), а ФЧХ, вследствие своей изменённой формы, будет соответствовать временной задержке ставляет довольно серьёзную проблему при практической реализации фильтров, так как под влиянием таких отклонений значительно отклоняется от заданных значений избирательность, а, следовательно, и добротность фильтра.
Для решения этой проблемы рекомендуется использовать цепь с обратной отрицательной связью (ООС), в которую включен варикап и прямосмещённый кремниевый диод или цепь, содержащая конденсаторы с отрицательным температурным коэффициентом ёмкости (но такая цепь предназначена лишь для схем с малыми пределами изменения управляющих напряжений), либо можно включить в цепь термистор для компенсации флуктуации температурного коэффициента конденсаторов. При напряжении в 5 В, требуется всех частотных составляющих полезного термистор с сопротивлением около сигнала из-за сдвига фаз. 10 кОм.
STUDY OF THERMAL FLUCTUATION OF CONDENSER PARAMETERS WHEN IMPLEMENTING INTERMEDIATE FREQUENCY FILTERS ON OPERATIONAL AMPLIFIERS
Yelets State University named after I.A. Bunin
(Russia, Yelets)
Список литературы Исследование тепловой флуктуации параметров конденсаторов при реализации фильтров промежуточных частот на операционных усилителях
- Абрамов К.Д. Схемотехника устройств на операционных усилителях: учеб. пособие / К.Д. Абрамов, С.К. Абрамов. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т "Харьковский авиационный институт". - 2008. - 77 с.
- Русу А. Новые методы уменьшения дрейфа нуля в малошумящих АЦП Texas Instruments // Новости Электроники. - 2019. - №2. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://terraelectronica.ru/news/5807.
- Steven T. Karris, Digital Circuit Analysis and Design with Simulink Modeling and Introduction to CPLDs and FPGAs, 2nd Edition, Orchard Publications. - 2007. - 546 p.