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)