Оценка преимуществ перехода к схеме частотно-избирательного усилителя на базе ОУ

В основе работы многих современных приборов лежат прием, анализ и передача информации. Следовательно, эти приборы должны воспринимать какой-либо сигнал, усиливать его, и передавать на дальнейшую обработку. Для выполнения этих задач, в состав данных устройств часто вводятся частотно-избирательные усилители. Они позволяют не только настроить прибор на восприятие определенной частоты сигнала, ограничивая частоты среза, но и увеличить амплитуду данного сигнала для упрощения дальнейших операций с ним.

В качестве простейшего частотно-избирательного усилителя можно использовать схему, построенную на транзисторах. Одним из главных ее достоинств будет возможность коррекции амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), т.е. меняя номиналы резисторов и конденсаторов, можно будет добиться изменения коэффициента усиления и частот среза, обеспечивающих полосу пропускания. Но в тоже время данная схема будет достаточно громоздкой и сложной в настройке.

В последнее время в качестве частотно-избирательных усилителей все чаще используют активные фильтры на базе операционных усилителей (ОУ). Помимо вышеизложенных преимуществ, присущих схемам на транзисторах, схемы на ОУ более компактны, содержат в себе меньшее количество элементов, а, следовательно, более просты в настройке. Кроме того, присутствует возможность выбора аппроксимации АЧХ в зависимости от реализации активного фильтра на базе фильтров Баттерворта или фильтров Чебышева.

Проведен сравнительный анализ рассмотренных схем частотноизбирательных усилителей, выявлены их основные преимущества и недостатки. При заданных входных параметрах (напряжение питания Еп=12 В, усиление - не менее 70), были рассчитаны номиналы резисторов и конденсаторов, с которыми данная схема могла бы использоваться в радиоприемниках.

Транзисторный частотно-избирательный усилитель представляет собой схему, сочетающую пассивный RC-фильтр и усилительный каскад на транзисторах (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема частотно-избирательного усилителя на транзисторах

Пассивный фильтр, представленный на рисунке 2, выполняет роль ограничителя частот.

Рисунок 2 – Схема пассивного фильтра

Усилительный каскад, представленный на рисунке 3 необходим для увеличения амплитуды сигнала.

Рисунок 3 – Схема транзисторного усилителя

Данный усилитель состоит из 4 каскадов, два из которых выполнены на p-n-p-транзисторах (КТ216В), один – на n-p-n-транзисторе (КТ302А) и один – на полевом транзисторе (2NN823). VT1 подключен по схеме с общим истоком, VT2 и VT3 – по схеме с общим эмиттером, VT4 – по схеме с заземленным эмиттером. Связь между 1 и 2, а также 3 и 4 каскадами – гальваническая, а между 2 и 3 каскадами – емкостная. R6 и С2, присутствующие в шине питания обеспечивают развязку между 2 и 3 каскадами. С1 – разделительный конденсатор.

В программном пакете для анализа электрических цепей Tina-TI, снята АЧХ данного частотно-избирательного усилителя, и на ней отмечены максимальный коэффициент усиления K U (рисунок 4) и частоты среза f сн и f св (рисунок 5).

Рисунок 4 – K U частотно-избирательного усилителя

Рисунок 5 - Частоты среза частотно-избирательного усилителя

С использованием полученных значений ( K U = 96,35; f_CB = 2560 Гц; f_CH = 119,53 Гц) и формул для расчета фильтра по схеме Саллена-Ки, составлена программа в пакете MatLab, с помощью которой определены номиналы резисторов для получения активного фильтра с аналогичными характеристиками.

Текст программы:

K=96.35,%Коэффициент усиления fv=2560,%Частота среза верхняя, Гц fn =119.53,%Частота среза нижняя, Гц f0=sqrt(fv*fn),%Центральная частота среза, Гц df=fv-fn,%Ширина полосы пропускания, Гц

Q=/0/df,%Добротность фильтра в =1/ Q, p=K/ Q,

C 1=10/ f 0,%Емкость 1 конденсатора, мкФ

R 1=1/(2* pi * df* C 1),% 1 резистор, МОм

R 2=(2*( K -1))/(2* pi * f 0* C 1*(p *(2/ K -1)- B + sqrt ((p - B )^л2+8*( K -1)))),% 2 резист, МОм

R 3=(1/(2* pi * f0* C 1)л2)*(1/ R 1+1/ R 2),% 3 резистор, МОм

R 4= R 3*( K /( K -1)),% 4 резистор, МОм

R 5= K * R 3,% 5 резистор, МОм

В результате выполнения программы были получены следующие значения:

• f , = 553,17 Гц;

  R 1 = 0,0036 МОм;

  R ₂ = 3,35 МОм;

  R 3 = 0,0703 МОм;

  R 4 = 0,0710 МОм;

  R ₅ = 6,773 МОм.

  
  

  A f = 2440,5 Гц;

Q = 0,227;

P = 425;

• □ = 4,41;

C 1 = 0,0181 мкФ;

Далее, с учетом рассчитанных номиналов резисторов, был смоделирован активный фильтр по схеме Саллена-Ки (рисунок 6).

Рисунок 6 - схема активного фильтра на ОУ

Снята АЧХ для данной схемы (рисунки 7-8).

Рисунок 7 – K U активного фильтра

Рисунок 8 – Частоты среза активного фильтра

Сопоставив АЧХ частотно-избирательного усилителя на транзисторах и активного фильтра на ОУ можно увидеть, что коэффициент усиления и частоты среза данных схем практически совпадают, что говорит о возможности замены одной схемы на другую без потерь необходимых характеристик. Это еще больше доказывает, что схема на ОУ в настоящее время является более рентабельной, поскольку введение в ее состав малого количества элементов и их унификация дают преимущества в габаритах и делают схему экономически более выгодной. Возможность корректировки АЧХ дает широкий спектр областей применения данного усилителя. Значительно упрощается процесс настройки и использования приборов, в работе которых применяется рассмотренный усилитель.