Filtro passa banda su inverter CMOS. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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I filtri passa-banda attivi presentano vantaggi significativi rispetto a quelli passivi, soprattutto alle basse frequenze, poiché consentono di abbandonare bobine grandi in questa regione di frequenza e tutt'altro che ideali in molte altre caratteristiche. Un filtro biquad attivo ha un'elevata stabilità e stabilità, che consente di ottenere un fattore di qualità superiore a 100 nella modalità filtro passa-banda.Un circuito tipico di tale filtro, costruito su amplificatori operazionali, è mostrato in fig. 1.

In un filtro biquad, l'integratore sommatore sottrae la tensione di uscita del filtro passa-basso dall'ingresso (sono sfasati di 180 gradi).- A una frequenza inferiore alla sezione di transizione, questi segnali si annullano a vicenda e l'uscita segnale è notevolmente attenuato. Quando, aumentando, entra nella sezione di transizione, il segnale di uscita decrescente dell'integratore non compensa più l'ingresso, quindi il livello del segnale all'uscita del filtro aumenta. Con un ulteriore aumento della frequenza, l'attenuazione della risposta in frequenza dell'integratore fornisce l'attenuazione del segnale di uscita e completa la formazione della risposta in frequenza del filtro passa-banda.

Lo svantaggio del filtro biquad è l'aumento del numero di elementi attivi. Promettente in queste condizioni può essere considerato l'uso di inverter CMOS come elementi attivi, che possono funzionare in modalità lineare e presentare una serie di vantaggi rispetto agli amplificatori operazionali, ad esempio l'assenza di tendenza all'autoeccitazione e una maggiore frequenza operativa . E il costo è solitamente inferiore.

Tra le carenze degli elementi attivi considerati, notiamo la loro piccola amplificazione (30 ... 50 dB). Tuttavia, dato che i filtri biquad non hanno elevate esigenze di guadagno, questo svantaggio non costituisce un ostacolo all'utilizzo di invertitori CMOS come elementi attivi.

Uno dei microcircuiti più comuni della struttura CMOS - K561LN2 - contiene sei inverter in un pacchetto, il che consente di costruire un filtro passa-banda del quarto ordine. Un circuito di tale filtro, ottenuto mettendo in cascata due filtri del secondo ordine, è mostrato in Fig. 2.

È facile vedere che entrambi i filtri di secondo ordine sono identici e hanno una struttura simile a un tipico filtro op-amp (vedi Fig. 1). Il filtro ha due uscite, i cui segnali sono antifase.

La corrente consumata dal filtro viene impostata selezionando il resistore R13. In questo caso, la tensione di alimentazione può variare entro 5 ... 15 V. Con una diminuzione della corrente di alimentazione, il guadagno degli elementi filtranti attivi aumenta, ma le loro proprietà di frequenza si deteriorano e l'impedenza di uscita aumenta. Il consumo di corrente dovrebbe essere considerato ottimale nell'intervallo 0,5 ... 2 mA.

Con i valori indicati nel diagramma, il filtro ha una frequenza centrale fo=1000 Hz, una larghezza di banda Δf=100 Hz, un coefficiente di trasmissione Кп=10. Per altri parametri, il filtro può essere calcolato utilizzando il seguente metodo.

Poniamo per il link di ingresso С2=C3=С e R3=R4=R5=R. Calcola R, R1 e R2: R=1/(2πf0∙C); R1=Q/(2π∙f0∙C)∙√Kp; R2=Q/(2πf0∙C); Q=f0/Δf', dove Δf'=Δf/v2-n, dove Q è il fattore di qualità del filtro; n è il numero di collegamenti in cascata del secondo ordine.

Il filtro consente la regolazione indipendente dei parametri, se necessario. Quindi, la frequenza centrale fo del collegamento di ingresso può essere regolata selezionando il resistore R3, il fattore di qualità Q - R2, il coefficiente di trasferimento Kp - R1.

La frequenza operativa del filtro costruito sugli inverter del chip K561LN2 può raggiungere centinaia di kilohertz. L'uso di microcircuiti simili delle serie KR1564, 74AC, 74NS aumenterà la frequenza operativa di 10...15 volte.

Una delle caratteristiche del filtro considerato è che la larghezza di banda rimane invariata quando cambia la frequenza centrale. Inoltre, quando R1=R3, il link gain è determinato dal rapporto R2/R1. La resistenza di ingresso del collegamento è superiore alla resistenza del resistore R1, l'uscita è 10 ... 15 kOhm. L'amplificazione finale degli elementi attivi può portare ad un certo aumento del fattore di qualità rispetto al valore calcolato.

I risultati della prototipazione hanno confermato la facilità di regolazione del filtro, il buon accordo tra le caratteristiche reali e quelle calcolate e la loro elevata stabilità.

Letteratura

Folkenbury L. L'uso di amplificatori operazionali e circuiti integrati lineari (tradotto dall'inglese). - M. Mir, 1986, 598 p.

Autore: D.Onyshko, Novocherkassk, regione di Rostov.

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