Динамический диапазон лестничных полосовых активных

УДК 621.382(06) Электронные измерительные системы
В.В. МАСЛЕННИКОВ, В.В. МЕЩЕРЯКОВ, ЗО МИН АУНГ,
Е.А. ЧУМАКОВ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН ЛЕСТНИЧНЫХ
ПОЛОСОВЫХ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ
С ПОЭЛЕМЕНТНОЙ ИМИТАЦИЕЙ
Рассматриваются вопросы уменьшения уровня сигналов во внутренних узлах
лестничных полосовых активных фильтров, построенных путём преобразований
их аналогов-лестничных LCR-цепей. Производится сравнение динамического
диапазона полосовых ARC-фильтров до и после преобразований.
В докладе [1] рассмотрена возможность расширения динамического
диапазона лестничных полосовых активных фильтров путём преобразований Нортона их LCR-прототипа.
Было проведено моделирование и экспериментальное исследование
фильтров, имеющих одинаковые АЧХ и обладающих следующими параметрами: полосовой фильтр Чебышева 6-го порядка, неравномерность
0,2 дБ, резонансная частота 1 кГц, полоса пропускания 100 Гц. Схемы
активных фильтров до и после преобразований приведены на рис.1 и 2
соответственно [2].
-
3,4 0,1 744 3114
кОм мкФ Ом кОм
-
+
-15В
-
ОУ2
+15В
744
0,1
Ом
мк
+15В
3,
0,1
4
мкФ
Ф
744 Ом
744
ОУ5
к
Ом
-15В
+15В
-15В
О
ОУ4
-
-15В
0,1 мкФ
ОУ6
-
0,1
мкФ
0,1 кОм
ОУ1 мкФ
3,4кОм
+
744 Ом
1 114
+15В
+
15,9нФ
-15В
-
Вх
-15В
+
ОУ3
+
+15В
2
Вых
15,9н
Ф
м
+
744 Ом
744 Ом
+15В
Рис. 1. Схема лестничного полосового активного фильтра до преобразования LCR-прототипа
В качестве конверторов полного сопротивления использована схема
Риордана-Антонио [3], а емкости конденсаторов выбраны одинаковыми .
________________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 1
276
УДК 621.382(06) Электронные измерительные системы
При моделировании активных фильтров до и после преобразований были
использованы микросхемы операционных усилителей (ОУ) типа LT1359.
+
-
3 56,8
кОм
8,5
2,9
ОУ4
кОм кОм
+15В
-15В
37,6
15
2,9
8,5
15
13,3 15
кОм
нФ
кОм
кОм
нФ
кОм нФ
7,4
кОм
ОУ5
+15В
+15В
2
Вых
1,6нФ
-15В
-15В
-
8,5
кОм
15
2,9
кОм
ОУ2
+
-
15 нФ
15,2
кОм
ОУ6
нФ
-
-15В
56,9
кОм
+
8,5
кОм
-
1
15
ОУ1 нФ
+
1,6нФ
+15В
-15В
-
Вх
-15В
+
ОУ3
+
+15В
Рис. 2. Схема лестничного полосового активного фильтра после преобразования LCR-прототипа.
+15В
8,5
кОм
Были исследованы выходные напряжения шумов Uвых.ш фильтров. Частотные зависимости спектральных выходных напряжений шумов в
фильтрах до и после преобразования, полученные в результате моделирования, приведены на рис.3.
8.0E-05
7.0E-05
6.0E-05
Uвых.ш
5.0E-05
До
После
4.0E-05
3.0E-05
2.0E-05
1.0E-05
0.0E+00
900
950
1000
1050
1100
Частота[Гц]
Рис. 3. Спектральные плотности выходного напряжения шума в схемах до и после преобразований LCR-прототипов
Результаты моделирования показали, что выходное напряжение шума
в полосе пропускания Δf = 0,946 кГц – 1,051 кГц = 105 Гц в ARC-цепи до
преобразования составляло 537 мкВ. Напряжение шумов в схеме на рис.2
составляло 168 мкВ, т.е оно уменьшилось в 3,2 раза.
Максимальные напряжения на выходе фильтра Uвых.макс, определяющие
верхнюю границу динамического диапазона (ДД), были определены из
зависимости Uвых = f (Uвх) на частоте 1,05 кГц, на которой получалось
________________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 1
277
УДК 621.382(06) Электронные измерительные системы
максимальное напряжение шумов на выходе фильтра. Задаваясь определенным уровнем отклонения характеристики от линейной (10 %), можно
определить Uвых.макс
На рис.4 приведены зависимости Uвых = f (Uвх) до и после преобразования. В результате моделирования получилось, что верхняя граница ДД
на частоте 1,05 кГц до преобразования составляла 670 мВ, а после преобразования увеличилась до 3,48 В, т.е она увеличилась в 5,19 раз.
4.0
3.5
3.0
Uвых
2.5
После
До
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.0
3.0
6.0
Uвх
9.0
12.0
15.0
Рис. 4. Амплитудные характеристики схем фильтров до и после
преобразований LCR-прототипов
Таким образом, динамический диапазон после преобразования увеличился за счет уменьшения выходного напряжения шумов и увеличения
верхней границы ДД. В рассмотренных схемах фильтров до преобразования он составил 61,9 дБ, а в схеме после преобразования ДД = 86,3 дБ, т.е
увеличился в 16,6 раз. Следует отметить при этом, что количество ОУ
осталось неизменным, а, следовательно, потребляемая мощность также не
изменилась.
Была проведена экспериментальная проверка приведенных результатов моделирования данных ARC-цепей до и после преобразования. Макетирование ARC-фильтров было выполнено на отечественных ОУ типа
К140УД4. Поведенные эксперименты показали, что динамический диапазон ARC-фильтра после преобразования существенно расширяется.
Список литературы
1. Зо Мин Аунг. Возможность расширения динамического диапазона лестничных полосовых активных фильтров (Предыдущий доклад).
2. Масленников В.В., Мещеряков В.В., Зо Мин Аунг. Лестничные полосовые активные
фильтры с расширенным динамическим диапазоном, Тр. междунар. конф. "Континуальные
алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике", Т. 4, Ульяновск
2004.
3. Справочник по расчёту и проектированию ARC-схем. Под ред. А.А. Ланнэ. М: Радио
и связь, 1984.
________________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 1
278
УДК 621.382(06) Электронные измерительные системы
________________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 1
279