ЗО МИН АУНГ, аспирант

Научный руководитель – В. В. МАСЛЕННИКОВ, д. т.н., профессор

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

ВОЗМОЖНОСТЬ РАСШИРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА ЛЕСТНИЧНЫХ ПОЛОСОВЫХ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ

Рассмотрена возможность расширения динамического диапазона лестничных полосовых активных фильтров. Произведены преобразования Нортона над элементами лестничного LC - прототипа активного полосового фильтра. Сравниваются уровни напряжений во внутренних узлах и чувствительности фильтров до и после преобразования.

Известно, что активные фильтры, имитирующие лестничные LC-цепи, обладают самой низкой чувствительностью передаточной функции к изменению значений элементов [1]. Однако, один из больших недостатков таких фильтров – возникновение выбросов напряжений во внутренних узлах, превышающих входное и выходное напряжения [2]. Это существенно уменьшает верхнюю границу их динамического диапазона (ДД).

Процедура уменьшения возникающих выбросов напряжения во внутренних узлах полосовых лестничных фильтров предложена в [3]. Следуя приведенной в [3] процедуре, на примере полосовых фильтра 6-го порядка (рис.1) для уменьшения выбросов в узле 3 произведём преобразования Нортона [4] над элементами и CS.

Рис.1
 
 

Сначала преобразуем индуктивность LS. В результате она была заменена треугольником, состоящим из индуктивностей -La, Lb и Lc и повышающего трансформатора с коэффициентом трансформации w >1 , причем La =LS /(1-w). При этом уровень напряжения на выходе фильтра увеличивается w раз. Чтобы не изменился уровень выходного напряжения, необходимо произвести преобразования Нортона над элементом . В результате образуется треугольник, состоящий из ёмкостей -Ca, Cb и Cc и понижающего трансформатора, причем Са =СS (1- w). Получим фильтр, приведенный на рис 2.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

 

Lb
 
Поскольку понижающий и повышающий трансформаторы имеют одинаковый коэффициент трансформации их можно исключить из схемы (рис.3).

Рис.3
 
 

При преобразованиях Нортона w выбирается равным величине, на которую надо уменьшать уровень напряжения в выбранном узле. Однако, эквивалентные значения элементов L1 и -La, а также C2 и -Ca должны быть положительными, что обеспечивается при выполнении условий и . В результате полученная схема фильтра приведена на рис 4.

Рис.4
 
 

Хотя количество реактивных элементов в схеме возросло с 6 до 8, преобразованная схема фильтра имеет как и исходная 6-й порядок, а её передаточная функция идентична передаточной функции исходной схемы фильтра.

Для сравнения фильтров до и после преобразований использован полосовой фильтр Чебышева 6-го порядка с центральной частотой 1 кГц, неравномерностью 0,2дБ и с относительной шириной полосы пропускания 1%. Были рассчитаны схемы LCR - фильтра до и после преобразования. Для схемы фильтра на рис. 1 величины L и C получились следующие: C1 = С2 =2,14 мкФ, L1=L2 =11,86 мГн, LS = 1,82 Гн и CS = 13,98 нФ, а для преобразованной схемы на рис. 4: C1= С2=2,14 мкФ, LЭКВ= 13,54 мГн, Lb = 90, 83 мГн, Lc = 4,78 мГн, Cc= 5,31 мкФ, Cb= 0,28 мкФ и CЭКВ=1,88 мкФ.

Результаты моделирования показали, что напряжение в узле 3 в лестничном LC-фильтре после преобразования уменьшилось на 20 дБ. Таким образом, верхняя граница ДД активного фильтра, реализованного с использованием LCR-прототипу (рис.4), может быть увеличена за счет уменьшения выбросов во внутренних узлах.

Анализ показал, что обе цепи (рис.1 и рис.4) обладают одинаковой алгебраической суммой поэлементных чувствительностей [5]. Результаты моделирования чувствительностей, полученные при использовании Orcad-пакета программ, совпадают с результатами аналитических расчетов. Однако среднеквадратичные чувствительности схемы после преобразований уменьшаются. В рассматриваемом примере на частоте максимума АЧХ 1,05 кГц для схемы фильтра на рис. 1 получаем среднеквадратичную чувствительность к индуктивностями равную 16,92, а для преобразованной схемы на той же частоте максимума АЧХ получаем ту же чувствительность равную 14,21. Поскольку шумы активных фильтров пропорциональны среднеквадратичным чувствительностям к элементам, можно ожидать, что это может привести к некоторому уменьшению выходного напряжения шума.

Приведенные результаты позволяют утверждать, что с помощью преобразований лестничной цепи можно уменьшить выбросы напряжений в узлах фильтра, а также и выходные шумы и, тем самым, существенно расширить динамический диапазон.

Литература

1.  , Аллен в теорию и расчет активных фильтров: Пер. с англ.- М.: Радио и связь, 1984.

2.  Справочник по расчёту и проектированию ARC – схем. Под ред. . – М : Радио и связь, 1984.

3. , . Процедура исключения перегрузок в активных полосовых фильтрах, моделирующих лестничные LC-цепи.: Радиотехника, 1991 г., № 11.

4 Справочник по расчету фильтров: Пер. с нем.-М.:Радио и связь, 1983.

5. Теория чувствительности и допусков электронных цепей: Пер. с англ.-М.:Сов. радио, 1973.