Aktywne filtry górno i dolnoprzepustowe

WstĊp, czyli stare dobre czasy...

Na podstawach elektrotechniki miaáem waákowane kilka miesiĊcy o

wzmacniaczach operacyjnych. Tematyka podejmowanych tam
zagadnieĔ znaczącą zniechĊciáa mnie do dalszych eksperymentów.

Zastanawiaáem siĊ podczas kolejnych nic nie znaczących tematów lekcji,

do czego moĪna wykorzystaü wiedzĊ w zakresie budowy takich aplikacji

wzmacniaczy operacyjnych jak: wzmacniacz róĪnicowy, caákujący,

sumujący, mnoĪący.... MoĪe zrobiü komputer analogowy - Nie w

obecnej chwili takie urządzenie nie znalazáoby zastosowania. Stanąáem,

wiĊc przed ciĊĪkim zadaniem. W sumie są to áadne trójkąty (chodzi o

symbol), ale w dalszym ciągu nie wiedziaáem co z nimi zrobiü. W koĔcu

natknąáem siĊ na ksiąĪkĊ poĞwiĊconą caákowicie wzmacniaczom nie

tylko operacyjnym. Patrząc na te wszystkie wzory, bĊdąc juĪ zaáamany

pod wzglĊdem psychicznym oraz brakiem nowych pomysáów siĊgnąáem

po gotowe rozwiązanie przykáadowego filtru z kilkoma prostymi wzorami

na obliczenie elementów. KamieĔ spadá z serca i przystĊpując do

symulacji wprowadziáem pierwsze zmiany w ukáadzie, dowiadując siĊ

jednoczeĞnie podstawowych zaleĪnoĞci czĊstotliwoĞci przepustowej od

wartoĞci elementów (caáy czas sądzĊ, Īe wzory nigdy nie zastąpią

praktyki). W ukáadzie powoli pojawiaáy siĊ nowe funkcje – przykáadowo

táumienie sygnaáu w zaleĪnoĞci od poáoĪenia suwaka potencjometru.

Przyszedá w koĔcu finaá i oto przed PaĔstwem ukáad filtru niskich i

wysokich tonów. Po co to, komu? WáaĞciwe na początku, obawiając siĊ

alternatywnych rozwiązaĔ typu korektor w komputerze, nie wiedziaáem

jak dobrze przedstawiü ukáady, aby wzbudziáy zainteresowanie. Po

dáuĪszym namyĞle ukáad o uwydatnieniu niskich tonów moĪna

wykorzystaü podczas tworzenia subwoofera. Znając juĪ duĪe

zainteresowanie takimi urządzeniami, na pewno zostanie zwrócona

uwaga na takie rozwiązanie.

Pozostaáa kwestia wykorzystania filtru górnoprzepustowego

sáuĪącego do wzmocnienia wysokich tonów. Jak na razie konkretne

zastosowanie nie przychodzi mi do gáowy. Ukáad jednak moĪe sáuĪyü

podobnie jak subwoofer do wzmacniania aktywnego wysokich tonów
specjalnie dla potocznie mówiąc „gwizdka” Do tej pory doáączaliĞmy do

takiego gáoĞnika kondensator, a teraz wyodrĊbnione zostanie pasmo juĪ

za koĔcówką mocy. Jest to bardzo waĪne – nie powstają Īadne

znieksztaácenia i nie zostaje zredukowana moc!

W kaĪdym razie ukáady filtrów znajdą wszĊdzie zastosowanie,

gdzie zaleĪy nam na wydzieleniu i wzmocnieniu okreĞlonego pasma

czĊstotliwoĞciowego sygnaáu m.cz. (audio).

Opis wzmacniaczy operacyjnych serii TL07 i TL072

TL07 zawiera swej strukturze jeden wzmacniacz operacyjny, natomiast

TL072 – dwa. Podstawowe parametry obu ukáadów scalonych są

jednakowe i przedstawiają siĊ nastĊpująco:

Zasilanie: +/-5V

Moc: 680mW
Rezystancja wejĞciowa: 0

2

mŸ

ZawartoĞü wszystkich harmonicznych: 0,0%

Maksymalne napiĊcie wejĞciowe: 0mV

Dokáadne opisy ukáadów scalonych TL07 oraz TL072 moĪna znaleĨü na

witrynie internetowej Elektronika Hobby w dziale katalog:
http://www.elektronika.basnet.pl/katalog/katalog.html

Opis filtrów

Urządzenie skáada siĊ z dwóch moduáów – nastawnika wysokich i

niskich tonów poáączonych szeregowo (rys. ). Jednak kaĪdy nastawnik

moĪe pracowaü oddzielnie redukując w ten sposób odpowiednie pasmo

czĊstotliwoĞciowe (rys. 2 i 3).

Na ukáadzie Ua zostaá zbudowany filtr górnoprzepustowy, którego

wáasnoĞci czĊstotliwoĞciowe zaleĪą od elementów C3, R3 i oczywiĞcie

od P znajdujących siĊ w pĊtli sprzĊĪenia zwrotnego. CzĊstotliwoĞü

graniczna wynosi 2kHz i moĪe byü z áatwoĞcią dopasowana do wáasnych

potrzeb poprzez zmianĊ C3.

Na ukáadzie Ub zostaá zbudowany filtr dolnoprzepustowy, którego

wáasnoĞci czĊstotliwoĞciowe zaleĪą od elementów C4, R6 oraz P2

znajdujące siĊ w pĊtli sprzĊĪenia zwrotnego. CzĊstotliwoĞü graniczna

wynosi 350Hz i moĪe byü z áatwoĞcią zmieniana przez zmianĊ wartoĞci

C4. Jest wskazane zastosowanie na wyjĞciu ukáadu dodatkowego

wzmacniacza buforującego sprzĊĪonego pojemnoĞciowo – opisywany

ukáad przy maksymalnym wzmocnieniu wzmacnia napiĊcie offsetu ok. 4

razy.

Testy przeprowadzono na oddzielnych nastawnikach dla tonów

wysokich i niskich znajdujących siĊ odpowiednio na rysunkach 2 i 3.

ChociaĪ wykorzystano ukáad TL072, to do budowy jednego, wybranego

filtru wystarczy ukáad scalony zawierający tylko jeden wzmacniacz

operacyjny – TL07, ale pamiĊtając o innych wyprowadzeniach tego

scalaka. Warto zwróciü uwagĊ na rezystor R4, którego wartoĞü przy

poáączeniu szeregowym filtrów wynosi MŸ, a podczas pracy oddzielnej

nastawnika dolnoprzepustowego rezystancja jest równa 47kŸ.

MontaĪ i regulacja

Dwa filtry aktywne poáączone szeregowo zmontowano na jednej

páytce drukowanej przedstawionej na rysunku 4. W przypadku chĊci

wykorzystania tylko jednego filtru moĪemy uĪyü metody pajĊczarskiej –

zezwala na to prostota urządzenia. Na początku montujemy najmniejsze

elementy, koĔcząc na podzespoáach o wiĊkszych gabarytach. Regulacji

wysokich i niskich tonów dokonujemy za pomocą potencjometrów P i

P2. ObojĊtnie, który ukáad zrobimy pamiĊtajmy, Īe wyjĞcia filtrów

aktywnych podáączamy przed wzmacniaczem koĔcowym.

Dziaáanie

Po zakoĔczonej treĞci teoretycznej przyszedá czas na

przedstawienie wad i zalet, które zostaáy dostrzeĪone podczas testów

praktycznych. Zarówno filtr górnoprzepustowy jak i dolnoprzepustowy nie
likwidowaá w peáni innych czĊstotliwoĞci, powodując jedynie uwydatnienie

lub osáabienie (zaleĪnie od poáoĪenia potencjometru) wybranego pasma.

Ma to jednak swoje dobre strony. Dlaczego? PrzecieĪ w przypadku

caákowitej likwidacji przez filtr górnoprzepustowy pasma czĊstotliwoĞci

poniĪej 2kHz, filtr dolnoprzepustowy, który poáączony jest szeregowo z

górnoprzepustowym nie miaáby co wzmacniaü! Takie same zjawisko

wystĊpuje w innym przypadku. WyobraĨmy sobie, Īe filtr

górnoprzepustowy uwydatniá wysokie czĊstotliwoĞci, a filtr

dolnoprzepustowy je po prostu zlikwidowaá - Dlatego tak waĪne jest,

aby filtry nie likwidowaáy w peáni innych czĊstotliwoĞci, a jedynie

wzmacniaáy swoje pasmo. Po doprowadzeniu wyjĞcia filtrów poáączonych

szeregowo do wzmacniacza koĔcowego uzyskamy w ten sposób

tradycyjny regulator barwy tonu, znajdujący siĊ w kaĪdym lepszym

urządzeniu audio.

Autor: Kamil Gulczuk
[e-mail]

Wersja Ĩródáowa projektu (w programie Protel 99SE)

jest dostĊpna na witrynie internetowej Elektronika

Hobby pod adresem:
http://www.elektronika.basnet.pl/protel/protel.html

1

2

3

4

56

A

B

C

D

6

5

4

3

2

1

D

C

B

A

Title

Number

Revision

Size

B

Date:

7-

Ju

n-

20

00

Sheet of

File:

E

:\p

rotel_projekty\filtry_audio.ddb

Drawn By:

2

3

1

8

4

U1A

TL072

6

5

7

4

8

U1B

TL072

+15

-15

1

2

Z1

Wej

Ğcie

R1 47k

C2

100nF

C1

100nF

R2 1M

P1 10k

R3 2,2k

C3 8,2nF

R4* 1M

Wyj

Ğcie 1 filtru

R5 1M

P2 10k

R6 2,2k

C4

270nF ~ 220nF

1

2

Z2

Wyj

Ğcie

1

2

3

Z3

zasilanie

+15

-15

Copyright (C) Elektronika Hobby

Rys. 1. Schemat ideowy dwóch filtrów aktywnych polaczonych szeregowo.

1

2

3

4

56

A

B

C

D

6

5

4

3

2

1

D

C

B

A

Title

Number

Revision

Size

B

Date:

7-

Ju

n-

20

00

Sheet of

File:

E

:\p

rotel_projekty\filtry_audio.ddb

Drawn By:

2

3

1

8

4

U1A

TL072 lub TL071

+15

-15

1

2

Z1

Wej

Ğcie

R1 47k

C2

100nF

C1

100nF

R2

1M

P1

10k

R3 2,2k

C3 8,2nF

1

2

Z2

wyj

Ğcie

Filtr górnoprzepustowy

Rys. 2. Schemat ideowy filtru górnoprzepustowego.

1

2

3

4

56

A

B

C

D

6

5

4

3

2

1

D

C

B

A

Title

Number

Revision

Size

B

Date:

7-

Ju

n-

20

00

Sheet of

File:

E

:\p

rotel_projekty\filtry_audio.ddb

Drawn By:

6

5

7

4

8

U1B

TL072 lub TL071

R4 47k

R5 1M

P2 10k

R6

2,2k

C4 270nF ~ 220nF

1

2

Z2

Wyj

Ğcie

Filtr dolnoprzepustowy

+15

-15

C2

100nF

C1

100nF

1

2

Z1

Wej

Ğcie

Rys. 3. Schemat ideowy filtru dolnoprzepustowego.

Rys. 4. Wzór plytki dwóch filtrów.

Rys. 5. Schemat montazowy.