АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР Российский патент 1994 года по МПК H03H7/09 

Изобретение относится к устройствам передачи электрических сигналов и может быть использовано при разработке активных RC-фильтров, предназначенных для работы в различных радиотехнических устройствах.

Известно звено активного RC-фильтра (авт. св. СССР N 363182, кл. Н 03 Н 7/10, 10.08.73), содержащее операционный усилитель и двойной Т-образный RC-мост, последовательные входные цепи которого разделены и подсоединены к источнику входного сигнала и к выходу операционного усилителя через резистивный делитель с включением дополнительного конденсатора между местом соединения двух последовательных резистивных плеч Т-образного моста и выходом операционного усилителя. Звено обеспечивает возможность раздельной регулировки и настройки коэффициентов передачи двойного моста как по цепи обратной связи, так и по цепи прямой передачи, имеет относительно небольшое число конденсаторов.

Основным недостатком звена является большая чувствительность добротности к вариациям пассивных элементов, так как двойной Т-образный мост включен в цепь отрицательной обратной связи усилителя. Кроме того, схемы такого типа относятся к классу потенциально неустойчивых схем.

Известно операционное звено второго порядка, содержащее пять операционный усилителей (Кустов О.В., Лундин В.З. Операционные усилители в линейных цепях. М. : Связь, 1978, с. 74, рис. 5.2). Известны упрощенные модификации этого звена (см. там же, рис. 5.3...5.8). Операционное звено на рис. 5.2 обладает высокой стабильностью, абсолютной устойчивостью, имеет широкие функциональные возможности, практически независимую регулировку параметров, относительно малую чувствительность к качеству используемых операционных усилителей. Звенья на рис. 5.3....5.8 с пониженным числом операционных усилителей не обеспечивают реализации всех свойств операционного звена на рис. 5.2. Они имеют либо большую чувствительность, либо не обеспечивают возможность раздельной регулировки параметров.

Основным недостатком указанного звена является большое число операционный усилителей, неэкономичность и относительно высокая стоимость. Кроме того, применение такого звена целесообразно только при использовании микроэлементной технологии, которая экономически эффективна только в том случае, если ее продукция имеет большую массовость.

Ближайшим к изобретению является звено активного RC-фильтра (Полупроводниковые приборы в технике электросвязи, вып. 4, М.: Связь, 1969, с. 172, рис. 1), содержащее две взаимообразные Т-образные RC-цепи, эмиттерный повторитель и нагрузку. Эмиттерный повторитель может быть заменен операционным усилителем, работающим в режиме повторителя напряжения. Звено содержит минимальное число активных элементов и позволяет реализовать высокие добротность полюса и стабильность коэффициента передачи, в ряде случаев такие же, как в схеме с пятью операционными усилителями.

Недостатком звена является невозможность раздельной регулировки добротности и частоты полюса.

Целью изобретения является получение возможности раздельной регулировки частоты и добротности полюса.

Цель достигается тем, что RC-фильтр, содержащий первый повторитель напряжения, резистор нагрузки, соединенный одним выводом с общей точкой схемы, первый и второй последовательно соединенные резисторы, к точке соединения которых подключен первый конденсатор, причем второй вывод первого резистора соединен с источником сигнала, а второй вывод второго резистора - с входом повторителя напряжения, второй и третий последовательно соединенные конденсаторы, к точке соединения которых подключен третий резистор, причем второй вывод второго конденсатора соединен с входом повторителя напряжения, а второй вывод третьего конденсатора - с общей точкой схемы, вторые выводы первого конденсатора и третьего резистора соединены вместе, введены четвертый резистор, включенный между выходом первого повторителя и вторым выводом резистора нагрузки, и второй повторитель напряжения, вход которого подключен к точке соединения четвертого резистора с резистором нагрузки, а выход - к точке соединения первого конденсатора и третьего резистора.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый активный RC-фильтр отличается наличием новых элементов: дополнительного резистора и дополнительного повторителя напряжения, выполненного на операционном усилителе или эмиттерном повторителе, и их связями с остальными элементами схемы. Хотя вводимые элементы широко известны, но в указанной связи с остальными элементами схемы они проявляют свойства, позволяющие получить возможность раздельной регулировки частоты полюса и его добротности при сохранении высокой стабильности. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

Таким образом, заявляемый активный RC-фильтр соответствует критерию изобретения "новизна".

Активный RC-фильтр представлен на чертеже. Он является фильтром нижних частот. Фильтр верхних частот может быть получен путем замены местами резисторов 2, 4, 5 и конденсаторов 6, 7, 3 соответственно. Фильтр нижних частот содержит источник 1 сигнала, первый и второй последовательно соединенные резисторы 2 и 4, связывающие источник сигнала с входом выполненного на операционном усилителе 8 первого повторителя напряжения, последовательно соединенные конденсаторы 6, 7, подключенные между входом повторителя 8 напряжения и общей точкой 13 схемы, последовательно соединенные резисторы 10, 11, включенные между выходом 12 повторителя 8 напряжения и общей точкой 13 схемы, второй повторитель напряжения, выполненный на операционном усилителе 9, вход которого соединен с точкой соединения резисторов 10, 11, а выход - с точкой соединения резистора 5 и конденсатора 3, вторые выводы которых соответственно соединены с точками соединения конденсаторов 6, 7 и резисторов 2, 4. Цепи питания операционных усилителей 8 и 9 на схеме не показаны.

Активный RC-фильтр работает следующим образом.

Частота полюса фильтра f определяется частотой баланса двойного Т-образного моста, состоящего из первого Т-образного звена, собранного на последовательно соединенных резисторах 2, 4 и конденсаторе 3, и второго Т-образного звена, собранного на последовательно соединенных конденсаторах 6, 7 и резисторе 5. При условии, если сопротивление резисторов 2, 3 равно R, а резистора 5 - 0,5 R, и при емкости конденсаторов 6, 7, равной С, а конденсатора 3-2 С частота полюса
f = ,
Удобно использовать и другую формулу, получаемую при условии, что емкость конденсаторов 3, 6, 7 равна С, а сопротивление резисторов 2,4-R и резистора 5 - 0,25 R. При этом частота полюса
f= .

Получаемая частота f обеспечивается при условии, что сопротивление емкости 3 и резистора 5 значительно больше выходного сопротивления операционного усилителя 9.

При сопротивлении резистора 10, равном нулю, добротность полюса максимальна и имеет величину около 100. При увеличении сопротивления резистора 10 добротность полюса уменьшается.

Активный RC-фильтр использовался при реализации фильтров нижних частот, верхних частот и полосовых. Во всех случаях они обеспечивали высокую стабильность коэффициента передачи на частоте полюса. Так, при добротности полюса, равной 10, и изменении температуры на ± 30^оС коэффициент передачи на частоте полюса изменялся менее чем на ± 1%. Такая же стабильность была получена при изменении напряжения питания на ± 20%.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого активного RC-фильтра по сравнению с прототипом заключается в возможности раздельной регулировки частоты полюса и его добротности, что позволяет упростить настройку фильтра при серийном производстве, и в повышении стабильности коэффициента передачи, что позволяет достичь высоких электрических параметров минимальными затратами. При этом ожидается снижение материальных затрат в среднем на 20-25%.

Использование: в устройствах передачи электрических сигналов. Сущность изобретения: устройство содержит взаимообратные T-образные RC-цепи, два повторителя напряжения и резистивный делитель напряжения. Устройство позволяет осуществить раздельную регулировку частоты полюса и его добротности при сохранении высокой стабильности. 1 ил.

АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР, содержащий повторитель напряжения, нагрузочный резистор, первый вывод которого соединен с общей шиной, последовательно соединенные первый и второй резисторы, к точке соединения первых выводов которых подключен первый вывод первого конденсатора, при этом второй вывод первого резистора является входом активного RC-фильтра, а второй вывод второго резистора соединен с входом повторителя напряжения и с общей шиной через последовательно соединенные второй и третий конденсаторы, точка соединения первых выводов которых через третий резистор подключена к второму выводу первого конденсатора, отличающийся тем, что между выходом повторителя напряжения и вторым выводом нагрузочного резистора введен дополнительный резистор, а между вторыми выводами нагрузочного резистора и первого конденсатора введен дополнительный повторитель напряжения.