АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР Российский патент 1994 года по МПК H03H11/12 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в приемно-усилительной аппаратуре.

Известно устройство, представляющее собой пассивный RC-фильтр и содержащее последовательно соединенные звенья фильтра нижних частот (ФНЧ) 1-го порядка (Хейнлейн В.Е., Холмс В.Х. Активные фильтры для интегральных схем. Основы и методы проектирования. М. : Связь, 1980, рис.2.4). Устройство обеспечивает фильтрацию сигналов в заданной полосе частот и не вносит нелинейных искажений. Недостаток устройства - большое вносимое затухание в полосе прозрачности.

Известно также устройство, представляющее собой активный RC-фильтр и содержащее пассивную RC-цепь, первый вход которой является входом устройства, и неинвертирующий усилитель, выход которого является выходом устройства и подключен к второму входу пассивной RC-цепи, при этом RC-цепь представляет собой пассивный ФНЧ лестничного типа (Синтез активных RC-цепей. Современное состояние и проблемы./ Под ред А.А.Ланнэ. М.: Связь, 1975, рис. 3.12). Устройство обеспечивает получение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) с заданной неравномерностью в полосе прозрачности. Недостаток - наличие нелинейных искажений сигнала, обусловленных высокими значениями добротности комплексно-сопряженных полюсов (КСП) передаточной функции (ПФ).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, содержащее последовательно соединенные пассивную RC-цепь, неинвертирующий усилитель и фазосдвигающее звено (ФЗ), выход которого подключен к второму входу пассивной RC-цепи - ФНЧ лестничного типа (Авторское свидетельство СССР N 1552353, кл. Н 03 Н 11/12 от 30.10.87). Устройство позволяет реализовывать ПФ с ограниченной добротностью КСП за счет чего происходит уменьшение нелинейных искажений. Однако при применении ФЗ 2-го и более высоких порядков устройство обладает волнообразной АЧХ в полосе задержания, что связано с появлением КСП, проявляющих себя в полосе задержания. Это уменьшает величину затухания в полосе задержания, что является недостатком устройства.

Цель изобретения - увеличение затухания в полосе задержания за счет уменьшения величины добротности полюсов ПФ, формирующих полосу задержания.

Это достигается тем, что в устройстве, содержащем последовательно соединенные основную RC-цепь, неинвертирующий усилитель и основное фазосдвигающее звено, выход которого подключен к второму входу RC-цепи, при этом RC-цепь представляет собой двухзвенный фильтр нижних частот, содержащий последовательно соединенные первый и второй резисторы, свободные выводы которых являются входом и выходом RC-цепи, а первый и второй выводы второго резистора соединены соответственно с первыми выводами первого и второго конденсаторов, второй вывод первого из которых является вторым входом RC-цепи, а второго - соединен с общей шиной, и основное фазосдвигающее звено содержит последовательно соединенные дифференцирующую цепь и усилитель, выход которого является выходом основного фазосдвигающего звена, в основном фазосдвигающем звене усилитель выполнен дифференциальным, а между входом дифференцирующей цепи и неинвертирующим входом дифференциального усилителя включена интегрирующая цепь, также введено N (где N > 1) последовательно соединенных дополнительных RC-цепей, идентичных основной, выход N-й цепи соединен с входом основной и N последовательно соединенных дополнительных фазосдвигающих цепей, идентичных основной и подключенных к ее входу, при этом выходы дополнительных фазосдвигающих цепей подключены к вторым входам соответствующих из N дополнительных RC-цепей.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается наличием новых элементов, а именно: дополнительными фазосдвигающими звеньями и их связями с остальными элементами схемы. Таким образом, предложенное устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение предложенного решения с известными показывает, что увеличение числа ФЗ, что соответствует увеличению дополнительного фазового сдвига, приводит, как и в прототипе, к изменению добротности КСП, формирующих полосу прозрачности, что позволяет судить об известности такого применения дополнительных ФЗ. Однако при их введении в предложенное устройства в указанной связи с остальными элементами схемы они проявляют новое свойств, которое приводит к уменьшению добротности полюсов, формирующих полосу задержания, что позволяет увеличить затухание. На основании этого можно сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения заключается в следующем. Величина добротности полюсов, формирующих полосу задержания и только в ней себя проявляющих, в неизвестном устройстве определяется глубиной положительной обратной связи (ПОС) с выхода устройства на вход неинвертирующего усилителя. Применение ФЗ n-го порядка в этом случае означает, что фаза сигнала по цепи ПОС изменяется на n 180^о. При четных n это означает, что сигнал ПОС складывается с входным, что и приводит к появлению волн АЧХ в полосе задержания, так как именно в этой полосе происходит максимальный набег фазы, осуществляемый ФЗ. Включение дополнительных ФЗ в предложенное устройство в указанной связи с остальными элементами схемы позволяет устранить указанное явление при сохранении равных возможностей по изменению добротности КСП, формирующих полосу прозрачности.

На фиг. 1 приведена схема предложенного устройства; на фиг. 2 приведен вариант предложенного устройства с двумя RC-цепями и ФЗ; на фиг. 3 - вариант прототипа с двумя RC-цепями и ФЗ; на фиг. 4 - логарифмические АЧХ предложенного устройства (кривая 1) и прототипа (кривая 2).

Устройство (см. фиг. 1) содержит N дополнительных RC-цепей 1, основную RC-цепь 2, неинвертирующий усилитель 3, N дополнительных ФЗ 4 и основное ФЗ 14. RC-цепь 2 содержит резисторы 5 и 7, конденсаторы 6 и 8. ФЗ 14 содержит дифференциальный усилитель 10, резисторы 11 и 13, конденсаторы 9 и 12.

Устройство работает следующим образом.

Рассмотрим случай, когда предложенное устройство и прототип содержат по две RC-цепи и ФЗ (см.фиг.2 и 3). Передаточные функции предложенного устройства Т(р) и прототипа Т_п(р) в этом случае имеют вид:
( (1)
(2)
При выводе выражений принято, что ПФ ФЗ
T_ф3= , (3) где τ_фз - постоянная времени ФЗ;
ПФ RC-цепи имеет вид
T_RC= , (4) где τ - постоянная времени звеньев RC-цепи.

Сравнение произведем для одинаковой неравномерности в полосе прозрачности 4 дБ и равных частот среза при τ = 1, что обеспечивается в случае предложенного устройства при К = 2,6 и τ_фз= 6,2, а для прототипа при К=2 и τ_фз= 4. Анализ выражений (1) и (2) в этом случае дает следующие значения полюсов функций для предложенного устройства:
Х₁ = -4,303; Х₂=-2,219; q = 0,5;
Х_3,4 = -0,1582±j 0,4955; q = 1,64;
X_5,6 = -4,696˙10^-2±j 8,868˙10^-2;
q = 1,07; для прототипа:
X_1,2 = -0,1101± j1,364; q = 6,22;
X_3,4 = -1,093± j1,128; q = 0,72;
X_5,6 = -4,732˙10^-2 ±j0,106; q = 1,23.

На фиг. 4 приведены АЧХ для рассматриваемого случая. Как видно из зависимостей, предложенное устройство обладает лучшей формой АЧХ в полосе задержания и большим затуханием по сравнению с прототипом. Анализ полученных параметров КСП и их добротностей показывает, что недостаток прототипа заключается в наличии высокодобротной пары КСП Х_1,2 с q=6,22, которая, не участвуя в формировании полосы прозрачности, оказывает воздействие на полосу задержания. У предложенного устройства эта пара полюсов (Х₁ и Х₂) имеет минимально возможное значение q = 0,5, что позволяет увеличить затухание в полосе прозрачности. Физический смысл этого явления довольно прост. У прототипа в петле ПОС с выхода устройства на вход неинвертирующего усилителя обеспечивается фазовый сдвиг от 0 до 450^о, в связи с чем на частотах, где фазовый сдвиг равен 360^о, наблюдается всплеск АЧХ, ухудшающих показатели в полосе задержания. У предложенного устройства за счет перераспределения фазового сдвига между звеньями максимальный фазовый сдвиг в петле обратной связи с выхода устройства на вход неинвертирующего усилителя составляет 270^о, что и является гарантией устранения нежелательного всплеска АЧХ в полосе прозрачности.

Использование: в приемо - усилительной радиотехнической аппаратуре. Сущность изоберетния: устройство содержит последовательно соединенные основную RC - цепь, неинвертирующий усилитель и основное фазосдвигающее звено. RC - цепь представляет собой двухзвенный фильтр нижних частот. Основное фазосдвигающее звено выполнено в виде последовательно соединенных дифференцирующей цепи и дифференциального усилителя. Между входом дифференцирующей цепи и неинвертирующим входом дифференциального усилителя включена интегрирующая цепь. Последовательно соединенные N (где N больше 1) дополнительные RC-цепи включены между входом устройства и основной RC - цепью. К выходу основного фазосдвигающего звена подключены N последовательно соединенных дополнительных фазосдвигающих цепей. 4 ил.

АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР, содержащий последовательно соединенные основную RC-цепь, неинвертирующий усилитель и основное фазосдвигающее звено, выход которого подключен к второму входу RC-цепи, RC-цепь представляет собой двухзвенный фильтр нижних частот, содержащий последовательно соединенные первый и второй резисторы, свободные выводы которых являются входом и выходом RC-цепи, первый и второй выводы второго резистора соединены соответственно с первыми выводами первого и второго конденсаторов, второй вывод первого из которых является вторым входом RC-цепи, а второго - соединен с общей шиной, основное фазосдвигающее звено содержит последовательно соединенные дифференцирующую цепь и усилитель, выход которого является выходом основного фазосдвигающего звена, отличающийся тем, что, с целью увеличения затухания в полосе задержания, в основном фазосдвигающем звене усилитель выполнен дифференциальным, а между входом дифференцирующей цепи и неинвертирующим входом дифференциального усилителя включена интегрирующая цепь, введено N (где N > 1) последовательно соединенных дополнительных RC-цепей, идентичных основной, выход N-й цепи соединен с входом основной, а также N последовательно соединенных дополнительных фазосдвигающих цепей, идентичных основной и подключенных к ее выходу, при этом выходы дополнительных фазосдвигающих цепей подключены к вторым входам соответствующих из N дополнительных RC-цепей.