ПОЛОСОВОЙ АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР Российский патент 1997 года по МПК H03H11/12 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в микроэлектронных селективных узлах радиоэлектронных устройств.

Известен универсальный активный RC-фильтр, содержащий последовательно соединенные первый операционный усилитель, третий интегратор на втором операционном усилителе и первых резисторе и конденсаторе, второй интегратор на третьем операционном усилителе, вторых резисторе и конденсаторе, первый делитель напряжения из третьего и четвертого резисторов, включенный между входом устройства и выходом второго операционного усилителя, при этом инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен со средним выводом первого делителя напряжения, а его неинвертирующий вход со средним выводом второго делителя напряжения, а выход второго операционного усилителя является выходом полосового фильтра [1]
Недостатками универсального RC-фильтра являются узкий частотный диапазон вследствие сильной зависимости его параметров от частотных свойств операционных усилителей и существенный уровень шума, что ограничивает частотный и динамический диапазоны входных сигналов и, следовательно, область его применения.

Известен также полосовой активный RC-фильтр, содержащий последовательно соединенные первый и второй резисторы, первый вывод которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя и через первый конденсатор с общей шиной, выход первого операционного усилителя соединен через третий резистор с инвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого через четвертый резистор соединен с точкой соединения вторых выводов второго и первого резисторов, первый вывод которого является входом полосового активного фильтра, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и через пятый резистор с общей шиной, первый вывод шестого резистора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, первые выводы восьмого и девятого резисторов соединены с выходом третьего операционного усилителя, а второй вывод восьмого резистора соединен с вторым выводом шестого резистора и инвертирующим входом третьего операционного усилителя, второй вывод девятого резистора соответственно с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а через седьмой резистор с его выходом и с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого является выходом активного RC-фильтра, а второй конденсатор включен между выходом и инвертирующим входом первого операционного усилителя [2]
Данное техническое решение характеризуется расширенным диапазоном рабочих частот благодаря малому влиянию частотных свойств операционных усилителей на параметры фильтра. Недостатком фильтра является повышенный уровень собственного шума, что ограничивает динамический диапазон входных сигналов и, следовательно, область его применения.

Из известных устройств наиболее близким техническим решением-прототипом является цепь верхних и нижних частот с нулем передачи высокодобротная, содержащий два операционных усилителя, пять резисторов и два конденсатора, причем выход первого операционного усилителя подключен к первым выводам первого и четвертого резисторов, второй вывод первого резистора подключен к инвертирующим входам первого и второго операционных усилителей и к первому выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу первого конденсатора и к выходу второго операционного усилителя, второй вывод первого конденсатора подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя и к первому выводу третьего резистора, второй вывод четвертого резистора подключен к первым выводам второго конденсатора и к первому выводу пятого резистора, а также к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, второй вывод пятого резистора подключен к общей шине, а вторые выводы третьего резистора и второго конденсатора подключены к входу устройства, выходом устройства является выход второго операционного усилителя [3]
Недостатком устройства-прототипа является повышенный уровень собственного шума и, как следствие этого, малый динамический диапазон, что ограничивает область его применения.

Для достижения технического результата, заключающегося в расширении динамического диапазона полосового активного RC-фильтра за счет снижения уровня его собственного шума, в "Цепи нижних и верхних частот с нулем передачи высокодобротной", содержащей два операционных усилителя, пять резисторов и два конденсатора, причем выход первого операционного усилителя подключен к первым выводам первого и четвертого резисторов, второй вывод первого резистора подключен к инвертирующим входам первого и второго операционных усилителей и к первому выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу первого конденсатора и к выходу второго операционного усилителя, второй вывод первого конденсатора подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя и к первому выводу третьего резистора, второй вывод четвертого резистора подключен к первым выводам второго конденсатора и к первому выводу пятого резистора, а также к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, причем дополнительно введены третий операционный усилитель, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый резисторы, при этом неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя и к выводу шестого резистора, второй вывод которого подключен к первым выводам седьмого и восьмого резисторов, второй вывод седьмого резистора подключен к выходу третьего операционного усилителя, а также к вторым выводам третьего резистора и второго конденсатора, второй вывод пятого резистора подключен к первым выводам девятого и десятого резисторов, второй вывод десятого резистора подключен к входу устройства, а вторые выводы девятого, восьмого резисторов и неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подключены к общей шине, выходом устройства является выход третьего операционного усилителя.

Наличие отличительных признаков, а именно новых связей и дополнительно введенных элементов, обусловливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна".

При введении в схему устройства-прототипа новых связей возникают дополнительные контуры обратных связей, приводящие к снижению уровня собственных шумов активного полосового RC-фильтра и, следовательно, к расширению динамического диапазона.

Принципиальная схема предложенного полосового активного RC- фильтра приведена на фиг. 1.

Активный RC-фильтр содержит первый, второй и третий операционные усилители 1, 2 и 3, первый и второй конденсаторы 4 и 5, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый резисторы 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 и 15, причем выход первого операционного усилителя 1 подключен к первым выводам первого 6 и четвертого 9 резисторов, второй вывод первого резистора 6 подключен к инвертирующим входам первого 1 и второго 2 операционных усилителей и к первому выводу второго резистора 7, второй вывод которого подключен к первому выводу первого конденсатора 4 и к выходу второго операционного усилителя 2, второй вывод первого конденсатора 5 подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя 1 и к первому выводу третьего резистора 8, второй вывод четвертого резистора 9 подключен к первым выводам второго конденсатора 5 и к первому выводу пятого резистора 10, а также к неинвертирующему входу второго операционного усилителя 2, неинвертирующий вход второго операционного усилителя 2 подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя 3 и к первому выводу шестого резистора 11, второй вывод которого подключен к первым выводам седьмого 12 и восьмого 13 резисторов, второй вывод седьмого резистора 12 подключен к выходу третьего операционного усилителя 3, а также к вторым выводам третьего резистора 8 и второго конденсатора 5, второй вывод пятого резистора 10 подключен к первым выводам девятого 14 и десятого 15 резисторов, второй вывод десятого резистора 15 подключен к входу устройства, а вторые выводы девятого 14, восьмого 13 резисторов и неинвертирующий вход третьего операционного усилителя 3 подключены к общей шине, выходом устройства является выход третьего операционного усилителя 3.

Полосовой активный RC-фильтр работает следующим образом.

Входной сигнал поступает на второй вывод десятого резистора 15, при этом на выходе третьего операционного усилителя 3 реализуется передаточная функция полосового типа

где

масштабный множитель полосового фильтра;

частота полюса;

затухание полюса, Q добротность полюса,
τ₁ R₈C₄, τ₂ R₉C₅ постоянные времени RC-цепей,
C₄, C₅ емкости первого и второго конденсаторов 4, 5,
R₆, R₇, R₈, R₉, R₁₀, R₁₁, R₁₂, R₁₃, R₁₄, R₁₅ сопротивления первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого и десятого резисторов 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 и 15 соответственно.

Как известно из теории электрических цепей, спектральная плотность собственного шума на выходе активной схемы определяется соотношением (см. Справочник по расчету и проектированию ARC схем. /Под ред. проф. А.А. Ланнэ. М. "Радио и связь", 1984)

где H_i(jω) комплексный коэффициент передачи от входа i-го активного элемента к выходу схемы;
G_i(ω) спектральная плотность мощности шумовой модели i-го операционного усилителя;
N число активных элементов.

Для высокодобротных звеньев второго порядка при одинаковых параметрах схем сравнения их по шумам можно осуществить по соотношению

где U_ш1 и U_ш2 среднеквадратичное напряжение шума первой и второй схем, а G_ш1(ω_p) и G_ш2(ω_p) спектральная плотность собственного шума на выходе первой и второй схем.

Соотношение (5) при одинаковых шумовых моделях операционных усилителей преобразуется к виду

где H_1i(jω_p) и H_2i(jω_p) комплексные коэффициенты передач от входов i-х активных элементов первой и второй схем к выходам этих схем; A_1i(jω_p) и A_2i(jω_p) числители функций H_1i(jω_p) и H_2i(jω_p).

Из соотношения (4) для высокодобротных звеньев второго порядка и одинаковых шумовых моделях операционных усилителей можно получить величину, характеризующую нижний уровень динамического диапазона различных схем

По величине ξ которую назовем показателем качества нижнего уровня динамического диапазона, также можно сравнивать различные схемы по шумам. При этом чем меньше величина x тем меньше спектральная плотность собственного шума на выходе той или иной схемы.

Как видно из соотношений (6) и (7)

где ξ₁ и ξ₂ показатели качества предлагаемого технического решения и устройства-прототипа соответственно.

Следовательно, для всех i A_1i(jω_p) и A_2i(jω_p) могут быть найдены из анализа принципиальных схем одним из известных методов, например, методом графов, а затем определены ξ и M.

Граф схемы предлагаемого технического решения приведен на фиг.2. На этой фигуре приняты следующие обозначения: b+-ij

частные передачи пассивной части схемы с выхода i-го ко входу j-го операционного усилителя, а знак верхнего индекса показывает, к какому из входов дифференциального операционного усилителя относится соответствующая передача (знак "-" к инвертирующему входу, а знак "+" к неинвертирующему). Ветви G_i(ω) моделируют источники шумовой модели операционных усилителей. Поэтому

где

g_i 1/R_i проводимость соответствующего резистора.

По формуле Мэзона для идеальных операционных усилителей (μ _→ ∞, μ коэффициент усиления операционного усилителя) имеем

где

знаменатель передаточных функций H_i(p).

После подстановки передач (9) в (10) и алгебраических преобразований при M_ПФ 1 и оптимальных соотношениях между элементами (g₆ g₇; g₁₀ g₁₁; g₁₂ g₁₅; g₁₃ g₁₄) получим

Следовательно, из (11) и (2) получим показатель качества

Из графа схемы устройства-прототипа (фиг.3), анализ которого при оптимальных соотношениях между элементами дает следующие частные передачи:

Проделав аналогичные преобразования для соответствующих передач, характеризующих свойства прототипа, получим (при d_p<<1)

Следовательно, предлагаемое техническое решение обеспечивает уменьшение максимальной спектральной плотности шума на выходе схемы по сравнению с устройством-прототипом (при одинаковых Q_p) в
я

Использование: в радиотехнике для построения селективных устройств, используемых в различных системах связи. Сущность изобретения: расширение динамического диапазона за счет уменьшения уровня шума достигается тем, что в полосовой активный RC-фильтр, содержащий первый, второй операционные усилители 1, 2, первый, второй конденсаторы 4, 5, первый - пятый резисторы 6, 7, 8, 9, 10, введены третий операционный усилитель 3, шестой - десятый резисторы 11, 12, 13, 14, 15. 3 ил.

Полосовой активный RC-фильтр, содержащий первый и второй операционные усилители, первый и второй конденсаторы, первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, причем выход первого операционного усилителя подключен к первым выводам первого и четвертого резисторов, второй вывод первого резистора подключен к инвертирующим входам первого и второго операционных усилителей и к первому выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу первого конденсатора и к выходу второго операционного усилителя, второй вывод первого конденсатора подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя и к первому выводу третьего резистора, второй вывод четвертого резистора подключен к первым выводам второго конденсатора и пятого резистора, а также к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, отличающийся тем, что дополнительно введен третий операционный усилитель, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый резисторы, при этом неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя и первому выводу шестого резистора, второй вывод которого подключен к первым выводам седьмого и восьмого резисторов, второй вывод седьмого резистора подключен к выходу третьего операционного усилителя, а также к вторым выводам третьего резистора и второго конденсатора, второй вывод пятого резистора подключен к первым выводам девятого и десятого резисторов, второй вывод десятого резистора подключен к входу устройства, а вторые выводы девятого, восьмого резисторов и неинвертирующий вход третьего операционного усилителя подключены к общей шине, выходом устройства является выход третьего операционного усилителя.