АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР Российский патент 1997 года по МПК H03H11/04 

Предполагаемое изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в различных устройствах радиотехники, автоматики и телемеханики.

Известно среднедобротное звено активного RC-фильтра (Мошиц Г. Хорн П. Проектирование активных фильтров: Пер. с англ. М. Мир, 1984, с. 66, рис. 5.14), содержащее операционный усилитель, конденсаторы и резисторы, причем первые выводы первого, второго и третьего резисторов подключены к входу устройства, второй вывод первого резистора подключен к первым выводам четвертого резистора и первым выводам первого и второго конденсаторов, вторые выводы первого и второго конденсаторов подключены к выходу и инвертирующему входу операционного усилителя соответственно, между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя подключен пятый резистор, второй вывод третьего резистора подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, а к его неинвертирующему входу подключены вторые выводы второго, шестого и седьмого резисторов, первый вывод шестого резистора подключен к выходу операционного усилителя и к выходу устройства, первый вывод седьмого резистора и второй вывод четвертого резистора подключены к общей шине.

Признаками этого устройства, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются операционный усилитель, резисторы и конденсаторы.

Причины, препятствующие достижению технического результата, заключаются в высокой чувствительности основных параметров устройства к элементам, в зависимой регулировке основных параметров друг от друга (частоты и затухания полюса, а также частоты нуля).

Известно высокодобротное звено активного RC-фильтра (Мошиц Г. Хорн П. Проектирование активных фильтров: Пер. с англ. М. Мир, 1984, с. 74, рис. 5.21), содержащее операционные усилители, резисторы и конденсаторы, причем инвертирующие входы операционных усилителей объединены и подключены к первым выводам первого и второго резисторов, вторые выводы которых подключены к выходу второго и первого операционных усилителей соответственно, между выходом второго операционного усилителя и неинвертирующим входом первого операционного усилителя подключен первый конденсатор, третий резистор и второй конденсатор первыми выводами подключены к входу устройства, а вторыми к неинвертирующим входам первого и второго операционного усилителей соответственно, четвертый резистор подключен между выходом первого и неинвертирующим входом второго операционных усилителей, а пятый резистор между неинвертирующим входом второго операционного усилителя и общей шиной, при этом выходом устройства является выход второго операционного усилителя.

Признаками этого устройства, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются операционные усилители, резисторы и конденсаторы.

Причины, препятствующие достижению технического результата, заключаются в зависимой регулировке параметров устройства друг от друга, а именно: частоты и затухания полюса, а также частоты нуля.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является "Активный RC-фильтр второго порядка" (А.с. СССР N 510776 опубл. 15.04.1976, бюл. N 14) содержащий три операционных усилителя, девять резисторов и два конденсатора, причем первый резистор первым выводом подключен к входу устройства, а его второй вывод к первым выводам второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора подключен к первым выводам четвертого и пятого резисторов, второй вывод пятого резистора подключен к первому выводу шестого резистора и к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод шестого резистора подключен к выходу первого операционного усилителя, второй вывод третьего резистора подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, первый конденсатор подключен между инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя, второй конденсатор подключен между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, а седьмой резистор между выходом второго операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, к выходу третьего операционного усилителя, являющегося выходом устройства, подключены вторые выводы четвертого и восьмого резисторов, первый вывод восьмого резистора подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя и к первому выводу девятого резистора, второй вывод девятого резистора, а также неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей подключены к общей шине.

Признаками этого устройства, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются операционные усилители, резисторы и конденсаторы, причем первый резистор первым выводом подключен к входу устройства, а его второй вывод к первым выводам второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора подключен к первым выводам четвертого и пятого резисторов, второй вывод пятого резистора подключен к первому выводу шестого резистора и к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод шестого резистора подключен к выходу первого операционного усилителя, второй вывод третьего резистора подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, первый конденсатор подключен между инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя, второй конденсатор подключен между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, а седьмой резистор между выходом второго операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, к выходу третьего операционного усилителя, являющегося выходом устройства, подключены вторые выводы четвертого и восьмого резисторов, первый вывод восьмого резистора подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя и к первому выводу девятого резистора, неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к общей шине.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является невозможность независимой настройки затухания полюса от других параметров (частоты нуля и полюса).

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение - обеспечение независимой настройки основных параметров устройства частоты нуля и полюса и затухания полюса.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого аналогового RC-фильтра, заключается в повышении технологичности изготовления при навесном или микроэлектронном исполнении за счет обеспечения возможности независимой настройки затухания полюса от других параметров частот и нуля полюса.

Для достижения технического результата в аналоговом RC-фильтре, содержащем операционные усилители, конденсаторы и резисторы, причем первый резистор первым выводом подключен к входу устройства, а его второй вывод к первым выводам второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора подключен к первым выводам четвертого и пятого резисторов, второй вывод пятого резистора подключен к первому выводу шестого резистора и к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод шестого резистора подключен к выходу первого операционного усилителя, второй вывод третьего резистора подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, первый конденсатор подключен между инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя, второй конденсатор подключен между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, а седьмой резистор между выходом второго операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, к выходу третьего операционного усилителя, являющегося выходом устройства, подключены вторые выводы четвертого и восьмого резисторов, первый вывод восьмого резистора подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя и к первому выводу девятого резистора, неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключены к общей шине, дополнительно введен десятый резистор, причем первый вывод которого подключен к второму выводу девятого резистора и к неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод десятого резистора подключен к общей шине.

Изобретение поясняется чертежом, где функциональная схема предлагаемого аналогового RC-фильтра приведена на чертеже.

Устройство содержит первый резистор 1, первый вывод которого подключен к входу устройства, а его второй вывод к первым выводам второго 2 и третьего 3 резисторов, второй вывод второго резистора 2 подключен к первым выводам четвертого 4 и пятого 5 резисторов, второй вывод пятого резистора 5 подключен к первому выводу шестого резистора 6 и к инвертирующему входу первого операционного усилителя 7, второй вывод шестого резистора 6 подключен к выходу первого операционного усилителя 7, второй вывод третьего резистора 3 подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя 8, первый конденсатор 9 подключен между инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя 8, второй конденсатор 10 подключен между выходом первого операционного усилителя 7 и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя 11, а седьмой резистор 12 между выходом второго операционного усилителя 8 и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя 11, к выходу третьего операционного усилителя 11, являющегося выходом устройства, подключены вторые выводы четвертого 4 и восьмого 13 резисторов, первый вывод восьмого резистора 13 подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя 11 и к первому выводу девятого резистора 14, неинвертирующий вход второго операционного усилителя 8 подключены к общей шине, десятый резистор 15 первым выводом подключен к второму выводу девятого резистора 14 и неинвертирующему входу первого операционного усилителя 7, второй вывод десятого резистора 15 подключен к общей шине.

Один из вариантов принципиальной схемы RC-фильтра может быть с номиналами:
R₁ R₂ R₃ R₄ R₅ R₆ R₇ 10 кОм;
R₉ R₁₀ 1,5 кОм; R₈ var, от 10 кОм до 100 кОм с шагом 10 кОм,
C₁ C₂ 500 пФ.

Аналоговый фильтр работает следующим образом.

Входной гармонический сигнал подается на входной резистивный делитель напряжения, состоящий из первого, второго и четвертого резисторов 1, 2 и 4, а с его выводов на вход первого масштабного усилителя, состоящего из пятого 5, шестого 6 резисторов и первого операционного усилителя 7, а также на вход интегрирующего усилителя, состоящего из третьего резистора 3, первого конденсатора 9 и второго операционного усилителя 8, с выходов первого масштабирующего усилителя и интегрирующего усилителя сигналы подаются на входы емкостной и резистивной ветви RC-цепи, состоящей из второго конденсатора 10 и седьмого резистора 12, с выхода RC-цепи сигнал подается на вход второго масштабного усилителя, состоящего из восьмого, девятого, десятого резисторов 13, 14, 15 и третьего операционного усилителя 11, а с выхода второго масштабирующего усилителя сигнал поступает на выход устройства. Таким образом образуются два пути прохождения сигнала на выход через первый масштабирующий усилитель и интегрирующий усилитель соответственно.

В результате введения обратных связей с выхода второго масштабирующего усилителя на второй вход резистивного делителя напряжения и на второй вход первого масштабирующего усилителя устройством реализуется передаточная функция, которая может быть записана в следующем виде

В общем виде передаточная функция звена второго порядка с нулем передачи может быть представлена в виде (см. например, Справочник по расчету и проектированию RC-схем /Под ред. А.А.Ланнэ. М. Радио и связь, 1984, 368 с.)

где M коэффициент передачи на высокой частоте,
ω₀ частота нуля,
ω_p частота полюса,
d_p затухание полюса.

Приводя выражение (1) к виду (2), находим


В формулах приняты следующие обозначения:

где R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇, R₈, R₉, R₁₀, сопротивления первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого и десятого резисторов 1, 2, 3, 4, 5, 6, 12, 13, 14, 15 соответственно, C₁, C₂ емкости первого и второго конденсаторов 9, 10 соответственно. Выполнив условие
1 - χ₆₈(1+k₃₄) = 0, (7)
которое достигается при R₆/R₅ R₉/R₁₀, выражение (3) (6) можно упростить

В результате выполнения условия (7) достигается независимая регулировка d_p с помощью изменения сопротивления R₈ восьмого резистора 13.

Использование: в различных устройствах радиотехники, автоматики и телемеханики. Сущность изобретения: осуществление независимой регулировки затухания полюса достигается тем, что в активном RC-фильтре, содержащем последовательно соединенные резистивный делитель напряжения входного сигнала, интегрирующий усилитель на операционном усилителе (ОУ) и суммирующий усилитель на ОУ, охваченные цепью отрицательной обратной связи, последовательно соединенные между соответствующим отводом резистивного делителя напряжения входного сигнала и входом суммирующего усилителя на ОУ - масштабный усилитель на ОУ и конденсатор, неинвертирующий вход масштабного усилителя на ОУ соединен со вторым выводом девятого резистора и через введенный десятый резистор подключен к общей шине. 1 ил.

Аналоговый RC-фильтр, содержащий операционные усилители, резисторы и конденсаторы, причем первый резистор первым выводом подключен к входу устройства, а его второй вывод к первым выводам второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора подключен к первому выводу четвертого и пятого резисторов, второй вывод пятого резистора подключен к первому выводу шестого резистора и к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод шестого резистора подключен к выходу первого операционного усилителя, второй вывод третьего резистора подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, первый конденсатор подключен между инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя, второй конденсатор подключен между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, а седьмой резистор между выходом второго операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, к выходу третьего операционного усилителя, являющегося выходом устройства, подключены вторые выводы четвертого и восьмого резисторов, первый вывод восьмого резистора подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя и к первому выводу девятого резистора, неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к общей шине, отличающийся тем, что он дополнительно содержит десятый резистор, причем первый вывод десятого резистора подключен к второму выводу девятого резистора и неинвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод десятого резистора подключен к общей шине.