ШИРОКОПОЛОСНЫЙ АКТИВНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР Российский патент 1999 года по МПК H03H9/54 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может использоваться в качестве фильтра основной селекции в профессиональной приемопередающей аппаратуре связи.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа активный полосовой пьезоэлектрический фильтр [1], схема которого приведена на фиг. 1, состоящий из двух одинаковых по структуре секций, каждая из которых содержит пьезоэлектрический резонатор, первый резистор, первый вывод которого соединен с входом фильтра, первый и второй операционные усилители с резистивными отрицательными обратными связями, инвертирующие входы которых соединены между собой, инвертирующий вход первого операционного усилителя через второй резистор подключен к выходу второго операционного усилителя, через первый конденсатор соединен с общей шиной и через второй конденсатор со вторым выводом первого резистора и входом секции, неинвертирующий вход второго операционного усилителя через третий резистор соединен с общей шиной, пьезоэлектрический резонатор, включенный между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, кроме того, фильтр содержит алгебраический сумматор, имеющий первый и второй входы и выход, являющийся выходом фильтра, при этом выходы первой и второй секций соединены с первым и вторым входами алгебраического сумматора соответственно.

Данная схема позволяет реализовывать высокую избирательность, поскольку имеет четвертый класс по характеристическому затуханию, и достаточно широкую полосу пропускания, составляющую

где Δ F_max - максимально-возможная ширина полосы пропускания фильтра; f_o - средняя частота фильтра; r - емкостной коэффициент пьезоэлектрического резонатора.

Анализ свойства данной схемы приведен в работе [2].

Практическое использование данной схемы показало, что она сложна в настройке и в ряде случаев работает неустойчиво (происходит самовозбуждение).

Задача изобретения - повышение устойчивости работы фильтра и упрощение процесса его настройки.

Поставленная задача достигается тем, что в активном пьезоэлектрическом фильтре, состоящем из двух идентичных по структуре секций, каждая из которых содержит пьезоэлектрический резонатор, первый резистор первый вывод которого соединен с входом фильтра, первый и второй операционные усилители с резистивными отрицательными обратными связями, инвертирующие входы которых соединены между собой, неинвертирующий вход первого операционного усилителя через второй резистор подключен к выходу второго операционного усилителя, через первый конденсатор соединен с общей шиной и через второй конденсатор со вторым выводом первого резистора и выходом секции, неинвертирующий вход второго операционного усилителя через третий резистор соединен с общей шиной, алгебраический сумматор, имеющий первый и второй входы и выход, являющийся выходом фильтра, выходы первой и второй секций соединены с первым и вторым входами алгебраического сумматора, при этом в каждую секцию вводится дополнительный третий конденсатор, соединяющий выход первого операционного усилителя и неинвертирующий вход второго операционного усилителя, упомянутый пьезоэлектрический резонатор включен параллельно первому конденсатору.

Сопоставленный анализ показывает, что заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в каждую секцию введен дополнительно третий конденсатор, включенный между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, а пьезоэлектрический резонатор включен параллельно второму конденсатору.

При сравнении заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в науке и технике не обнаружены решения, обладающие сходными признаками.

На фиг. 2 приведена электрическая схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из двух идентичных секций 1 и 2, каждая из которых содержит пьезоэлектрический резонатор 3, первый резистор 4, первый вывод которого соединен с входом фильтра, первый и второй операционные усилители 5 и 6 с резистивными отрицательными обратными связями 7 и 8, инвертирующие входы которых соединены между собой, неинвертирующий вход первого операционного усилителя через второй резистор 9 подключен к выходу второго операционного усилителя 6, через первый конденсатор 10 соединен с общей шиной и через второй конденсатор 11 со вторым выводом первого резистора 4 и выходом секции, неинвертирующий вход второго операционного усилителя 6 через третий резистор 12 соединен с общей шиной, алгебраический сумматор 13, имеющий первый и второй входы 14, 15 и выход 16, являющийся выходом фильтра, при этом выходы первой и второй секций соединены с первым и вторым входами 14, 15 алгебраического сумматора 13 соответственно, в каждой из секций содержится дополнительный конденсатор 17, соединяющий выход первого операционного усилителя 5 и неинвертирующий вход второго операционного усилителя 6, при этом пьезоэлектрический резонатор 3 включен параллельно первому конденсатору 10.

Фильтр работает следующим образом. Как следует из работы [3], первый и второй операционные усилителя совместно с резисторами 7, 8, 9, 12 и конденсатором 17 образуют обобщенный конвертор импеданса входное сопротивление со стороны неинвертирующего входа первого операционного усилителя имеет индуктивный характер. Последовательное подключение к конденсатору 11 двухполюсника, состоящего из параллельно соединенных пьезоэлектрического резонатора 3, конденсатора 10 и индуктивности, имитируемой конвертором, образует реактивный двухполюсник с сопротивлением Z. Передаточная функция секции определяется в этом случае выражением:

где R - сопротивление резистора 4.

Алгебраический сумматор производит вычитание сигналов, поступающих на его входы с первой и второй секций. Результирующая передаточная функция будет иметь следующий вид:

Здесь Z и Z - входные реактивные сопротивления первой и второй секций соответственно.

Данная передаточная функция соответствует симметричной мостовой схеме. В ветвях которой включены реактивные сопротивления Z₁ и Z₂.

Выбирая соответствующим образом параметры пьезоэлектрических резонаторов 3 в каждой из секции, величины индуктивностей и емкостей можно получить реактивные сопротивления Z₁ и Z₂, как это показано на фиг. 3. Таким образом, на частотах от ω₁ до ω₅ получим полосу пропускания, на частотах от 0 до ω₁ и от ω₅ до ∞ полосы задерживания.

В отличие от прототипа в данной схеме конвертор имитирует индуктивное входное сопротивление. Условия устойчивости такого типа конверторов в настоящее время разработаны достаточно полно, см. например, [3], в соответствии с которыми выбор номиналов резисторов, конденсаторов и наиболее приемлемого типа операционного усилителя позволяет получить схему фильтра без самовозбуждения. Кроме того, при настройке фильтра достаточно просто фиксируется величина имитируемой индуктивности и более просто по сравнению с прототипом подбираются величины первого и второго конденсаторов в секциях фильтра.

Если в предлагаемом устройстве (см. фиг. 4) первый конденсатор 10 включить между общей шиной и вторым выводом первого резистора 4, а пьезоэлектрический резонатор 3 подключить параллельно второму конденсатору 11, получим также полосовой фильтр эквивалентный предлагаемому по всем параметрам и отличающийся только величиной номинального характеристического сопротивления. Численная оценка этих двух схем по величине номинального характеристического сопротивления Z_m показывает, что вторая схема имеет меньшую величину Z_m по сравнению с первой в n = (f₀/2δ)² раз при одинаковых значениях динамических индуктивностей пьезоэлектрических резонаторов. Здесь f_o - средняя частота фильтра и 2δ - ширина полосы пропускания. В связи с изложенным предлагается следующая формула изобретения.

Источники информации:
1. А. с. N 559368 (СССР), Активный полосовой пьезоэлектрический фильтр (формула изобретения по п. 1); Звягинцев И.В., Меньшиков В.Л., Ясинский И.М. , Христофоров В.Н. H 03 H 7/02, 1976 г.

2. Полосовые пьезоэлектрические фильтры. Ясинский И.М., Звягинцев И.В., Техника средств связи. Сер. ТРС, вып. 9, стр. 58-64 1991 г.

3. Иммитансный критерий устойчивости ARC-фильтров на обобщенных конверторах импеданса. Коротков А.С., Михалев П.Г., Электросвязь N 12, стр. 23-24, 1992 г.

Широкополосный активный пьезоэлектрический фильтр состоит из двух идентичных по структуре секций, каждая из которых содержит пьезоэлектрический резонатор, и первый и второй операционные усилители с отрицательными обратными связями, соединенные между собой, так, что образуют конвертор имитирующий индуктивность. А также алгебраический сумматор, выход которого является выходом фильтра. При этом выходы первой и второй секции соединены с первым и вторым входами алгебраического сумматора соответственно. Каждая из секций фильтра содержит дополнительно третий конденсатор, соединяющий выход первого операционного усилителя и неинвертирующий вход второго операционного усилителя, а упомянутый пьезоэлектрический резонатор включен параллельно первому конденсатору. Технический результат: повышение устойчивости и упрощение настройки. 4 ил.

Широкополосный активный пьезоэлектрический фильтр, состоящий из двух идентичных по структуре секций, каждая из которых содержит пьезоэлектрический резонатор, первый резистор, первый вывод которого соединен со входом фильтра, первый и второй операционные усилители с отрицательными обратными связями, инвертирующие входы которых соединены между собой, неинвертирующий вход первого операционного усилителя через второй резистор подключен к выходу второго операционного усилителя, через первый конденсатор соединен с общей шиной и через второй конденсатор со вторым выводом первого резистора и выходом секции, неинвертирующий вход второго операционного усилителя через третий резистор соединен с общей шиной, алгебраический сумматор, имеющий первый и второй входы и выход, являющийся выходом фильтра, при этом выходы первой и второй секции соединены с первым и вторым входами алгебраического сумматора соответственно, отличающийся тем, что каждая из секций фильтра содержит дополнительно третий конденсатор, соединяющий выход первого операционного усилителя и неинвертирующий вход второго операционного усилителя, а упомянутый пьезоэлектрический резонатор включен параллельно первому конденсатору.