ФАЗОВОЕ ЗВЕНО Российский патент 2007 года по МПК H03H7/18 H03H11/16 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в каналообразующей аппаратуре для реализации устройств обработки фазового спектра сигналов с высокими показателями качества.

Целью изобретения является увеличение динамического диапазона и устойчивости активных фазовых звеньев третьего порядка. Цель достигается использованием элемента индуктивности в топологии схемы и получение графа цепи, обеспечивающего лучшие показатели качества.

Сущность изобретения состоит в том, что за счет подключения входа звена через первый резистор (R₁) к неинвертируемому, а через второй резистор (R₂) к инвертируемому входам операционного усилителя (μ₁), выход которого, являясь выходом фазового звена третьего порядка, подключен через третий резистор (R₃) к инвертируемому своему входу, а неинвертируемый вход дополнительно подключен через первый (С₁) и второй (С₂) конденсаторы к корпусу, который через элемент индуктивности (L₁) соединен с общей их точкой включения, происходит увеличение динамического диапазона и устойчивости фазового звена в результате уменьшения значений чувствительности передаточных функций к отключению параметра усиления (фиг.1).

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в линиях задержки, фазовращателях и фазовых корректирующих устройствах.

Наиболее близким по технической сущности является устройство (прототипом к предлагаемому изобретению "Активное фазовое звено третьего порядка". Авторское свидетельство №995277 от 08.10.1982 г., по межд. классу Н 03 Н 11/18, Б.Ф.Змий, А.Н.Дружинин, опуб. 07.02.1983 г., бюл. №5), содержащее двенадцать резисторов, пять конденсаторов и один операционный усилитель (фиг.2). Использование раздельного формирования коэффициентов RC-ветвями в звене приводит к избыточному числу элементов, что с точки зрения минимизации среднеквадратичной чувствительности удобно, но величина достаточно велика.

Задача, на решение которой направлено патентуемое устройство, состоит в увеличении динамического диапазона и устойчивости фазового звена третьего порядка в ARLC элементном базисе. Цель достигается включением элемента индуктивности в топологию схемы таким образом, чтобы обеспечить более низкое значение активной чувствительности (L₀).

Соотношения, связывающие показатели качества (стабильность, динамический диапазон, устойчивость) с функциями чувствительности: L₀ и , где N_l - число элементов цепи и S^H - среднеквадратичная чувствительность передаточной функции к отклонениям параметров элементов (l_i) четырехполюсника, указывают на необходимость уменьшения их значений. То есть минимизация в пространстве структур и параметров элементов звеньев обеспечивает максимальные показатели качества фазовых устройствах в целом.

Применение резистивного делителя на одном из входов дифференциального усилителя позволяет почти вдвое сократить число пассивных элементов. Но изменение способа подключения элементов ведет к изменению топологии, что в свою очередь приводит к изменению свойств цепи и ее показателей качества. Существуют оптимальные топологии цепей для этого в задаче синтеза оптимальных топологий цепей в общем случае необходимо определить некий оператор F, принадлежащий классу физически реализуемых, такой, чтобы

где - вектор параметров элементов цепи;

G_F - множество физически реализуемых операторов;

запись Ф(F_Э) символически отображает зависимость целевой функции от оператора E_Э и является функцией оптимизации некоторых условий;

М_х - пространство параметров элементов.

Для активных фазовых четырехполюсников при использовании графов такую задачу можно свести к поиску закономерности объединения вершин и дуг графа:

где G_i=G_i(A_i, x_i, Г_i)

считая х - множеством вершин графа, А - множеством ребер, Г - закон, устанавливающий взаимную принадлежность элементов множеств х и А. Процедуру реализации характеристик цепи с помощью графов можно рассматривать как последовательность двух этапов. Первый из них представляет переход от заданной передаточной функции к ее графу. Второй - переход от полученного графа к исходной цепи.

Процессом синтеза цепей с помощью графов на различных его переходах управляют критерии оптимальности, и процесс синтеза может быть представлен структурной схемой, изображенной на фиг.3. Целесообразным является выделение из общего многообразия такого графа, который бы соответствовал оптимальной структуре синтезируемой цепи.

Технически результат достигается тем, что в фазовое звено, содержащее операционный усилитель, выход которого является выходом фазового звена третьего порядка, с подключенным к неинвертирующему входу одним выводом первого резистора, последовательно включенные вход звена, второй и третий резисторы и последовательно соединенные первый и второй конденсаторы, отличающиеся тем, что второй вывод первого резистора соединен с входом звена, инвертирующий вход усилителя подключен в точку соединения второго и третьего резисторов, причем свободным выводом третий резистор подключен к выходу звена, а неинвертирующий вход дополнительно включен через первый и второй конденсаторы к корпусу, который через элемент индуктивности соединен с общей их точкой соединения.

Принципиальная схема заявляемого фазового звена представлена на чертеже (фиг.1), где R₁, R₂, и R₃ - соответственно первый, второй и третий резисторы; С₁ - первый и С₂ - второй конденсаторы, L₁ - первая индуктивность и μ₁ - (первый) операционный усилитель, с коэффициентом усиления μ≥10⁴ (чем больше значение μ, тем строже выполнение аналитического выражения, описывающего передаточную функцию звена третьего порядка).

Работа заявляемого звена при выполнении условия R₂=R₃ определяется передаточной функцией

Из нее следуют уравнения для определения параметров элементов, решения которых следующие:

, , ,

где R_i=1/G_i, a₀, a₁ и a₂ - коэффициенты передаточной функции, известные из решения задачи аппроксимации требуемой характеристики группового времени запаздывания (или фазочастотной характеристики).

Частотные характеристики заявляемого фазового звена третьего порядка с передаточной функцией, определяемой коэффициентами полинома Гурвица V(р)=p³+1,1p²+1,1p+1, представлены на фиг.4, а частотные зависимости чувствительности к отклонению параметров активного элемента для прототипа и заявляемого фазового звена (при Q_ρ=10, ) приведены на фиг.5.

Из приведенного расчета следует, что на 25% величина L₀ у заявляемого фазового звена ниже, чем у прототипа, следовательно, его качественные показатели будут лучше, чем у прототипа.

Звено сохраняет простоту перестройки прототипа. Оно удобно в расчете и при построении фазовых устройств с управляемыми характеристиками: величина С₁ определяет частоту, a R₁ - величину добротности полюса.

Дополнительным эффектом является возможность повышения технологичности производства фазовых корректоров и линий задержки. Для фазовых звеньев третьего порядка проблема уменьшения числа пассивных элементов ставится остро, так как их число явно избыточно. Поскольку требуется в общем случае четыре Т-образных моста, что приводит к увеличению площади подложки, занимаемой пассивными элементами.

Входом фазового звена 1 является соединение выводов первого R₁ и второго R₂ резисторов, вторыми выводами первый резистор соединен с неинвертируемым входом операционного усилителя μ₁, который через первую емкость С₁ подключен к соединению выводов первой индуктивности L₁ и второй емкости С₂, противоположные выводы которых подсоединены к корпусу; второй резистор R₂ - с инвертируемым входом, который через третий резистор R₃ подключен к выходу усилителя μ₁, являющимся выходом фазового звена третьего порядка 2.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в реализации линий задержки, фазовращателей и фазовых корректирующих устройствах с высокими показателями качества. Технический результат заключается в увеличении динамического диапазона и устойчивости фазового звена третьего порядка в ARLC элементном базисе. За счет соединения параллельно конденсатору (С₂) элемента индуктивности (L₁), соединенного одной точкой с корпусом, а другой - через первый конденсатор (C₁) - с неинвертирующим входом операционного усилителя (μ), который через первый резистор (R₁) подключен к входу фазового звена, а он через второй резистор (R₂) соединен с инвертирующим входом операционного усилителя (μ), который через третий резистор (R₃) соединен с выходом операционного усилителя, являющимся выходом звена, обеспечивается более низкое значение активной чувствительности. 5 ил.

Фазовое звено содержит операционный усилитель, выход которого является выходом звена третьего порядка, с подключенным к неинвертирующему входу одним выводом первого резистора, последовательно включенные вход звена, второй и третий резисторы и последовательно соединенные первый и второй конденсаторы, отличающееся тем, что второй вывод первого резистора соединен с входом звена, инвертирующий вход усилителя подключен в точку соединения второго и третьего резисторов, причем свободным выводом третий резистор подключен к выходу звена, а неинвертирующий вход дополнительно включен через первый и второй конденсаторы к корпусу, который через элемент индуктивности соединен с общей их точкой соединения.