ARC-ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ С НЕЗАВИСИМОЙ НАСТРОЙКОЙ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ Российский патент 2018 года по МПК H03H11/12 H03H7/00 

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве интерфейса для согласования источника сигнала, например, с аналого-цифровыми преобразователями различного функционального назначения.

Активные RC-фильтры нижних частот (ФНЧ) относятся к числу распространенных аналоговых устройств, определяющих качественные показатели многих радиотехнических устройств обработки сигналов [1-23].

Одной из проблем проектировании ФНЧ является обеспечение их заданных основных параметров в условиях разброса и нестабильности частотозадающих резисторов и конденсаторов [1, 3, 4]. На практике прецизионность ФНЧ обеспечивается подстройкой пассивных элементов. Однако в известных схемах ФНЧ [1-23] при настройке одного параметра, например, частоты полюса (ω_р), изменяется другой параметр - затухание полюса (d_p) или коэффициент передачи (М).

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ARC-фильтр по а.св. СССР 1187241. Он содержит (фиг. 1) вход устройства 1, связанный с источником сигнала 2, первый 3 операционный усилитель, выход которого 4 является выходом устройства и связан с инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя через первый 5 резистор, второй 6, третий 7, четвертый 8 и пятый 9 резисторы, первый 10 конденсатор, включенный между объединенными первыми выводами четвертого 8 и пятого 9 резисторов и выходом 4 первого 3 операционного усилителя, причем второй вывод резистора 9 связан с неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и первым выводом второго 11 конденсатора, второй 12 согласующий усилитель, общую шину источников питания 13.

Существенный недостаток ARC-фильтра-прототипа фиг. 1 состоит в том, что в процессе настройки его одного параметра изменяются другие параметры амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Это затрудняет производство изделий рассматриваемого класса.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании схемы ARC-фильтра нижних частот, которая обеспечивает независимую последовательную настройку основных параметров.

Поставленная задача достигается тем, что в ARC-фильтре фиг. 1, содержащем вход устройства 1, связанный с источником сигнала 2, первый 3 операционный усилитель, выход которого 4 является выходом устройства и связан с инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя через первый 5 резистор, второй 6, третий 7, четвертый 8 и пятый 9 резисторы, первый 10 конденсатор, включенный между объединенными первыми выводами четвертого 8 и пятого 9 резисторов и выходом 4 первого 3 операционного усилителя, причем второй вывод резистора 9 связан с неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и первым выводом второго 11 конденсатора, второй 12 согласующий усилитель, общую шину источников питания 13, предусмотрены новые элементы и связи - в качестве второго 12 согласующего усилителя используется согласующий операционный усилитель 12, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания 13, выход подключен ко второму выводу резистора 8 и через первый 14 дополнительный резистор соединен с инвертирующим входом согласующего операционного усилителя 12, между инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и инвертирующим входом согласующего операционного усилителя 12 включен второй 6 резистор, вход устройства 1 связан с инвертирующим входом согласующего операционного усилителя 12 через второй 15 дополнительный резистор, причем третий 7 резистор включен между общей шиной источников питания 13 и инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, а второй 11 конденсатов включен между обшей шиной источников питания 13 и неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя.

На чертеже фиг. 1 показана схема фильтра-прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого ARC-фильтра.

На чертеже фиг. 3 приведены графики изменения амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) характеристик при настройке частоты полюса (ω_р), а на чертеже фиг. 4 - при настройке затухания полюса (d_p) с помощью резисторов 14 и 6 (R14, R6) и резисторов 5 и 7 (R5, R7) соответственно.

На чертеже фиг. 5 показаны графики изменения АЧХ при настройке коэффициента передачи М с помощью резистора 15 (R15).

ARC-фильтр нижних частот с независимой настройкой основных параметров фиг. 2 содержит вход устройства 1, связанный с источником сигнала 2, первый 3 операционный усилитель, выход которого 4 является выходом устройства и связан с инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя через первый 5 резистор, второй 6, третий 7, четвертый 8 и пятый 9 резисторы, первый 10 конденсатор, включенный между объединенными первыми выводами четвертого 8 и пятого 9 резисторов и выходом 4 первого 3 операционного усилителя, причем второй вывод резистора 9 связан с неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и первым выводом второго 11 конденсатора, второй 12 согласующий усилитель, общую шину источников питания 13. В качестве второго 12 согласующего усилителя используется согласующий операционный усилитель 12, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания 13, выход подключен ко второму выводу резистора 8 и через первый 14 дополнительный резистор соединен с инвертирующим входом согласующего операционного усилителя 12, между инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и инвертирующим входом согласующего операционного усилителя 12 включен второй 6 резистор, вход устройства 1 связан с инвертирующим входом согласующего операционного усилителя 12 через второй 15 дополнительный резистор, причем третий 7 резистор включен между общей шиной источников питания 13 и инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, а второй 11 конденсатор включен между общей шиной источников питания 13 и неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя.

Рассмотрим работу ARC-фильтра фиг. 2.

Прохождение сигнала с входа 1 заявляемого ФНЧ на его выход 4 определяется передаточной функцией

где М - коэффициент передачи фильтра на постоянном токе,

ω_р - частота полюса,

d_p - затухание полюса.

При больших коэффициентах усиления первого 3 и второго 12 операционных усилителей основные параметры ФНЧ фиг. 2 (частота ω_р и затухание d_p полюса, а также коэффициент передачи фильтра М) зависят только от параметров строго определенной группы пассивных элементов и соответствуют следующим формулам [2]:

- коэффициент передачи

- частота полюса

- затухание полюса

В формулах (2)-(4) приняты следующие обозначения: R₅, R₆, R₇, R₈, R₉, R₁₄, R₁₅ - сопротивления резисторов 5, 6, 7, 8, 9, 14 и 15 соответственно, и емкости первого 10 (С₁₀) и второго 11 (С₁₁) конденсаторов.

Независимая настройка параметров схемы возможна тогда, когда при настройке последующего параметра схемы не будет изменяться ее предыдущий ранее настроенный параметр.

Из анализа формул (2)-(4) следует, что в предлагаемом ФНЧ фиг. 2 такая настройка осуществима в следующей последовательности:

Первый этап: настраивается частота полюса ω_р (фиг. 3) путем изменения сопротивлений резисторов 14 и 6 (R₁₄ и R₆). Далее эти резисторы фиксируются.

Второй этап: настраивается затухание полюса d_p (фиг. 4) путем изменения сопротивлений резисторов 5 и 7 (R₅ и R₇). На следующем этапе сопротивления R₅ и R₇ не изменяются.

Третий этап: настраивается коэффициент передачи М (фиг. 5) путем изменения сопротивления резистора 15 (R₁₅).

Приведенные выше выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования фиг. 3-фиг. 5.

На фиг. 3 показано, что при изменении сопротивлений резисторов R₁₄ или R₆ изменяется частота полюса ω_р, т.е. изменяется частота, на которой фазовый сдвиг равен 90°.

На фиг. 4 показано, что при изменении сопротивлений резисторов R₅ или R₇ изменяется затухание полюса d_p, т.е. изменяется подъем АЧХ на частоте полюса и наклон ФЧХ в области частоты полюса. При этом частота полюса сор остается неизменной.

На фиг. 5 показано, что при изменении сопротивления резистора R₁₅ ФЧХ не изменяется, т.е. частота и затухание полюса остаются неизменными. При этом форма АЧХ также остается неизменной, а изменяется только коэффициент передачи фильтра М на постоянном токе.

Следует заметить, что ФНЧ-прототип и другие известные схемы ARC-фильтров данными свойствами не обладают.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 320 с.

2. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / Букашкин С.А., Власов В.П., Змий Б.Ф. и др.; Под ред. А.А. Ланнэ. - М.: Радио и связь, 1984. - 368 с.

3. Поисковое проектирование активных антиалиасинговых фильтров / Ю. Макарова, В. Бугров // Современная электроника, 2017. - №1. - С. 76-80.

4. Выбор параметров аналоговых ограничителей спектра для цифровых систем обработки сигналов с учетом допусков и температурной нестабильности пассивных компонентов / Денисенко Д.Ю., Иванов Ю.И., Прокопенко Н.Н. // Радиотехника. - 2017. - №1. - С. 148-153

5. Патент ЕР 0322379А2.

6. Патент ЕР 0768755А1.

7. Патент ЕР 2084814 В1.

8. Патент US 3786363.

9. Патент US 4899069.

10. Патент US 5264804.

11. Патент US 5489873.

12. Патент US 6346851.

13. Патент US 6909321.

14. Патент US 8143941.

15. Патент US 8878631.

16. Патент US 8901995.

17.Патент US RE35494.

18. Патент W0 2008065009 A1.

19. Spiridon S., Op't Eynde F. Low power CMOS fully differential programmable low pass filter // Proceedings of the 10th International Conference on Optimization Of Electrical And Electronic Equipment. - 2006. - Pd. 21-25.

20. Stornelli V. et al. Fully differential DDA-based fifth and seventh order Bessel low pass filters and buffers for DCR radio systems // Analog Integrated Circuits and Signal Processing. - 2013. - T. 75. - №. 2. - Pp. 305-310.

21. Soltan A., Soliman A. M. A CMOS differential difference operational mirrored amplifier // AEU-International Journal of Electronics and Communications. - 2009. - T. 63. - №. 9. - Pp. 793-800.

22. Boiano C. et al. A 16-channel programmable antialiasing amplifier //Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS/MIC), 2010 IEEE. - IEEE, 2010. - Pp. 1389-1391.

23. Fortunato M. A new filter topology for analog high-pass filters // TI Analog Applications Journal. - 2008. - Pp. 18-24.

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве интерфейса для согласования источника сигнала, например, с аналого-цифровыми преобразователями различного функционального назначения. Технический результат: создание схемы ARC-фильтра нижних частот, которая обеспечивает независимую настройку основных параметров - частоту полюса, затухание полюса, а также коэффициент передачи фильтра на постоянном токе. Предложено схемное решение, позволяющее поочередно настраивать параметры ФНЧ, когда при настройке последующего параметра предыдущий ранее настроенный параметр не изменяется. 5 ил.

ARC-фильтр нижних частот с независимой настройкой основных параметров, содержащий вход устройства (1), связанный с источником сигнала (2), первый (3) операционный усилитель, выход которого (4) является выходом устройства и связан с инвертирующим входом первого (3) операционного усилителя через первый (5) резистор, второй (6), третий (7), четвертый (8) и пятый (9) резисторы, первый (10) конденсатор, включенный между объединенными первыми выводами четвертого (8) и пятого (9) резисторов и выходом (4) первого (3) операционного усилителя, причем второй вывод резистора (9) связан с неинвертирующим входом первого (3) операционного усилителя и первым выводом второго (11) конденсатора, второй (12) согласующий усилитель, общую шину источников питания (13), отличающийся тем, что в качестве второго (12) согласующего усилителя используется согласующий операционный усилитель (12), неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания (13), выход подключен ко второму выводу резистора (8) и через первый (14) дополнительный резистор соединен с инвертирующим входом согласующего операционного усилителя (12), между инвертирующим входом первого (3) операционного усилителя и инвертирующим входом согласующего операционного усилителя (12) включен второй (6) резистор, вход устройства (1) связан с инвертирующим входом согласующего операционного усилителя (12) через второй (15) дополнительный резистор, причем третий (7) резистор включен между общей шиной источников питания (13) и инвертирующим входом первого (3) операционного усилителя, а второй (11) конденсатор включен между общей шиной источников питания (13) и неинвертирующим входом первого (3) операционного усилителя.