Активный RC-фильтр с независимой подстройкой основных параметров Российский патент 2020 года по МПК H03H11/12 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве интерфейса для выделения заданного спектра источника сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.

Полосовые АRC-фильтры (ПФ) относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств, определяющих качественные показатели многих радиотехнических систем, в том числе для цифровой обработки сигналов [1-28]. В данном классе устройств особое место занимают фильтры с независимой подстройкой основных параметров [29-33].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является активный RC-фильтр по патенту RU 2694134, фиг. 2, 2019 г. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5 и второй 6 последовательно соединенные резисторы, включенные между входом 1 устройства и выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, общий узел которых связан с инвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя, третий 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11, восьмой 12 и девятый 13 резисторы, причем девятый 13 резистор включен между неинвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя и общей шиной источника питания 14, а выход первого 3 дифференциального операционного усилителя соединен с выходом 2 устройства, первый 15 и второй 16 конденсаторы.

Существенный недостаток полосового фильтра-прототипа фиг. 1 состоит в том, что он не обеспечивает низкую параметрическую чувствительность при настройке добротности.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании схемы полосового фильтра с более низкой параметрической чувствительностью при независимой подстройке трех основных параметров АЧХ – частоты полюса (ωs), затухания полюса (ds), а также коэффициента передачи в полосе пропускания (М).

Поставленная задача достигается тем, что в активном RC-фильтре фиг. 2, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5 и второй 6 последовательно соединенные резисторы, включенные между входом 1 устройства и выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, общий узел которых связан с инвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя, третий 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11, восьмой 12 и девятый 13 резисторы, причем девятый 13 резистор включен между неинвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя и общей шиной источника питания 14, а выход первого 3 дифференциального операционного усилителя соединен с выходом 2 устройства, первый 15 и второй 16 конденсаторы, предусмотрены новые связи – выход второго 4 дифференциального операционного усилителя связан с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные первый 15 конденсатор и шестой 10 резистор, выход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с неинверетирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные седьмой 11 и восьмой 12 резисторы, общий узел которых соединен с общим узлом последовательно соединенных первого 15 конденсатора и шестого 10 резистора через пятый 9 резистор, выход 2 устройства соединен с общей шиной источника питания 14 через последовательно соединенные третий 7 и четвертый 8 резисторы, общий узел которых соединен с неинвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя, причем между инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя и выходом 2 устройства включен второй 16 конденсатор.

На чертеже фиг. 1 представлена схема ПФ-прототипа.

На чертеже фиг. 2 приведена схема заявляемого ПФ в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг. 3 представлены графики изменения амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) характеристик ПФ фиг. 3 при настройке частоты полюса последовательно соединенными резисторами R11 и R12.

На чертеже фиг. 4 приведены АЧХ и ФЧХ схемы ПФ фиг. 2 при настройке затухания полюса (ds) с помощью резисторов R7, R8, R6, R13.

На чертеже фиг. 5 показаны графики изменения АЧХ и ФЧХ схемы ПФ фиг. 2 при настройке коэффициента передач (M) с помощью резистора R5.

Активный RC-фильтр с независимой подстройкой основных параметров фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5 и второй 6 последовательно соединенные резисторы, включенные между входом 1 устройства и выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, общий узел которых связан с инвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя, третий 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11, восьмой 12 и девятый 13 резисторы, причем девятый 13 резистор включен между неинвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя и общей шиной источника питания 14, а выход первого 3 дифференциального операционного усилителя соединен с выходом 2 устройства, первый 15 и второй 16 конденсаторы. Выход второго 4 дифференциального операционного усилителя связан с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные первый 15 конденсатор и шестой 10 резистор, выход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с неинверетирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные седьмой 11 и восьмой 12 резисторы, общий узел которых соединен с общим узлом последовательно соединенных первого 15 конденсатора и шестого 10 резистора через пятый 9 резистор, выход 2 устройства соединен с общей шиной источника питания 14 через последовательно соединенные третий 7 и четвертый 8 резисторы, общий узел которых соединен с неинвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя, причем между инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя и выходом 2 устройства включен второй 16 конденсатор.

Рассмотрим работу ПФ фиг. 2.

Свойства схемы классического полосового фильтра второго порядка, в том числе схемы фиг. 2, определяются его передаточной функцией

где М – коэффициент передачи фильтра на центральной частоте; ω_p – частота полюса; d_p – затухание полюса.

Коэффициенты передаточной функции предлагаемой схемы ПФ определяются по выражениям:

- коэффициент передачи

,

где , , , ,

- частота полюса

- затухание полюса

-

Независимая настройка параметров ПФ фиг. 2 возможна тогда, когда при настройке последующего параметра схемы не потребуется изменять сопротивления резисторов, определяющие уже настроенный параметр. Из анализа полученных формул для ω_p, d_p, М следует, что в предлагаемом ПФ фиг. 2 такая настройка осуществима в следующей последовательности:

Первый этап: настраивается частота полюса ω_s путем изменения сопротивлений седьмого 11 и восьмого 12 резисторов (R11 и R12). Далее номиналы этих резисторов фиксируются.

Второй этап: настраивается затухание полюса d_s путем изменения сопротивлений резисторов третьего 7 (R7) и четвертого 8 (R8) или второго 6 (R6) и девятого 13 (R13) резисторов. На втором этапе сопротивления седьмого 11 и восьмого 12 резисторов (R11 и R12) не изменяются.

Третий этап: настраивается коэффициент передачи М путем изменения сопротивления первого 5 резистора (R5). На этом этапе сопротивления второго 6 (R6), третьего 7 (R7), четвертого 8 (R8), седьмого 11 (R11), восьмого 12 (R12), девятого 13 (R13) резисторов не изменяются.

Следует заметить, что другие известные схемы ПФ с низкой параметрической чувствительностью, выполненные на двух операционных усилителях, данным свойством не обладают.

Эффективность рассмотренного выше алгоритма настройки ПФ фиг. 2, подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг. 3-фиг. 5).

По виду ФЧХ фиг. 3 можно судить, что частота полюса ω_s, на которой фазовый сдвиг равен 0°, изменяется за счет седьмого 11 и восьмого 12 резисторов (R11 и R12) в относительно широких пределах.

По виду ФЧХ фиг. 4 можно установить, что при изменении сопротивлений третьего 7, четвертого 8, второго 6 и девятого 13 резисторов (R7, R8, R6, R13) изменяется наклон ФЧХ в области частоты полюса, а также изменяется подъем АЧХ на этой частоте. При этом частота полюса остается неизменной (ω_s=const). При настройке затухания полюса изменяются частоты, на которых фазовый сдвиг составляет 45° и -45°.

При настройке коэффициента передачи путём изменения первого 5 (R5) резистора ФЧХ практически не изменяется, а изменяется только общий уровень АЧХ (фиг. 5).

При проектировании фильтров на основе рассмотренной схемы сопротивление пятого 9 резистора (R9) желательно выбирать значительно больше эквивалентного сопротивления резистивного делителя напряжения, состоящего из седьмого 11 и восьмого 12 резисторов (R11 и R12), то есть необходимо выполнять соотношение

В сравнении с известными ПФ, заявляемая схема ПФ имеет более низкую параметрическую чувствительность при настройке равных добротностей.

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент SU 296228, 1971 г.

2. Патент SU 964977, 1982 г.

3. Патент SU 1629960, 1991 г.

4. Патент SU 1755364, 1992 г.

5. Патент SU 438095, 1974 г.

6. Патент RU 2154337, 2000 г.

7. Патент RU 2150782, 2000 г.

8. Патент RU 2089998, 1997 г.

9. Патент RU 2089041, 1997 г.

10. Патент SU 1777233, 1992 г.

11. Патент SU 792557, 1980 г.

12. Патент SU 807482, 1981 г.

13. Патент SU 1788570, 1993 г.

14. Патент RU 2019023, 1994 г.

15. Патент RU 2019024, 1994 г.

16. Патент RU 2165673, 2001 г.

17. Патент SU 987800, 1983 г.

18. Патент SU 376871,1973 г.

19. Патент SU 536590, 1976 г.

20. Патент SU 587602, 1978 г.

21. Патент SU 813690, 1981 г.

22. Патент SU 813694, 1981 г.

23. Патент SU 815868, 1981 г.

24. Патент US 3,946,328, 1976 г.

25. Патент SU 785954, 1980 г.

26. Патент US 4,659,995, 1987 г.

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

28. 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.

29. Патент RU 2688237, 2019 г.

30. Патент RU 2694134, 2019 г.

31. Патент RU 2701095, 2019 г.

32. Патент RU 2697944, 2019 г.

33. Патент RU 2701038, 2019 г.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве интерфейса для выделения заданного спектра источника сигнала при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций. Технический результат: создание схемы полосового фильтра с более низкой параметрической чувствительностью при независимой подстройке трех основных параметров АЧХ – частоты полюса (ωs), затухания полюса (ds), а также коэффициента передачи в полосе пропускания (М). Активный RC-фильтр с независимой подстройкой основных параметров содержит дифференциальные операционные усилители, резисторы и конденсаторы, соединенные между собой таким образом, чтобы обеспечить неизменной частоту полюса, а также обеспечить настройку затухания с заданным фазовым сдвигом. Причем при настройке коэффициента передачи путем изменения первого резистора (5) ФЧХ практически не изменяется, изменяется только общий уровень АЧХ. 5 ил.

Активный RC-фильтр с независимой подстройкой основных параметров, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, первый (3) и второй (4) дифференциальные операционные усилители, первый (5) и второй (6) последовательно соединенные резисторы, включенные между входом (1) устройства и выходом второго (4) дифференциального операционного усилителя, общий узел которых связан с инвертирующим входом второго (4) дифференциального операционного усилителя, третий (7), четвертый (8), пятый (9), шестой (10), седьмой (11), восьмой (12) и девятый (13) резисторы, причем девятый (13) резистор включен между неинвертирующим входом первого (3) дифференциального операционного усилителя и общей шиной источника питания (14), а выход первого (3) дифференциального операционного усилителя соединен с выходом (2) устройства, первый (15) и второй (16) конденсаторы, отличающийся тем, что выход второго (4) дифференциального операционного усилителя связан с инвертирующим входом первого (3) дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные первый (15) конденсатор и шестой (10) резистор, выход первого (3) дифференциального операционного усилителя связан с неинвертирующим входом первого (3) дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные седьмой (11) и восьмой (12) резисторы, общий узел которых соединен с общим узлом последовательно соединенных первого (15) конденсатора и шестого (10) резистора через пятый (9) резистор, выход (2) устройства соединен с общей шиной источника питания (14) через последовательно соединенные третий (7) и четвертый (8) резисторы, общий узел которых соединен с неинвертирующим входом второго (4) дифференциального операционного усилителя, причем между инвертирующим входом первого (3) дифференциального операционного усилителя и выходом (2) устройства включен второй (16) конденсатор.