УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПОЛОСОВОЙ И РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР С РЕГУЛИРУЕМОЙ ПОЛОСОЙ ПРОПУСКАНИЯ Российский патент 2020 года по МПК H03H11/00 

Изобретение относится к области радиотехники и связи, и может использоваться в качестве устройств частотной селекции, в том числе включаемых на входе аналого-цифровых преобразователей различного назначения [1-4].

Универсальные активные RC-фильтры (УАRСФ) широко используются в современной электронике [5-10] и оказывают существенное влияние на качественные показатели многих аналого-цифровых систем связи и автоматического управления [1-4]. Данный класс устройств частотной селекции (УЧС) особенно перспективен при создании специализированных структурных кристаллов, в которых те или иные амплитудно-частотные характеристики (фильтров низких частот (ФНЧ), фильтров высоких частот (ФВЧ), режекторных (РФ) и полосовых (ПФ) фильтров) реализуются за счет коммутации входов УЧС, к которым подключается источник сигнала, и использования разных выходов УЧС [11-16].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является универсальный фильтр, представленный в патенте RU 2702496 («Универсальный активный RC-фильтр на основе мультидифференциальных операционных усилителей», МПК Н03Н 11/00, 2019 г.). Он содержит (фиг.1) вход (1) устройства, первый выход (2) устройства, реализующий функцию выхода фильтра низких частот, второй выход (3) устройства, реализующий функцию выхода полосового фильтра, третий выход (4) устройства, реализующий функцию выхода режекторного фильтра, первый (5) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, второй (6) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, третий (7) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, первый (8) частотозадающий конденсатор, включенный между первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, и общей шиной источников питания, второй (9) частотозадающий конденсатор, включенный между вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, и общей шиной источников питания, выход первого (5) мультидифференциального операционного усилителя соединен с третьим выходом (4) устройства, реализующим функцию выхода режекторного фильтра, выход второго (6) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан со вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, через первый (10) частотозадающий резистор, выход третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан с первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, через второй (11) частотозадающий резистор, неинвертирующий вход первого порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены к первому выходу (2) устройства, реализующему функцию выхода фильтра низких частот, инвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход первого порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены ко второму выходу (3) устройства, реализующему функцию выхода полосового фильтра, инвертирующий вход второго порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя подключены к общей шине источников питания, третий (12) и четвертый (13) частотозадающие резисторы.

Существенный недостаток известного универсального фильтра состоит в том, что в нем не реализуется произвольное, в том числе, повышенное значение добротности полюса.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании универсального активного RC-фильтра, в котором предусмотрена возможность регулировки полосы пропускания и обладающего расширенным частотным диапазоном.

Поставленная задача решается тем, что в универсальном фильтре (фиг.1), содержащем вход (1) устройства, первый выход (2) устройства, реализующий функцию выхода фильтра низких частот, второй выход (3) устройства, реализующий функцию выхода полосового фильтра, третий выход (4) устройства, реализующий функцию выхода режекторного фильтра, первый (5) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, второй (6) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, третий (7) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, первый (8) частотозадающий конденсатор, включенный между первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, и общей шиной источников питания, второй (9) частотозадающий конденсатор, включенный между вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, и общей шиной источников питания, выход первого (5) мультидифференциального операционного усилителя соединен с третьим выходом (4) устройства, реализующим функцию выхода режекторного фильтра, выход второго (6) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан со вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, через первый (10) частотозадающий резистор, выход третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан с первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, через второй (11) частотозадающий резистор, неинвертирующий вход первого порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены к первому выходу (2) устройства, реализующему функцию выхода фильтра низких частот, инвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход первого порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены ко второму выходу (3) устройства, реализующему функцию выхода полосового фильтра, инвертирующий вход второго порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя подключены к общей шине источников питания, третий (12) и четвертый (13) частотозадающие резисторы, предусмотрены новые элементы и связи - вход (1) устройства соединен с неинвертирующим входом первого порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя, инвертирующий вход первого порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя подключен к его выходу и через третий (12) частотозадающий резистор связан с инвертирующим входом второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя, неинвертирующий вход второго порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя соединен со вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, инвертирующий вход второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания через четвертый (13) частотозадающий резистор.

На чертеже фиг.1 показана схема прототипа, а на чертеже фиг.2 - схема заявляемого полосового и режекторного фильтра с регулируемой полосой пропускания, соответствующая формуле изобретения.

На чертеже фиг.3 показаны обозначения входных портов в используемых мульдифференциальных операционных усилителях.

На чертеже фиг.4 приведены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) заявляемой схемы фильтра фиг.2, полученные в среде Micro-Cap.

Универсальный активный RC-фильтр, обеспечивающий реализацию на его выходах полосового фильтра, фильтра низких частот и режекторного фильтра, с регулируемой полосой пропускания (фиг.2) содержит вход (1) устройства, первый выход (2) устройства, реализующий функцию выхода фильтра низких частот, второй выход (3) устройства, реализующий функцию выхода полосового фильтра, третий выход (4) устройства, реализующий функцию выхода режекторного фильтра, первый (5) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, второй (6) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, третий (7) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, первый (8) частотозадающий конденсатор, включенный между первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, и общей шиной источников питания, второй (9) частотозадающий конденсатор, включенный между вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, и общей шиной источников питания, выход первого (5) мультидифференциального операционного усилителя соединен с третьим выходом (4) устройства, реализующим функцию выхода режекторного фильтра, выход второго (6) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан со вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, через первый (10) частотозадающий резистор, выход третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан с первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, через второй (11) частотозадающий резистор, неинвертирующий вход первого порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены к первому выходу (2) устройства, реализующему функцию выхода фильтра низких частот, инвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход первого порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены ко второму выходу (3) устройства, реализующему функцию выхода полосового фильтра, инвертирующий вход второго порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя подключены к общей шине источников питания, третий (12) и четвертый (13) частотозадающие резисторы. Вход (1) устройства соединен с неинвертирующим входом первого порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя, инвертирующий вход первого порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя подключен к его выходу и через третий (12) частотозадающий резистор связан с инвертирующим входом второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя, неинвертирующий вход второго порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя соединен со вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, инвертирующий вход второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания через четвертый (13) частотозадающий резистор.

В схеме фиг.2 источник напряжения 14 является источником входного сигнала.

Рассмотрим работу предлагаемой схемы фильтра фиг.2, используя уравнения для его основных параметров, а также результаты компьютерного моделирования, представленные на чертеже фиг.4.

Обобщенная передаточная функция УАRСФ второго порядка описывается выражением

где ω₀, ω_p - частота нуля и полюса передаточной функции, d₀, d_p - затухание нуля и полюса передаточной функции, Μ - коэффициент передачи фильтра.

Введем обозначения: R₁₀, R₁₁, R₁₃, R₁₄ - сопротивления первого 10 и второго 11, третьего 13 и четвертого 14 частотозадающих резисторов, С₈, С₉ - емкости первого 8, второго 9 частотозадающих конденсаторов соответственно. Поэтому в предлагаемой схеме фиг.2 со входа 1 на третий выход 4 устройства, реализующий функцию выхода режекторного фильтра, соответствует следующая передаточная функция

где , τ₂=R₁₁C₈.

Коэффициент передачи РФ на нулевой и бесконечно большой частотах равен единице

Μ=1.

Со входа 1 на второй выход 3 устройства, реализующий функцию выхода полосового фильтра, схеме фиг.2 соответствует передаточная функция, которая представлена ниже

При этом коэффициент передачи ПФ на частоте полюса равен Μ=-1.

Со входа 1 универсального активного RC-фильтра фиг.2 на первый выход 2 устройства, реализующий функцию выхода фильтра нижних частот, соответствует передаточная функция

а его коэффициент передачи на нулевой частоте равен Μ=α.

Коэффициенты передаточной функции, такие как частота полюса и затухание полюса для всех выходов (РФ, ПФ, ФНЧ) предлагаемой схемы УАRСФ фиг.2 определяются уравнениями:

- частота полюса

- затухание полюса

Анализ графиков фиг.4 показывает, что УАRСФ фиг.2 позволяет реализовать на его выходах режекторный фильтр, полосовой фильтр и фильтр низких частот. Кроме этого, как следует из формул (6), заявляемое устройство допускает регулировку полосы пропускания (добротности полюса) путем изменения сопротивления резистора R12 и R13. Расширенный частотный диапазон обеспечивается в схеме фиг.2 за счет положительного влияния на АЧХ УАRСФ частотных характеристик применяемых МОУ.

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. 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.

2. Estimation to Efficiency of the Using of Anti-Alias Filter in the A/D Interface of Instrumentation and Control Systems / L.K. Samoylov, N.N. Prokopenko, A.V. Bugakova // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS'2018), Kazan, Russia, September 14-17, 2018, pp.422-425.

3. Selection of the Band-Pass Range of the Normalizing Signal Transducer of the Sensing Element in the Instrumentation and Control Systems / L.K. Samoylov, N.N. Prokopenko, A.V. Bugakova // 2018 14^th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT'2018). Proceedings. Oct.31-Nov.3, 2018, Qingdao, China.

4. The Function Approximation of the Signal Delay Time in the Anti-Alias Filter of the A/D Interface of the Instrumentation and Control System / L.K. Samoylov, D.Yu. Denisenko, N.N. Prokopenko // 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech-2018), October 22-23, 2018, Saint Petersburg, Russia.

5. Патент SU 1777233, 1990 г.

6. Патент SU 1755365, 1990 г.

7. Патент SU 1788570, 1993 г.

8. Патент RU 2019023, 1980 г.

9. Патент RU 2089998, 1992 г.

10. Патент SU 2089041, 1990 г.

11. Патент RU 2702496, 2019 г.

12. Патент RU 2702499, 2019 г.

13. Патент RU 2710292, 2019 г.

14. Патент RU 2149499, 2000 г.

15. Патент RU 2710852, 2020 г.

16. Универсальный активный RC-фильтр. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/State_variable_filter

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. Технический результат: создание схемы универсального фильтра, обеспечивающего реализацию на его выходах полосового и режекторного фильтров с возможностью регулировки полосы пропускания. Кроме этого заявляемое устройство имеет возможность регулировки полосы пропускания и обладает расширенным частотным диапазоном. Для этого предложен универсальный активный RC-фильтр, обеспечивающий реализацию на его выходах полосового фильтра, фильтра низких частот и режекторного фильтра, с регулируемой полосой пропускания, содержащий вход (1) устройства, первый выход (2) устройства, реализующий функцию выхода фильтра низких частот, второй выход (3) устройства, реализующий функцию выхода полосового фильтра, третий выход (4) устройства, реализующий функцию выхода режекторного фильтра. 4 ил.

Универсальный активный RC-фильтр, обеспечивающий реализацию на его выходах полосового фильтра, фильтра низких частот и режекторного фильтра, с регулируемой полосой пропускания, содержащий вход (1) устройства, первый выход (2) устройства, реализующий функцию выхода фильтра низких частот, второй выход (3) устройства, реализующий функцию выхода полосового фильтра, третий выход (4) устройства, реализующий функцию выхода режекторного фильтра, первый (5) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, второй (6) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, третий (7) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, первый (8) частотозадающий конденсатор, включенный между первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, и общей шиной источников питания, второй (9) частотозадающий конденсатор, включенный между вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, и общей шиной источников питания, выход первого (5) мультидифференциального операционного усилителя соединен с третьим выходом (4) устройства, реализующим функцию выхода режекторного фильтра, выход второго (6) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан со вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, через первый (10) частотозадающий резистор, выход третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан с первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, через второй (11) частотозадающий резистор, неинвертирующий вход первого порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены к первому выходу (2) устройства, реализующему функцию выхода фильтра низких частот, инвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход первого порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены ко второму выходу (3) устройства, реализующему функцию выхода полосового фильтра, инвертирующий вход второго порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя подключены к общей шине источников питания, третий (12) и четвертый (13) частотозадающие резисторы, отличающийся тем, что вход (1) устройства соединен с неинвертирующим входом первого порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя, инвертирующий вход первого порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя подключен к его выходу и через третий (12) частотозадающий резистор связан с инвертирующим входом второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя, неинвертирующий вход второго порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя соединен со вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, инвертирующий вход второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания через четвертый (13) частотозадающий резистор.