РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР ЧЕТВЕРТОГО ПОРЯДКА Российский патент 2021 года по МПК H03H11/12 

Изобретение относится к области радиотехники, а также измерительной техники, и может использоваться, например, для осуществления фильтрации помех и защиты систем радиомониторинга в коротковолновом диапазоне [1].

Активные режекторные RC-фильтры (РФ) широко используются в современной электронике [1-25] и оказывают существенное влияние на качественные показатели многих аналоговых и аналого-цифровых систем связи [1-9].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является фильтр, описанный в патенте RU 2110140 («Перестраиваемый ARC-фильтр», МПК H03H 11/04, 1998 г.). Он содержит (фиг. 1) вход 1 устройства, связанный с источником сигнала 2, выход 3 устройства, подключенный к нагрузке 4, входной режекторный фильтр второго порядка с первым 5 и вторым 6 входами, а также первым 7 и вторым 8 выходами, причем первый 5 вход входного режекторного фильтра второго порядка подключен к инвертирующему входу первого 9 операционного усилителя через первый 10 резистор, инвертирующей вход первого 9 операционного усилителя связан с его выходом через второй 11 резистор, инвертирующий вход первого 9 операционного усилителя соединён с инвертирующим входом второго 12 операционного усилителя, инвертирующий вход второго 12 операционного усилителя связан с его выходом через третий 13 резистор, выход второго 12 операционного усилителя соединён с первым 7 выходом входного режекторного фильтра второго порядка, выход первого 9 операционного усилителя соединён со вторым 8 выходом входного режекторного фильтра второго порядка, неинвертирующий вход первого 9 операционного усилителя согласован с общей шиной источника питания 14, выход первого 9 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 12 операционного усилителя через первый 15 конденсатор, второй 6 вход входного режекторного фильтра второго порядка соединён с инвертирующим входом третьего 16 операционного усилителя через последовательно соединённые четвертый 17 и пятый 18 резисторы, общий узел которых связан с общей шиной источника питания 14 через шестой 19 резистор, выход третьего 16 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого 20 операционного усилителя через второй 21 конденсатор и подключен к объединённым инвертирующим входам третьего 16 и четвертого 20 операционных усилителей через седьмой 22 резистор, неинвертирующий вход третьего 16 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом второго 12 операционного усилителя и связан с выходом четвертого 20 операционного усилителя через восьмой 23 резистор, выход первого 9 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого 20 операционного усилителя через девятый 24 резистор, инвертирующий вход четвертого 20 операционного усилителя связан с его выходом через десятый 25 резистор, первый 7 выход входного режекторного фильтра второго порядка соединён с общим узлом четвертого 17 и пятого 18 резисторов через одиннадцатый 26 резистор, источник сигнала 2 и нагрузка 4 согласованы с общей шиной источника питания 14.

Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что в нём не реализуется управление полосой задерживания. Это ограничивает области использования данной схемы.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании режекторного фильтра четвертого порядка, в котором предусмотрена возможность регулировки полосы задерживания.

Поставленная задача достигается тем, что в активном RC-фильтре фиг. 1, содержащем вход 1 устройства, связанный с источником сигнала 2, выход 3 устройства, подключенный к нагрузке 4, входной режекторный фильтр второго порядка с первым 5 и вторым 6 входами, а также первым 7 и вторым 8 выходами, причем первый 5 вход входного режекторного фильтра второго порядка подключен к инвертирующему входу первого 9 операционного усилителя через первый 10 резистор, инвертирующей вход первого 9 операционного усилителя связан с его выходом через второй 11 резистор, инвертирующий вход первого 9 операционного усилителя соединён с инвертирующим входом второго 12 операционного усилителя, инвертирующий вход второго 12 операционного усилителя связан с его выходом через третий 13 резистор, выход второго 12 операционного усилителя соединён с первым 7 выходом входного режекторного фильтра второго порядка, выход первого 9 операционного усилителя соединён со вторым 8 выходом входного режекторного фильтра второго порядка, неинвертирующий вход первого 9 операционного усилителя согласован с общей шиной источника питания 14, выход первого 9 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 12 операционного усилителя через первый 15 конденсатор, второй 6 вход входного режекторного фильтра второго порядка соединён с инвертирующим входом третьего 16 операционного усилителя через последовательно соединённые четвертый 17 и пятый 18 резисторы, общий узел которых связан с общей шиной источника питания 14 через шестой 19 резистор, выход третьего 16 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого 20 операционного усилителя через второй 21 конденсатор и подключен к объединённым инвертирующим входам третьего 16 и четвертого 20 операционных усилителей через седьмой 22 резистор, неинвертирующий вход третьего 16 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом второго 12 операционного усилителя и связан с выходом четвертого 20 операционного усилителя через восьмой 23 резистор, выход первого 9 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого 20 операционного усилителя через девятый 24 резистор, инвертирующий вход четвертого 20 операционного усилителя связан с его выходом через десятый 25 резистор, первый 7 выход входного режекторного фильтра второго порядка соединён с общим узлом четвертого 17 и пятого 18 резисторов через одиннадцатый 26 резистор, источник сигнала 2 и нагрузка 4 согласованы с общей шиной источника питания 14, предусмотрены новые элементы и связи - в схему устройства введен выходной режекторный фильтр 27, идентичный входному режекторному фильтру по составу элементов, связей между ними и функциональному назначению входов и выходов, содержащий первый 28 (in.1*) и второй 29 (in.2*) входы, а также первый 30 (out.1*) и второй 31 (out.2*) выходы, дополнительный входной сумматор 32, причем первый 7 выход входного режекторного фильтра второго порядка подключен к первому 28 (in.1*) входу выходного режекторного фильтра второго порядка 27, первый 30 (out.1*) выход выходного режекторного фильтра второго порядка 27 соединён с выходом 3 устройства, второй 31 (out.2*) выход выходного режекторного фильтра второго порядка 27 соединён с первым 33 входом дополнительного входного сумматора 32, вход 1 устройства подключен ко второму 34 входу дополнительного входного сумматора 32, второй 6 вход входного режекторного фильтра второго порядка и второй 29 (in.2*) вход выходного режекторного фильтра второго порядка 27 согласованы с общей шиной источника питания 14, выход дополнительного входного сумматора 32 подключен к первому 5 входу входного режекторного фильтра второго порядка.

На чертеже фиг. 1 показана схема РФ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого режекторного фильтра четвертого порядка по п. 1 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 3 показан режекторный фильтр четвертого порядка по п. 1 формулы изобретения с конкретной реализацией выходного режекторного фильтра второго порядка 27.

На чертеже фиг. 4 представлен вариант реализации и схема включения дополнительного входного сумматора 32 по п. 2 формулы изобретения на основе первого 35 и второго 36 дополнительных операционных усилителей.

На чертеже фиг. 5 изображён вариант реализации и схема включения дополнительного входного сумматора 32 по п. 3 формулы изобретения на основе дополнительного мультидифференциального операционного усилителя 42.

На чертеже фиг. 6 представлены результаты компьютерного моделирования схемы РФ фиг. 2.

Режекторный фильтр четвертого порядка фиг. 2 содержит вход 1 устройства, связанный с источником сигнала 2, выход 3 устройства, подключенный к нагрузке 4, входной режекторный фильтр второго порядка с первым 5 и вторым 6 входами, а также первым 7 и вторым 8 выходами, причем первый 5 вход входного режекторного фильтра второго порядка подключен к инвертирующему входу первого 9 операционного усилителя через первый 10 резистор, инвертирующей вход первого 9 операционного усилителя связан с его выходом через второй 11 резистор, инвертирующий вход первого 9 операционного усилителя соединён с инвертирующим входом второго 12 операционного усилителя, инвертирующий вход второго 12 операционного усилителя связан с его выходом через третий 13 резистор, выход второго 12 операционного усилителя соединён с первым 7 выходом входного режекторного фильтра второго порядка, выход первого 9 операционного усилителя соединён со вторым 8 выходом входного режекторного фильтра второго порядка, неинвертирующий вход первого 9 операционного усилителя согласован с общей шиной источника питания 14, выход первого 9 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 12 операционного усилителя через первый 15 конденсатор, второй 6 вход входного режекторного фильтра второго порядка соединён с инвертирующим входом третьего 16 операционного усилителя через последовательно соединённые четвертый 17 и пятый 18 резисторы, общий узел которых связан с общей шиной источника питания 14 через шестой 19 резистор, выход третьего 16 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого 20 операционного усилителя через второй 21 конденсатор и подключен к объединённым инвертирующим входам третьего 16 и четвертого 20 операционных усилителей через седьмой 22 резистор, неинвертирующий вход третьего 16 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом второго 12 операционного усилителя и связан с выходом четвертого 20 операционного усилителя через восьмой 23 резистор, выход первого 9 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого 20 операционного усилителя через девятый 24 резистор, инвертирующий вход четвертого 20 операционного усилителя связан с его выходом через десятый 25 резистор, первый 7 выход входного режекторного фильтра второго порядка соединён с общим узлом четвертого 17 и пятого 18 резисторов через одиннадцатый 26 резистор, источник сигнала 2 и нагрузка 4 согласованы с общей шиной источника питания 14. В схему устройства введен выходной режекторный фильтр 27, идентичный входному режекторному фильтру по составу элементов, связей между ними и функциональному назначению входов и выходов, содержащий первый 28 (in.1*) и второй 29 (in.2*) входы, а также первый 30 (out.1*) и второй 31 (out.2*) выходы, дополнительный входной сумматор 32, причем первый 7 выход входного режекторного фильтра второго порядка подключен к первому 28 (in.1*) входу выходного режекторного фильтра второго порядка 27, первый 30 (out.1*) выход выходного режекторного фильтра второго порядка 27 соединён с выходом 3 устройства, второй 31 (out.2*) выход выходного режекторного фильтра второго порядка 27 соединён с первым 33 входом дополнительного входного сумматора 32, вход 1 устройства подключен ко второму 34 входу дополнительного входного сумматора 32, второй 6 вход входного режекторного фильтра второго порядка и второй 29 (in.2*) вход выходного режекторного фильтра второго порядка 27 согласованы с общей шиной источника питания 14, выход дополнительного входного сумматора 32 подключен к первому 5 входу входного режекторного фильтра второго порядка.

Рассмотрим работу схемы РФ фиг. 2.

Передаточная функция схемы РФ четвертого порядка описывается выражением

где и - коэффициенты числителя и знаменателя передаточной функции (1).

Характер изменения АЧХ и ФЧХ фильтра от частоты зависят от численных значений и в передаточной функции (1), а его свойства, т.е. возможность перестройки по частоте, регулировки полосы пропускания, неравномерности АЧХ и коэффициентов передач на нулевой и бесконечно большой частоте, определяются топологией схемы. Известно, что для перестройки фильтра четвертого порядка по частоте при неизменных других параметрах необходимо одновременно изменять как минимум параметры четырёх элементов, например, сопротивлений четырёх резисторов или ёмкостей четырёх конденсаторов. Наиболее просто это осуществить, используя в качестве элементов перестройки различные переменные резисторы, в том числе с электронной перестройкой параметров. Причем, наиболее простые схемы получаются, когда все электронные компоненты перестройки имеют идентичные характеристики. Данная задача решается, например, на идентичных звеньях режекторных фильтров второго порядка, имеющих равные значения частот полюсов , затуханий и масштабных коэффициентов передач

За счет введения обратной связи со второго 31 (out.2*) выхода выходного режекторного фильтра второго порядка 27 c передаточной функцией полосового фильтра

через дополнительный входной сумматор 32, режекторным фильтром четвертого порядка (фиг. 2) реализуется передаточная функция (1), коэффициенты которой определяются соотношениями

Благодаря такой зависимости коэффициентов передаточной функции фильтра от параметров отдельных звеньев и коэффициентов дополнительного входного сумматора 32 в заявляемом режекторном фильтре четвёртого порядка возможна независимая регулировка неравномерности АЧХ в полосе пропускания с помощью изменения коэффициента передачи цепи обратной связи . При этом полоса заграждения фильтра зависит от выбранных значений затуханий в звеньях.

Для упрощения соотношений (4) значения коэффициентов передач звеньев независимо от реализуемых ими передаточных функций выбраны равными, но это не является обязательным условием при реализации конкретной схемы заявляемого фильтра четвертого порядка.

В результате компьютерного моделирования схемы РФ, приведенной на фиг. 2 в программе схемотехнического моделирования Micro-Cap, было получено семейство АЧХ РФ (фиг. 6) при изменении коэффициента обратной связи , которое подтвердило работоспособность предлагаемого схемотехнического решения.

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Красиков М.И. Режекторный фильтр КВ диапазона для широкополосных систем радиомониторинга. / М.И. Красиков, Д.Г. Гарш, И.Н. Бармин. // Автоматизация технических процессов и устройств. Сборник докладов. - ИТ АРКТИКА. - 2016. - №3. - С 59 -63.

2. Богнер Р. Введение в цифровую фильтрацию. / Р. Богнер, А. Константинидис. - М.: Мир, 1976. - 478 с. 33.

3. Ленк Дж. Электронные схемы. Практическое руководство. / Дж. Ленк. - М.: Мир, 1985. - 343 с.

4. Головин О.В. Профессиональные радиоприемные устройства декаметрового диапазона / О.В. Головин - М.: Радио и связь, 1985. - 288 с.

5. Симон В.А., Герасимов В.А., Кострин Д.К. / Режекторный фильтр с настраиваемыми параметрами // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2017, №5, C. 3-9.

6. Симон В.А. Режекторный фильтр с независимой регулировкой центральной частоты и добротности / В.А. Герасимов, Д.К. Кострин, Л.М. Селиванов, В.А. Симон, А.А. Ухов // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. - 2017. - Т. 17. - № 4. - С. 1068-1070.

7. Симон В.А. Способ увеличения глубины подавления режекторного фильтра / В.А. Симон // Труды 71-й научно-технической конференции, посвященной Дню Радио. - Санкт-Петербург. - С. 357-358.

8. Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров: Пер. с англ. Москва, издательство: Радио и связь, 1984. - 384 с.

9. 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.

10. Патент RU 2110140, 1998 г.

11. Патент SU 491195, 1975 г.

12. Патент SU 1363443, 1987 г.

13. Патент SU 1246342, 1986 г.

14. Патент RU 180799, 2018 г.

15. Патент SU 430484, 1974 г.

16. Патент SU 1739479, 1992 г.

17. Патент SU 1056431, 1983 г.

18. Патент SU 375030, 1973 г.

19. Патент SU 374703, 1973 г.

20. Патент CN103314481, 2013 г.

21. Патент CN203912166, 2014 г.

22. Патент US7340237, 2007 г.

23. Патент US6677815, 2003 г.

24. Патент CN203522672, 2014 г.

25. Патентная заявка KR20120131737, 2013 г.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности, для осуществления фильтрации помех и защиты систем радиомониторинга в коротковолновом диапазоне. Технический результат - обеспечение возможности регулировки полосы задерживания в режекторном фильтре четвертого порядка. Фильтр содержит вход (1) устройства, связанный с источником сигнала (2), выход (3) устройства, подключенный к нагрузке (4), входной режекторный фильтр второго порядка с первым (5) и вторым (6) входами, а также первым (7) и вторым (8) выходами, первый (10), второй (11) резисторы, второй (12) операционный усилитель, третий (13) резистор, общую шину источника питания (14), первый (15) конденсатор, третий (16) операционный усилитель, последовательно соединённые четвертый (17) и пятый (18) резисторы, общий узел которых связан с общей шиной источника питания (14) через шестой (19) резистор, четвертый (20) операционный усилитель, второй (21) конденсатор, седьмой (22) резистор, восьмой (23) резистор, девятый (24) резистор, десятый (25) резистор, одиннадцатый (26) резистор, выходной режекторный фильтр (27), идентичный входному режекторному фильтру по составу элементов, связей между ними и функциональному назначению входов и выходов, дополнительный входной сумматор (32). 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Режекторный фильтр четвертого порядка, содержащий вход (1) устройства, связанный с источником сигнала (2), выход (3) устройства, подключенный к нагрузке (4), входной режекторный фильтр второго порядка с первым (5) и вторым (6) входами, а также первым (7) и вторым (8) выходами, причем первый (5) вход входного режекторного фильтра второго порядка подключен к инвертирующему входу первого (9) операционного усилителя через первый (10) резистор, инвертирующий вход первого (9) операционного усилителя связан с его выходом через второй (11) резистор, инвертирующий вход первого (9) операционного усилителя соединён с инвертирующим входом второго (12) операционного усилителя, инвертирующий вход второго (12) операционного усилителя связан с его выходом через третий (13) резистор, выход второго (12) операционного усилителя соединён с первым (7) выходом входного режекторного фильтра второго порядка, выход первого (9) операционного усилителя соединён со вторым (8) выходом входного режекторного фильтра второго порядка, неинвертирующий вход первого (9) операционного усилителя согласован с общей шиной источника питания (14), выход первого (9) операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго (12) операционного усилителя через первый (15) конденсатор, второй (6) вход входного режекторного фильтра второго порядка соединён с инвертирующим входом третьего (16) операционного усилителя через последовательно соединённые четвертый (17) и пятый (18) резисторы, общий узел которых связан с общей шиной источника питания (14) через шестой (19) резистор, выход третьего (16) операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого (20) операционного усилителя через второй (21) конденсатор и подключен к объединённым инвертирующим входам третьего (16) и четвертого (20) операционных усилителей через седьмой (22) резистор, неинвертирующий вход третьего (16) операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом второго (12) операционного усилителя и связан с выходом четвертого (20) операционного усилителя через восьмой (23) резистор, выход первого (9) операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого (20) операционного усилителя через девятый (24) резистор, инвертирующий вход четвертого (20) операционного усилителя связан с его выходом через десятый (25) резистор, первый (7) выход входного режекторного фильтра второго порядка соединён с общим узлом четвертого (17) и пятого (18) резисторов через одиннадцатый (26) резистор, источник сигнала (2) и нагрузка (4) согласованы с общей шиной источника питания (14), отличающийся тем, что в схему устройства введен выходной режекторный фильтр (27), идентичный входному режекторному фильтру по составу элементов, связей между ними и функциональному назначению входов и выходов, содержащий первый (28) (in.1*) и второй (29) (in.2*) входы, а также первый (30) (out.1*) и второй (31) (out.2*) выходы, дополнительный входной сумматор (32), причем первый (7) выход входного режекторного фильтра второго порядка подключен к первому (28) (in.1*) входу выходного режекторного фильтра второго порядка (27), первый (30) (out.1*) выход выходного режекторного фильтра второго порядка (27) соединён с выходом (3) устройства, второй (31) (out.2*) выход выходного режекторного фильтра второго порядка (27) соединён с первым (33) входом дополнительного входного сумматора (32), вход (1) устройства подключен ко второму (34) входу дополнительного входного сумматора (32), второй (6) вход входного режекторного фильтра второго порядка и второй (29) (in.2*) вход выходного режекторного фильтра второго порядка (27) согласованы с общей шиной источника питания (14), выход дополнительного входного сумматора (32) подключен к первому (5) входу входного режекторного фильтра второго порядка.

2. Режекторный фильтр четвертого порядка по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный входной сумматор (32) выполнен на основе первого (35) и второго (36) дополнительных операционных усилителей, первого (37), второго (38), третьего (39), четвертого (40) и пятого (41) вспомогательных резисторов, причём первый (33) вход дополнительного входного сумматора (32) соединён с инвертирующим входом первого (35) дополнительного операционного усилителя через первый (37) вспомогательный резистор, инвертирующий вход первого (35) дополнительного операционного усилителя связан с его выходом через второй (38) вспомогательный резистор, выход первого (35) дополнительного операционного усилителя соединён с инвертирующим входом второго (36) дополнительного операционного усилителя через третий (39) вспомогательный резистор, второй (34) вход дополнительного входного сумматора (32) подключен к инвертирующему входу второго (36) дополнительного операционного усилителя через четвертый (40) вспомогательный резистор, инвертирующий вход второго (36) дополнительного операционного усилителя связан с его выходом через пятый (41) вспомогательный резистор, выход второго (36) дополнительного операционного усилителя является выходом дополнительного входного сумматора (32), неинвертирующие входы первого (35) и второго (36) дополнительных операционных усилителей согласованы с общей шиной источника питания (14).

3. Режекторный фильтр четвертого порядка по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный входной сумматор (32) выполнен на основе дополнительного мультидифференциального операционного усилителя (42), содержащего первый и второй входные порты, причём неинвертирующий (43) вход первого порта дополнительного мультидифференциального операционного усилителя (42) подключен к первому (33) входу дополнительного входного сумматора (32), инвертирующий (44) вход первого порта дополнительного мультидифференциального операционного усилителя (42) подключен ко второму (34) входу дополнительного входного сумматора (32), неинвертирующий (45) вход второго порта дополнительного мультидифференциального операционного усилителя (42) согласован с общей шиной источника питания (14), инвертирующий (46) вход второго порта дополнительного мультидифференциального операционного усилителя (42) соединён с его выходом и является выходом дополнительного входного сумматора (32).