ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР СЕМЕЙСТВА САЛЛЕНА-КИ Российский патент 2022 года по МПК H03H11/12 

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

Полосовые АRC-фильтры (ПФ) семейства Саллена-Ки (Sallen-Key), благодаря простоте, относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств фильтрации [1-9], определяющих качественные показатели многих радиотехнических и измерительных систем. Практическому применению ARCФ данного класса посвящено более 100 научных статей и патентов в разных странах мира.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ПФ, представленный в патенте CN 103018660, fig. 3, 2015 г. Кроме этого, данная схема ПФ присутствует в патенте US 3.805.178, fig. 3, а также в статьях [3-9]. ПФ-прототип содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, дифференциальный операционный усилитель 3, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, а также первый 6, второй 7 и третий 8, четвертый 9 и пятый 10 резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через пятый 10 резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через четвертый 9 резистор, выход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные второй 7 резистор и первый 4 частотозадающий конденсатор, общий узел которых соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через второй 5 частотозадающий конденсатор.

Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что в нем не реализуется независимая настройка основных параметров (частоты полюса и добротности полюса) – при настройке одного параметра ПФ изменяется другой. Как следствие, это требует итерационных процедур настройки, что ограничивает использование данной схемы ПФ.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании полосового фильтра семейства Саллена-Ки, в котором предусмотрена возможность независимой настройки разными резисторами частоты полюса и добротности полюса.

Поставленная задача достигается тем, что в полосовом фильтре фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, дифференциальный операционный усилитель 3, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, а также первый 6, второй 7 и третий 8, четвертый 9 и пятый 10 резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через пятый 10 резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через четвертый 9 резистор, выход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные второй 7 резистор и первый 4 частотозадающий конденсатор, общий узел которых соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через второй 5 частотозадающий конденсатор, предусмотрены новые элементы и связи – неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан со входом дополнительного буферного усилителя 11, выход которого подключен к выходу 2 устройства и связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый 12 и второй 13 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через третий 8 резистор.

На фиг. 1 показана схема ПФ-прототипа, а на фиг. 2 – схема заявляемого полосового фильтра в соответствии с формулой изобретения.

На фиг. 3 приведена схема ПФ фиг. 2 в среде моделирования Micro-Cap. В случае применения ПФ для диапазона более высоких частот численные значения параметров его пассивных элементов могут иметь другие значения.

На фиг. 4 представлена амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ПФ фиг. 3 с настройкой частоты полюса W резистором R3.

На фиг. 5 показана амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ПФ фиг. 3 с настройкой добротности Q резистором R5.

Полосовой фильтр семейства Саллена-Ки фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, дифференциальный операционный усилитель 3, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, а также первый 6, второй 7 и третий 8, четвертый 9 и пятый 10 резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через пятый 10 резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через четвертый 9 резистор, выход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные второй 7 резистор и первый 4 частотозадающий конденсатор, общий узел которых соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через второй 5 частотозадающий конденсатор. Неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан со входом дополнительного буферного усилителя 11, выход которого подключен к выходу 2 устройства и связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый 12 и второй 13 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через третий 8 резистор.

Рассмотрим характеристики схемы ПФ фиг. 2, представленные на чертежах фиг. 4 и фиг. 5.

Из фиг. 4 следует, что за счет изменения резистора R3 в схеме фиг. 3 изменяется частота полюса W, причем с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса в фильтре уменьшается. В схеме также возможна регулировка частоты полюса путем изменения сопротивления резистора R4. При этом с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса будет увеличиваться. Следует отметить, что частота полюса на графике фазо-частотной характеристики – это частота, на которой фазовый угол равен -180°.

Если в схеме фиг. 3 изменять сопротивление резистора R5, то будет изменяться добротность полюса Q, а частота полюса остается неизменной, причем увеличение сопротивления резистора R5 приводит к уменьшению Q. Аналогичным образом в схеме можно изменять Q за счет изменения сопротивления резистора R6, причем его увеличение будет приводить к увеличению Q. Следует отметить, что величина Q в схеме фиг. 3 определяется крутизной фазо-частотной характеристики, причем чем она выше, тем больше Q, а также частотами, на которых фазовый угол равен -135° и -225°.

Работа заявляемого полосового фильтра в тяжелых условиях эксплуатации (проникающая радиация, низкие или высокие температуры) определяется стабильностью пассивных элементов его схемы (R, C), а также используемых операционного (3) и буферного (11) усилителей, которые рекомендуется выполнять на JFET Si, GaN, GaAs, SiC, КНИ, SiGe25VR и других технологических процессах.

В тех случаях, когда нагрузка заявляемого устройства, подключаемая к его выходу 2 – низкоомная, предлагаемый фильтр имеет еще одно важное преимущество – его выходной буферный усилитель 11 может проектироваться как повторитель напряжения на мощных выходных транзисторах, а в качестве применяемого ОУ (3) могут использоваться более маломощные и широкополосные микросхемы. Такое разделение функций и требований к параметрам между ОУ (3) и БУ (11) является еще одним достоинством заявляемой схемы ПФ, которая позволяет в зависимости от решаемой задачи получить более высокие обобщенные показатели качества.

Предлагаемая схема ПФ допускает цифровую подстройку основных параметров. Для этого необходимо применять микросхемы цифровых потенциометров или использовать вместо управляемых резисторов схемы ПФ фиг. 2 их цифровую КМОП-коммутацию.

Таким образом, заявляемый ПФ семейства Sallen-Key характеризуется независимой подстройкой основных параметров, что является его существенным преимуществом в сравнении с прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент СN 103018660 fig. 3, 2015 г.

2. Патент US 3805178 fig. 3, 1974 г.

3. Rathnapriya S., Manikandan V. Remaining Useful Life Prediction of Analog Circuit Using Improved Unscented Particle Filter //Journal of Electronic Testing. – 2020. – Т. 36. – №. 2. – С. 169-181, fig.1.

4. Parai M. et al. Analog Circuit Fault Detection by Impulse Response-Based Signature Analysis //Circuits, Systems, and Signal Processing. – 2020. – С. 1-16, fig. 5

5. Pandaram K., Rathnapriya S., Manikandan V. Fault Diagnosis of Linear Analog Electronic Circuit Based on Natural Response Specification using K-NN Algorithm //Journal of Electronic Testing. – 2021. – С. 1-14, fig. 1.

6. Gasca Sienes A. Didactic and Interactive Material as a Complement to the Filter Theory : дис. – Universitat Politècnica de Catalunya, 2021, fig.5-36, p.59.

7. Srimani S. et al. A Statistical Approach of Analog Circuit Fault Detection Utilizing Kolmogorov–Smirnov Test Method //Circuits, Systems, and Signal Processing. – 2020. – С. 1-23, fig. 4a.

8. Wenxin Y. Analog circuit fault diagnosis via FOA-LSSVM //Telkomnika. – 2020. – Т. 18. – №. 1. – С. 251-257, fig. 1, p.259.

9. Qiu X., Ye Z. Fault Diagnosis of Analog Circuits Based on Wavelet Packet Energy Entropy and DBN //IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – IOP Publishing, 2021. – Т. 632. – №. 4. – С. 042018, fig.4, p. 6.

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве устройства выделения заданного спектра сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций. Технический результат: создание полосового фильтра семейства Саллена-Ки, в котором предусмотрена возможность независимой настройки разными резисторами частоты полюса и добротности полюса. Полосовой фильтр семейства Саллена-Ки содержит вход (1) и выход (2) устройства, дифференциальный операционный усилитель (3), первый (4) и второй (5) частотозадающие конденсаторы, а также первый (6), второй (7) и третий (8), четвертый (9) и пятый (10) резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя (3) связан с общей шиной источников питания через пятый (10) резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя (3) через четвертый (9) резистор, выход дифференциального операционного усилителя (3) связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные второй (7) резистор и первый (4) частотозадающий конденсатор, общий узел которых соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (3) через второй (5) частотозадающий конденсатор. Неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя (3) связан со входом дополнительного буферного усилителя (11), выход которого подключен к выходу (2) устройства и связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый (12) и второй (13) дополнительные резисторы, общий узел которых соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (3) через третий (8) резистор. 5 ил.

Полосовой фильтр семейства Саллена-Ки, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, дифференциальный операционный усилитель (3), первый (4) и второй (5) частотозадающие конденсаторы, а также первый (6), второй (7) и третий (8), четвертый (9) и пятый (10) резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя (3) связан с общей шиной источников питания через пятый (10) резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя (3) через четвертый (9) резистор, выход дифференциального операционного усилителя (3) связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные второй (7) резистор и первый (4) частотозадающий конденсатор, общий узел которых соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (3) через второй (5) частотозадающий конденсатор, отличающийся тем, что неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя (3) связан со входом дополнительного буферного усилителя (11), выход которого подключен к выходу (2) устройства и связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый (12) и второй (13) дополнительные резисторы, общий узел которых соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (3) через третий (8) резистор.