РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР КЛАССА САЛЛЕН-КИ Российский патент 2022 года по МПК H03H11/12 

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться для подавления нежелательных помех при обработке сигналов датчиков в системах автоматики и измерительной техники.

В настоящее время активные режекторные ARC фильтры (РФ) класса Саллен-Ки (Sallen-Key) [1-8] находят широкое применение в устройствах частотной селекции различного назначения, например, для решения задач подавления сетевых помех (50 Гц, 60 Гц, 400 Гц и т.п.). В их основу положены классические решения Саллен-Ки на нескольких операционных усилителях [9].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является классический режекторный фильтр, представленный в статье [Bruce Carter «Filter Design in Thirty Seconds», SLOA093, Application Report, Texas Instruments, 2001, 14 p. (fig. 17, fig. 18, https://www.vyssotski.ch/BasicsOfInstrumentation/FilterDesignIn30Seconds.pdf)]. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие конденсаторы, первый 5, второй 6, третий 7 и четвертый 8 частотозадающие резисторы, первый 9 и второй 10 повторители напряжения.

Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что в нем не реализуется независимая цифровая настройка основных параметров (частоты полюса и добротности полюса) – при настройке одного параметра РФ изменяется другой. Как следствие, это требует итерационных процедур настройки, что ограничивает использование данной схемы РФ. Кроме этого, для построения РФ-прототипа требуется активный сумматор (на операционном усилителе) двух выходных сигналов, формируемых на выходах фильтра низких и фильтра высоких частот. Схемы РФ на повторителях напряжения, не содержащих выходного сумматора на операционных усилителях, в настоящее время отсутствуют.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании режекторного фильтра семейства Саллен-Ки только на неинвертирующих повторителях напряжения (например, на ВЧ или СВЧ эмиттерных или истоковых SiGe повторителях), в котором предусмотрена возможность независимой настройки частоты полюса и добротности полюса разными резисторами.

Поставленная задача достигается тем, что в режекторном фильтре фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие конденсаторы, первый 5, второй 6, третий 7 и четвертый 8 частотозадающие резисторы, первый 9 и второй 10 повторители напряжения, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены дополнительный повторитель напряжения 11 и дополнительный резистор 12, выход первого 9 повторителя напряжения соединен с выходом 2 устройства и подключен к общей шине источников питания через последовательно соединенные дополнительный резистор 12 и четвертый 8 частотозадающий резистор, общий узел которых подключен ко входу второго 10 повторителя напряжения, выход второго 10 повторителя напряжения связан со входом дополнительного повторителя напряжения 11 через последовательно соединенные третий 7 и второй 6 частотозадающие резисторы, общий узел которых связан с выходом дополнительного повторителя напряжения 11 через второй 4 частотозадающий конденсатор, а вход дополнительного повторителя напряжения 11 соединен со входом первого 9 повторителя напряжения через первый 3 частотозадающий конденсатор.

На фиг. 1 представлен режекторный фильтр-прототип класса Sallen-Key.

На фиг. 2 приведена схема заявляемого режекторного фильтра в соответствии с формулой изобретения.

На фиг. 3 показана схема РФ фиг. 2 в среде моделирования Micro-Cap.

На фиг. 4 представлены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики РФ фиг. 3.

Основная особенность предлагаемого активного режекторного RC-фильтра состоит в том, что он реализован только на неинвертирующих, в т.ч. истоковых SiGe повторителях напряжения, которые могут работать в диапазоне сверхвысоких частот. Подобные схемотехнические решения отсутствуют.

Режекторный фильтр класса Саллен-Ки фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие конденсаторы, первый 5, второй 6, третий 7 и четвертый 8 частотозадающие резисторы, первый 9 и второй 10 повторители напряжения. В схему введены дополнительный повторитель напряжения 11 и дополнительный резистор 12, выход первого 9 повторителя напряжения соединен с выходом 2 устройства и подключен к общей шине источников питания через последовательно соединенные дополнительный резистор 12 и четвертый 8 частотозадающий резистор, общий узел которых подключен ко входу второго 10 повторителя напряжения, выход второго 10 повторителя напряжения связан со входом дополнительного повторителя напряжения 11 через последовательно соединенные третий 7 и второй 6 частотозадающие резисторы, общий узел которых связан с выходом дополнительного повторителя напряжения 11 через второй 4 частотозадающий конденсатор, а вход дополнительного повторителя напряжения 11 соединен со входом первого 9 повторителя напряжения через первый 3 частотозадающий конденсатор.

Работа схемы фиг. 2 и ее соответствие заявляемым свойствам подтверждается результатами компьютерного моделирования в среде MicroCap, представленными на чертеже фиг. 4.

Как следует из чертежей фиг. 3 и фиг. 4, за счет изменения сопротивления резистора R5 обеспечивается изменение полосы пропускания режекторного фильтра.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенное преимущество в сравнении с прототипом – оно реализуется только на неинвертирующих повторителях напряжения, которые для диапазона высоких и сверхвысоких частот могут выполняться как SiGe (GaAs, GaN и др.) широкополосные истоковые или эмиттерные повторители.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Gasca Sienes A. Didactic and Interactive Material as a Complement to the Filter Theory : дис. – Universitat Politècnica de Catalunya, 2021. (p. 62, Figure 5-39, URI: http://hdl.handle.net/2117/338200).

2. Gasca Sienes A. Didactic and Interactive Material as a Complement to the Filter Theory : дис. – Universitat Politècnica de Catalunya, 2021. (p. 63, Figure 5-40, URI: http://hdl.handle.net/2117/338200).

3. Gasca Sienes A. Didactic and Interactive Material as a Complement to the Filter Theory : дис. – Universitat Politècnica de Catalunya, 2021. (p. 64, Figure 415-41, URI: http://hdl.handle.net/2117/338200).

4. Gasca Sienes A. Didactic and Interactive Material as a Complement to the Filter Theory : дис. – Universitat Politècnica de Catalunya, 2021. (p. 64, Figure 42, URI: http://hdl.handle.net/2117/338200).

5. Gasca Sienes A. Didactic and Interactive Material as a Complement to the Filter Theory : дис. – Universitat Politècnica de Catalunya, 2021. (p. 65, Figure 42, URI: http://hdl.handle.net/2117/338200).

6. Gasca Sienes A. Didactic and Interactive Material as a Complement to the Filter Theory : дис. – Universitat Politècnica de Catalunya, 2021. (p. 66, Figure 44, URI: http://hdl.handle.net/2117/338200).

7. Shokrolahi S. M., Karimiziarani M. A deep network solution for intelligent fault detection in analog circuit //Analog Integrated Circuits and Signal Processing. – 2021. – Т. 107. – №. 3. – P. 597-604, Fig. 5.

8. Bruce Carter «Filter Design in Thirty Seconds», SLOA093, Application Report, Texas Instruments, 2001, 14 p. (fig. 17, URI: https://www.vyssotski.ch/BasicsOfInstrumentation/FilterDesignIn30Seconds.pdf).

9. Bainter Notch Filters by Hank Zumbahlen, Analog Devices Inc. Mini Tutorial MT-203. URL: https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-203.pdf.

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться для подавления нежелательных помех при обработке сигналов датчиков в системах автоматики и измерительной техники. Технический результат: создание условий, при которых реализуется режекторный фильтр семейства Саллен-Ки, с возможностью независимой настройки частоты полюса и добротности полюса разными резисторами исключительно на неинвертирующих повторителях напряжения. Режекторный фильтр класса Саллен-Ки содержит вход (1) и выход (2) устройства, первый (3) и второй (4) частотозадающие конденсаторы, первый (5), второй (6), третий (7) и четвертый 8 частотозадающие резисторы, первый (9) и второй (10) повторители напряжения. В схему введены дополнительный повторитель напряжения (11) и дополнительный резистор (12), выход первого 9 повторителя напряжения соединен с выходом (2) устройства и подключен к общей шине источников питания через последовательно соединенные дополнительный резистор (12) и четвертый (8) частотозадающий резистор, общий узел которых подключен ко входу второго (10) повторителя напряжения, выход второго (10) повторителя напряжения связан со входом дополнительного повторителя напряжения (11) через последовательно соединенные третий (7) и второй (6) частотозадающие резисторы, общий узел которых связан с выходом дополнительного повторителя напряжения (11) через второй (4) частотозадающий конденсатор, а вход дополнительного повторителя напряжения (11) соединен со входом первого (9) повторителя напряжения через первый (3) частотозадающий конденсатор. 4 ил.

Режекторный фильтр класса Саллен-Ки, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, первый (3) и второй (4) частотозадающие конденсаторы, первый (5), второй (6), третий (7) и четвертый (8) частотозадающие резисторы, первый (9) и второй (10) повторители напряжения, отличающийся тем, что в схему введены дополнительный повторитель напряжения (11) и дополнительный резистор (12), выход первого (9) повторителя напряжения соединен с выходом (2) устройства и подключен к общей шине источников питания через последовательно соединенные дополнительный резистор (12) и четвертый (8) частотозадающий резистор, общий узел которых подключен ко входу второго (10) повторителя напряжения, выход второго (10) повторителя напряжения связан со входом дополнительного повторителя напряжения (11) через последовательно соединенные третий (7) и второй (6) частотозадающие резисторы, общий узел которых связан с выходом дополнительного повторителя напряжения (11) через второй (4) частотозадающий конденсатор, а вход дополнительного повторителя напряжения (11) соединен со входом первого (9) повторителя напряжения через первый (3) частотозадающий конденсатор.