АНТИАЛАЙЗИНГОВЫЙ ФИЛЬТР НИЗКИХ ЧАСТОТ СЕМЕЙСТВА SALLEN-KEY С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ ДЛЯ РАБОТЫ С БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИМИ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ Российский патент 2022 года по МПК H03H11/12 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве устройства выделения заданного спектра сигналов, например, для их дальнейшей обработки аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций и в различных частотных диапазонах, в т.ч. для применения в радиоприемных устройствах нового поколения.

Антиалайзинговые АRC-фильтры низких частот (ФНЧ) семейства Саллен-Ки (Sallen-Key), благодаря простоте, относятся к числу достаточно распространенных устройств аналоговой фильтрации [1-49], определяющих качественные показатели многих радиотехнических и измерительных систем. Практическому применению ARCФ данного класса посвящено более 1000 научных статей и патентов в разных странах мира, в т.ч. [1-49]. При этом современная схемотехника ARCФ Sallen-Key развивается в область радиочастот и работу со сверхбыстродействующими АЦП (аналого-цифровыми преобразователями). Крайне актуально создание ARCФ на повторителях напряжения (ПН), реализуемых в виде простейших истоковых [41, 42, 49] или эмиттерных [42] ПН с широким частотным диапазоном. Схемы ПН, выполненные на истоковых повторителях, могут иметь (при прочих равных условиях) расширенный частотный диапазон вплоть до сверхвысоких частот, т.к. в них не используются цепи коррекции для обеспечения устойчивости. Следует также отметить, что для антиалайзинговых ФНЧ, включаемых на входе АЦП с широким диапазоном рабочих частот, существует проблема получения малых уровней систематической составляющей напряжения смещения нуля (U_см), что не реализуется, например, в известных схемах [41, 42, 49] и не позволяет выполнять на их основе преобразование сигналов в диапазоне от нуля герц до единиц мегагерц.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является анлиалайзинговый фильтр низких частот, описанный в патенте WO2010059872, fig. 6, а также в идентичном патенте CN 102217204, fig. 6. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, входной полевой транзистор 3, сток которого согласован с первой 4 шиной источника питания, источник опорного тока 5, включенный между выходом устройства 2 и второй 6 шиной источника питания, причем выход устройства 2 связан с истоком входного полевого транзистора 3, последовательно соединенные первый 7 и второй 8 частотозадающие резисторы, включенные между входом устройства 1 и затвором входного полевого транзистора 3, первый 9 частотозадающий конденсатор, включенный между затвором входного полевого транзистора 3 и общей шиной источников питания, причем выход устройства 2 связан с общим узлом первого 7 и второго 8 последовательно соединенных частотозадающих резисторов через второй 10 частотозадающий конденсатор.

Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что он не обеспечивает малые значения систематической составляющей напряжения смещения нуля, которое определяется напряжением затвор-исток входного полевого транзистора 3 (U_зи=0,5-1,5 В). Это ограничивает области применения данной схемы ФНЧ, не позволяет осуществлять на его основе аналого-цифровое преобразование сигналов в диапазоне от нуля герц до единиц гигагерц.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании антиалайзингового фильтра низких частот семейства Саллен-Ки, в котором минимизировано статическое напряжение на выходе ФНЧ при нулевом напряжении на его входе, то есть напряжение смещения нуля (U_см).

Дополнительная задача состоит в увеличении порядка передаточной функции ФНЧ, а также в создании условий, при которых минимизируется влияние выходного сопротивления истокового повторителя на затухание сигнала вне полосы пропускания ФНЧ.

Решение поставленных задач достигается тем, что в фильтре низких частот фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, входной полевой транзистор 3, сток которого согласован с первой 4 шиной источника питания, источник опорного тока 5, включенный между выходом устройства 2 и второй 6 шиной источника питания, причем выход устройства 2 связан с истоком входного полевого транзистора 3, последовательно соединенные первый 7 и второй 8 частотозадающие резисторы, включенные между входом устройства 1 и затвором входного полевого транзистора 3, первый 9 частотозадающий конденсатор, включенный между затвором входного полевого транзистора 3 и общей шиной источников питания, причем выход устройства 2 связан с общим узлом первого 7 и второго 8 последовательно соединенных частотозадающих резисторов через второй 10 частотозадающий конденсатор, предусмотрены новые элементы и связи – выход устройства 2 связан с истоком входного полевого транзистора 3 через первый 11 дополнительный резистор, а источник опорного тока 5 выполнен на дополнительном транзисторе 12, затвор которого соединен со второй 6 шиной источника питания, а исток связан со второй 6 шиной источника питания через второй 13 дополнительный резистор.

На чертеже фиг. 1 показана схема ФНЧ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого ФНЧ Sallen-Key с малым напряжением смещения нуля для работы с быстродействующими АЦП в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 3 приведена схема ФНЧ Sallen-Key в соответствии с п. 4 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 4 представлена схема ФНЧ Sallen-Key в соответствии с п. 5 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 5 представлена схема ФНЧ Sallen-Key в соответствии с п. 6 формулы изобретения для случая, когда дополнительный повторитель напряжения 15 выполнен на основе истокового повторителя напряжения на вспомогательном полевом транзисторе 17 с управляющим p-n переходом и вспомогательном токостабилизирующем двухполюснике 18.

Предлагаемая схемотехника ФНЧ Sallen-Key ориентирована на работу в широком диапазоне частот (фиг. 6 – фиг. 15), в т.ч. при радиационных и низкотемпературных воздействиях (фиг. 12, фиг. 13). В этой связи для демонстрации потенциальных возможностей ФНЧ моделирование конкретных схем выполнено:

- на основе СВЧ GaAs транзисторов (фиг. 6, фиг.7). Это позволило реализовать ФНЧ с диапазоном рабочих частот от нуля герц до 2 ГГц;

- на среднечастотных JFET транзисторах для получения верхней граничной частоты в диапазоне сотен мегагерц (фиг. 8, фиг.9);

- на среднечастотных JFET транзисторах при выборе частотозадающих элементов ФНЧ, обеспечивающих его работу в диапазоне низких частот (от нуля герц до единиц килогерц - фиг. 10, фиг. 11).

Однако, независимо от диапазонов рабочих частот, внешних воздействий (температура, радиация), а также от применяемых полевых транзисторов и технологии их изготовления все предлагаемые схемы ФНЧ имеют малые значения систематической составляющей напряжения смещения нуля - на уровне десятков нановольт (без учета разброса параметров элементов).

На чертеже фиг. 6 приведен статический режим ФНЧ фиг. 3 в среде LTSpice на СВЧ GaAS полевых транзисторах Минского НИИ радиоматериалов при комнатной температуре (27°С) и резисторах R1=R2=50Ом, R3=R4=1кОм, Rn=1МОм, конденсаторах
C1=C2=1пФ (U_см=450 нВ).

На чертеже фиг. 7 показана амплитудно-частотная характеристика ФНЧ фиг. 6 при комнатной температуре (27°С).

На чертеже фиг. 8 представлен статический режим ФНЧ фиг. 3 в среде LTSpice на JFet транзисторах (ОАО «Интеграл» г. Минск, Беларусь) при комнатной температуре (27°С) и резисторах R1=R2=50Ом, R3=R4=1кОм, Rn=1МОм, конденсаторах C1=C2=1пФ (U_см=-8,53 нВ).

На чертеже фиг. 9 приведена амплитудно-частотная характеристика ФНЧ фиг. 8 при комнатной температуре (27°С).

На чертеже фиг. 10 показан статический режим ФНЧ фиг. 3 в среде LTSpice на JFet транзисторах (ОАО «Интеграл» г. Минск, Беларусь) при комнатной температуре (27°С) и резисторах R1=R2=R3=R4=1кОм, Rn=1МОм, конденсаторах C1=321.31нФ, C2=79.478нФ (U_см=-1,75 нВ).

На чертеже фиг. 11 представлена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ФНЧ фиг. 10 при комнатной температуре (27°С).

На чертеже фиг. 12 приведен статический режим ФНЧ фиг. 3 в среде LTSpice на JFet транзисторах (ОАО «Интеграл» г. Минск, Беларусь) при криогенной температуре (-197°С) и резисторах R1=R2=R3=R4=1кОм, Rn=1МОм, конденсаторах C1=321.31нФ, C2=79.478нФ (U_см=1,27 нВ).

На чертеже фиг. 13 показана амплитудно-частотная характеристика ФНЧ фиг. 12 при криогенной температуре (-197°С) и при воздействии потока нейтронов.

На чертеже фиг. 14 представлен статический режим ФНЧ фиг. 4 в среде LTSpice на CJFet транзисторах (ОАО «Интеграл» г. Минск, Беларусь) при комнатной температуре (27°С), резисторах R1=R2=R3=R4=1кОм, Rn=1МОм, конденсаторах C1=321.31нФ, C2=79.478нФ, при токе токостабилизирующего двухполюсника 18, равном I1=500мкА (U_см=-8 нВ).

На чертеже фиг. 15 приведена амплитудно-частотная характеристика ФНЧ фиг. 14.

Антиалайзинговый фильтр низких частот семейства Sallen-Key с малым напряжением смещения нуля для работы с быстродействующими АЦП (аналого-цифровыми преобразователями) фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, входной полевой транзистор 3, сток которого согласован с первой 4 шиной источника питания, источник опорного тока 5, включенный между выходом устройства 2 и второй 6 шиной источника питания, причем выход устройства 2 связан с истоком входного полевого транзистора 3, последовательно соединенные первый 7 и второй 8 частотозадающие резисторы, включенные между входом устройства 1 и затвором входного полевого транзистора 3, первый 9 частотозадающий конденсатор, включенный между затвором входного полевого транзистора 3 и общей шиной источников питания, причем выход устройства 2 связан с общим узлом первого 7 и второго 8 последовательно соединенных частотозадающих резисторов через второй 10 частотозадающий конденсатор. Выход устройства 2 связан с истоком входного полевого транзистора 3 через первый 11 дополнительный резистор, а источник опорного тока 5 выполнен на дополнительном транзисторе 12, затвор которого соединен со второй 6 шиной источника питания, а исток связан со второй 6 шиной источника питания через второй 13 дополнительный резистор. Резистор 14 (Rн) моделирует свойства нагрузки ФНЧ.

На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, выход устройства 2 связан с общим узлом первого 7 и второго 8 последовательно соединенных частотозадающих резисторов через последовательно включенные дополнительный повторитель напряжения 15 и второй 10 частотозадающий конденсатор, причем дополнительный повторитель напряжения 15 может иметь вспомогательный потенциальный выход 16.

На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, в качестве входного полевого транзистора 3 и дополнительного полевого транзистора 12 используются идентичные CMOS транзисторы со встроенным каналом, а сопротивление первого 11 и второго 13 дополнительных резисторов идентичны.

На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, в качестве входного полевого транзистора 3 и дополнительного полевого транзистора 12 используются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, а сопротивление первого 11 и второго 13 дополнительных резисторов идентичны.

На чертеже фиг. 4, в соответствии с п. 5 формулы изобретения, выход устройства 2 связан с общей шиной источников питания через третий 17 частотозадающий конденсатор.

На чертеже фиг. 5, в соответствии с п. 6 формулы изобретения, дополнительный повторитель напряжения 15 выполнен в виде истокового повторителя напряжения на вспомогательном полевом транзисторе 17 и вспомогательном токостабилизирующем двухполюснике 18.

Рассмотрим работу ФНЧ фиг. 2 с учетом результатов компьютерного моделирования, представленных на чертежах фиг. 6 - фиг. 15.

Схемотехническая реализация ФНЧ в соответствии с п.1 – п.4 формулы изобретения позволяет получить малые значения статической ошибки на выходе ФНЧ при его реализации как на среднечастотных кремниевых (фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10, фиг. 12, фиг.14), так и на арсенид-галлиевых (фиг. 6, фиг.7) СВЧ транзисторах. Во всех этих случаях U_см не превышает десятка нановольт (без учета разброса параметров элементов). В целом это снижает погрешности ФНЧ при его постановке на входе АЦП.

Напряжение смещения нуля ФНЧ фиг. 2 при идеальных первом 9 и втором 10 частотозадающих конденсаторах, а также при U_вх=0, R_н→∝ и нулевом входном токе дополнительного повторителя напряжения 15 определяется уравнением

или

(1),

где U_R11 – напряжение на первом 11 дополнительном резисторе,

I_з.3 – входной ток первого 3 входного полевого транзистора,

I₀ – статический ток источника опорного тока 5.

Причем

(2),

где U_зи.12 – напряжение затвор-исток дополнительного полевого транзистора 12;

R₁₃ – сопротивление второго 13 дополнительного резистора.

Таким образом, напряжение смещения нуля ФНЧ фиг. 2

. (3)

Если CMOS транзисторы со встроенным каналом 3 и 12, а также первый 11 и второй 13 дополнительные резисторы идентичны, то с учетом численных значений тока затвора входного полевого транзистора 3, который измеряется пикоамперами, из уравнения (3) можно найти, что напряжение смещения нуля ФНЧ фиг. 2 близко к нулю.

Аналогичный вывод можно сделать и для схемы фиг. 3, которая реализуется на JFET транзисторах с управляющим p-n переходом.

Диапазон рабочих частот предлагаемого антиалайзингового фильтра определяется численными значениями параметров применяемых частотозадающих резисторов (7, 8) и конденсаторов (9, 10). Применение СВЧ арсенид-галлиевых транзисторов позволяет получить граничные частоты на уровне единиц гигагерц (фиг. 15).

Схема заявляемого ФНЧ, в соответствии с п. 5 формулы изобретения, показанная на чертеже фиг. 4, обеспечивает третий порядок ФНЧ за счет введения дополнительного конденсатора 17. Это повышает ослабление сигнала вне диапазона рабочих частот ФНЧ.

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 5.963.112 fig. 8b, fig. 13, 1999 г.

2. Патент US 7.880.536 fig. 1, 2011 г.

3. Патентная заявка US 2019/0158067 fig. 2, fig. 3, 2019 г.

4. Патент EP 1 294 091 fig. 1, 2001 г.

5. Патент EP 0241383 fig. 2, 1987 г.

6. Патент US 6.967.606 fig. 5, 2005 г.

7. Патент US 7.835.434 fig. 7, 2010 г.

8. Патентная заявка US 2006/0186951 fig. 2, 2006 г.

9. Патент US 7.212.068 fig. 2, 2007 г.

10.Патент US 6.407.627 fig. 1а, 2002

11. Патент US 7.880.536 fig. 1, 2011 г.

12. Патент US 6.854.005 fig. 2, fig. 10, 2005 г.

13. Патент US 8.930.874 fig. 11а, fig. 11b, fig. 12b, fig. 19, 2015 г.

14. Патент US 3.805.178 fig. 1, 1974 г.

15. Патент US 3.891.938 fig. 1, 1975 г.

16. Патент US 6.388.511 fig. 1, fig. 8 2002 г.

17. Патент CN 102217204 fig. 6, 2009 г.

18. Патент US 9.614.496 fig. 1, fig. 2 2017 г.

19. Патент US 8.487.695 fig. 1с, 2013 г.

20. Патентная заявка US 2019/0158067 fig. 3, 2019 г.

21. Патент US 8.803.596 fig. 1с, 2014 г.

22. Патент СN 103777228 fig. 2, 2014 г.

23. Патент СN 102790845 fig. 3, 2012 г.

24. Патент СN 103675891 fig. 2, 2013 г.

25. US 5.963.112 fig. 8b, fig. 13, 1999 г.

26. US 7.880.536 fig. 1, 2011 г.

27. Заявка US 2019/0158067 fig. 2, fig. 3, 2019 г.

28. EP 1 294 091 fig. 1, 2001 г.

29. EP 0241383 fig. 2, 1987 г.

30. US 6.967.606 fig. 5, 2005 г.

31. US 7.835.434 fig. 7, 2010 г.

32. Заявка US 2006/0186951 fig. 2, 2006 г.

33. US 7.212.068 fig. 2, 2007 г.

34. US 6.407.627 fig. 1а, 2002

35. US 7.880.536 fig. 1, 2011 г.

36. US 6.854.005 fig. 2, fig. 10, 2005 г.

37. US 8.930.874 fig. 11а, fig. 11b, fig. 12b, fig. 19, 2015 г.

38. US 3.805.178 fig. 1, 1974 г.

39. US 3.891.938 fig. 1, 1975 г.

40. US 6.388.511 fig. 1, fig. 8 2002 г.

41. CN 102217204 fig. 6, 2009 г.

42. US 9.614.496 fig. 1, fig. 2, 2017 г.

43. US 8.487.695 fig. 1с, 2013 г.

44. Заявка US 2019/0158067 fig. 3, 2019 г.

45. US 8.803.596 fig. 1с, 2014 г.

46. СN 103777228 fig. 2, 2014 г.

47. СN 102790845 fig. 3, 2012 г.

48. СN 103675891 fig. 2, 2013 г.

49. TWI596895, fig. 2, 2017 г.

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат: создание антиалайзингового фильтра низких частот, в котором минимизировано статическое напряжение на выходе ФНЧ при нулевом напряжении на его входе. Для этого предложен фильтр, который содержит вход (1) и выход (2), входной полевой транзистор (3), источник тока (5), причем выход устройства (2) связан с истоком входного полевого транзистора (3), последовательно соединенные первый (7) и второй (8) резисторы, первый (9) конденсатор, причем выход устройства (2) связан с общим узлом первого (7) и второго (8) последовательно соединенных частотозадающих резисторов через второй (10) частотозадающий конденсатор. Выход устройства (2) связан с истоком входного полевого транзистора (3) через первый (11) дополнительный резистор, а источник опорного тока (5) выполнен на дополнительном полевом транзисторе (12), затвор которого соединен со второй (6) шиной источника питания, а исток связан со второй (6) шиной источника питания через второй (13) дополнительный резистор. 5 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Антиалайзинговый фильтр низких частот семейства Sallen-Key с малым напряжением смещения нуля для работы с быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, входной полевой транзистор (3), сток которого согласован с первой (4) шиной источника питания, источник опорного тока (5), включенный между выходом устройства (2) и второй (6) шиной источника питания, причем выход устройства (2) связан с истоком входного полевого транзистора (3), последовательно соединенные первый (7) и второй (8) частотозадающие резисторы, включенные между входом устройства (1) и затвором входного полевого транзистора (3), первый (9) частотозадающий конденсатор, включенный между затвором входного полевого транзистора (3) и общей шиной источников питания, причем выход устройства (2) связан с общим узлом первого (7) и второго (8) последовательно соединенных частотозадающих резисторов через второй (10) частотозадающий конденсатор, отличающийся тем, что выход устройства (2) связан с истоком входного полевого транзистора (3) через первый (11) дополнительный резистор, а источник опорного тока (5) выполнен на дополнительном полевом транзисторе (12), затвор которого соединен со второй (6) шиной источника питания, а исток связан со второй (6) шиной источника питания через второй (13) дополнительный резистор.

2. Антиалайзинговый фильтр низких частот семейства Sallen-Key с малым напряжением смещения нуля для работы с быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями по п.1, отличающийся тем, что выход устройства (2) связан с общим узлом первого (7) и второго (8) последовательно соединенных частотозадающих резисторов через последовательно включенные дополнительный повторитель напряжения (15) и второй (10) частотозадающий конденсатор.

3. Антиалайзинговый фильтр низких частот семейства Sallen-Key с малым напряжением смещения нуля для работы с быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями по п.1, отличающийся тем, что в качестве входного полевого транзистора (3) и дополнительного полевого транзистора (12) используются идентичные CMOS транзисторы со встроенным каналом, а сопротивление первого (11) и второго (13) дополнительных резисторов идентичны.

4. Антиалайзинговый фильтр низких частот семейства Sallen-Key с малым напряжением смещения нуля для работы с быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями по п.1, отличающийся тем, что в качестве входного полевого транзистора (3) и дополнительного полевого транзистора (12) используются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, а сопротивление первого (11) и второго (13) дополнительных резисторов идентичны.

5. Антиалайзинговый фильтр низких частот семейства Sallen-Key с малым напряжением смещения нуля для работы с быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями по п.1, отличающийся тем, что выход устройства (2) связан с общей шиной источников питания через третий (17) частотозадающий конденсатор.

6. Антиалайзинговый фильтр низких частот семейства Sallen-Key с малым напряжением смещения нуля для работы с быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями по п.2, отличающийся тем, что дополнительный повторитель напряжения (15) выполнен в виде истокового повторителя напряжения на вспомогательном полевом транзисторе (17) и вспомогательном токостабилизирующем двухполюснике (18).