АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР КЛАССА САЛЛЕН-КИ С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ ПОЛОСОЙ 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.

Сегодня полосовые АRC-фильтры (ПФ) семейства Саллен-Ки (Sallen-Key) реализуются, как правило, на основе операционных усилителей (ОУ) с резистивным делителем в цепи отрицательной обратной связи и 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.

В сравнении с ПФ Саллен-Ки на ОУ в неинвертирующем включении [1-9], фильтры на повторителях напряжения (ПН) [10] без общей отрицательной обратной связи обладают рядом важных качеств:

- имеют предельно простые схемотехнические решения активного усилительного элемента ПФ, и как следствие, меньшее энергопотребление;

- могут быть реализованы на однотранзисторных истоковых [11-12] или SiGe эмиттерных [13-15] повторителях напряжения, что позволяет получить предельные значения рабочего диапазона частот, которые не реализуются в схемах на ОУ. Заявляемое устройство относится к данному подклассу семейства полосовых ARCФ Саллен-Ки.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ПФ, представленный в статье Chumakov, V.; Pakhomov, I.; Titov, A.; Butyrlagin, N.; Prokopenko, N. Voltage Followers for the Design of Sallen-Key Active Rc-Filters. Preprints 2021, 2021120339, doi: 10.20944/preprints202112.0339.v). (pp. 2, fig. 1c). ПФ-прототип содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие конденсаторы, первый 5 и второй 6 частотозадающие резисторы, выходной повторитель напряжения 7, выход которого соединен с выходом 2 устройства, а вход подключен к общей шине источника питания через третий 8 резистор.

Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что в нем не реализуется резистивная подстройка полосы пропускания без изменения коэффициента передачи на частоте полюса - при настройке одного параметра ПФ изменяется другой. Как следствие, это требует итерационных процедур настройки, что ограничивает использование данной схемы ПФ - не позволяет применять это схемотехническое решение в адаптивных радиотехнических и измерительных системах.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании полосового фильтра семейства Саллен-Ки на основе классических эмиттерных и истоковых повторителей напряжения без общей отрицательной обратной связи, в котором предусмотрена возможность резистивной подстройки полосы пропускания без изменения частоты полюса и коэффициента передачи.

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

На чертеже фиг. 1 показана схема ПФ-прототипа на основе повторителей напряжения (буферных усилителей), а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого полосового фильтра в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже 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 чертеже фиг. 4 представлена амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ARCФ фиг. 3.

Активный RC-фильтр класса Саллен-Ки с перестраиваемой полосой фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие конденсаторы, первый 5 и второй 6 частотозадающие резисторы, выходной повторитель напряжения 7, выход которого соединен с выходом 2 устройства, а вход подключен к общей шине источника питания через третий 8 резистор. В схему введены первый 9 и второй 10 дополнительные повторители напряжения, вход 1 устройства связан с выходом 2 устройства через последовательно соединенные первый 5 и второй 6 частотозадающие резисторы, общий узел которых соединен со входом первого 9 дополнительного повторителя напряжения, выход первого 9 дополнительного повторителя напряжения связан со входом второго 10 дополнительного повторителя напряжения через последовательно соединенные первый 11 и второй 12 дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к выходу второго 10 дополнительного повторителя напряжения через первый 3 частотозадающий конденсатор, а вход второго 10 дополнительного повторителя напряжения связан со входом выходного повторителя напряжения 7 через второй 4 частотозадающий конденсатор.

Рассмотрим результаты компьютерного моделирования амплитудно-частотной характеристики схемы ПФ фиг. 2 (фиг. 3) в среде Micro-Cap при параметрах элементов, показанных на чертеже фиг. 3.

Из чертежа фиг. 4 следует, что за счет изменения сопротивления резистора R5 в схеме фиг. 3 изменяется полоса ПФ при фиксированной частоте полюса и единичном коэффициенте передачи на частоте полюса. Следует отметить, что частота полюса на графиках фазо-частотной характеристики – это частота, на которой фазовый угол равен 0°.

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 повторителей напряжения (7, 9 и 10), 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 (например 75 Ом), предлагаемый ПФ имеет еще одно важное преимущество – его выходной повторитель напряжения 7 может проектироваться как буферный усилитель на мощных выходных транзисторах, а в качестве повторителей 9 и 10 могут использоваться более маломощные и широкополосные микросхемы. Такое разделение функций и требований к параметрам между повторителями 7, 9 и 10 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 (5, 6) схемы ПФ их цифровую КМОП-коммутацию.

Таким образом, заявляемый ПФ семейства Sallen-Key реализуется на основе классических эмиттерных и истоковых повторителях напряжения и характеризуется резистивной подстройкой полосы пропускания, что является его существенным преимуществом в сравнении с ПФ-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.

10. Chumakov, V.; Pakhomov, I.; Titov, A.; Butyrlagin, N.; Prokopenko, N. Voltage Followers for the Design of Sallen-Key Active Rc-Filters. Preprints 2021, 2021120339, doi: 10.20944/preprints202112.0339.v). (pp. 2, fig. 1c)

11. US 9.124.251, fig. 3, 2015 г.

12. CN 102217204, fig. 6, 2009 г.

13. US 7.835.434, fig. 8, 2010 г.

14. US 9.614.496 fig.2, fig. 4, 2017 г.

15. US 2006/0186951, fig. 2, fig. 3, 2006 г.

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат: создание полосового фильтра семейства Саллен-Ки на основе классических эмиттерных и истоковых повторителей напряжения без общей отрицательной обратной связи, в котором предусмотрена возможность резистивной подстройки полосы пропускания без изменения частоты полюса и коэффициента передачи. Для этого предложен активный RC-фильтр класса Саллен-Ки, который содержит вход (1) и выход (2) устройства, первый (3) и второй (4) частотозадающие конденсаторы, первый (5) и второй (6) частотозадающие резисторы, выходной повторитель напряжения (7), третий (8) резистор. В схему введены первый (9) и второй (10) дополнительные повторители напряжения, первый (11) и второй (12) дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к выходу второго (10) дополнительного повторителя напряжения через первый (3) частотозадающий конденсатор, а вход второго (10) дополнительного повторителя напряжения связан со входом выходного повторителя напряжения (7) через второй (4) частотозадающий конденсатор. 4 ил.

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