ФИЛЬТР НИЗКИХ ЧАСТОТ НА ОСНОВЕ МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ Российский патент 2023 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.

Активные RC-фильтры (ARCФ) низких частот (ФНЧ) 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 1000 научных статей и патентов в разных странах мира, в том числе [1-9].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является фильтр низких частот, описанный в патенте RU 2784375, fig. 2, 2022 г. Он содержит (фиг. 1) основной 1 вход и выход 2 устройства, первый 3 усилитель напряжения, низкоомный выход которого подключен к выходу 2 устройства, первый 4 и второй 5 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом устройства 2 и общей шиной источников питания 6, третий 7 и четвертый 8 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом устройства 2 и общей шиной источников питания 6, второй 9 усилитель напряжения, первый 10 повторитель напряжения, вход которого соединен с общим узлом первого 4 и второго 5 последовательно соединенных резисторов, а выход связан со входом первого 3 усилителя напряжения через первый 11 частотозадающий конденсатор, первый 12 частотозадающий резистор, общий узел третьего 7 и четвертого 8 последовательно соединенных резисторов связан со входом второго 13 повторителя напряжения, выход которого соединен с первым выводом второго 14 частотозадающего конденсатора, второй 15 частотозадающий резистор.

Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что в нем не реализуется независимая настройка коэффициента передачи от других параметров – частоты полюса и добротности полюса.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании фильтра низких частот, в котором предусмотрена независимая настройка разными резисторами коэффициента передачи ФНЧ, частоты полюса и добротности полюса ФНЧ. При этом в схеме обеспечивается низкая чувствительность коэффициента передачи на низкой частоте к различным дестабилизирующим факторам – допускам на параметры элементов схемы и изменению их характеристик от температуры или радиации.

Поставленная задача достигается тем, что в фильтре низких частот фиг. 1, содержащем основной 1 вход и выход 2 устройства, первый 3 усилитель напряжения, низкоомный выход которого подключен к выходу 2 устройства, первый 4 и второй 5 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом устройства 2 и общей шиной источников питания 6, третий 7 и четвертый 8 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом устройства 2 и общей шиной источников питания 6, второй 9 усилитель напряжения, первый 10 повторитель напряжения, вход которого соединен с общим узлом первого 4 и второго 5 последовательно соединенных резисторов, а выход связан со входом первого 3 усилителя напряжения через первый 11 частотозадающий конденсатор, первый 12 частотозадающий резистор, общий узел третьего 7 и четвертого 8 последовательно соединенных резисторов связан со входом второго 13 повторителя напряжения, выход которого соединен с первым выводом второго 14 частотозадающего конденсатора, второй 15 частотозадающий резистор, предусмотрены новые элементы и связи – выход второго 9 усилителя напряжения соединен с выходом второго 13 повторителя напряжения через последовательно соединенные первый 12 частотозадающий резистор и второй 14 частотозадающий конденсатор, в качестве первого 3 усилителя напряжения используется инвертирующий операционный усилитель, инвертирующий вход которого связан с выходом первого 10 повторителя напряжения через первый 11 частотозадающий конденсатор и соединен с общим узлом последовательно соединенных первого 12 частотозадающего резистора и второго 14 частотозадающего конденсатора через второй 15 частотозадающий резистор, причем в качестве второго 9 усилителя напряжения используется мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, имеющими соответственно инвертирующий 16 вход первого порта, неинвертирующий 17 вход первого порта, инвертирующий 18 вход второго порта, неинвертирующий 19 вход второго порта, выход мультидифференциального операционного усилителя 9 связан с инвертирующим входом 16 первого порта, неинвертирующий 17 вход первого порта соединен с выходом устройства 2 через первый 20 дополнительный резистор и подключен к основному 1 входу устройства через второй 21 дополнительный резистор, инвертирующий 18 вход второго порта соединен с первым 22 дополнительным входом устройства, а неинвертирующий 19 вход второго порта подключен ко второму 23 дополнительному входу устройства.

На чертеже фиг. 1 показана схема ФНЧ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого фильтра низких частот на основе мультидифференциального операционного усилителя в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг. 3 приведена схема ФНЧ фиг. 2 в среде моделирования Micro-Cap.

На чертеже фиг. 4 приведены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 в районе частоты полюса при изменении сопротивления резистора R4 в диапазоне 2,5-10 кОм с целью настройки коэффициента передачи по основному 1 входу.

На чертеже фиг. 5 представлены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 в более широком диапазоне частот при изменении сопротивления резистора R4 в диапазоне 2,5-10 кОм с целью настройки коэффициента передачи по основному 1 входу.

На чертеже фиг. 6 приведены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 в районе частоты полюса при изменении сопротивления резистора R4 в диапазоне 0-5 кОм с целью настройки коэффициента передачи по первому 22 и второму 23 дополнительным входам.

На чертеже фиг. 7 представлены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 в более широком диапазоне частот при изменении сопротивления резистора R4 в диапазоне 0-5 кОм по первому 22 и второму 23 дополнительным входам.

На чертеже фиг. 8 представлены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 в районе частоты полюса при изменении сопротивления резистора R5 в диапазоне 0-5 кОм с целью настройки частоты полюса.

На чертеже фиг. 9 показаны амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 в более широком диапазоне частот при изменении сопротивления резистора R5 в диапазоне 0-5 кОм с целью настройки частоты полюса.

На чертеже фиг. 10 приведены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 при изменении сопротивления резистора R8 в диапазоне 0,2-1 кОм с целью настройки затухания полюса.

На чертеже фиг. 11 показаны амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 в широком диапазоне частот при изменении сопротивления резистора R8 в диапазоне 0,2-1 кОм с целью настройки затухания полюса.

Следует отметить, что графики фазо-частотных характеристик на фиг.4-11 для инвертирующих вариантов предлагаемого фильтра низких частот показаны без дополнительного фазового сдвига (-180⁰).

Из анализа графиков на чертежах фиг. 4 - фиг. 11 следует, что в предлагаемом фильтре низких частот возможна независимая регулировка и настройка основных параметров разными резисторами. При этом рекомендуется следующая последовательность действий:

1. Настраивается коэффициент передачи изменением резисторов R3 и R4.

2. Настраивается частота полюса путем изменения сопротивлений резисторов R5 и/или R6.

3. Необходимое затухание полюса устанавливается путем изменения сопротивлений резисторов R7 и/или R8.

Графики на чертежах фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7 показывают, что коэффициент передачи в рассматриваемой схеме может изменяться в широких пределах. При этом чувствительность коэффициента передачи к изменению параметров других элементов схемы остаётся экстремально низкой и равной нулю.

За счет использования первого 22 дополнительного входа в схеме фиг. 2 реализуется инвертирующий коэффициент передачи.

Если используется второй 23 дополнительный вход, то сигнал в схеме фиг. 3 не инвертируется.

Таким образом, за счет использования разных входов в схеме фиг. 2 реализуется широкий спектр коэффициентов передачи.

Фильтр низких частот на основе мультидифференциального операционного усилителя фиг. 2 содержит основной 1 вход и выход 2 устройства, первый 3 усилитель напряжения, низкоомный выход которого подключен к выходу 2 устройства, первый 4 и второй 5 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом устройства 2 и общей шиной источников питания 6, третий 7 и четвертый 8 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом устройства 2 и общей шиной источников питания 6, второй 9 усилитель напряжения, первый 10 повторитель напряжения, вход которого соединен с общим узлом первого 4 и второго 5 последовательно соединенных резисторов, а выход связан со входом первого 3 усилителя напряжения через первый 11 частотозадающий конденсатор, первый 12 частотозадающий резистор, общий узел третьего 7 и четвертого 8 последовательно соединенных резисторов связан со входом второго 13 повторителя напряжения, выход которого соединен с первым выводом второго 14 частотозадающего конденсатора, второй 15 частотозадающий резистор. Выход второго 9 усилителя напряжения соединен с выходом второго 13 повторителя напряжения через последовательно соединенные первый 12 частотозадающий резистор и второй 14 частотозадающий конденсатор, в качестве первого 3 усилителя напряжения используется инвертирующий операционный усилитель, инвертирующий вход которого связан с выходом первого 10 повторителя напряжения через первый 11 частотозадающий конденсатор и соединен с общим узлом последовательно соединенных первого 12 частотозадающего резистора и второго 14 частотозадающего конденсатора через второй 15 частотозадающий резистор, причем в качестве второго 9 усилителя напряжения используется мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, имеющими соответственно инвертирующий 16 вход первого порта, неинвертирующий 17 вход первого порта, инвертирующий 18 вход второго порта, неинвертирующий 19 вход второго порта, выход мультидифференциального операционного усилителя 9 связан с инвертирующим входом 16 первого порта, неинвертирующий 17 вход первого порта соединен с выходом устройства 2 через первый 20 дополнительный резистор и подключен к основному 1 входу устройства через второй 21 дополнительный резистор, инвертирующий 18 вход второго порта соединен с первым 22 дополнительным входом устройства, а неинвертирующий 19 вход второго порта подключен ко второму 23 дополнительному входу устройства.

Рассмотрим работу предлагаемого ФНЧ фиг. 2 с обозначениями элементов в среде Micro-Cap на чертеже фиг. 3.

В результате математического анализа схемы фиг. 2 (фиг. 3) при , можно показать, что коэффициент передачи ФНЧ на нулевой частоте:

- с основного 1 входа на выход 2

(1)

- с первого 22 дополнительного входа на выход 2

(2)

- со второго 23 дополнительного входа на выход 2

(3)

В частном случае для получения М=1 или М=-1, из уравнений (2) и (3) можно установить, что при использовании первого 22 или второго 23 дополнительных выходов сопротивление резистора R4 может быть выбрано равным нулю (или R3=∞).

Коэффициент передачи ФНЧ на частоте полюса:

- с основного 1 входа

(4)

- с первого 22 дополнительного входа на выход 2

(5)

- со второго 23 дополнительного входа на выход 2

(6)

Причем для всех входов (1, 22, 23)

- частота полюса

(7)

- затухание полюса

(8)

Представленные выше математические выражения (1)-(8) позволяют сделать следующие выводы о преимуществах заявляемого ФНЧ в сравнении с ФНЧ-прототипом.

1. В соответствии с формулами (1)-(3) с помощью резисторов R3 и/или R4 настраивается коэффициент передачи на низкой частоте. Далее эти резисторы фиксируются и не используются для настройки других параметров схемы.

2. В соответствии с формулой (7) с помощью резисторов R5 и/или R6 настраивается частота полюса. Далее эти резисторы фиксируются и не используются для настройки затухания полюса.

3. В соответствии с формулой (8) с помощью резисторов R7 и R8 настраивается затухание полюса.

Благодаря тому, что коэффициенты передач на низкой частоте (1)-(3) определяются отношением двух резисторов R3 и R4 и не зависят от параметров других элементов, в схеме ФНЧ фиг. 2 достигается их высокая стабильность при различных дестабилизирующих факторах.

Следует также отметить, что путем выбора численного значения отношения резисторов R3 и R4 с основного 1 входа, согласно формуле (1), в схеме ФНЧ коэффициент передачи может быть реализован как больше, так и меньше единицы, а в соответствии с формулами (2) и (3) с первого 22 и второго 23 дополнительных входов коэффициенты передач могут быть установлены от единицы до необходимой величины, причем первый 22 дополнительный вход схемы ФНЧ является неинвертирующим, а второй 23 дополнительный вход – инвертирующим.

Дополнительно следует отметить, что при выборе сопротивления резистора R4 равным нулю, численные значения коэффициентов передач (2) и (3) на низкой частоте с первого 22 и второго 23 дополнительных входов на выход схемы получаются равными единице и не зависят от параметров других элементов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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

2. Патент EP 0241383 fig. 1, fig. 2, 1987 г.

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

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

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

Патент CN 102217204 fig. 6, 2009 г.

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

7. Патент US 10.243.519, fig. 1, 2019 г.

8. Патент US 9.716.477, fig. 1, 2017 г.

9. Moschytz, George S. Analog Circuit Theory and Filter Design in the Digital World: With an Introduction to the Morphological Method for Creative Solutions and Design. Springer, 2019, 551 p. doi: 10.1007/978-3-030-00096-7 Slide 7.24 (стр. 163), Slide 8.8 (стр. 172), Slide 8.17 (стр. 177), Slide 8.34 (стр. 186).

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве устройства выделения заданного спектра сигнала. Технический результат: обеспечение в фильтре низких частот независимой настройки разными резисторами коэффициента передачи, а также частоты и добротности полюса фильтра низких частот. Заявленный результат достигается тем, что в фильтре низких частот выход второго усилителя напряжения соединен с выходом второго повторителя напряжения через последовательно соединенные частотозадающие первый резистор и второй конденсатор, в качестве первого усилителя напряжения используется инвертирующий операционный усилитель, инвертирующий вход которого связан с выходом первого повторителя напряжения через первый частотозадающий конденсатор и соединен с общим узлом последовательно соединенных частотозадающих первого резистора и второго конденсатора через второй частотозадающий резистор, причем в качестве второго усилителя напряжения используется мультидифференциальный операционный усилитель, выход которого связан с инвертирующим входом его первого порта, неинвертирующий вход первого порта соединен с выходом устройства через первый дополнительный резистор и подключен к основному входу устройства через второй дополнительный резистор, а второй порт соединен с дополнительными входами устройства. 11 ил.

Фильтр низких частот на основе мультидифференциального операционного усилителя, содержащий основной (1) вход и выход (2) устройства, первый (3) усилитель напряжения, низкоомный выход которого подключен к выходу (2) устройства, первый (4) и второй (5) последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом устройства (2) и общей шиной источников питания (6), третий (7) и четвертый (8) последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом устройства (2) и общей шиной источников питания (6), второй (9) усилитель напряжения, первый (10) повторитель напряжения, вход которого соединен с общим узлом первого (4) и второго (5) последовательно соединенных резисторов, а выход связан со входом первого (3) усилителя напряжения через первый (11) частотозадающий конденсатор, первый (12) частотозадающий резистор, общий узел третьего (7) и четвертого (8) последовательно соединенных резисторов связан со входом второго (13) повторителя напряжения, выход которого соединен с первым выводом второго (14) частотозадающего конденсатора, второй (15) частотозадающий резистор, отличающийся тем, что выход второго (9) усилителя напряжения соединен с выходом второго (13) повторителя напряжения через последовательно соединенные первый (12) частотозадающий резистор и второй (14) частотозадающий конденсатор, в качестве первого (3) усилителя напряжения используется инвертирующий операционный усилитель, инвертирующий вход которого связан с выходом первого (10) повторителя напряжения через первый (11) частотозадающий конденсатор и соединен с общим узлом последовательно соединенных первого (12) частотозадающего резистора и второго (14) частотозадающего конденсатора через второй (15) частотозадающий резистор, причем в качестве второго (9) усилителя напряжения используется мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, имеющими соответственно инвертирующий (16) вход первого порта, неинвертирующий (17) вход первого порта, инвертирующий (18) вход второго порта, неинвертирующий (19) вход второго порта, выход мультидифференциального операционного усилителя (9) связан с инвертирующим входом (16) первого порта, неинвертирующий (17) вход первого порта соединен с выходом устройства (2) через первый (20) дополнительный резистор и подключен к основному (1) входу устройства через второй (21) дополнительный резистор, инвертирующий (18) вход второго порта соединен с первым (22) дополнительным входом устройства, а неинвертирующий (19) вход второго порта подключен ко второму (23) дополнительному входу устройства.