ФИЛЬТР НИЗКИХ ЧАСТОТ 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) вход 1 и выход 2 устройства, выходной усилитель напряжения 3, 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, первый 9 повторитель напряжения, вход которого связан со входом устройства 1 через первый 10 частотозадающий резистор, второй 11 повторитель напряжения, вход которого соединен с общим узлом первого 4 и второго 5 последовательно соединенных резисторов, а выход связан с выходом первого 9 повторителя напряжения через последовательно соединенные первый 12 частотозадающий конденсатор и второй 13 частотозадающий резистор, общий узел третьего 7 и четвертого 8 последовательно соединенных резисторов связан со входом третьего 14 повторителя напряжения, выход которого соединен с первым выводом второго 15 частотозадающего конденсатора.

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 вход 1 и выход 2 устройства, выходной усилитель напряжения 3, 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, первый 9 повторитель напряжения, вход которого связан со входом устройства 1 через первый 10 частотозадающий резистор, второй 11 повторитель напряжения, вход которого соединен с общим узлом первого 4 и второго 5 последовательно соединенных резисторов, а выход связан с выходом первого 9 повторителя напряжения через последовательно соединенные первый 12 частотозадающий конденсатор и второй 13 частотозадающий резистор, общий узел третьего 7 и четвертого 8 последовательно соединенных резисторов связан со входом третьего 14 повторителя напряжения, выход которого соединен с первым выводом второго 15 частотозадающего конденсатора, предусмотрены новые элементы и связи - в качестве выходного усилителя напряжения 3 используется инвертирующий операционный усилитель, общий узел последовательно соединенных первого 12 частотозадающего конденсатора и второго 13 частотозадающего резистора связан с инвертирующим входом выходного усилителя напряжения 3 через первый 16 дополнительный резистор, выход устройства 2 соединен со входом первого 9 повторителя напряжения через второй 17 дополнительный резистор, а второй 15 частотозадающий конденсатор включен между выходом третьего 14 повторителя напряжения и инвертирующим входом выходного усилителя напряжения 3.

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

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

На чертеже фиг. 4 представлены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 в районе частоты полюса при изменении сопротивления резистора R4 в диапазоне 5-20 кОм.

На чертеже фиг. 5 показаны амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 в более широком диапазоне частот при изменении сопротивления резистора R4 в диапазоне 5-20 кОм.

На чертеже фиг. 6 приведены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 в районе частоты полюса при изменении сопротивления резистора R5 в диапазоне 0-18 кОм.

На чертеже фиг. 7 представлены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 в более широком диапазоне частот при изменении сопротивления резистора R5 в диапазоне 0-18 кОм.

На чертеже фиг. 8 показаны амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 в районе частоты полюса при изменении сопротивления резистора R8 в диапазоне 0,25-1 кОм.

На чертеже фиг. 9 приведены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 в более широком диапазоне частот при изменении сопротивления резистора R8 в диапазоне 0,25-1 кОм.

Из анализа графиков на чертежах фиг. 4-9 следует, что в предлагаемом фильтре низких частот возможна независимая регулировка и настройка параметров разными резисторами в следующей последовательности: коэффициент передачи - путем изменения сопротивлений резисторов R3 и/или R4, частоты полюса - путем изменения сопротивлений резисторов R5 и/или R6, затухания полюса - путем изменения сопротивлений резисторов R7 и/или R8. Графики на чертежах фиг. 4 и 5 показывают, что коэффициент передачи может быть установлен как меньше, так и больше единицы (меньше или больше 0дБ). При этом чувствительность коэффициента передачи к изменению параметров других элементов схемы остаётся экстремально низкой и равной нулю, т.е. коэффициент передачи ФНЧ зависит только от отношения сопротивлений двух резисторов R3 и R4 (смотрите далее формулу (1)).

Фильтр низких частот фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, выходной усилитель напряжения 3, 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, первый 9 повторитель напряжения, вход которого связан со входом устройства 1 через первый 10 частотозадающий резистор, второй 11 повторитель напряжения, вход которого соединен с общим узлом первого 4 и второго 5 последовательно соединенных резисторов, а выход связан с выходом первого 9 повторителя напряжения через последовательно соединенные первый 12 частотозадающий конденсатор и второй 13 частотозадающий резистор, общий узел третьего 7 и четвертого 8 последовательно соединенных резисторов связан со входом третьего 14 повторителя напряжения, выход которого соединен с первым выводом второго 15 частотозадающего конденсатора. В качестве выходного усилителя напряжения 3 используется инвертирующий операционный усилитель, общий узел последовательно соединенных первого 12 частотозадающего конденсатора и второго 13 частотозадающего резистора связан с инвертирующим входом выходного усилителя напряжения 3 через первый 16 дополнительный резистор, выход устройства 2 соединен со входом первого 9 повторителя напряжения через второй 17 дополнительный резистор, а второй 15 частотозадающий конденсатор включен между выходом третьего 14 повторителя напряжения и инвертирующим входом выходного усилителя напряжения 3.

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

- коэффициент передачи ФНЧ на частоте полюса

- частота полюса

- затухание полюса

Представленные выше математические выражения (1)-(4) позволяют сделать следующие выводы о преимуществах заявляемого ФНЧ в сравнении с ФНЧ-прототипом.

Анализ приведенных формул (1)-(4) показывает, что независимая настройка параметров схемы может быть выполнена в следующей последовательности:

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

2. В соответствии с формулой (3) с помощью резисторов R5 и R6 настраивается частота полюса. Далее эти резисторы не используются для настройки затухания полюса.

3. В соответствии с формулой (4) с помощью резисторов R7 и R8 настраивается затухание полюса.

Благодаря тому, что коэффициент передачи на низкой частоте (1) определяется отношением двух резисторов и не зависит от параметров других элементов схемы, достигается его высокая стабильность при различных дестабилизирующих факторах.

Следует также отметить, что путем выбора численного значения отношения резисторов R3 и R4 согласно формуле (1) в схеме ФНЧ коэффициент передачи может быть реализован как больше, так и меньше единицы.

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, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций. Техническим результатом изобретения является возможность независимой настройки разными резисторами коэффициента передачи фильтра низких частот (ФНЧ), частоты полюса и добротности полюса ФНЧ и обеспечение в схеме низкой чувствительности коэффициента передачи на низкой частоте к различным дестабилизирующим факторам - допускам на параметры элементов схемы и изменению их характеристик от температуры или радиации. Фильтр низких частот в качестве выходного усилителя напряжения (3) содержит инвертирующий операционный усилитель. Общий узел последовательно соединенных первого (12) частотозадающего конденсатора и второго (13) частотозадающего резистора связан с инвертирующим входом выходного усилителя напряжения (3) через первый (16) дополнительный резистор. Выход устройства (2) соединен со входом первого (9) повторителя напряжения через второй (17) дополнительный резистор, а второй (15) частотозадающий конденсатор включен между выходом третьего (14) повторителя напряжения и инвертирующим входом выходного усилителя напряжения (3). 9 ил.

Фильтр низких частот, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, выходной усилитель напряжения (3), 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), первый (9) повторитель напряжения, вход которого связан со входом устройства (1) через первый (10) частотозадающий резистор, второй (11) повторитель напряжения, вход которого соединен с общим узлом первого (4) и второго (5) последовательно соединенных резисторов, а выход связан с выходом первого (9) повторителя напряжения через последовательно соединенные первый (12) частотозадающий конденсатор и второй (13) частотозадающий резистор, общий узел третьего (7) и четвертого (8) последовательно соединенных резисторов связан со входом третьего (14) повторителя напряжения, выход которого соединен с первым выводом второго (15) частотозадающего конденсатора, отличающийся тем, что в качестве выходного усилителя напряжения (3) используется инвертирующий операционный усилитель, общий узел последовательно соединенных первого (12) частотозадающего конденсатора и второго (13) частотозадающего резистора связан с инвертирующим входом выходного усилителя напряжения (3) через первый (16) дополнительный резистор, выход устройства (2) соединен со входом первого (9) повторителя напряжения через второй (17) дополнительный резистор, а второй (15) частотозадающий конденсатор включен между выходом третьего (14) повторителя напряжения и инвертирующим входом выходного усилителя напряжения (3).