Дискретно-аналоговый фильтр низких частот на переключаемых конденсаторах с повышенной добротностью полюса Российский патент 2024 года по МПК H03H19/00 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может использоваться для выделения заданных спектров сигналов, например, при их аналого-цифровых преобразованиях.

Несмотря на то, что цифровая трансформация промышленного производства широко использует методы цифровой обработки аналогового сигнала, они в некоторых случаях избыточны. Как следствие, дискретно-аналоговая обработка, объединяющая основные достоинства аналогово-цифровых методов, весьма перспективна. Так, дискретно-аналоговые фильтры на переключаемых конденсаторах (ДАФ), выпускаемые десятками ведущих микроэлектронных фирм мира, в т.ч. Texas Instruments (США), Maxim (США), CYPRESS (США), Analog Devices (США) и др., дают существенный выигрыш (в сравнении с классическими цифровыми и аналоговыми фильтрами) по габаритам, стоимости, точности, функциональности и являются эффективным средством построения цепей частотной селекции и обработки аналоговых сигналов в науке и технике.

Дискретно-аналоговые фильтры на переключаемых конденсаторах и их практические приложения стали за последние 30 лет объектом интенсивной защиты интеллектуальной собственности практически во всех странах мира [1-86]. Наиболее перспективные решения ДАФ [1-86] запатентованы фирмами США, Японии, Франции, Тайваня, Китая, Германии, Великобритании, Италии и др.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является дискретно-аналоговый фильтр низких частот (фиг. 1), описанный в патенте RU 2801744C1. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, дифференциальный операционный усилитель 3 с инвертирующим 4 входом и неинвертирующим 5 входом, соединенным с общей шиной источников питания, выход дифференциального операционного усилителя 3 связан с выходом 2 устройства и через последовательно соединенные первый 6 и второй 7 вспомогательные резисторы связан со входом устройства 1, причем общий узел первого 6 и второго 7 вспомогательных резисторов соединен со входом первого 8 повторителя напряжения, первый 9, второй 10 электронные ключи и первый 11 частотозадающий конденсатор, причем первый 9, второй 10 электронные ключи и первый 11 частотозадающий конденсатор включены последовательно между выходом первого 8 повторителя напряжения и общей шиной источников питания, второй 12 частотозадающий конденсатор, включенный параллельно первому 9 электронному ключу, третий 13 частотозадающий конденсатор, включенный между выходом устройства 2 и инвертирующим входом 4 дифференциального операционного усилителя 3, третий 14 и четвертый 15 электронные ключи, четвертый 16 частотозадающий конденсатор.

Существенный недостаток известного дискретно-аналогового фильтра низких частот (фиг. 1) состоит в том, что в нем для получения высоких добротностей полюса требуется большое отношение емкостей частотозадающих конденсаторов, что затрудняет реализацию устройства в микроэлектронном исполнении.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании дискретно-аналогового фильтра низких частот на переключаемых конденсаторах, в котором повышенная добротность полюса реализуется при меньшем отношении емкостей частотозадающих конденсаторов. Это преимущество достигается путем введения в исходную схему ДАФ фиг. 1 новых связей между элементами в соответствии с формулой изобретения.

Поставленная задача достигается тем, что в дискретно-аналоговом фильтре низких частот фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, дифференциальный операционный усилитель 3 с инвертирующим 4 входом и неинвертирующим 5 входом, соединенным с общей шиной источников питания, выход дифференциального операционного усилителя 3 связан с выходом 2 устройства и через последовательно соединенные первый 6 и второй 7 вспомогательные резисторы связан со входом устройства 1, причем общий узел первого 6 и второго 7 вспомогательных резисторов соединен со входом первого 8 повторителя напряжения, первый 9, второй 10 электронные ключи и первый 11 частотозадающий конденсатор, причем первый 9, второй 10 электронные ключи и первый 11 частотозадающий конденсатор включены последовательно между выходом первого 8 повторителя напряжения и общей шиной источников питания, второй 12 частотозадающий конденсатор, включенный параллельно первому 9 электронному ключу, третий 13 частотозадающий конденсатор, включенный между выходом устройства 2 и инвертирующим входом 4 дифференциального операционного усилителя 3, третий 14 и четвертый 15 электронные ключи, четвертый 16 частотозадающий конденсатор, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный повторитель напряжения 17, вход которого соединен с первым 11 частотозадающим конденсатором, а выход связан с инвертирующим входом 4 дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные третий 14 и четвертый 15 электронные ключи, причем четвертый 16 частотозадающий конденсатор включен параллельно четвертому 15 электронному ключу.

На чертеже фиг. 1 показана схема дискретно-аналогового фильтра низких частот - прототипа.

На чертеже фиг. 2 приведена схема заявляемого дискретно-аналогового фильтра низких частот на переключаемых конденсаторах в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого фильтра для моделирования в среде Micro-Cap.

На чертеже фиг. 4 показаны последовательности импульсов, управляющих электронными ключами ДАФ фиг. 3.

На чертеже фиг. 5 приведены результаты моделирования схемы ДАФ фиг. 3 в среде Micro-Cap при частоте входного сигнала 1125 Гц, совпадающей с частотой полюса фильтра.

На чертеже фиг. 6 представлены результаты моделирования схемы фиг. 3 при очень низкой частоте входного сигнала (11,25 Гц). Из данного графика следует, что коэффициент передачи заявляемого фильтра в диапазоне низких частот близок к единице.

На чертеже фиг. 7 приведены результаты моделирования схемы ДАФ фиг. 3 при высокой частоте входного сигнала (112500 Гц). Из данного графика следует, что коэффициент передачи заявляемого фильтра в диапазоне высоких частот принимает очень малые значения.

Таким образом, графики фиг. 6 и фиг. 7 показывают, что заявляемое устройство обладает свойствами фильтра низких частот.

Дискретно-аналоговый фильтр низких частот на переключаемых конденсаторах с повышенной добротностью полюса фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, дифференциальный операционный усилитель 3 с инвертирующим 4 входом и неинвертирующим 5 входом, соединенным с общей шиной источников питания, выход дифференциального операционного усилителя 3 связан с выходом 2 устройства и через последовательно соединенные первый 6 и второй 7 вспомогательные резисторы связан со входом устройства 1, причем общий узел первого 6 и второго 7 вспомогательных резисторов соединен со входом первого 8 повторителя напряжения, первый 9, второй 10 электронные ключи и первый 11 частотозадающий конденсатор, причем первый 9, второй 10 электронные ключи и первый 11 частотозадающий конденсатор включены последовательно между выходом первого 8 повторителя напряжения и общей шиной источников питания, второй 12 частотозадающий конденсатор, включенный параллельно первому 9 электронному ключу, третий 13 частотозадающий конденсатор, включенный между выходом устройства 2 и инвертирующим входом 4 дифференциального операционного усилителя 3, третий 14 и четвертый 15 электронные ключи, четвертый 16 частотозадающий конденсатор. В схему введен дополнительный повторитель напряжения 17, вход которого соединен с первым 11 частотозадающим конденсатором, а выход связан с инвертирующим входом 4 дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные третий 14 и четвертый 15 электронные ключи, причем четвертый 16 частотозадающий конденсатор включен параллельно четвертому 15 электронному ключу.

Рассмотрим работу заявляемого дискретно-аналогового фильтра низких частот на чертеже фиг. 2.

При последовательном и периодическом замыкании первого 9, второго 10, третьего 14 и четвертого 15 электронных ключей, а также при частоте переключения этих электронных ключей на много превышающей частоту полюса звена фильтра низких частот второго порядка, в результате математического анализа схемы ДАФ фиг. 2 можно показать, что этой схемой реализуется передаточная функция фильтра нижних частот второго порядка

основные параметры которой находятся по следующим формулам:

коэффициент передачи ФНЧ на нулевой частоте

коэффициент передачи ФНЧ на частоте полюса

частота полюса

затухание полюса (величина, обратная добротности Q)

В приведенных формулах - частота переключения электронных ключей, а - период их переключения, R₆ и R₇ сопротивления первого 6 и второго 7 вспомогательных резисторов, С₁₁, С₁₂, С₁₃ и С₁₆ - емкости первого 11, второго 12, третьего 13 и четвертого 16 частотозадающих конденсаторов соответственно.

По сравнению с прототипом (фиг. 1) при прочих равных условиях в заявляемой схеме ДАФ для получения более высокой добротности (Q), которая обратна затуханию полюса d_p=Q^-1 (см.формулу (5)), требуется меньшее отношение емкостей третьего 13 и первого 11 частотозадающих конденсаторов. Это повышает технологичность фильтра при его микроэлектронном исполнении. Элементы перестройки, в число которых входят переключаемые конденсаторы 12 и 16, целесообразно выбирать равными - это упрощает их практическую реализацию и уменьшает их влияние на другие характеристики схемы фильтра при перестройке.

Работоспособность заявляемой схемы подтверждена путем ее моделирования в программе Micro-Cap. На чертеже фиг. 3 показана схема ДАФ для моделирования, а на чертеже фиг. 4 - последовательности импульсов, управляющих электронными ключами 9, 10, 14, 15.

На чертеже фиг. 5 показана реакция схемы ДАФ фиг. 3 (ее выходное напряжение v(Out_1)) на входной синусоидальный сигнал v(In) с амплитудой 1В и частотой равной 1125 Гц, которая при параметрах элементов, указанных на схеме фиг. 3 и частоте переключения электронных ключей 1МГц (их периоде 1мксек) равна частоте полюса реализуемой схемой. В соответствии с формулой (3) на этой частоте при выбранных параметрах элементов коэффициент передачи равен 7,07. При необходимости численные значения могут принимать другие (меньшие) значения.

На чертеже фиг. 5 в увеличенном масштабе показан также график выходного сигнала ДАФ фиг. 3, который носит ступенчатый характер.

На чертежах фиг.6 и фиг. 7 приведены результаты моделирования заявляемого ДАФ в диапазоне очень низких (в 100 раз ниже частоты полюса, фиг. 6) и высоких (в 100 раз выше частоты полюса, фиг. 7) частот (в сравнении с частотой полюса (4)). Из данных графиков, а также фиг. 5, следует, что рассматриваемое устройство обладает свойствами фильтра низких частот - имеет близкий к единице коэффициент передачи на очень низких частотах (согласно формуле (2) при R₆=R₇) и близкий к нулю коэффициент передачи на повышенных частотах.

Таким образом, предлагаемый дискретно-аналоговый фильтр обладает существенными преимуществами в сравнении с ДАФ-прототипом. В нем повышенная добротность полюса реализуется при меньшем отношении частотозадающих конденсаторов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 7988638-B2, 2011-08-02

2. Патент TW201725843 (A), 2017-07-16

3. Патент US 4804863-A, 1989-02-14

4. Патент US 4841263-A, 1989-06-20

5. Патент US 4849662-A, 1989-07-18.

6. Патент US 4855627-A, 1989-08-08

7. Патент US 4862121-A, 1989-08-29

8. Патент US 4908579-A, 1990-03-13

9. Патент US 4926178-A, 1990-05-15

10. Патент US 5155396-A, 1992-10-13

11. Патент US 5182521-A, 1993-01-26

12. Патент US 5274583-A, 1993-12-28

13. Патент US 5327092-A, 1994-07-05

14. Патент US 5331218-A, 1994-07-19

15. Патент US 5391999-A, 1995-02-21

16. Патент US 5973536-A, 1999-10-26

17. Патент US 6509791-B2, 2003-01-21

18. Патент US 6509792-B2, 2003-01-21

19. Патент US 6556072-B1, 2003-04-29

20. Патент US 6891429-B1, 2005-05-10

21. Патент US 7049883-B2, 2006-05-23

22. Патент US 7138873-B2, 2006-11-21

23. Патент US 7253664-B2, 2007-08-07

24. Патент US 7495480-B2, 2009-02-24

25. Патент US 7495508-B2, 2009-02-24

26. Патент US 7525078-B2, 2009-04-28

27. Патент US 7990209-B2, 2011-08-02

28. Патент US 8299850-B1, 2012-10-30

29. Патент US 8406357-B2, 2013-03-26

30. Патент US 8754699-B2, 2014-06-17

31. Патентная заявка US 20050116768-A1, 2005-06-02

32. Патент WO 81/01779, 1981-06-25

33. Патент WO 84/01065, 1984-03-15

34. Патент WO 97/15115, 1997-04-24

35. Патент WO 2010147713 (A1), 2010-12-23

36. Патент SU 1510072, 23.09.89

37. Патент SU 799107, 23.01.81

38. Патент SU 623250, 05.09.1978

39. Патент SU 1827712 А1, 15.07.1993

40. Патент SU 1764142 А1, 23.09.92

41. Патент SU 1732434 А1, 07.05.92

42. Патент SU 1695495, 30.11.91

43. Патент SU 1610594 А1, 30.11.90

44. Патент DE 3118198 (A1), 1982-11-25

45. Патент CA 1224252 (A), 1987-07-14

46. Патент EP 0020131 (B1), 1982-12-01

47. Патент EP 0042116 (A1), 1981-12-23

48. Патент EP 0054561 (B1), 1986-04-16

49. Патент EP 0055260 (B1), 1985-09-25

50. Патент EP 0109612 (B1), 1989-05-24

51. Патент EP 0118482 (B1),1986-06-04

52. Патент EP 0226490 (B1), 1991-01-23

53. Патент EP 0308287 (B1), 1992-04-08

54. Патент JP 6520587 (B2), 2019-05-29

55. Патент EP 0799527 (B1), 2002-01-16

56. Патент EP 2259426 (A1), 2010-12-08

57. Патент GB 2159014 (A), 1985-11-20

58. Патент RU 2054792, 20.02.96

59. Патент RU 2317636, 20.02.2008

60. Патент RU 2321056, 27.03.2008

61. Патентная заявка US 20020167353-A1, 2002-11-14

62. Патентная заявка US 20130113550-A1, 2013-05-09

63. Патент US 3999137-A, 1976-12-21

64. Патент US 4179665-A, 1979-12-18

65. Патент US 4290034-A, 1981-09-15

66. Патент US 4306197-A, 1981-12-15

67. Патент US 4331894-A, 1982-05-25

68. Патент US 4333064-A, 1982-06-01

69. Патент US 4366456-A, 1982-12-28

70. Патент US 4393351-A,1983-07-12

71. Патент US 4429281-A, 1984-01-31

72. Патент US 4446438-A, 1984-05-01

73. Патент US 4476448-A, 1984-10-09

74. Патент US 4484358-A, 1984-11-20

75. Патент US 4513265-A, 1985-04-23

76. Патент US 4520283-A, 1985-05-28

77. Патент US 4538113-A, 1985-08-27

78. Патент US 4550295-A, 1985-10-29

79. Патент US 4551683-A, 1985-11-05

80. Патент US 4558292-A, 1985-12-10

81. Патент US 4574250-A, 1986-03-04

82. Патент US 4600904-A, 1986-07-15

83. Патент US 4633223-A, 1986-12-30

84. Патент US 4743872-A, 1988-05-10

85. Патент US 4763088-A, 1988-08-09

86. Патент US 6573784-B2, 2003-06-03.

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может использоваться для выделения заданных спектров сигналов, например, при их аналого-цифровых преобразованиях. Технический результат: создание дискретно-аналогового фильтра низких частот на переключаемых конденсаторах, в котором повышенная добротность полюса реализуется при меньшем отношении емкостей частотозадающих конденсаторов. Это преимущество достигается путем введения в исходную схему ДАФ новых связей между элементами в соответствии с формулой изобретения. Дискретно-аналоговый фильтр низких частот на переключаемых конденсаторах с повышенной добротностью полюса содержит вход (1) и выход (2) устройства, дифференциальный операционный усилитель (3) с инвертирующим (4) входом и неинвертирующим (5) входом, соединенным с общей шиной источников питания, выход дифференциального операционного усилителя (3) связан с выходом (2) устройства и через последовательно соединенные первый (6) и второй (7) вспомогательные резисторы связан с входом устройства (1), причем общий узел первого (6) и второго (7) вспомогательных резисторов соединен с входом первого (8) повторителя напряжения, первый (9), второй (10) электронные ключи и первый (11) частотозадающий конденсатор, причем первый (9), второй (10) электронные ключи и первый (11) частотозадающий конденсатор включены последовательно между выходом первого (8) повторителя напряжения и общей шиной источников питания, второй (12) частотозадающий конденсатор, включенный параллельно первому (9) электронному ключу, третий (13) частотозадающий конденсатор, включенный между выходом устройства (2) и инвертирующим входом (4) дифференциального операционного усилителя (3), третий (14) и четвертый (15) электронные ключи, четвертый (16) частотозадающий конденсатор. В схему введен дополнительный повторитель напряжения (17), вход которого соединен с первым (11) частотозадающим конденсатором, а выход связан с инвертирующим входом (4) дифференциального операционного усилителя (3) через последовательно соединенные третий (14) и четвертый (15) электронные ключи, причем четвертый (16) частотозадающий конденсатор включен параллельно четвертому (15) электронному ключу. 7 ил.

Дискретно-аналоговый фильтр низких частот на переключаемых конденсаторах с повышенной добротностью полюса, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, дифференциальный операционный усилитель (3) с инвертирующим (4) входом и неинвертирующим (5) входом, соединенным с общей шиной источников питания, выход дифференциального операционного усилителя (3) связан с выходом (2) устройства и через последовательно соединенные первый (6) и второй (7) вспомогательные резисторы связан с входом устройства (1), причем общий узел первого (6) и второго (7) вспомогательных резисторов соединен с входом первого (8) повторителя напряжения, первый (9), второй (10) электронные ключи и первый (11) частотозадающий конденсатор, причем первый (9), второй (10) электронные ключи и первый (11) частотозадающий конденсатор включены последовательно между выходом первого (8) повторителя напряжения и общей шиной источников питания, второй (12) частотозадающий конденсатор, включенный параллельно первому (9) электронному ключу, третий (13) частотозадающий конденсатор, включенный между выходом устройства (2) и инвертирующим входом (4) дифференциального операционного усилителя (3), третий (14) и четвертый (15) электронные ключи, четвертый (16) частотозадающий конденсатор, отличающийся тем, что в схему введен дополнительный повторитель напряжения (17), вход которого соединен с первым (11) частотозадающим конденсатором, а выход связан с инвертирующим входом (4) дифференциального операционного усилителя (3) через последовательно соединенные третий (14) и четвертый (15) электронные ключи, причем четвертый (16) частотозадающий конденсатор включен параллельно четвертому (15) электронному ключу.