Дискретно-аналоговый фильтр низких частот на переключаемых конденсаторах 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, общий узел первого 6 и второго 7 вспомогательных резисторов соединен со входом повторителя напряжения 8, причем между выходом повторителя напряжения 8 и инвертирующим входом 4 дифференциального операционного усилителя 3 включены последовательно соединенные первый 9, второй 10, третий 11 и четвертый 12 электронные ключи, первый 13, второй 14, третий 15 и четвертый 16 конденсаторы, причем второй 14 конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных второго 10 и третьего 11 электронных ключей и общей шиной источников питания, а четвертый 16 конденсатор включен между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим входом 4.

Существенный недостаток известного дискретно-аналогового фильтра на переключаемых конденсаторах (фиг. 1) состоит в том, что в нем три конденсатора из четырех не имеют выводов, подключенных к общей шине источников питания.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании дискретно-аналогового фильтра на переключаемых конденсаторах, в котором большинство конденсаторов одним выводом подключены к общей шине. Это преимущество достигается путем введения в исходную схему ДАФ фиг. 1 новых связей между элементами в соответствии с формулой изобретения. Такое схемотехническое решение повышает технологичность изготовления ДАФ при его микроэлектронном исполнении.

Поставленная задача достигается тем, что в дискретно-аналоговом фильтре на переключаемых конденсаторах 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, общий узел первого 6 и второго 7 вспомогательных резисторов соединен со входом повторителя напряжения 8, причем между выходом повторителя напряжения 8 и инвертирующим входом 4 дифференциального операционного усилителя 3 включены последовательно соединенные первый 9, второй 10, третий 11 и четвертый 12 электронные ключи, первый 13, второй 14, третий 15 и четвертый 16 конденсаторы, причем второй 14 конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных второго 10 и третьего 11 электронных ключей и общей шиной источников питания, а четвертый 16 конденсатор включен между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим входом 4, предусмотрены новые связи - первый 13 конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных первого 9 и второго 10 электронных ключей и общей шиной источников питания, а третий 15 конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных третьего 11 и четвертого 12 электронных ключей и общей шиной источников питания.

На чертеже фиг. 1 показана схема дискретно-аналогового фильтра на переключаемых конденсаторах - прототипа.

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

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

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

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 очень низких частот близок к единице.

На чертеже фиг. 7 приведены результаты моделирования схемы 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 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, общий узел первого 6 и второго 7 вспомогательных резисторов соединен со входом повторителя напряжения 8, причем между выходом повторителя напряжения 8 и инвертирующим входом 4 дифференциального операционного усилителя 3 включены последовательно соединенные первый 9, второй 10, третий 11 и четвертый 12 электронные ключи, первый 13, второй 14, третий 15 и четвертый 16 конденсаторы, причем второй 14 конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных второго 10 и третьего 11 электронных ключей и общей шиной источников питания, а четвертый 16 конденсатор включен между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим входом 4. Первый 13 конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных первого 9 и второго 10 электронных ключей и общей шиной источников питания, а третий 15 конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных третьего 11 и четвертого 12 электронных ключей и общей шиной источников питания.

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

При последовательном и периодическом замыкании первого 9, второго 10, третьего 11 и четвертого 12 электронных ключей, а также при частоте переключения электронных ключей на много превышающей частоту полюса звена второго порядка, в результате математического анализа схемы ДАФ на чертеже 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

В формуле (4) - частота переключения электронных ключей, а - период их переключения, R₆ и R₇ сопротивления первого 6 и второго 7 вспомогательных резисторов, С₁₃, С₁₄, С₁₅ и С₁₆ - емкости первого 11, второго 12, третьего 13 и четвертого 16 частотозадающих конденсаторов соответственно.

По сравнению с прототипом (фиг. 1) в заявляемой схеме еще два частотозадающих конденсатора 13 и 15 подключены к общей шине. Это повышает технологичность изготовления ДАФ в микроэлектронном исполнении.

Работоспособность заявляемой схемы подтверждена путем ее моделирования в программе Micro-Cap. На фиг. 3 показана схема для моделирования, а на фиг. 4 - последовательности импульсов, управляющих первым 9, вторым 10, третьим 11 и четвертым 12 электронными ключами.

На чертеже фиг. 5 показана реакция схемы 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 1 мксек) равна частоте полюса , реализуемой схемой. В соответствии с формулой (3) на этой частоте при выбранных параметрах элементов коэффициент передачи ДАФ равен 7,07. При необходимости численные значения могут принимать другие (меньшие) значения.

На чертеже фиг. 5 также показан (в увеличенном масштабе) график выходного сигнала ДАФ фиг. 3, который носит «ступенчатый» характер. Ступенчатый характер выходного сигнала ДАФ соответствует физическим процессам преобразования сигналов в фильтрах рассматриваемого класса.

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 дополнительно первый 13 и третий 15 конденсаторы одним выводом подключены к общей шине источников питания. Это повышает технологичность изготовления ДАФ при его микроэлектронном исполнении.

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 на переключаемых конденсаторах, в котором большинство конденсаторов одним выводом подключены к общей шине. Это преимущество достигается путем введения в исходную схему ДАФ новых связей между элементами в соответствии с формулой изобретения. Такое схемотехническое решение повышает технологичность изготовления ДАФ при его микроэлектронном исполнении. Дискретно-аналоговый фильтр низких частот на переключаемых конденсаторах 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), общий узел первого (6) и второго (7) вспомогательных резисторов соединен со входом повторителя напряжения (8), причем между выходом повторителя напряжения (8) и инвертирующим входом (4) дифференциального операционного усилителя (3) включены последовательно соединенные первый (9), второй (10), третий (11) и четвертый (12) электронные ключи, первый (13), второй (14), третий (15) и четвертый (16) конденсаторы, причем второй (14) конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных второго (10) и третьего (11) электронных ключей и общей шиной источников питания, а четвертый (16) конденсатор включен между выходом дифференциального операционного усилителя (3) и его инвертирующим входом (4). Первый (13) конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных первого (9) и второго (10) электронных ключей и общей шиной источников питания, а третий (15) конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных третьего (11) и четвертого (12) электронных ключей и общей шиной источников питания. 7 ил.

Дискретно-аналоговый фильтр низких частот на переключаемых конденсаторах, 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 со входом устройства (1), общий узел первого (6) и второго (7) вспомогательных резисторов соединен со входом повторителя напряжения (8), причем между выходом повторителя напряжения (8) и инвертирующим входом (4) дифференциального операционного усилителя (3) включены последовательно соединенные первый (9), второй (10), третий (11) и четвертый (12) электронные ключи, первый (13), второй (14), третий (15) и четвертый (16) конденсаторы, причем второй (14) конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных второго (10) и третьего (11) электронных ключей и общей шиной источников питания, а четвертый (16) конденсатор включен между выходом дифференциального операционного усилителя (3) и его инвертирующим входом (4), отличающийся тем, что первый (13) конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных первого (9) и второго (10) электронных ключей и общей шиной источников питания, а третий (15) конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных третьего (11) и четвертого (12) электронных ключей и общей шиной источников питания.