Дискретно-аналоговый фильтр с тремя заземленными конденсаторами 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 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, последовательно соединенные первый 9 и второй 10 электронные ключи, а также первый 11 конденсатор, которые включены между выходом первого 8 повторителя напряжения и общей шиной источников питания, второй 12 конденсатор, третий 13 и четвертый 14 электронные ключи, третий 15 конденсатор, а также четвертый 16 конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим 4 входом.

Существенный недостаток известного дискретно-аналогового фильтра низких частот (фиг. 1) состоит в том, что в нем при реализации высоких добротностей требуется большое отношение емкостей конденсаторов, а также то, что большинство применяемых конденсаторов не имеют выводов, подключенных к общей шине, что затрудняет реализацию устройства в микроэлектронном исполнении.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании дискретно-аналогового фильтра с тремя заземленными конденсаторами, в котором реализуется повышенная добротность 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 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, последовательно соединенные первый 9 и второй 10 электронные ключи, а также первый 11 конденсатор, которые включены между выходом первого 8 повторителя напряжения и общей шиной источников питания, второй 12 конденсатор, третий 13 и четвертый 14 электронные ключи, третий 15 конденсатор, а также четвертый 16 конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим 4 входом, предусмотрены новые элементы и связи - второй 12 конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных первого 9 и второго 10 электронных ключей и общей шиной источников питания, между общим узлом второго 10 электронного ключа и первого 11 конденсатора включен второй 17 повторитель напряжения, выход которого соединен с инвертирующим входом 4 дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные третий 13 и четвертый 14 электронные ключи, общий узел третьего 13 и четвертого 14 электронных ключей связан с общей шиной источников питания через третий 15 конденсатор.

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 фильтра для моделирования в среде Micro-Cap.

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

На чертеже фиг. 5 приведены результаты моделирования схемы 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 фиг. 3 при очень 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 с тремя заземленными конденсаторами 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, последовательно соединенные первый 9 и второй 10 электронные ключи, а также первый 11 конденсатор, которые включены между выходом первого 8 повторителя напряжения и общей шиной источников питания, второй 12 конденсатор, третий 13 и четвертый 14 электронные ключи, третий 15 конденсатор, а также четвертый 16 конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим 4 входом. Второй 12 конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных первого 9 и второго 10 электронных ключей и общей шиной источников питания, между общим узлом второго 10 электронного ключа и первого 11 конденсатора включен второй 17 повторитель напряжения, выход которого соединен с инвертирующим входом 4 дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные третий 13 и четвертый 14 электронные ключи, общий узел третьего 13 и четвертого 14 электронных ключей связан с общей шиной источников питания через третий 15 конденсатор.

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

При последовательном и периодическом замыкании первого 9, второго 10, третьего 13 и четвертого 14 электронных ключей, а также при частоте переключения электронных ключей на много превышающей частоту полюса звена фильтра второго порядка, в результате математического анализа схемы фиг. 2 можно показать, что этой схемой ДАФ 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, С₁₂, С₁₁, С₁₅ и С₁₆ – емкости первого 12, второго 11, третьего 15 и четвертого 16 частотозадающих конденсаторов соответственно.

По сравнению с прототипом (фиг. 1) в предлагаемом ДАФ еще два переключаемых конденсатора 12, 15 подключены к общей шине, что повышает технологичность изготовления ДАФ в микроэлектронном исполнении. Кроме этого, здесь при реализации более высоких добротностей полюса при прочих равных условиях по сравнению с прототипом требуется меньшее отношение емкостей четвёртого 16 и второго 11 конденсаторов. Элементы перестройки, в число которых входят переключаемые конденсаторы 12 и 15, принято выбирать равными - это упрощает их реализацию и уменьшает их влияние на другие характеристики схемы фильтра при перестройке.

Работоспособность заявляемой схемы подтверждена путем её моделирования в программе Micro-Cap. На фиг. 3 показана схема для моделирования, а на фиг. 4 - последовательности импульсов, управляющих первым 9, вторым 10, третьим 13, четвертым 14 электронными ключами.

На фиг. 5 показана реакция схемы фиг. 3 (её 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 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 еще два переключаемых конденсатора 12, 15 подключены к общей шине, а также при реализации высоких добротностей требуется меньшее отношение емкостей четвёртого 16 и второго 11 конденсаторов, что повышает технологичность изготовления ДАФ в 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.

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться для выделения заданных спектров сигналов, например, при их аналого-цифровых преобразованиях. Технический результат - повышение добротности при меньшем отношении емкостей частотозадающих конденсаторов в дискретно-аналоговом фильтре. Такой результат обеспечивается за счет того, что второй конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных первого и второго электронных ключей и общей шиной источников питания, между общим узлом второго электронного ключа и первого конденсатора включен второй повторитель напряжения, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные третий и четвертый электронные ключи, общий узел которых связан с общей шиной источников питания через третий конденсатор. 7 ил.

Дискретно-аналоговый фильтр с тремя заземленными конденсаторами, 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, последовательно соединенные первый (9) и второй (10) электронные ключи, а также первый (11) конденсатор, которые включены между выходом первого (8) повторителя напряжения и общей шиной источников питания, второй (12) конденсатор, третий (13) и четвертый (14) электронные ключи, третий (15) конденсатор, а также четвертый (16) конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя (3) и его инвертирующим (4) входом, отличающийся тем, что второй (12) конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных первого (9) и второго (10) электронных ключей и общей шиной источников питания, между общим узлом второго (10) электронного ключа и первого (11) конденсатора включен второй (17) повторитель напряжения, выход которого соединен с инвертирующим входом (4) дифференциального операционного усилителя (3) через последовательно соединенные третий (13) и четвертый (14) электронные ключи, общий узел третьего (13) и четвертого (14) электронных ключей связан с общей шиной источников питания через третий (15) конденсатор.