Дискретно-аналоговый фильтр второго порядка на переключаемых резисторах с двумя электронными ключами Российский патент 2024 года по МПК H03H19/00 

Предполагаемое 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 которого подключен к выходу 2 устройства, первый 6 частотозадающий конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим 4 входом, первый 7 и второй 8 электронные ключи, второй 9 частотозадающий конденсатор, первый 10 и второй 11 последовательно соединенные резисторы обратной связи, включенные между выходом устройства 2 и его входом 1, повторитель напряжения 12, вход которого соединен с общим узлом последовательно включенных первого 10 и второго 11 резисторов обратной связи.

Существенный недостаток известного дискретно-аналогового фильтра на переключаемых конденсаторах (фиг. 1) состоит в том, что при втором порядке передаточной функции он содержит четыре частотозадающих конденсатора и четыре электронных ключа и может перестраиваться по частоте путем изменения ёмкостей частотозадающих конденсаторов или путём изменения частоты переключения электронных ключей.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании дискретно-аналогового фильтра на переключаемых резисторах, который при втором порядке передаточной функции содержит только два частотозадающих конденсатора и два электронных ключа и может перестраиваться путём изменения длительности импульсов, управляющих электронными ключами без изменения их частоты переключения. Это преимущество достигается путем введения в исходную схему ДАФ фиг. 1 новых элементов и связей между ними в соответствии с формулой изобретения.

Поставленная задача достигается тем, что в дискретно-аналоговом фильтре на переключаемых резисторах 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 которого подключен к выходу 2 устройства, первый 6 частотозадающий конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим 4 входом, первый 7 и второй 8 электронные ключи, второй 9 частотозадающий конденсатор, первый 10 и второй 11 последовательно соединенные резисторы обратной связи, включенные между выходом устройства 2 и его входом 1, повторитель напряжения 12, вход которого соединен с общим узлом последовательно включенных первого 10 и второго 11 резисторов обратной связи, предусмотрены новые элементы и связи – последовательно с первым 7 электронным ключом введен первый 13 дополнительный резистор, а последовательно со вторым 8 электронным ключом введен второй 14 дополнительный резистор, причем последовательно соединенные первый 7 электронный ключ и первый 13 дополнительный резистор и второй 8 электронный ключ и второй 14 дополнительный резистор включены между выходом повторителя напряжения 12 и инвертирующим 4 входом дифференциального операционного усилителя 3, а второй 9 частотозадающий конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных первого 7 электронного ключа и второго 14 дополнительного резистора и общей шиной источников питания.

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

На чертеже фиг. 2 приведена схема заявляемого дискретно-аналогового фильтра на переключаемых резисторах 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 11250 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.

Особенность предлагаемой схемы ДАФ состоит в том, что:

- он содержит только два частотозадающих конденсатора и два электронных ключа, которые управляются одной импульсной последовательностью напряжений,

- обеспечивает возможность подстройки частоты полюса изменением отношений сопротивлений первого 13 и второго 14 дополнительных резисторов,

- перестройка частоты полюса в заявляемой схеме может осуществляться изменением времени (длительности) включения электронных ключей за период коммутации.

Дискретно-аналоговый фильтр второго порядка на переключаемых резисторах с двумя электронными ключами 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 которого подключен к выходу 2 устройства, первый 6 частотозадающий конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим 4 входом, первый 7 и второй 8 электронные ключи, второй 9 частотозадающий конденсатор, первый 10 и второй 11 последовательно соединенные резисторы обратной связи, включенные между выходом устройства 2 и его входом 1, повторитель напряжения 12, вход которого соединен с общим узлом последовательно включенных первого 10 и второго 11 резисторов обратной связи. Последовательно с первым 7 электронным ключом введен первый 13 дополнительный резистор, а последовательно со вторым 8 электронным ключом введен второй 14 дополнительный резистор, причем последовательно соединенные первый 7 электронный ключ и первый 13 дополнительный резистор и второй 8 электронный ключ и второй 14 дополнительный резистор включены между выходом повторителя напряжения 12 и инвертирующим 4 входом дифференциального операционного усилителя 3, а второй 9 частотозадающий конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных первого 7 электронного ключа и второго 14 дополнительного резистора и общей шиной источников питания.

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

При последовательном и периодическом замыкании первого 7 и второго 8 электронных ключей, а также при частоте переключения электронных ключей на много превышающей частоту полюса звена второго порядка, в результате математического анализа схемы 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, - длительность замкнутого состояния ключей в течение периода, которая может находиться в диапазоне 0÷T, R₁₀, R₁₁, - сопротивления первого 10 и второго 11 резисторов обратной связи, R₁₃ и R₁₄ - сопротивления первого 13 и второго 14 дополнительных резисторов, С₆, С₉ – емкости первого 6 и второго 9 частотозадающих конденсаторов соответственно.

Работоспособность заявляемой схемы подтверждена путем её моделирования в программе Micro-Cap. На фиг. 3 показана схема для моделирования, а на фиг. 4 – последовательность импульсов, управляющих первым 7 и вторым 8 электронными ключами.

На чертеже 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 ДАФ равен -3,53. Для получения меньших абсолютных значений следует соответствующим образом выбирать параметры элементов, входящих в формулу (3). В случае построения фильтра высокого порядка численные значения для каждого звена, входящего в такую структуру фильтра, могут выбираться неодинаковыми, в т.ч. .

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 R₁₀=R₁₁) и близкий к нулю коэффициент передачи на повышенных частотах.

Таким образом, предлагаемый дискретно-аналоговый фильтр обладает существенными преимуществами в сравнении с ДАФ-прототипом – имеет при втором порядке передаточной функции только два частотозадающих конденсатора (9 и 6) и два электронных ключа (7 и 8). Известные схемы ДАФ такими свойствами не обладают.

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 – обеспечение перестраивания по частоте путём изменения длительности импульсов, управляющих электронными ключами без изменения их частоты переключения, дискретно-аналогового фильтра на переключаемых резисторах, который при втором порядке передаточной функции содержит только два частотозадающих конденсатора и два электронных ключа. Такой результат обеспечивается за счет дополнительного введения последовательно соединенного с первым электронным ключом первого дополнительного резистора, а также за счет дополнительного введения последовательно соединенного со вторым электронным ключом второго дополнительного резистора, причем последовательно соединенные первый электронный ключ и первый дополнительный резистор и второй электронный ключ и второй дополнительный резистор включены между выходом повторителя напряжения и инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, а второй частотозадающий конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных первого электронного ключа и второго дополнительного резистора и общей шиной источников питания. 7 ил.

Дискретно-аналоговый фильтр второго порядка на переключаемых резисторах с двумя электронными ключами, 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 которого подключен к выходу (2) устройства, первый (6) частотозадающий конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя (3) и его инвертирующим (4) входом, первый (7) и второй (8) электронные ключи, второй (9) частотозадающий конденсатор, первый (10) и второй (11) последовательно соединенные резисторы обратной связи, включенные между выходом устройства (2) и его входом (1), повторитель напряжения (12), вход которого соединен с общим узлом последовательно включенных первого (10) и второго (11) резисторов обратной связи, отличающийся тем, что последовательно с первым (7) электронным ключом введен первый (13) дополнительный резистор, а последовательно со вторым (8) электронным ключом введен второй (14) дополнительный резистор, причем последовательно соединенные первый (7) электронный ключ и первый (13) дополнительный резистор и второй (8) электронный ключ и второй (14) дополнительный резистор включены между выходом повторителя напряжения (12) и инвертирующим (4) входом дифференциального операционного усилителя (3), а второй (9) частотозадающий конденсатор включен между общим узлом последовательно соединенных первого (7) электронного ключа и второго (14) дополнительного резистора и общей шиной источников питания.