Дискретно-аналоговый фильтр низких частот второго порядка с тремя частотозадающими 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 (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 соединен с выходом 2 устройства, первый 6, второй 7 и третий 8 электронные ключи, первый 9, второй 10, третий 11 частотозадающие конденсаторы, причем третий 11 частотозадающий конденсатор включен между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим входом 4, неинвертирующий повторитель напряжения 12, первый 13 и второй 14 последовательно соединенные дополнительные резисторы, включенные между входом 1 и выходом 2 устройства, общий узел которых связан со входом неинвертирующего повторителя напряжения 12.

Существенный недостаток известного дискретно-аналогового фильтра низких частот (фиг. 1) состоит в том, что в нем подстройка частоты полюса возможна за счет изменения отношения емкостей переключаемых конденсаторов, что можно обеспечить только путем изменения их номинальных значений. Это отрицательно сказывается на технологичности ДАФ при микроэлектронном исполнении.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании дискретно-аналогового фильтра низких частот на переключаемых конденсаторах, в котором предусмотрена возможность настройки частоты полюса путем изменения емкости только одного переключаемого конденсатора. Это преимущество достигается путем введения в исходную схему ДАФ фиг. 1 новых связей между элементами в соответствии с формулой изобретения, а также управление электронными ключами тремя разными последовательностями прямоугольных импульсов.

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 соединен с выходом 2 устройства, первый 6, второй 7 и третий 8 электронные ключи, первый 9, второй 10, третий 11 частотозадающие конденсаторы, причем третий 11 частотозадающий конденсатор включен между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим входом 4, неинвертирующий повторитель напряжения 12, первый 13 и второй 14 последовательно соединенные дополнительные резисторы, включенные между входом 1 и выходом 2 устройства, общий узел которых связан со входом неинвертирующего повторителя напряжения 12, предусмотрены новые связи - последовательно соединенные первый 6 и третий 8 электронные ключи включены между выходом неивертирующего повторителя напряжения 12 и инвертирующим входом 4 дифференциального операционного усилителя 3, общий узел первого 6 и третьего 8 электронных ключей связан с общей шиной источника питания через первый 9 частотозадающий конденсатор и через последовательно соединенные второй 7 электронный ключ и второй 10 частотозадающий конденсатор подключен к общей шине источников питания.

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 первым 6, вторым 7 и третьим 8 электронными ключами (S1-S3).

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 близок к нулю.

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

Дискретно-аналоговый фильтр низких частот второго порядка с тремя частотозадающими 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 соединен с выходом 2 устройства, первый 6, второй 7 и третий 8 электронные ключи, первый 9, второй 10, третий 11 частотозадающие конденсаторы, причем третий 11 частотозадающий конденсатор включен между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим входом 4, неинвертирующий повторитель напряжения 12, первый 13 и второй 14 последовательно соединенные дополнительные резисторы, включенные между входом 1 и выходом 2 устройства, общий узел которых связан со входом неинвертирующего повторителя напряжения 12. Последовательно соединенные первый 6 и третий 8 электронные ключи включены между выходом неивертирующего повторителя напряжения 12 и инвертирующим входом 4 дифференциального операционного усилителя 3, общий узел первого 6 и третьего 8 электронных ключей связан с общей шиной источника питания через первый 9 частотозадающий конденсатор и через последовательно соединенные второй 7 электронный ключ и второй 10 частотозадающий конденсатор подключен к общей шине источников питания.

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

При последовательном и периодическом замыкании первого 6, второго 7 и третьего 8 электронных ключей (S1, S2 и S3) в соответствии с временной диаграммой, показанной на чертеже фиг. 4, а также при частоте переключения этих электронных ключей , намного превышающей частоту полюса звена второго порядка, в результате математического анализа фиг. 2 можно показать, что этой схемой реализуется передаточная функция фильтра нижних частот второго порядка

(1)

основные параметры которой находятся по следующим формулам:

- коэффициент передачи ФНЧ на нулевой частоте

(2)

- коэффициент передачи ФНЧ на частоте полюса

(3)

- частота полюса

(4)

- затухание полюса

(5)

В приведенных формулах - частота переключения электронных ключей, а - период их переключения, R₁₃ и R₁₄ сопротивления первого 13 и второго 14 резисторов, С₉, С₁₀ и С₁₁ - емкости первого 9, второго 10 и третьего 11 частотозадающих конденсаторов соответственно.

Анализ формул (2)-(5) показывает, что коэффициент передачи ФНЧ на частоте полюса (3), а также затухание полюса (5) зависят от отношения емкостей второго 10 и третьего 11 частотозадающих конденсаторов и не зависят от емкости первого 9 частотозадающего конденсатора С₉. Поэтому, если для обеспечения заданных и не изменять С₁₀ и С₁₁, то за счет управления емкостью первого 9 частотозадающего конденсатора (С₉) можно обеспечить изменение частоты полюса (формула (4)). Таким образом, благодаря тому, что в заявляемом дискретно-аналоговом фильтре только частота полюса зависит от емкости первого 9 частотозадающего конденсатора (С₉), а коэффициент передачи (2) и затухание (5) не зависят от емкости этого конденсатора, частота полюса может перестраиваться путем изменения емкости только этого конденсатора, причем другие параметры (коэффициент передач (2)-(3) и затухание (5)) не будут изменяться.

Отличительные особенности заявляемой схемы ДАФ:

- возможность перестройки частоты полюса одним конденсатором при постоянных значениях коэффициента передачи фильтра и добротности (затухания) полюса,

- в сравнении с прототипом меньшее число частотозадающих конденсаторов при втором порядке передаточной функции,

- при реализации высоких добротностей требуется меньшее отношение емкостей третьего 11 и второго 10 частотозадающих конденсаторов (С₁₁ и С₁₀)

Работоспособность заявляемой схемы подтверждена путем её моделирования в программе Micro-Cap. На фиг. 3 показана схема моделирования, а на фиг. 4 - последовательности управляющих импульсов электронных ключей 6, 7, 8 (S1, S2 и S3).

На фиг. 5 показана реакция схемы (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. 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 фиг. 5 также показан график выходного сигнала в увеличенном масштабе, 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 (M₀ = -1 согласно формуле (2) при R₁₄=R₁₃) и близкий к нулю коэффициент передачи на повышенных частотах.

Таким образом, предлагаемый дискретно-аналоговый фильтр обладает существенными преимуществами в сравнении с ДАФ-прототипом фиг. 1. В нем частота полюса может управляться изменением емкости только одного первого 9 частотозадающего конденсатора (С₉) при постоянных значениях коэффициента передачи на частоте полюса и затухании полюса. Кроме этого, заявляемая схема ДАФ при втором порядке передаточной функции имеет меньшее число частотозадающих конденсаторов (3 шт.) и электронных ключей (3 шт.).

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 - создание дискретно-аналогового фильтра (ДАФ) низких частот на переключаемых конденсаторах, в котором предусмотрена возможность настройки частоты полюса путем изменения емкости только одного переключаемого конденсатора. Такой результат обеспечивается за счет того, что в ДАФ последовательно соединенные первый и третий электронные ключи включены между выходом неинвертирующего повторителя напряжения и инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, а общий узел первого и третьего электронных ключей связан с общей шиной источника питания через первый частотозадающий конденсатор и через последовательно соединенные второй электронный ключ, и второй частотозадающий конденсатор подключен к общей шине источников питания. 7 ил.

Дискретно-аналоговый фильтр низких частот второго порядка с тремя частотозадающими 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) соединен с выходом (2) устройства, первый (6), второй (7) и третий (8) электронные ключи, первый (9), второй (10), третий (11) частотозадающие конденсаторы, причем третий (11) частотозадающий конденсатор включен между выходом дифференциального операционного усилителя (3) и его инвертирующим входом (4), неинвертирующий повторитель напряжения (12), первый (13) и второй (14) последовательно соединенные дополнительные резисторы, включенные между входом (1) и выходом (2) устройства, общий узел которых связан со входом неинвертирующего повторителя напряжения (12), отличающийся тем, что последовательно соединенные первый (6) и третий (8) электронные ключи включены между выходом неинвертирующего повторителя напряжения (12) и инвертирующим входом (4) дифференциального операционного усилителя (3), общий узел первого (6) и третьего (8) электронных ключей связан с общей шиной источника питания через первый (9) частотозадающий конденсатор и через последовательно соединенные второй (7) электронный ключ, и второй (10) частотозадающий конденсатор подключен к общей шине источников питания.