Дискретно-аналоговый фильтр на переключаемых конденсаторах и мультидифференциальном операционном усилителе 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, первый 6 частотозадающий конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим входом 4, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 последовательно соединенные электронные ключи, второй 11, третий 12 и четвертый 13 частотозадающие конденсаторы.

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. При этом коэффициент передачи фильтра на нулевой частоте не зависит от ёмкостей частотозадающих конденсаторов и равен минус единице. 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, первый 6 частотозадающий конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим входом 4, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 последовательно соединенные электронные ключи, второй 11, третий 12 и четвертый 13 частотозадающие конденсаторы, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введен мультидифференциальный операционный усилитель 14 с двумя входными портами, причем инвертирующий вход 15 первого порта связан с выходом мультидифференциального операционного усилителя 14, неинвертирующий вход 16 первого порта соединен с выходом 2 устройства, инвертирующий вход 17 второго порта связан с общей шиной источников питания, а неинвертирующий вход 18 второго порта соединен со входом 1 устройства, выход мультидифференциального операционного усилителя 14 связан с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно включенные первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 электронные ключи, общий узел первого 7 и второго 8 последовательно включенных электронных ключей связан с общей шиной источников питания через второй 11 частотозадающий конденсатор, общий узел второго 8 и третьего 9 последовательно включенных электронных ключей связан с общей шиной источников питания через третий 12 частотозадающий конденсатор, а общий узел последовательно включенных третьего 9 и четвертого 10 электронных ключей связан с общей шиной источников питания через четвертый 13 частотозадающий 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 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 1591 Гц, совпадающей с частотой полюса фильтра.

На чертеже фиг. 6 представлены результаты моделирования схемы фиг. 3 при очень низкой частоте входного сигнала (15,91 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 (159100 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 при частоте полюса 1591 Гц она имеет коэффициент передачи, равный минус единице, который не зависит от разброса параметров других элементов схемы. Кроме этого, в данной схеме два конденсатора подключены к общей шине, что повышает технологичность изготовления ДАФ в микроэлектронном исполнении.

Дискретно-аналоговый фильтр на переключаемых конденсаторах и мультидифференциальном операционном усилителе 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, первый 6 частотозадающий конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим входом 4, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 последовательно соединенные электронные ключи, второй 11, третий 12 и четвертый 13 частотозадающие конденсаторы. В схему введен мультидифференциальный операционный усилитель 14 с двумя входными портами, причем инвертирующий вход 15 первого порта связан с выходом мультидифференциального операционного усилителя 14, неинвертирующий вход 16 первого порта соединен с выходом 2 устройства, инвертирующий вход 17 второго порта связан с общей шиной источников питания, а неинвертирующий вход 18 второго порта соединен со входом 1 устройства, выход мультидифференциального операционного усилителя 14 связан с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно включенные первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 электронные ключи, общий узел первого 7 и второго 8 последовательно включенных электронных ключей связан с общей шиной источников питания через второй 11 частотозадающий конденсатор, общий узел второго 8 и третьего 9 последовательно включенных электронных ключей связан с общей шиной источников питания через третий 12 частотозадающий конденсатор, а общий узел последовательно включенных третьего 9 и четвертого 10 электронных ключей связан с общей шиной источников питания через четвертый 13 частотозадающий конденсатор.

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

При последовательном и периодическом замыкании первого 7, второго 8, третьего 9 и четвертого 10 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, С₆, С₁₁, С₁₂, С₁₃, – емкости первого 6, второго 11, третьего 12 и четвертого 13 частотозадающих конденсаторов соответственно.

По сравнению с прототипом (фиг. 1) в заявляемой схеме три частотозадающих конденсатора 11, 12 и 13 подключены к общей шине. Это повышает технологичность изготовления ДАФ в микроэлектронном исполнении.

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 7, вторым 8, третьим 9 и четвертым 10 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 равен . 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)) 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 второй 11, третий 12 и четвертый 13 конденсаторы одним выводом подключены к общей шине источников питания, а коэффициент передачи ФНЧ на нулевой частоте М₀ равен минус единице и не зависит от других частотозадающих элементов схемы.

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) на переключаемых конденсаторах, в котором коэффициент передачи фильтра на нулевой частоте не зависит от ёмкостей частотозадающих конденсаторов и равен минус единице, при этом большинство конденсаторов одним выводом подключены к общей шине. Такой результат обеспечивается за счет дополнительного введения в ДАФ мультидифференциального операционного усилителя с двумя входными портами, причем его выход связан с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя через последовательно включенные первый, второй, третий и четвертый электронные ключи, общий узел первого и второго последовательно включенных электронных ключей связан с общей шиной источников питания через второй частотозадающий конденсатор, общий узел второго и третьего последовательно включенных электронных ключей связан с общей шиной источников питания через третий частотозадающий конденсатор, а общий узел последовательно включенных третьего и четвертого электронных ключей связан с общей шиной источников питания через четвертый частотозадающий конденсатор. 7 ил.

Дискретно-аналоговый фильтр на переключаемых конденсаторах и мультидифференциальном операционном усилителе, 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, первый (6) частотозадающий конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя (3) и его инвертирующим входом (4), первый (7), второй (8), третий (9) и четвертый (10) последовательно соединенные электронные ключи, второй (11), третий (12) и четвертый (13) частотозадающие конденсаторы, отличающийся тем, что в схему введен мультидифференциальный операционный усилитель (14) с двумя входными портами, причем инвертирующий вход (15) первого порта связан с выходом мультидифференциального операционного усилителя (14), неинвертирующий вход (16) первого порта соединен с выходом (2) устройства, инвертирующий вход (17) второго порта связан с общей шиной источников питания, а неинвертирующий вход (18) второго порта соединен со входом (1) устройства, выход мультидифференциального операционного усилителя (14) связан с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (3) через последовательно включенные первый (7), второй (8), третий (9) и четвертый (10) электронные ключи, общий узел первого (7) и второго (8) последовательно включенных электронных ключей связан с общей шиной источников питания через второй (11) частотозадающий конденсатор, общий узел второго (8) и третьего (9) последовательно включенных электронных ключей связан с общей шиной источников питания через третий (12) частотозадающий конденсатор, а общий узел последовательно включенных третьего (9) и четвертого (10) электронных ключей связан с общей шиной источников питания через четвертый (13) частотозадающий конденсатор.