Дискретно-аналоговый фильтр на переключаемых конденсаторах Российский патент 2024 года по МПК H03H19/00 H03H11/12 H03H17/04 

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 4 входом, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 последовательно соединенные электронные ключи, второй 11, третий 12 и четвертый 13 частотозадающие конденсаторы, повторитель напряжения 14.

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. При этом коэффициент передачи ДАФ-прототипа зависит от емкостей частотозадающих конденсаторов.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании дискретно-аналогового фильтра на переключаемых конденсаторах, в котором большинство частотозадающих конденсаторов одним выводом подключены к общей шине, а также в реализации более высокой добротности полюса, что необходимо для построения фильтров высокого порядка. При этом коэффициент передачи предлагаемого ДАФ на нулевой частоте всегда равен минус единице и не зависит от величин ёмкостей частотозадающих конденсаторов. 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 4 входом, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 последовательно соединенные электронные ключи, второй 11, третий 12 и четвертый 13 частотозадающие конденсаторы, повторитель напряжения 14, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен мультидифференциальный операционный усилитель 15 с двумя входными портами, причем инвертирующий вход 16 первого порта связан с выходом мультидифференциального операционного усилителя 15, неинвертирующий вход 17 первого порта соединен с выходом 2 устройства, инвертирующий вход 18 второго порта связан с общей шиной источников питания, а неинвертирующий вход 19 второго порта соединен со входом 1 устройства, выход мультидифференциального операционного усилителя 15 соединен со входом повторителя напряжения 14 через последовательно соединенные первый 7 и второй 8 электронные ключи, общий узел первого 7 и второго 8 последовательно включенных электронных ключей связан с общей шиной источников питания через второй 11 частотозадающий конденсатор, вход повторителя напряжения 14 соединен с общей шиной источников питания через третий 12 частотозадающий конденсатор, выход повторителя напряжения 14 связан с инвертирующим 4 входом дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные третий 9 и четвертый 10 электронные ключи, а общий узел последовательно соединенных 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, при реализации высоких добротностей полюса здесь требуется меньшее отношение емкостей частотозадающих конденсаторов.

Дискретно-аналоговый фильтр 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, первый 6 частотозадающий конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим 4 входом, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 последовательно соединенные электронные ключи, второй 11, третий 12 и четвертый 13 частотозадающие конденсаторы, повторитель напряжения 14. В схему введен мультидифференциальный операционный усилитель 15 с двумя входными портами, причем инвертирующий вход 16 первого порта связан с выходом мультидифференциального операционного усилителя 15, неинвертирующий вход 17 первого порта соединен с выходом 2 устройства, инвертирующий вход 18 второго порта связан с общей шиной источников питания, а неинвертирующий вход 19 второго порта соединен со входом 1 устройства, выход мультидифференциального операционного усилителя 15 соединен со входом повторителя напряжения 14 через последовательно соединенные первый 7 и второй 8 электронные ключи, общий узел первого 7 и второго 8 последовательно включенных электронных ключей связан с общей шиной источников питания через второй 11 частотозадающий конденсатор, вход повторителя напряжения 14 соединен с общей шиной источников питания через третий 12 частотозадающий конденсатор, выход повторителя напряжения 14 связан с инвертирующим 4 входом дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные третий 9 и четвертый 10 электронные ключи, а общий узел последовательно соединенных 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

, (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 формуле (4) - частота переключения электронных ключей, а - период их переключения, С₆, С₁₁, С₁₂ и 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 ДАФ равен . 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)) 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. Техническим результатом изобретения является повышение добротности полюса, обеспечение независимости коэффициента передачи дискретно-аналогового фильтра (ДАФ) на нулевой частоте от величин емкостей частотозадающих конденсаторов, повышение технологичности изготовления ДАФ при его микроэлектронном исполнении. Дискретно-аналоговый фильтр на переключаемых конденсаторах дополнительно содержит мультидифференциальный операционный усилитель (15) с двумя входными портами. Инвертирующий вход (16) первого порта мультидифференциального операционного усилителя (15) связан с его выходом. Неинвертирующий вход (17) первого порта мультидифференциального операционного усилителя (15) соединен с выходом (2) устройства. Инвертирующий вход (18) второго порта мультидифференциального операционного усилителя (15) связан с общей шиной источников питания. Неинвертирующий вход (19) второго порта мультидифференциального операционного усилителя (15) соединен со входом (1) устройства. Выход мультидифференциального операционного усилителя (15) соединен со входом повторителя напряжения (14) через последовательно соединенные первый (7) и второй (8) электронные ключи. Общий узел первого (7) и второго (8) последовательно включенных электронных ключей связан с общей шиной источников питания через второй (11) частотозадающий конденсатор. Вход повторителя напряжения (14) соединен с общей шиной источников питания через третий (12) частотозадающий конденсатор. Выход повторителя напряжения (14) связан с инвертирующим (4) входом дифференциального операционного усилителя (3) через последовательно соединенные третий (9) и четвертый (10) электронные ключи. Общий узел последовательно соединенных третьего (9) и четвертого (10) электронных ключей связан с общей шиной источников питания через четвертый (13) частотозадающий конденсатор. 7 ил.

Дискретно-аналоговый фильтр 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, первый (6) частотозадающий конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя (3) и его инвертирующим (4) входом, первый (7), второй (8), третий (9) и четвертый (10) последовательно соединенные электронные ключи, второй (11), третий (12) и четвертый (13) частотозадающие конденсаторы, повторитель напряжения (14), отличающийся тем, что в схему введен мультидифференциальный операционный усилитель (15) с двумя входными портами, причем инвертирующий вход (16) первого порта связан с выходом мультидифференциального операционного усилителя (15), неинвертирующий вход (17) первого порта соединен с выходом (2) устройства, инвертирующий вход (18) второго порта связан с общей шиной источников питания, а неинвертирующий вход (19) второго порта соединен со входом (1) устройства, выход мультидифференциального операционного усилителя (15) соединен со входом повторителя напряжения (14) через последовательно соединенные первый (7) и второй (8) электронные ключи, общий узел первого (7) и второго (8) последовательно включенных электронных ключей связан с общей шиной источников питания через второй (11) частотозадающий конденсатор, вход повторителя напряжения (14) соединен с общей шиной источников питания через третий (12) частотозадающий конденсатор, выход повторителя напряжения (14) связан с инвертирующим (4) входом дифференциального операционного усилителя (3) через последовательно соединенные третий (9) и четвертый (10) электронные ключи, а общий узел последовательно соединенных третьего (9) и четвертого (10) электронных ключей связан с общей шиной источников питания через четвертый (13) частотозадающий конденсатор.