Дискретно-аналоговый фильтр на переключаемых конденсаторах 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 4 входом, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 электронные ключи, второй 11 частотозадающий конденсатор, включенный параллельно первому 7 электронному ключу, третий 12 частотозадающий конденсатор, четвертый 13 частотозадающий конденсатор, включенный параллельно четвертому 10 электронному ключу, повторитель напряжения 14.

Существенный недостаток известного дискретно-аналогового фильтра на переключаемых конденсаторах (фиг. 1) состоит в том, что его коэффициент передачи на нулевой частоте зависит от сопротивлений резисторов обратной связи. Кроме этого, здесь для реализации больших добротностей полюса (при построении фильтров высокого порядка) требуется большое отношение емкостей частотозадающих конденсаторов, что отрицательно сказывается на технологичности изготовления ДАФ.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании дискретно-аналогового фильтра на переключаемых конденсаторах, в котором:

- коэффициент передачи фильтра на нулевой частоте не зависит от сопротивлений резисторов и частотозадающих конденсаторов и всегда равен минус единице,

- при реализации высоких добротностей полюса не требуется большое отношение емкостей частотозадающих конденсаторов.

Эти преимущества достигаются 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 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 электронные ключи, второй 11 частотозадающий конденсатор, включенный параллельно первому 7 электронному ключу, третий 12 частотозадающий конденсатор, четвертый 13 частотозадающий конденсатор, включенный параллельно четвертому 10 электронному ключу, 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, вход повторителя напряжения 14 связан с общей шиной источников питания через третий 12 частотозадающий конденсатор, выход повторителя напряжения 14 соединен с инвертирующим 4 входом дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные третий 9 и четвертый 10 электронные ключи.

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 на нулевой частоте он имеет коэффициент передачи, равный минус единице, который не зависит от разброса параметров других элементов схемы. Кроме этого, в данной схеме при реализации высоких добротностей требуется меньшее отношение емкостей частотозадающих конденсаторов С₆ и С₁₂.

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 электронные ключи, второй 11 частотозадающий конденсатор, включенный параллельно первому 7 электронному ключу, третий 12 частотозадающий конденсатор, четвертый 13 частотозадающий конденсатор, включенный параллельно четвертому 10 электронному ключу, 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, вход повторителя напряжения 14 связан с общей шиной источников питания через третий 12 частотозадающий конденсатор, выход повторителя напряжения 14 соединен с инвертирующим 4 входом дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные третий 9 и четвертый 10 электронные ключи.

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:

- коэффициент передачи фильтра на нулевой частоте не зависит от сопротивлений резисторов и частотозадающих конденсаторов, а также резисторов, и всегда равен минус единице,

- при реализации высоких добротностей полюса не требуется большое отношение емкостей частотозадающих конденсаторов.

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 1591 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 10. 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 коэффициент передачи ДАФ 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 создание дискретно-аналогового фильтра (ДАФ) на переключаемых конденсаторах, в котором коэффициент передачи фильтра на нулевой частоте не зависит от сопротивлений резисторов и частотозадающих конденсаторов и всегда равен минус единице, при реализации высоких добротностей полюса не требуется большое отношение емкостей частотозадающих конденсаторов. Дискретно-аналоговый фильтр на переключаемых конденсаторах дополнительно содержит мультидифференциальный операционный усилитель (15) с двумя входными портами. 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. 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. Вход повторителя напряжения (14) связан с общей шиной источников питания через третий (12) частотозадающий конденсатор. Выход повторителя напряжения (14) соединен с инвертирующим (4) входом дифференциального операционного усилителя (3) через последовательно соединенные третий (9) и четвертый (10) электронные ключи. 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) электронные ключи, второй (11) частотозадающий конденсатор, включенный параллельно первому (7) электронному ключу, третий (12) частотозадающий конденсатор, четвертый (13) частотозадающий конденсатор, включенный параллельно четвертому (10) электронному ключу, 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, вход повторителя напряжения (14) связан с общей шиной источников питания через третий (12) частотозадающий конденсатор, выход повторителя напряжения (14) соединен с инвертирующим (4) входом дифференциального операционного усилителя (3) через последовательно соединенные третий (9) и четвертый (10) электронные ключи.