Дискретно-аналоговый фильтр второго порядка на трех переключаемых конденсаторах с трехфазным управлением 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, статическому токопотреблению, 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 2813369, 2024 г. Он 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, второй 8 и третий 9 электронные ключи, второй 10 и третий 11 частотозадающие конденсаторы.

Существенный недостаток известного ДАФ-прототипа на чертеже фиг. 1 состоит в том, что для реализации функции второго порядка требуется четыре конденсатора, четыре электронных ключа и три усилителя.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании дискретно-аналогового фильтра второго порядка на переключаемых конденсаторах, в котором уменьшается количество конденсаторов, электронных ключей и усилителей, при сохранении базовых свойств схемы. Дополнительно появляется возможность одноэлементной перестройки частоты путем изменения емкости одного конденсатора при сохранении емкости у других. Указанные выше преимущества реализуются 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 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, второй 8 и третий 9 электронные ключи, второй 10 и третий 11 частотозадающие конденсаторы, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен мультидифференциальный операционный усилитель 12, инвертирующий вход первого порта которого соединен с выходом мультидифференциального операционного усилителя 12, неинвертирующий вход первого порта соединен с выходом 2 устройства, инвертирующий вход второго порта соединен с общей шиной источников питания, а неинвертирующий вход второго порта подключен ко входу 1 устройства, выход мультидифференциального операционного усилителя 12 связан с инвертирующим 4 входом дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные первый 7 и второй 8 электронные ключи, общий узел которых связан с общей шиной источников питания через второй 10 частотозадающий конденсатор, кроме этого общий узел первого 7 и второго 8 электронных ключей связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные третий 9 электронный ключ и третий 11 частотозадающий конденсатор.

На фиг. 1 показана схема дискретно-аналогового фильтра на переключаемых конденсаторах - прототипа.

На фиг. 2 приведена схема заявляемого дискретно-аналогового фильтра на переключаемых конденсаторах в соответствии с формулой изобретения.

На фиг. 3 представлена схема заявляемого фильтра для моделирования в среде Micro-Cap.

На фиг. 4 показаны последовательности импульсов, управляющих электронными ключами в схеме фиг. 3.

На фиг. 5 приведены результаты моделирования схемы фиг. 3 в среде Micro-Cap при частоте входного сигнала 1591 Гц.

На фиг. 6 представлены результаты моделирования схемы фиг. 3 при частоте входного сигнала 15,91 Гц. Из данного графика следует, что коэффициент передачи заявляемого фильтра в диапазоне низких частот близок к минус единице.

На 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. 5, фиг. 6 и фиг. 7 показывают, что заявляемое устройство обладает свойствами фильтра низких частот.

Дискретно-аналоговый фильтр второго порядка на трех переключаемых конденсаторах с трехфазным управлением 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, второй 8 и третий 9 электронные ключи, второй 10 и третий 11 частотозадающие конденсаторы. В схему введен мультидифференциальный операционный усилитель 12, инвертирующий вход первого порта которого соединен с выходом мультидифференциального операционного усилителя 12, неинвертирующий вход первого порта соединен с выходом 2 устройства, инвертирующий вход второго порта соединен с общей шиной источников питания, а неинвертирующий вход второго порта подключен ко входу 1 устройства, выход мультидифференциального операционного усилителя 12 связан с инвертирующим 4 входом дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные первый 7 и второй 8 электронные ключи, общий узел которых связан с общей шиной источников питания через второй 10 частотозадающий конденсатор, кроме этого общий узел первого 7 и второго 8 электронных ключей связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные третий 9 электронный ключ и третий 11 частотозадающий конденсатор.

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

При последовательном и периодическом замыкании электронных ключей 7, 8 и 9, 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)

где М₀ - коэффициент передачи ФНЧ на нулевой частоте,

- частота полюса,

- затухание полюса.

Основные параметры фильтра на чертеже фиг. 2 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, С₁₀, С₁₁ - емкости первого 6, второго 10 и третьего 11 частотозадающих конденсаторов соответственно.

Кроме этого, здесь при реализации более высоких добротностей полюса при прочих равных условиях по сравнению с прототипом требуется меньшее отношение емкостей первого 6 и третьего 11 конденсаторов.

Работоспособность заявляемой схемы подтверждена путем ее моделирования в программе Micro-Cap.На фиг. 3 показана схема для моделирования, а на фиг. 4 - последовательности импульсов, управляющих первым 7, вторым 8 и третьим 9 электронными ключами.

На фиг. 5 показана реакция схемы фиг. 3 (ее выходное напряжение v(Out_1)) на входной синусоидальный сигнал v(In) с амплитудой 1 В и частотой равной 1125 Гц, которая при параметрах элементов, указанных на схеме фиг. 3 и частоте переключения электронных ключей 1МГц (их периоде 1 мксек) равна частоте полюса реализуемой схемой. В соответствии с формулой (3) на этой частоте при выбранных параметрах элементов коэффициент передачи равен 10. При необходимости численные значения могут принимать другие (меньшие) значения.

В верхней части чертежа 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 еще при реализации высоких добротностей требуется меньшее отношение емкостей первого 6 и второго 11 конденсаторов, что повышает технологичность изготовления ДАФ в микроэлектронном исполнении.

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. Технический результат: упрощение схемы и обеспечение возможности одноэлементной перестройки частоты. Для этого предложен дискретно-аналоговый фильтр, в схему которого введен мультидифференциальный операционный усилитель (12), инвертирующий вход первого порта которого соединен с выходом мультидифференциального операционного усилителя (12), неинвертирующий вход первого порта соединен с выходом (2) устройства, инвертирующий вход второго порта соединен с общей шиной источников питания, а неинвертирующий вход второго порта подключен ко входу (1) устройства, выход мультидифференциального операционного усилителя (12) связан с инвертирующим (4) входом дифференциального операционного усилителя (3) через последовательно соединенные первый (7) и второй (8) электронные ключи, общий узел которых связан с общей шиной источников питания через второй (10) частотозадающий конденсатор, кроме этого общий узел первого (7) и второго (8) электронных ключей связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные третий (9) электронный ключ и третий (11) частотозадающий конденсатор. 7 ил.

Дискретно-аналоговый фильтр второго порядка на трех переключаемых конденсаторах с трехфазным управлением, 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), второй (8) и третий (9) электронные ключи, второй (10) и третий (11) частотозадающие конденсаторы, отличающийся тем, что в схему введен мультидифференциальный операционный усилитель (12), инвертирующий вход первого порта которого соединен с выходом мультидифференциального операционного усилителя (12), неинвертирующий вход первого порта соединен с выходом (2) устройства, инвертирующий вход второго порта соединен с общей шиной источников питания, а неинвертирующий вход второго порта подключен ко входу (1) устройства, выход мультидифференциального операционного усилителя (12) связан с инвертирующим (4) входом дифференциального операционного усилителя (3) через последовательно соединенные первый (7) и второй (8) электронные ключи, общий узел которых связан с общей шиной источников питания через второй (10) частотозадающий конденсатор, кроме этого общий узел первого (7) и второго (8) электронных ключей связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные третий (9) электронный ключ и третий (11) частотозадающий конденсатор.