Фильтр низких частот второго порядка на двух переключаемых конденсаторах Российский патент 2024 года по МПК H03H19/00 

Предполагаемое 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 2813371, 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 и второй 8 электронные ключи, второй 9 частотозадающий конденсатор, первый 10 и второй 11 последовательно соединенные резисторы обратной связи, включенные между выходом устройства 2 и его входом 1, повторитель напряжения 12, вход которого соединен с общим узлом последовательно включенных первого 10 и второго 11 резисторов обратной связи, частотозадающий резистор 13.

Существенный недостаток известного ДАФ-прототипа состоит в том, что для реализации функции второго порядка требуется два частотозадающих резистора.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании фильтра низких частот второго порядка на двух переключаемых конденсаторах, в котором уменьшается количество резисторов частотозадающей цепи. Дополнительно появляется возможность одноэлементной перестройки частоты путем изменения сопротивления одного частотозадающего резистора при сохранении других параметров фильтра, а также возможность реализации повышенной добротности полюса при аналогичном отношении емкостей частотозадающих конденсаторов. 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 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 которого подключен к выходу 2 устройства, первый 6 частотозадающий конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим 4 входом, первый 7 и второй 8 электронные ключи, второй 9 частотозадающий конденсатор, первый 10 и второй 11 последовательно соединенные резисторы обратной связи, включенные между выходом устройства 2 и его входом 1, повторитель напряжения 12, вход которого соединен с общим узлом последовательно включенных первого 10 и второго 11 резисторов обратной связи, частотозадающий резистор 13, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введен дополнительный буферный усилитель 14, причем последовательно соединенные первый 7 электронный ключ, частотозадающий резистор 13 и второй 8 электронный ключ включены между выходом буферного усилителя 12 и входом дополнительного буферного усилителя 14, второй 9 частотозадающий конденсатор включен между входом дополнительного буферного усилителя 14 и общей шиной источников питания, выход дополнительного буферного усилителя 14 связан с общим узлом последовательно соединенных первого 7 электронного ключа и частотозадающего резистора 13 через первый 15 дополнительный электронный ключ, а общий узел частотозадающего резистора 13 и второго 8 электронного ключа связан с инвертирующим 4 входом дифференциального операционного усилителя 3 через второй 16 дополнительный электронный ключ.

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

На чертеже фиг. 2 приведена схема заявляемого фильтра низких частот второго порядка на двух переключаемых конденсаторах в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого фильтра фиг. 2 для моделирования в среде Micro-Cap.

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

На чертеже фиг. 5 приведены результаты моделирования схемы фиг. 3 в среде Micro-Cap при частоте входного сигнала 11250 Гц.

На чертеже фиг. 6 представлены результаты моделирования схемы фиг. 3 при частоте входного сигнала 11,25 Гц. Из данного графика следует, что коэффициент передачи заявляемого фильтра в диапазоне низких частот близок к минус единице.

На чертеже фиг. 7 приведены результаты моделирования схемы фиг. 3 при высокой частоте входного сигнала 112500Гц.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.

Фильтр низких частот второго порядка на двух 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 которого подключен к выходу 2 устройства, первый 6 частотозадающий конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя 3 и его инвертирующим 4 входом, первый 7 и второй 8 электронные ключи, второй 9 частотозадающий конденсатор, первый 10 и второй 11 последовательно соединенные резисторы обратной связи, включенные между выходом устройства 2 и его входом 1, повторитель напряжения 12, вход которого соединен с общим узлом последовательно включенных первого 10 и второго 11 резисторов обратной связи, частотозадающий резистор 13. В схему введен дополнительный буферный усилитель 14, причем последовательно соединенные первый 7 электронный ключ, частотозадающий резистор 13 и второй 8 электронный ключ включены между выходом буферного усилителя 12 и входом дополнительного буферного усилителя 14, второй 9 частотозадающий конденсатор включен между входом дополнительного буферного усилителя 14 и общей шиной источников питания, выход дополнительного буферного усилителя 14 связан с общим узлом последовательно соединенных первого 7 электронного ключа и частотозадающего резистора 13 через первый 15 дополнительный электронный ключ, а общий узел частотозадающего резистора 13 и второго 8 электронного ключа связан с инвертирующим 4 входом дифференциального операционного усилителя 3 через второй 16 дополнительный электронный ключ.

Рассмотрим работу заявляемого фильтра низких частот на чертеже фиг. 2.

При последовательном и периодическом замыкании первого 7, второго 8 электронных ключей, первого 15, второго 16 дополнительных электронных ключей, а также при частоте переключения электронных ключей намного 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

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

- коэффициент передачи ФНЧ на частоте полюса

- частота полюса

- затухание полюса

В формуле (4) – частота переключения электронных ключей, а – период их переключения, длительность замкнутого состояния ключей в течение периода, которая может находиться в диапазоне от 0 до T/2, R₁₀, R₁₁, - сопротивления первого 10 и второго 11 резисторов обратной связи, R₁₃– сопротивления частотозадающего резистора 13, С₆, С₉ – емкости первого 6 и второго 9 частотозадающих конденсаторов соответственно.

Работоспособность заявляемой схемы подтверждена путем её моделирования в программе Micro-Cap. На фиг. 3 показана схема для моделирования, а на чертеже фиг. 4 – последовательность импульсов, управляющих первым 7 и вторым 8электронными ключами, а такжепервым 15 дополнительным и вторым 16 дополнительным 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 1 МГц (их периоде 1 мкс) равна частоте полюса реализуемой схемой. В соответствии с формулой (3) на этой частоте при выбранных параметрах элементов коэффициент передачи ДАФ 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) при R₁₀=R₁₁) и близкий к нулю коэффициент передачи на повышенных частотах.

Таким образом, предлагаемый фильтр низких частот обладает существенными преимуществами в сравнении с ДАФ-прототипом – имеет при втором порядке передаточной функции только два частотозадающих конденсатора (6 и 9) и четыре электронных ключа (7, 8, 15 и 16). Известные схемы ДАФ такими свойствами не обладают.

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. ПатентSU 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 EP0055260 (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. ПатентRU 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: уменьшение количества резисторов частотозадающей цепи и обеспечение возможности перестройки частоты путем изменения сопротивления резистора, а также возможности реализации повышенной добротности. Для этого предложен фильтр низких частот, в схему которого введен дополнительный буферный усилитель (14), причем последовательно соединенные первый (7) электронный ключ, частотозадающий резистор (13) и второй (8) электронный ключ включены между выходом буферного усилителя (12) и входом дополнительного буферного усилителя (14), второй (9) частотозадающий конденсатор включен между входом дополнительного буферного усилителя (14) и общей шиной источников питания, выход дополнительного буферного усилителя (14) связан с общим узлом последовательно соединенных первого (7) электронного ключа и частотозадающего резистора (13) через первый (15) дополнительный электронный ключ, а общий узел частотозадающего резистора (13) и второго (8) электронного ключа связан с инвертирующим (4) входом дифференциального операционного усилителя (3) через второй (16) дополнительный электронный ключ. 7 ил.

Фильтр низких частот второго порядка на двух 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 которого подключен к выходу (2) устройства, первый (6) частотозадающий конденсатор, включенный между выходом дифференциального операционного усилителя (3) и его инвертирующим (4) входом, первый (7) и второй (8) электронные ключи, второй (9) частотозадающий конденсатор, первый (10) и второй (11) последовательно соединенные резисторы обратной связи, включенные между выходом устройства (2) и его входом (1), повторитель напряжения (12), вход которого соединен с общим узлом последовательно включенных первого (10) и второго (11) резисторов обратной связи, частотозадающий резистор (13), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный буферный усилитель (14), причем последовательно соединенные первый (7) электронный ключ, частотозадающий резистор (13) и второй (8) электронный ключ включены между выходом буферного усилителя (12) и входом дополнительного буферного усилителя (14), второй (9) частотозадающий конденсатор включен между входом дополнительного буферного усилителя (14) и общей шиной источников питания, выход дополнительного буферного усилителя (14) связан с общим узлом последовательно соединенных первого (7) электронного ключа и частотозадающего резистора (13) через первый (15) дополнительный электронный ключ, а общий узел частотозадающего резистора (13) и второго (8) электронного ключа связан с инвертирующим (4) входом дифференциального операционного усилителя (3) через второй (16) дополнительный электронный ключ.