Дискретно-аналоговый фильтр второго порядка на переключаемых конденсаторах и сумматоре сигналов на основе мультидифференциального операционного усилителя 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 2813371, 2024 г. Онсодержитвход 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, буферный усилитель 10, частотозадающий резистор 11.

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 дискретно-аналогового фильтра второго порядка на переключаемых конденсаторах и сумматоре сигналов на основе мультидифференциального операционного усилителя, 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 и обеспечивается независимость коэффициента передачи от параметров пассивных элементов схемы. 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 и второй 8 электронные ключи, второй 9 частотозадающий конденсатор, буферный усилитель 10, частотозадающий резистор 11, 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 со входом буферного усилителя 10 через последовательно включенные первый 7 электронный ключ, частотозадающий резистор 11 и второй 8 электронный ключ, между входом буферного усилителя 10 и общей шиной источников питания включен второй 9 частотозадающий конденсатор, выход буферного усилителя 10 связан с общим узлом последовательно соединенных первого 7 электронного ключа и частотозадающего резистора 11 через первый 13 дополнительный электронный ключ, а общий узел последовательно включенных частотозадающего резистора 11 и второго 8 электронного ключа связан с инвертирующим 4 входом дифференциального операционного усилителя 3 через второй 14 дополнительный электронный ключ.

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 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 15910 Гц.

На чертеже 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 чертеже фиг. 7 приведены результаты моделирования схемы фиг. 3 при высокой частоте входного сигнала 159100Гц.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 переключаемых конденсаторах и сумматоре сигналов на основе мультидифференциального операционного усилителя 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, буферный усилитель 10, частотозадающий резистор 11. 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 со входом буферного усилителя 10 через последовательно включенные первый 7 электронный ключ, частотозадающий резистор 11 и второй 8 электронный ключ, между входом буферного усилителя 10 и общей шиной источников питания включен второй 9 частотозадающий конденсатор, выход буферного усилителя 10 связан с общим узлом последовательно соединенных первого 7 электронного ключа и частотозадающего резистора 11 через первый 13 дополнительный электронный ключ, а общий узел последовательно включенных частотозадающего резистора 11 и второго 8 электронного ключа связан с инвертирующим 4 входом дифференциального операционного усилителя 3 через второй 14 дополнительный электронный ключ.

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

При последовательном и периодическом замыкании первого 7 и второго 8 электронных ключей, первого 13 и второго 14 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, R₁₁ – сопротивление частотозадающего резистора 11, 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 фиг. 4 – последовательность импульсов, управляющих первым 7 и вторым 8 электронными ключами, а также первым 13 и вторым 14 дополнительными 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 ключей1МГц (их периоде 1мксек) равна частоте полюса , реализуемой схемой. В соответствии с формулой (3) на этой частоте при выбранных параметрах элементов коэффициент передачи ДАФ равен -10,0. 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. =-1.

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 – имеет при втором порядке передаточной функции только два частотозадающих конденсатора (6 и 9) и четыре электронных ключа (7, 8, 13 и 14). Известные схемы ДАФ такими свойствами не обладают.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК

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 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. 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 - уменьшение количества резисторов частотозадающей цепи и обеспечение возможности перестройки частоты, а также реализация повышенной добротности. Для этого предложен дискретно-аналоговый фильтр, в схему которого введен мультидифференциальный операционный усилитель (12), инвертирующий вход первого порта которого соединен с его выходом, неинвертирующий вход первого порта соединен с выходом (2) устройства, инвертирующий вход второго порта соединен с общей шиной, а неинвертирующий вход второго порта подключен ко входу (1) устройства, выход мультидифференциального операционного усилителя (12) связан со входом буферного усилителя (10) через первый (7) ключ, резистор (11) и второй (8) ключ, между входом буферного усилителя (10) и общей шиной включен второй (9) конденсатор, выход буферного усилителя (10) связан с общим узлом последовательно соединенных первого (7) ключа и резистора (11) через первый (13) дополнительный ключ, а общий узел последовательно включенных резистора (11) и второго (8) ключа связан с инвертирующим (4) входом усилителя (3) через второй (14) дополнительный ключ. 7 ил.

Дискретно-аналоговый фильтр второго порядка на переключаемых конденсаторах и сумматоре сигналов на основе мультидифференциального операционного усилителя, 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, буферный усилитель (10), частотозадающий резистор (11), 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 со входом буферного усилителя (10) через последовательно включенные первый (7) электронный ключ, частотозадающий резистор (11) и второй (8) электронный ключ, между входом буферного усилителя (10) и общей шиной источников питания включен второй (9) частотозадающий конденсатор, выход буферного усилителя (10) связан с общим узлом последовательно соединенных первого (7) электронного ключа и частотозадающего резистора (11) через первый (13) дополнительный электронный ключ, а общий узел последовательно включенных частотозадающего резистора (11) и второго (8) электронного ключа связан с инвертирующим (4) входом дифференциального операционного усилителя (3) через второй (14) дополнительный электронный ключ.