Перестраиваемый полосовой активный RC-фильтр Российский патент 2024 года по МПК H03H11/12 H03H1/02 H03H7/12 

Изобретение относится к средствам, используемым для выделения спектра источника сигнала, например, при обработке аналого-цифровыми преобразователями. Полосовые активные RC-фильтры относятся к числу распространенных аналоговых устройств, определяющих качественные показатели многих радиотехнических систем при цифровой обработке сигналов.

Известен активный RC-фильтр, (патент RU 2694134, МПК H03H 11/1252, "Полосовой ARC-фильтр на двух операционных усилителях с повышением частоты полюса и независимой подстройкой основных параметров", опубл. 07.09.2019). Фильтр содержит вход и выход устройства, первый операционный усилитель, выход которого соединен с выходом устройства, первый резистор, включенный между выходом и инвертирующим входом первого операционного усилителя, второй и третий последовательно соединенные резисторы, включенные между инвертирующим входом первого операционного усилителя и общей шиной источников питания, первый конденсатор, включенный между общим узлом последовательно соединенных вторым, третьим резисторами и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, четвертый резистор, первый вывод которого соединен с выходом первого операционного усилителя, пятый резистор, первый вывод которого связан с общей шиной источников питания, шестой резистор, первый вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, седьмой резистор, первый вывод которого соединен со входом устройства, вторые выводы шестого и седьмого резисторов соединены с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а восьмой резистор включен между выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя связан с общей шиной источников питания, выход второго операционного усилителя связан через девятый резистор со вторым выводом четвертого резистора, который подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя и второму выводу пятого резистора через второй конденсатор.

Существенный недостаток полосового фильтра состоит в том, что в нем не обеспечивается независимая перестройка основных параметров схемы: резонансной частоты, полюсной добротности и коэффициента передачи. Это усложняет расчет параметров элементов схемы перестраиваемого полосового активного RC-фильтра.

Известен активный RC-фильтр, (патент RU №2718830 МПК H03H 11/12, "Полосовой фильтр второго порядка с независимой подстройкой основных параметров", опубл. 2019.11.25). Фильтр содержит вход и выход устройства, первый и второй дифференциальные операционные усилители, первый, второй и третий последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом второго дифференциального операционного усилителя, связанного с выходом устройства, и общей шиной источника питания, причем общий узел первого и второго последовательно соединенных резисторов подключен к инвертирующему входу второго дифференциального операционного усилителя, а общий узел второго и третьего последовательно соединенных резисторов связан с неинвертирующим входом второго дифференциального операционного усилителя через первый конденсатор, четвертый и пятый последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом первого дифференциального операционного усилителя и входом устройства, причем инвертирующий вход первого дифференциального операционного усилителя соединен с инвертирующим входом второго дифференциального операционного усилителя через шестой резистор, а неинвертирующий вход первого дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источника питания, выход первого дифференциального операционного усилителя связан с неинвертирующим входом второго дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные второй конденсатор и седьмой резистор, причем общий узел из последовательно соединенных второго конденсатора и седьмого резистора подключен к общей шине источника питания через восьмой резистор и связан с выходом устройства через третий конденсатор.

Существенный недостаток полосового фильтра состоит в том, что в схеме используется избыточное число элементов, что усложняет независимую настройку основных параметров фильтра: резонансную частоту, полюсную добротность и коэффициент передачи на резонансной частоте.

Известен перестраиваемый активный RC-фильтр, (патент RU №2722752, МПК H03H 11/12, «Полосовой фильтр с независимой подстройкой частоты полюса, затухания полюса и коэффициента передачи», опубл. 12.11.2019), являющийся наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению. Фильтр содержит вход и выход устройства, первый и второй дифференциальные операционные усилители, первый и второй последовательно соединенные резисторы, включенные между входом устройства и выходом второго дифференциального операционного усилителя, общий узел которых связан с инвертирующим входом второго дифференциального операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине источников питания, восьмой резистор включен между неинвертирующим входом первого дифференциального операционного усилителя и общей шиной источников питания, выход первого дифференциального операционного усилителя соединен с выходом устройства, выход второго дифференциального операционного усилителя связан с инвертирующим входом первого дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные первый конденсатор и четвертый резистор, выход первого дифференциального операционного усилителя связан с неинвертирующим входом первого дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные шестой и седьмой резисторы, общий узел которых связан с общим узлом последовательно соединенных первого конденсатора и четвертого резистора через пятый резистор, выход устройства соединен с инвертирующим входом первого дифференциального операционного усилителя через второй конденсатор и подключен к инвертирующему входу второго дифференциального операционного усилителя через третий резистор.

Существенный недостаток полосового фильтра заключается в сложности выполнения итерационного (пошагового) процесса настройки основных параметров схемы, так как при подстройке одного из параметров фильтра, например, затухания или резонансной частоты, изменяется другой параметр амплитудно-частотной характеристики - коэффициент передачи в полосе пропускания. Поэтому настройку каждого параметра фильтра приходится повторять несколько раз, что значительно усложняет реализацию перестраиваемого полосового активного RC-фильтра.

Задача заявляемого изобретения заключается в расширении технических возможностей измерительной аппаратуры за счет независимой перестройки параметров полосового активного RC-фильтра.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявляемого технического решения заключается в возможности независимой перестройки основных параметров фильтра: резонансной частоты, полюсной добротности и коэффициента передачи фильтра на резонансной частоте, при этом перестройка полюсной добротности может быть выполнена при использовании регулируемого мемристора.

Для достижения технического результата в перестраиваемом полосовом активном RC-фильтре, содержащем первый и второй инвертирующие операционные усилители, восемь резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого, второго и восьмого резисторов подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а вторые выводы первого и второго резисторов соединены с входом фильтра и выходом первого операционного усилителя, первые выводы шестого резистора и второго конденсатора подключены к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а вторые выводы второго конденсатора и седьмого резистора соединены с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к общей базе фильтра, дополнительно введены третий и четвертый инвертирующие операционные усилители, причем первые выводы третьего, четвертого и седьмого резисторов подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, а вторые выводы третьего и четвертого резисторов соединены с выходами первого и третьего операционных усилителей, первые выводы пятого резистора и первого конденсатора подключены к инвертирующему входу четвертого операционного усилителя, а их вторые выводы соединены с выходами третьего и четвертого операционных усилителей, вторые выводы шестого, восьмого резисторов и выход фильтра подключены к выходу четвертого операционного усилителя, неинвертирующие входы второго, третьего и четвертого операционных усилителей подключены к общей базе фильтра, при этом четвертый резистор выполнен в виде перестраиваемого мемристора, а первый и третий резисторы являются регулируемыми.

Сущность заявляемого технического решения поясняется следующими графическими материалами: на фиг. 1 изображена схема перестраиваемого полосового активного RC-фильтра; на фиг. 2 - блок-схема полосового фильтра; на фиг. 3 - модель перестраиваемого мемристора; на фиг. 4 - частотные характеристики полосового фильтра с перестраиваемой резонансной частотой при использовании мемристора; на фиг. 5 - частотные характеристики полосового фильтра с регулируемой полюсной добротностью; на фиг. 6 - частотные характеристики полосового фильтра с перестраиваемым коэффициентом передачи; на фиг. 7 - импульсная характеристика полосового фильтра.

Перестраиваемый полосовой активный RC-фильтр (фиг. 1) содержит первый 1 и второй 2 инвертирующие операционные усилители, восемь резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого 5, второго 6 и восьмого 7 резисторов подключены к инвертирующему входу первого 1 операционного усилителя, а вторые выводы первого 5 и второго 6 резисторов соединены со входом 8 фильтра и выходом первого 1 операционного усилителя, соответственно первые выводы шестого 14 резистора и второго 15 конденсатора подключены к инвертирующему входу второго 2 операционного усилителя, а вторые выводы второго 15 конденсатора и седьмого 11 резистора соединены с выходом второго 2 операционного усилителя, неинвертирующий вход первого 1 операционного усилителя подключен к общей базе фильтра, а также содержит третий 3 и четвертый 4 инвертирующие операционные усилители, причем первые выводы третьего 9, четвертого 10 и седьмого 11 резисторов подключены к инвертирующему входу третьего 3 операционного усилителя, а вторые выводы третьего 9 и четвертого 10 резисторов соединены с выходами первого 1 и третьего 3 операционных усилителей соответственно, первые выводы пятого 12 резистора и первого 13 конденсатора подключены к инвертирующему входу четвертого 4 операционного усилителя, а их вторые выводы соединены с выходами третьего 3 и четвертого 4 операционных усилителей, вторые выводы шестого 14, восьмого 7 резисторов и выход 16 фильтра подключены к выходу четвертого 4 операционного усилителя, неинвертирующие входы второго 2, третьего 3 и четвертого 4 операционных усилителей подключены к общей базе фильтра, при этом четвертый 4 резистор выполнен в виде регулируемого мемристора, а первый 1 и третий 3 резисторы также являются регулируемыми.

Передаточная функция заявляемого перестраиваемого активного RC-фильтра имеет вид

где круговая резонансная частота;

полюсная добротность;

и постоянные времени;

коэффициент передачи фильтра на резонансной частоте.

Схема полосового активного RC-фильтра показана на фиг. 1. На фиг. 2 представлена блок-схема фильтра, на которой изображены используемые в схеме две отрицательные обратные связи. В первую обратную связь включены первый и третий операционные усилители, а также первый активный RC-интегратор, реализованный на четвертом операционном усилителе. Во вторую обратную связь - третий операционный усилитель и два активных RC-интегратора, реализованных на втором и четвертом операционных усилителях. На резонансных частотах фильтра во втором 2 узле схемы (фиг. 2) осуществляется суммирование совпадающих по фазе сигналов первой и второй обратных связей, что позволяет реализовать схему перестраиваемого полосового фильтра с требуемой передаточной функцией

Полосовой фильтр работает следующим образом:

При подаче на вход фильтра напряжения постоянного тока (f=0) коэффициенты усиления второго и четвертого инвертирующих операционных усилителей становятся бесконечно большими. Для обеспечения работы этих усилителей в линейном режиме на их входах необходимо поддерживать напряжение близким к нулю, тогда выходное напряжение полосового фильтра будет минимальным. При бесконечно большой частоте входного напряжения реактивные сопротивления первого и второго конденсаторов будут минимальными, т. е. второй и четвертый инвертирующие операционные усилители оказываются охваченными 100%-ной отрицательной обратной связью, а значит, практически не усиливают сигналы. Таким образом, напряжение на выходе фильтра будет близким к нулю. На частотах, отличных от рассмотренных, коэффициент передачи фильтра определяется отношением сопротивлений восьмого и первого резисторов. Коэффициент передачи фильтра можно независимо регулировать в широких пределах изменением сопротивления первого резистора. Полюсная добротность фильтра в широких пределах изменяется регулированием сопротивления третьего резистора. Перестройка резонансной частоты в описанной схеме осуществляется изменением сопротивления четвертого резистора, который может быть выполнен в виде регулируемого мемристора (фиг. 3). Используемый мемристор характеризуется активным сопротивлением которое на схеме (фиг. 1) показано как сопротивление четвертого резистора. Мемристор представляет собой пассивный элемент электрической цепи, сопротивление которого зависит от величины прошедшего через него тока. Мемристор состоит из тонкой пленки (50 нм) диоксида титана между двумя металлическими контактами толщиной 5 нм (фиг. 3). В пленке диоксида титана имеются два слоя, один из которых обедненный (Doped) имеет небольшое число атомов кислорода. Кислородные вакансии являются носителями заряда, поэтому обедненный слой имеет низкое сопротивление и является токопроводящим. Насыщенный кислородом слой (Undoped) обладает огромным сопротивлением току. Свойства такого мемристора можно продемонстрировать на простой модели, основанной на механизме дрейфа ионов под действием приложенного напряжения. Полное сопротивление рассматриваемого устройства можно представить как сумму сопротивлений двух переменных резисторов, соединенных последовательно. Один из резисторов (проводящая область) имеет низкое сопротивление другой резистор - намного более высокое сопротивление Когда к металлическим контактам мемристора (фиг. 3) прикладывается напряжение,

заряженные ионы начинают дрейфовать и граница между двумя областями смещается. Таким образом, сопротивление пленки в целом зависит от количества заряда, прошедшего через нее в определенном направлении, при этом значение заряда обратимо при изменении направления тока. Зависимость напряжения на мемристоре от протекающего через него тока определяется выражением

где ширина легированной области [0,D]; общая ширина структуры мемристора; напряжение на мемристоре; ток через мемристор; низкое сопротивление легированной области мемристора; высокое сопротивление нелегированной области мемристора.

В схеме перестраиваемого активного RC-фильтра (фиг. 1) активное сопротивление мемристора можно изменять при выборе соответствующего активного сопротивления нелегированной области в библиотеке модели мемристора SPICE симулятора программных средств LTspice.

На фиг. 4 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) перестраиваемого полосового активного RC-фильтра с регулируемой резонансной частотой которую можно изменять при выборе соответствующего сопротивления нелегированной области мемристора

Таблица 1

n 1 10 1,408 4,0623 9,6956 2 15 1,506 3,3111 14,594 3 20 2,2505 2,8349 19,908 4 25 2,5195 2,5435 24,731 5 30 2,7553 2,3026 30,177 6 40 3,1768 1,9885 40,462 7 50 3,5837 1,7824 50,362

В табл. 1 приведено описание частотных характеристик, снятых при семи сопротивлениях нелегированной области мемристора. В таблице приведены результаты вычислений резонансной частоты полюсной добротности и активного сопротивления мемристора

Исследованием частотных характеристик полосового фильтра установлено, что при выборе различных сопротивлений нелегированной области мемристора отличающихся в 5 раз, резонансная частота изменилась в 2,545 раза, при этом полюсная добротность изменилась в 2,279 раза, а сопротивление мемристора - в 5,194 раза. Полученные результаты расчетов показывают, что при регулировании сопротивления нелегированной области мемристора обеспечиваются в широких пределах изменения сопротивления мемристора и резонансной частоты фильтра.

На фиг. 5 показаны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) фильтра с регулируемой полюсной добротностью при изменении сопротивления резистора В табл. 2 приведены результаты вычислений резонансной частоты и полюсной добротности из которых следует, что при регулировании сопротивления резистора в 4 раза полюсная добротность независимо изменилась в 3,899 раза, а резонансная частота - на 0,17%.

Таблица 2

n 1 30 2,252 526,31 4,2794 2 45 2,249 352,25 6,3846 3 60 2,249 269,04 8,3605 4 80 2,249 198,49 11,330 8 120 2,253 135,36 16,648

На фиг. 6 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) полосового фильтра с регулируемым коэффициентом передачи при изменении сопротивления резистора В табл. 3 приведены результаты вычислений резонансной частоты полюсной добротности и коэффициента передачи из которых следует, что при изменении сопротивления резистора в 16 раз обеспечивается независимое регулирование коэффициента передачи фильтра на 27,1 дБ. При этом значения полюсной добротности и резонансной частоты изменились только на 9,5% и 0,2%, соответственно.

Таблица 3

n 1 5 2,249 806,94 2,781 18,09 2 10 2,253 796,85 2,826 12,07 3 20 2,064 635,66 3,047 6,04 4 40 2,255 803,86 2,805 0,03 8 80 2,251 802,97 2,804 -9,51

На фиг. 7 представлена импульсная характеристика полосового фильтра (фиг. 1) снятая при сопротивлении нелегированной области мемристора. Результаты исследований амплитудно-частотной характеристики фильтра, а именно полюсной добротности и резонансной частоты при рассматриваемом режиме были представлены в табл. 1 и на фиг. 4. Полюсную добротность фильтра по осциллограмме импульсной характеристики можно найти по формуле

где U1m=313.88 мВ и U2m=101.96 мВ - первые два амплитудных значения импульсной характеристики (фиг. 7).

Следует отметить, что расчеты полюсной добротности по частотной и временной характеристикам отличаются незначительно - на 1,46%.

В окне графика импульсной характеристики представлены расчеты резонансной частоты выполненных в программе LTspice.

Можно указать, что расчеты резонансной частоты по частотной и временной характеристикам отличаются незначительно - на 1,78%.

Таким образом, представленные экспериментальные исследования подтверждают возможность независимой перестройки основных параметров фильтра: резонансной частоты, полюсной добротности и коэффициента передачи фильтра на резонансной частоте, при этом перестройка полюсной добротности может быть выполнена при использовании регулируемого мемристора.

Изобретение относится к средствам, используемым для выделения спектра источника сигнала. Техническим результатом изобретения является возможность независимой перестройки основных параметров фильтра: резонансной частоты, полюсной добротности и коэффициента передачи фильтра на резонансной частоте. Перестраиваемый полосовой активный RC-фильтр дополнительно содержит третий и четвертый инвертирующие операционные усилители. Первые выводы третьего, четвертого и седьмого резисторов подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя. Второй вывод третьего резистора соединен с выходом первого операционного усилителя. Вторые выводы четвертого и пятого резисторов соединены с выходом третьего операционного усилителя. Первые выводы пятого резистора и первого конденсатора подключены к инвертирующему входу четвертого операционного усилителя. Вторые выводы шестого и восьмого резисторов, второго конденсатора и выход фильтра подключены к выходу четвертого операционного усилителя. Неинвертирующие входы второго, третьего и четвертого операционных усилителей подключены к общей базе фильтра. Четвертый резистор выполнен в виде перестраиваемого мемристора. Первый и третий резисторы являются регулируемыми. 3 табл., 7 ил.

Перестраиваемый полосовой активный RC-фильтр, содержащий первый и второй инвертирующие операционные усилители, восемь резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого, второго и восьмого резисторов подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а вторые выводы первого и второго резисторов соединены с входом фильтра и выходом первого операционного усилителя, первые выводы шестого резистора и второго конденсатора подключены к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а вторые выводы второго конденсатора и седьмого резистора соединены с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к общей базе фильтра, отличающийся тем, что дополнительно введены третий и четвертый инвертирующие операционные усилители, причем первые выводы третьего, четвертого и седьмого резисторов подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, а вторые выводы третьего и четвертого резисторов соединены с выходами первого и третьего операционных усилителей соответственно, первые выводы пятого резистора и первого конденсатора подключены к инвертирующему входу четвертого операционного усилителя, а их вторые выводы соединены с выходами третьего и четвертого операционных усилителей соответственно, вторые выводы шестого, восьмого резисторов и выход фильтра подключены к выходу четвертого операционного усилителя, неинвертирующие входы второго, третьего и четвертого операционных усилителей подключены к общей базе фильтра, при этом четвертый резистор выполнен в виде мемристора, а первый и третий резисторы являются регулируемыми.