Активный фильтр верхних частот Советский патент 1992 года по МПК H03H11/12 

Т

Вх

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных узлах радиоэлектронных устройств.

Известен универсальный активный фильтр, содержащий суммирующий блок и первый интегрирующий блок, охваченные отрицательной частотнонезависимой обратной связью через аттенюатор, второй интегрирующий блок, охваченный через суммирующий блок и первый интегрирую- щий блок отрицательной частотнозависи- мой обратной связью через аттенюатор, причем входной сигнал подается на неинвертирующий вход суммирующего блока, а выходом фильтра верхних частот является выход суммирующего блока.

Недостатком устройства является сильная зависимость, его параметров от частотных свойств операционных усилителей, что сужает его применение.

Известен активный RC-фильтр, содержащий суммирующий усилитель, интегратор и дифференциатор, причем выход суммирующего усилителя подключен к входам интегратора и дифференциатора, меж- ду выходами дифференциатора и интегратора включен первый резистивный делитель напряжения, выход которого подключен к неинвертирующему входу суммирующего усилителя, между выходом суммирующего усилителя и входом устройства включен второй резистивный делитель напряжения, выход которого подключен к инвертирующему входу суммирующего усилителя, при этом выходом устройства явля- ется выход дифференциатора.

Недостатком схемы является необходимость применения идентичных по частотным свойствам ОУ и сильная зависимость частот полюсов передаточной функции от частотных свойств активных элементов.

Наиболее близким к предлагаемому является фильтр верхних частот, содержащий первый и второй операционные усилители, неинвертирующий вход первого операци- онного усилителя соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с выходом второго операционного усилителя и общей шиной, неинвертирую- щий вход второго операционного усилители соединен с первым выводом-первого конденсатора, второй вывод которого является входом активного фильтра верхних частот, третий резистор, первый вывод которого со- единен с общей шиной, выход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами четвертого резистора и второго конденсатора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого

операционного усилителя, инвертирующий вход и выход второго операционного усилителя соединен соответственно с первым и вторым выводами пятого резистора, при этом инвертирующие входы первого и второго операционных усилителей соединены между собой, а вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к нейн- вертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого является выходом активного фильтра верхних частот.

Недостатком известного устройства является большая зависимость частот полюсов передаточной функции от частотных свойств активных элементов.

Целью изобретения является повышение стабильности параметров и расширение диапазона рабочих частот за счет уменьшения влияния частотных свойств операционных усилителей на параметры полюсов передаточной функции.

Цель достигается тем, что в активный фильтр верхних частот, содержащий первый и второй операционные усилители, неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с выходом второго операционного усилителя и общей шиной, неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого является входом активного фильтра верхних частот, третий резистор, первый вывод которого соединен с общей шиной, выход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами четвертого резистора и второго конденсатора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход и выход второго операционного усилителя соединен соответственно с первым и вторым выводами пятого резистора, введены третий операционный усилитель, шестой, седьмой и восьмой резисторы, при этом неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей соединены между собой, второй вывод третьего резистора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и с первым выводом шестого резистора, а инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с вторым выводом четвертого резистора, первым выводом седьмого резистора и с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом седьмого резистора и с первым выводом восьмого резистора, второй вывод которого соединен

с вторым выводом шестого резистора и инвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого является выходом активного фильтра верхних частот.

За счет введения шестого, седьмого, восьмого резисторов и третьего операционного усилителя с соответствующими связями, уменьшаются отклонения параметров фильтра от расчетных, так как снижается относительное изменение частоты полюса в зависимости от частотных свойств операционных усилителей, что позволяет расширить диапазон рабочих частот фильтра и повысить стабильность его параметров.

На чертеже представлена принципиальная схема активного фильтра верхних частот.

Устройство содержит первый 1 и второй 2 операционные усилители, первый 3 и второй 4 резисторы, первый конденсатор 5, третий 6 и четвертый 7 резисторы, второй конденсатор 8, пятый резистор 9, третий операционный усилитель 10, шестой 11, седьмой 12 и восьмой 13 резисторы.

Активный фильтр верхних частот содержит первый 1 и второй 2 операционные усилители, неинвертирующий вход первого операционного усилителя 1 соединен с первыми выводами первого 3 и второго 4 резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с выходом второго операционного усилителя 2 и общей шиной, неинвертирующий вход второго операционного усилителя 2 соединен с первым выводом первого конденсатора 5, второй вывод которого является входом активного фильтра верхних частот, третий резистор 6, первый вывод которого соединен с общей шиной, выход первого операционного усилителя 1 соединен с первыми выводами четвертого резистора 7 и второго конденсатора 8, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 1, инвертирующий вход и выход второго операционного усилителя 2 соединены соответственно с первым и вторым выводами пятого резистора 9, третий операционный усилитель 10, шестой 11, седьмой 12 и восьмой 13 резисторы, при этом неинвертирующие входы первого 1 и второго 2 операционных усилителей соединены между собой, второй вывод третьего резистора 6 соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 1 и с первым выводом шестого резистора 11, а инвертирующий вход второго операционного усилителя 2 соединен с вторым выводом четвертого резистора 7, первым выводом седьмого резистора 12 и с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя 10, выход которого соединен с вторым выводом седьмого резистора 12 и с первым выводом восьмого резистора 13, второй вывод которого соединен с вторым выводом шестого резистора 11 и инвертирующим входом третьего операционного усилителя 10, выход которого является выходом активного фильтра верхних частот.

Устройство работает следующим обра- зом.

Входной гармонический сигнал подается через первый конденсатор 5, второй 2, первый 1 и третий 10 операционные усилители на выход устройства, причем на выходе операционного усилителя 10 реализуется передаточная функция фильтра верхних частот

F(p)Р2(1)

р + pdp сьр + сир

где 0)р - частота полюса; dp - затухание полюса. При применении идеальных операционных усилителей (с коэффициентом передачи на любой частоте, равным бесконечности) частота и затухание полюса фильтра верхних частот определяются по формулам

1

., уК9

R vfffW

. fW /Rg Ra бр ГтГ I R7 R4

(2)

(3)

где т ЯзС5, Г2 ReCs - постоянные времени RC-цепей;

Нз, RI, Re, R, Rg - сопротивление резисторов 3, 4, 6, 7 и 9;

Cs, Се - емкости конденсаторов 5 и 8.

В общем случае коэффициенты передаточной функции фильтра и, следовательно, его основные параметры Ур и dp зависят не только от резистивных и емкостных элементов схемы, но и от параметров операционных усилителей.

Оценкой влияния активных элементов на ft)p и dp может служить относительное изменение этих параметров идеаяизиро- ванного фильтра.

С учет ом конечности усиления операци- онных усилителей и с учетом внешних и внутренних корректирующих цепей передаточная функция операционного усилителя определяется следующим отношением:

)

1 +РГУС

1

-J- + D-1

1Ь + Р П

(4)

где fio коэффициент усиления на постоянном токе;

ryc - граничная частота по уровП- i - площадь усиления операционного усилителя; J

(Огр

ню ЗдБ.

Так как на высоких частотах

рА точленом /Ј

небречь, тогда частота и затухание полюса фильтра верхних частот определяются по следующим формулам:

в (4) можно )-ААС С+Й-й О Й-ЙЯ О 15

«энЯГФйрЫ йй- й+й)Ч4ЙЙ 0 +Й-ЙЙЭ -А (ЙЧЙЙЧ-АЙ) -пга китята ., ™,20 и JF(,o)l 5(П)+ р 6QP . -Aw О +й) О тй О ) ( №) if QP- чувствительность модул

vnuu попАпаим i MQiuiououi/iin uarrnrui п

Для оценки выигрыша в частотно пазоне предлагаемого устройства по нению с известным необхо воспользоваться функциями чувствит сти.

Как известно, изменение АЧХ функции чувствительности определяет отношением

v «J j..

где S Up- чувствительность модул кции передачи к изменению частоты п в наиболее опасной точке (т.е. на гр полосьит.ропускания);

где П1, Па, Пю - площади усиления первого 1, второго 2 и третьего 10 операционных усилителей;

Rii, Ri2 и Ria - сопротивления резисторов 11, 12 и 13 соответственно.

Из соотношений (5) и (6) находятся отно- сительные изменения частоты и затухания полюса

го--Ш/1 ):

ЧО О -ййй-теО Йг-й) « «-(Йй- й -теО+й-й

и JF(,o)l 5(П)+ р 6QP . if QP- чувствительность модул

vnuu попАпаим i MQiuiououi/iin uarrnrui п

при котором относительные изменения частоты и затухания полюса равны

(П)|. (5dp(n)acop(n).

Минимально возможные относительные изменения частоты и затухания полюса у известного устройства имеют следующие значения

dfUp(n) -2,

д dp (П) 0.

Для оценки выигрыша в частотном диапазоне предлагаемого устройства по сравнению с известным необходимо воспользоваться функциями чувствительности.

Как известно, изменение АЧХ через функции чувствительности определяется соотношением

v «J j.. /Л Л

где S Up- чувствительность модуля функции передачи к изменению частоты полюса в наиболее опасной точке (т.е. на границе полосьит.ропускания);

SQp 0,5- чувствительность модуля функции передачи к изменению добротности полюса в наиболее опасной точке.

Тогда, подставляя в выражение (10) значения входящих в него величин, получим для известного

|F(jo,),

для предлагаемого технического решения (j(y)| |(Qp-o,5).

При одном и том же отклонении АЧХ известного и предлагаемого устройств выигрыш в частотном диапазоне составляет

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в селективных узлах радиоэлектронных устройств. Цель изобретения - повышение стабильности и расширение диапазона рабочих частот. Активный фильтр верхних частот содержит первый и второй операционные усилители 1 и 2, первый и второй резисторы 3 и 4, первый и второй конденсаторы 5 и 6, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой резисторы 7-12, третий операционный усилитель 13. Работа активного фильтра верхних частот основана на том, что введение дополнительных цепей обратной связи компенсирует инерционные свойства операционных усилителей. 1 ил.

+вшр(ГТ). (в)

Как следует из соотношений (7) и (8), благодаря наличию разностных членов, возможно выбором отношения резисторов RH и Ria обеспечить существенное уменьшение влияния площади усиления ОУ на параметры.

Появление разностных членов в выражениях (7) и (8) при введении третьего ОУ объясняется возникновением дополнительных контуров обратной связи, приводящих к уменьшению влияния площади усиления на параметры звена.

Полагая, что Qp 1 (при этом R3/R4 « 1), и , из соотношения (8), приравнивая член пропорциональный (Ур Qp нулю и оказывающий доминирующее влияние на затухание полюса, получаем

R13/R11-2,(9)

о QJpQp П

$Т(ОР-0.5)

«4 (при ).

Формула изобретения

Активный фильтр верхних частот, содержащий первый и второй операционные усилители, неинвертирующий вход первого операцией, юго усилителя соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с выходом второго операционного усилителя и общей шиной, неинвертирующийвыходвторогооперационного усилителя соединен с первым выводом второго резистора и с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого является входом активного фильтра верхних частот, второй вывод

третьего резистора соединен с общей ши-ра соединен с инвертирующим входом пер- ной, выход первого операционного усилите-вого операционного усилителя и с первым ля соединен с первыми выводамивыводом восьмого резистора, инвертирую- четвертого резистора и второго конденсате-щий вход второго операционного усилителя ра. второй вывод которого соединен с ин-5 соединен с вторым выводом четвертого ре- вертирующим входом первогозистора, первым выводом шестого реэисто- операционного усилителя, инвертирующийра и с неинвертирующим входом третьего вход и выход второго операционного усили-операционного усилителя, выход которого теля соединены соответственно с первым исоединен с вторым выводом шестого рези- вторым выводами пятого резистора, отлич-10 стора и с первым выводом седьмого рези- а ю щ и и с я тем, что, с целью повышениястора, второй вывод которого соединен с стабильности и расширения диапазона ра-вторым выводом восьмого резистора и ин- бочих частот, введены третий операцион-вертирующим входом третьего операционный усилитель, шестой, седьмой и восьмойного Усилителя, резисторы, первый вы вод третьего резисто-15

«т.