Активный SC-фильтр нижних частот Советский патент 1992 года по МПК H03H19/00 

сл

С

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в частотно-избирательных радиоэлектронных устройствах. Цель изобретения - расширение частотного диапазона входных сигналов. Активный SC-фильтр нижних частот содержит конденсатор 1, первый М-канальный коммутатор 3, первую 4 и вторую 8 группы из М коммутируемых конденсаторов, второй М- канальный коммутатор 6, усилитель 7, первый ключ 2, второй ключ 5. Работа активного SC-фильтра нижних частот основана на формировании передаточной функции М-го порядка за счет коммутации цепей обратной связи с частотой много выше верхней рабочей частоты сигнала.2 ил.

Фиг.

О

Ј СА

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных радиоэлектронных устройствах, преимущественно в микроэлектронном исполнении.

Известен перестраиваемый фильтр нижних частот (авт. св. ISfe 1437967, опублик. 15.11.88), содержащий последовательно соединенные операционный усилитель (ОУ) и ключ, повторитель напряжения, выход которого подключен к входам первого М-каналь- ного коммутатора, соответствующих масштабных резисторов, вторые выводы которых объединены и подключены к инвертирующему входу ОУ, второй N-канальный коммутатор, первый вход которого является входом перестраиваемого фильтра нижних частот (ФНЧ), конденсатор, первый еывод которого подключен к общей шине, а второй - к входу повторителя напряжения, а также распределитель импульсов, первый выход которого подключен к управляющим входам первого и второго N-канальных коммутаторов, а второй - к управляющему входу ключа, при этом выходом перестраиваемого ФНЧ является выход повторителя напряжения, N-1 конденсаторов, первые выводы которых подключены к общей шине, а их вторые выводы - к соответствующим входам второго М-канал ьного коммутатора, выход которого подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, регулируемый резистор, третий - канальный коммутатор, вход которого подключен к одному выходу регулируемого резистора, другой вывод которого подключен к выходу ключа, причем N выводов третьего N-ка- нального коммутатора подключены к вторым выводам соответствующего из N конденсаторов, а также дополнительный резистор, включенный в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя.

Недостатком такого устройства является сложность его изготовления в твердотельном микроэлектронном исполнении и особенно при работе в области низких частот, где требуются большие номиналы резисторов и конденсаторов.

Известен также мультиплексный фильтр нижних частот Rathore T.S., Bhattacharyya В.В. Stray - Insensitive actlvesc realization of high-order filters with reduced number of components//IEEE, Int. Sunp. Circuit and Syst., San Jose, Calif. 1986, vol. 2, № 5, 597-600, 3. 600. Fig. 6), содержащий два операционных усилителя, неинвертирующие входы которых подключены к общей шине, а между инвертирующим входом первого операционного усилителя и его выходом включен первый ключ, а также последовательно включенные второй ключ, первый конденсатор и третий ключ, четвертый ключ, второй конденсатор и пятый ключ, шестой ключ, третий конденсатор и седьмой

ключ, причем между инвертирующим входом второго операционного усилителя и его выходом включен восьмой ключ, а также последовательно соединенные девятый ключ, четвертый конденсатор и десятый ключ,

одиннадцатый ключ, пятый конденсатор и двенадцатый ключ, при этом шестой конденсатор первым выводом подключен через тринадцатый ключ к общей шине, через четырнадцатый ключ - к выходу второго операционного усилителя, через пятнадцатый ключ - к выходу первого усилителя, через шестнадцатый ключ - к источнику входного сигнала, а вторым выводом через семнадцатый ключ - к общей шине, через восемнадцатый ключ - к инвертирующему входу второго операционного усилителя, через де- вятнадцетый ключ - к инвертирующему входу первого операционного усилителя.

Недостатком этого устройства является наличие большого количества ключей, операционных усилителей и большого числа фаз управления; так, для реализации фильтра n-го порядка 2 число фаз составляет

2п+1, что сужает частотный диапазон работы.

Наиболее близким к изобретению является многофазный SC-фильтр нижних частот (Rathore T.S., Farugue S.M. and

Bhattacharyya В.В. A stray - Insensitive Single Switched - Capacitor Ladder Realization of on Arbitrary Order Low - Pass Filter Proceedings of the IEEE, vol. 75, № 1, January 1987, p. 169, fig. 2(a)), содержащий

три ключа, пять операционных усилителей, группу коммутируемых конденсаторов, первый и второй N-канальные коммутаторы, конденсатор, первый вывод которого соединен с выходом первого ключа, вход которого

является входом активного SC-фильтра нижних частот, причем вход первого М-ка- нального коммутатора соединен с выходом первого ключа и входом второго ключа, выход которого подключен к общей шине, выходы первого М-канального коммутатора соединены с соответствующими первыми выводами М конденсаторов группы из М коммутируемых конденсаторов и выходами операционных усилителей, инвертирующие

входы которых подключены к соответствующим вторым выводам М конденсаторов и выходам второго М-канального коммутатора, вход которого подключен к второму выводу конденсатора и входу третьего ключа, выход которого подключен к общей шине,

неинвертирующий входы операционных усилителей подключены к общей шине.

Недостатками такого устройства являются большое число операционных усилителей, многофазность управления (при реализации фмльтра п-го порядка необходимо 2п+1 фаз управления, что сужает частотный диапазон).

Цель изобретения - расширение частотного диапазона входных сигналов.

Для достижения поставленной цели в предлагаемый активный SC-фильтр нижних частот, содержащий усилитель, первый и второй М-канальные коммутаторы, первую группу из М коммутируемых конденсаторов, первый и второй ключи, конденсатор, первый вывод которого соединен с выходом первого ключа, вход которого является входом активного SC-фильтра нижних частот, причем вход первого М-канального коммутатора соединен с выходом первого ключа и входом второго ключа, выходы первого М- канального коммутатора соединены с соответствующими первыми выводами М конденсаторов первой группы из М коммутируемых конденсаторов, введена вторая группа из М коммутируемых конденсаторов, первые выводы которых соединены с соответствующими выходами второго М-канального коммутатора, вход которого соединен с выходом второго ключа и входом усилителя, выход которого соединен с вторыми выводами М конденсаторов первой группы из М коммутируемых конденсаторов, второй вывод конденсатора и вторые выводы М конденсаторов второй группы из М коммутируемых конденсаторов соединены с общей шиной.

На фиг, 1 дана электрическая схема предлагаемого активного SC-фильтра; на фиг. 2 - временная диаграмма работы ключей первого и второго М-канальных коммутаторов и первого и второго ключей,

Активный SC-фильтр содержит конденсатор 1, первый ключ 2, первый М-каналь- ный коммутатор 3, первую группу 4 из М коммутируемых конденсаторов, второй ключ 5, второй М-канальный коммутатор 6, усилитель 7, вторую группу 8 из М коммутируемых конденсаторов. Первый вывод конденсатора 1 соединен с выходом первого ключа 2, вход которого является входом активного SC-фильтра нижних частот. Первый М-канальный коммутатор 3 соединен с выходом первого ключа 2 и входом второго ключа 5. Выходы первого М-канального коммутатора 3 соединены с соответствующими первыми выводами М конденсаторов первой группы 4 из М коммутируемых конденсаторов, Первые выводы второй группы

8 из М коммутируемых конденсаторов соединены с соответствующими выходами второго М-канального коммутатора 6, вход которого соединен с выходом второго ключа 5 и входом усилителя 7. ВыхоД усилителя 7 соединен с вторыми выводами М конденсаторов первой группы 4 из М коммутируемых конденсаторов. Второй вывод конденсато- ра 1 и вторые выводы М конденсаторов вто0 рой группы 8 из М коммутируемых конденсатора соединена с общей шиной.

Активный SC-фильтр нижних частот работает следующим образом.

После подачи входного сигнала на вход

5 первого ключа 2 и управляющих импульсов на первый 3 и второй 6 М-канальные коммутаторы в соответствии с временной диаграммой (фиг. 2) начинают замыкаться соответствующие ключи М-канальных ком0 мутаторов. С приходом первого управляющего импульса замыкается первый ключ 2, конденсатор 1 оказывается подключенным к источнику входного сигнала и заряжается до напряжения, равного мгновенному эна5 чению сигнала. С приходом второго управляющего импульса замыкаются первый ключ 2 первого М-канального коммутатора 3 и первый ключ 2, 3 второго М-канального коммутатора 6, в результате чего первый

0 вывод первого конденсатора 1 первой группы 4 из М коммутируемых конденсаторов и первый вывод первого конденсатора 1 второй группы 8 из М коммутируемых конденсаторов 8 подключаются соответственно к

5 первому выводу конденсатора 1 и входу усилителя 7, что соответствует первому такту работы первого звена. С приходом третьего управляющего импульса замыкаются второй ключ 5 и первый ключ 2, 3 второго М-ка0 нального коммутатора 6, подключая первый о вывод конденсатора 1 к первому выводу первого конденсатора 1 второй группы 8 из М коммутируемых конденсаторов, что соответствует второму такту работы первого зве5 на. С приходом четвёртого управляющего импульса замыкается второй ключ 4, 5 второго М-канального коммутатора 6, что соответствует первому такту работы второго звена. С приходом пятого управляющего

0 импульса замыкаются второй ключ 5 и второй ключ 4, 5 второго М-канального коммутатора б, что соответствует второму такту работы второго звена, и т. д. В результате такой последовательной работы ключей пе5 редаточная функция устройства записывается как произведение передаточных функций М-звеньев второго порядка (М соответствует количеству конденсаторов в первой А и второй 8 группах из М-коммути- руемых конденсаторов, а также числу ключей в первом 3 и втором 6 М-канэльных коммутаторах) при условии, что частота полюса фильтра 0)р намного меньше частоты коммутации а ключей: a)s 2 я/Т, где Т - период коммутации, состоящей из m фаз (фиг. 2):

ЯР) ft - - + , 1 1 р + pd p t Щ Гчир i

(U

где dpi, wpi - затухание и частота полюса звена (I - номер звена),

к - коэффициент передачи звена, равный коэффициенту передачи усилителя 7.

Частота и затухание полюса отдельных звеньев определяются по формулам

е«р| oh 2.n

v Си C2i

где С - емкость конденсатора 1;

Си. C2i - емкости первой 4 и второй 8 групп из М коммутируемых конденсаторов соответствующих звеньев.

Из анализа формул (1) и (2) следует, что для реализации устройством фильтра п-го порядка оно должно содержать п+1 конденсаторов и иметь такое же число фаз коммутации ключей.

При выборе коэффициента передачи усилителя 7 равным к 1, т. е. включении его в режиме повторителя напряжения, коэффициент передачи фильтра, в соответствии с формулой (1), также равен 1. а затухание звеньев описывается формулой dpi - VCai/Cn и определяется отношением конденсаторов.

Активный SC-фильтр нижних частот по сравнению с устройством-прототипом обладает большим частотным диапазоном (так как имеет меньшее число фаз управления), который можно оценить по формуле

. 2п + 1

п + 1

10 а также содержит меньшее число активных элементов (операционных усилителей). Формула изобретения Активный SC-фильтр нижних частот, содержащий усилитель, первый и второй М-ка15 нальные коммутаторы, первая группа из М коммутируемых конденсаторов, конденсатор, первый вывод которого соединен с выходом первого ключа, вход которого является входом активного SC-фильтра

20 нижних частот, вход первого М-канального коммутатора соединен с выходом первого ключа и входом второго ключа, выходы первого М-к,знального коммутатора соединены с соответствующими первыми выводами М

25 конденсаторов первой группы из М коммутируемых конденсаторов, отличающий- с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона входных сигналов, введены вторая группа из М коммутируемых конденса30 торов, первые выводы которых соединены с соответствующими выходами второго М-канального коммутатора, вход которого соединен с выходом второго ключа и входом усилителя, выход которого соединен с вто35 рыми выводами М конденсаторов первой группы из М коммутируемых конденсаторов, второй вывод конденсатора и вторые выводы М конденсаторов второй группы из М коммутируемых конденсаторов соедине40 ны с общей шиной.

Фиг.2