Активный RC-фильтр Советский патент 1993 года по МПК H03H11/12 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных радиоэлектронных устройствах.

Известны устройства, которые реализуют различные типы АЧХ (в том числе верхних, нижних и плосовых фильтров) и могут быть использованы для построения селективных радиоэлектронных блоков.

Известен контур с переменным числом состояния, содержащий первый суммирующий усилитель, выход которого соединен с входом первого интегратора и через аттенюаторе вторым неинвертирующим входом второго суммирующего усилителя, выход первого интегратора соединен с входом второго интегратора и через аттенюаторы с инвертирующим входом второго суммирующего усилителя и с вторым неинвертирую- щйм входом первого суммирующего усилителя, выход второго интегратора соединен через аттенюаторы с вторым инвертирующим входом первого суммирующего усилителя и с первым неинвертирующим входом второго суммирующего усилителя.

Недостатком.устройства является сильная завис имос ть его параметров от частотных свойств операционных усилителей, что сужает частотный диапазон его применения,

Известен также универсальный активный RC-фильтр второго порядка, состоящий из первого масштабного усилителя, дифференцирующего и интегрирующего RC- звеньев, выполненных на операционных усилителях, и Т-образного четырехполюсника из трех резисторов, а также второго масштабного усилителя и конденсатора, при этом конденсатор дифференцирующего RC-звена подключен к выходу первого масштабного усилителя, инвертирующий вход которого и вход интегрирующего RC-звена подключены к выходу дифференцирующего RC-звена, а инвертирующие входы дифференцирующего RC-звена и второго масштабного усилителя соединены с общей шиной, первый вход Т-образного резистив- ного четырехполюсника является входом фильтра, второй вход соединен с выходом интегрирующего RC-звена, а третий вход - с выходом второго масштабного усилителя, общая точка соединения резисторов этого четырехполюсника подключена к неинвертирующему входу первого масштабного усилителя, неинвертирующий вход второго масштабного усилителя соединен с инвертирующим входом операционного усилителя интегрирующего RC-звена, а конденсатор включен между выходом интегрирующего RC-звена и инвертирующим

входом операционного усилителя первого масштабного усилителя.

Преимуществом универсального фильтра являются расширенный частотный диапазон благодаря взаимной компенсации влияния площадей усиления операционных усилителей на затухание и частоту полюса передаточной функции, а также возможность перестройки частоты полюса с по0 мощью двух резисторов интегрирующего и дифференцирующего RC-звеньев при неизменной добротности полюса.

К недостатку этого фильтра относится взаимосвязь между условиями компенса5 ции влияния площади усиления на затухание полюса и параметрами полюсов идеализированного фильтра, что приводит к интерационному процессу настройки параметров полюса и уровня компенсации и,

0 следовательно, к сложности настройки. Кроме того,структура частотозадающей цепи (дифференцирующее RC-звено на операционном усилителе) снижает запас устойчивости и не позволяет использовать при

5 построении конкретных устройств целый класс современных операционных усилителей. Все это существенно затрудняет реализацию в полной мере его преимуществ. Из известных технических решений на0 иболее близким по технической сущности к предлагаемому является активный RC- фильтр, содержащий последовательно сое- диненные первый операционный усилитель, первый интегратор на третьем

5 операционном усилителе втором резисторе и втором конденсаторе, между выходом первого и выходом третьего операционных усилителей включен первый делитель напряжения из третьего и четвертого резисто0 ров, а между входом устройства и выходом второго операционного усилителя - второй делитель напряжения из пятого и шестого резисторов, при этом инвертирующий вход первого операционного соединен со сред5 ним выходом первого делителя напряжения, а инвертирующий вход второго и неинвертирующий вход четвертого операционных усилителей соединены со средним выводом второго делителя напряжения,.

0 первые выводы седьмого, восьмого и девятого резисторов третьего делителя напря-. жения соединены с неинвертирующим входом первого и неинвертирующим входом четвертого операционных усилителей,

5 тогда как их вторые выводы подключены соответственно к выходам первого и четвертого операционных усилителей и к общей шине, а десятый резистор включен между инвертирующим входом первого операционного усилителя и общей шиной, при этом

неинвертирующие входы второго и третьего операционных усилителей соединены с общей шиной, а их выходы являются выходами полосового фильтра и фильтра нижних частот соответственно.

Достоинством этого активного RC- фильтра является широкий частотный диапазон, отсутствие взаимосвязи между условиями компенсации влияния площади усиления на затухание и частоту полюса и параметрами полюсов идеализированного фильтра, что упрощает процесс настройки.

К одному из недостатков фильтра относится взаимосвязь между частотой и добротностью полюса, что затрудняет перестройку частоты при постоянной добротности полюса и, следовательно, не позволяет использовать данный фильтр в устройствах с переменными параметрами. Другим недостатком является высокая чувствительность затухания полюса к площади усиления операционных усилителей, что снижает стабильность АЧХ на высоких частотах.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение перестройки частоты полюса благодаря устранению взаимосвязи между частотой и добротностью полюса и повышение стабильности АЧХ за счет уменьшения чувствительности затухания полюса к площади усиления операционных усилителей.

Для достижения поставленной цели в активный RC-фильтр, содержащий первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, неинвертирующие входы второго и третьего операционных усилителей соединены с общей шиной, а их выходы и инвертирующие входы соединены соответственно с первыми и вторыми выводами первого и второго конденсаторов, выходы первого и второго операционных усилитё- лей соединены соответственно с первыми выводами первого и второго резисторов, вторые выводы которых соединены с инвертирующими входами соответственно второго и третьего операционных усилителей, первый вывод второго конденсатора соединен с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом четвертого резистора и инвертирующим входом первого операционного усилителя/выход которого соединен с вторым выводом четвертого резистора, пятый и шестой резисторы, первые выводы которых объединены, седьмой резистор, первый вывод которого соединен с выходом четвертого операционного усилителя, с неинвертирующим входом которого соединен второй вывод, седьмого резистора и

первый вывод восьмого резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, девятый резистор первым выводом соединенный с неинвертирующим входом 5 первого операционного усилителя, десятый резистор, введен одиннадцатый резистор, соединенный первым выводом с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя и первым выводом 0 десятого резистора, вторые выводы десятого и одиннадцатого резисторов подключены соответственно к инвертирующим входам второго и третьего операционных усилителей, второй вывод девятого резистора сое5 динен с выходом четвертого операционного усилителя, второй вывод шестого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, объединенные первые выводы пятого и шестого резисторов соединены с

0 неинвертирующим входом первого операционного усилителя, а второй вывод пятого резистора является входом активного. RC- фильтра. .

Наличие отличительных признаков, а

5 именно, введение новых связей между вы-. ходами второго и четвертого операционных усилителей и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, а также одиннадцатого резистора и соответствую0 щих связей неинвертирующего входа четвертого операционного усилителя с инвертирующим входами второго и третьего операционных усилителей обусловливает соответственно заявляемого технического

5 решения критерию новизна. Заявляемое техническое решение соответствует также критерию существенные отличия, поскольку не обнаружено решений с признаками, сходными с признаками,

0 отличающими заявляемое решение от прототипа.

При введении новых связей между четвертым операционным усилителем и неинвертирующим входом первого, а также

5 инвертирующим входами второго и третьего операционных усилителей возникают дополнительные корректирующие контуры обратных связей, передачи по которым за- висят от площади усиления операционных

0 усилителей, что приводит к снижению чувствительности затухания полюса к изменению площадей усиления, а следовательно, к повышению стабильности АЧХ. Отсутствие взаимосвязи между условиями компенса5 ции и идеализированными параметрами фильтра существенно облегчает его настройку. Кроме того;появляется возможность независимого управления частотой и затуханием полюса, что делает данный фильтр пригодным для использования в си- .

При аппроксимации АЧХ операционного усилителя функций первого порядка

/и (Р) -р-, где П //о Okp - площадь усиления, a jUo и akp - коэффициент усиления, операционного усиления и граничная частота по уровню Здб, выражения для частоты (4) и затухания (5) полюса приобретают вид:

V f -T f f И

гШ-а тЛ« ( №s««-rt -if®,( -(

, и

(7)

где Hi, Па и Пз площади усиления первого 1, второго 2 и третьего 3 операционных усилителей. .

t/.rRi3.v Ri7 . 14 R14; 7 Rie +

Ri3, RII, Rie и Ri - сопротивления седьмого, восьмого, десятого и одиннадцатого резисторов 13, 14, 16 и 17.

Выражения (6) и (7) получены из анализа предложенной схемы ARC-фильтра методом графов с использованием формулы Мезона и справедливьгпри Qp 1; Rie Ri Rs. Из формул (6) и (7) находятся относительные изменения частоты и затухания полюса

ь . , йрКгКПГ, I, R,W, „,J Г«,Т (8)

.()4iff ёН -Ф м .

-: (9)

Приравнивая выражения (8) и (9) нулю (при n +T2, Rg Rio), получаем систему уравнений

2 - 2(1 + Ki) у 0 или Г(1 + КО у 1 4$

и (5), что существенно упрощает процесс настройки. Кроме того, как видно из соотношений) и{5), изменением постоянных вре- мени интеграторов с помощью резисторов

R и RS (первого резистора 7 и второго резистора 8) можно перестраивать частоту полюса без изменения его затухания (5) и масштабного множителя. Это позволяет использовать данный фильтр в устройствах с

переменными параметрами, работающих в широком диапазоне частот.

Выражения для параметров устройства - прототипа имеют вид

м

Лф n ) К ,2

J Г2 |«

(Г1 9 к, к7

« (И)

Из выражений (11) видно, что изменение частоты полюса резисторами R и Re, приводит к изменению затухания полюсагт.к. будет меняться соотношение между R и Rn, Поэтому для поддержания ; неизменным затухания полюса в прототипе необходимо изменять сопротивление резистора Rn. Однако при изменений RI 1 будет меняться масштабный множитель М. Следовательно, для сохранения неизменным М необходимо еще изменять и Ri2. Причем изменение всех резисторов должно быть синхронным с высокой точностью, что на практике невыполнимо..

. Соотношения (8) и (9), как известно, являются соответствующими чувствительно- стями, взятыми с обратным знаком, т.е.

- №н- Ёкн| ;:-р«

При выполнении условий (10) и выборе т Т2, Rg Rio чувствительности (12) и (13) принимают значения

й

1

1

WP f .. ± 2 Пз П2;

(14)

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в частотно-избирательных блоках радиоэлектронных устройств. Цель изобретения - упрощение перестройки по частоте и повышение стабильности амплитудно-частотной характеристики активного RC-фильтра. Активный RC-фильтр содержит первый, второй, третий и четвертый операционные усилители 1, 2, 3 и 4, первый и второй конденсаторы 5 и 6, первый, второй, третий, четвертый, пя-. тый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый и одиннадцатый резисторы 7, 8, 9,10. 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17. Работа активного RC-фильтра основана на том; что введение дополнительных отрицательных обратных связей снижает чувствительность параметров АЙХ к изменению полосы пропускания операционных усилителей. 1 ил. 1 табл.

4-2(1 + KiXl-y) 0 |(1+KiXl-y) 2 решая которую находим

.K1... (Щ

При выполнении условий (10) (Зй(П) 0 и б dp(n) 0, т.е. устраняется влияние площади усиления на параметры фильтра и расширяется диапазон рабочих частот. При этом условия компенсации не связаны с параметрами идеализированного фильтра (4)

dp

SaPin «pQP (). (15)

Чувствительности (14) и (15) обращаются в нуль при . Выбором величины Ki и у чувствительности (12) и (13) можно сделать равными нулю и при . Однако в любом случае точные равенства S in 0 и

Sdpm 0 возможны только при постоянных величинах площадей усиления или соотношений между ними. У реальных усилителей площади усиления и соотношения между ними под действием различных дестабилизирующих факторов (температуры, старения, изменения напряжения питания и других) меняются, что приводит к нарушению условий компенсации и росту чувствитель- ностей (14) и (15). Влиянием на чувствительности (12) и (13) нестабильности пассивных элементов, по сравнению с изменением площади усиления, можно пренебречь (разница в нестабильности примерно на два порядка, так как температурный коэффициент сопротивления резисторов типа С2-29 OR 5 1 /град, температурный коэффициент площади усиления оп (3-5)10 1/град, а неидентичнрсть температурных коэффициентов площади усиления Дол (0,3-0,5) ап. Значения соответствующих чувствительностей для прототипа при TI та; М 1: R. Rio; Ris Ri4

2 +

Rio Rie

Rio Rie

QD -1

$2П

ЕГ-L 2 Пз

1

IV

Из соотношений (14), (15) и (16), (17) видно, что чувствительности частоты полюса к площади усиления в обоих фильтрах одинаковые, а чувствительность затухания полюса в предлагаемом активном RC-фильтре меньше чем у прототипа, так как эта чувствительность реализуется вычитанием меньших чисел.

Чувствительности затухания полюса прототипа и предлагаемого решения приведены в таблице..

Для сравнения предлагаемого решения с прототипом воспользуемся среднеквадратичной чувствительностью

SdPncK3 V | (S n)2 , i 1

характеризующей влияние неидентичности изменения площадей усиления ОУ на затухание полюса. Как видно из таблицы

о2 + ,2 + 12 + QE fife

Sdp2ncK3 « QP V

п

- для прототипа, и

sdP

1ПСКЗ

On v +l +a +O2 3,7 %ЈЬ

- для предлагаемого решения.

Таким образом, предлагаемая схема характеризуется более низкой (в 1,26 раза) среднеквадратичной чувствительностью и, следовательно, лучшей стабильностью параметров.

Из приведенных материалов заявки следует, что в предложенной схеме по срав

нению с прототипом отсутствует взаимосвязь между условиями компенсации и идеализированными параметрами полюсов, реализуется управление частотой без изме5 нения затухания и масштабного множителя и, следовательно, возможно использовать, данный фильтр в системах с переменными параметрами, при этом снижена среднеквадратичная чувствительность затухания к

10 площади усиления и поэтому повышена стабильность параметров,

Формула изобретения Активный RC-фильтр, содержащий первый - четвертый операционные усилители,

15 неинвертирующие входы второго и третьего операционных усилителей соединены с общей шиной, а их выходы и инвертирующие входы соединены соответственно с первыми и вторыми выводами первого и второго

20 конденсаторов, выходы первого - третьего операционных усилителей соединены с первыми выводами соответственно первого - третьего резисторов, вторые выводы которых соединены с инвертирующими входами

25 соответственнр второго, третьего и первого операционных усилителей, первый вывод четвертого резистора соединен с вторым выводом третьего резистора, а второй вывод-с первым выводом первого резистора,

30 пятый и шестой резисторы, первые выводы которых объединены, первый вывод седьмого резистора соединен с выходом четверто-; го операционного . усилителя, инвертирующий вход которого соединен с

35 вторым выводом седьмого резистора и первым выводом восьмого резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, девятый резистор первый вывод которого соединен с неинвертирующим входом пер40 вого операционного усилителя, десятый резистор, отличающийся тем, что, с целью упрощения перестройки по частоте и повышения стабильности амплитудно- частотной характеристики активного RC.45 фильтра, введен одиннадцатый резистор, первый вывод которого соединен с неинвертирующим входом четвертого операционно- . го усилителя и. первым выводом десятого резистора, вторые выводы десятого и один50 надцатогр резисторов соединены с вторыми выводами соответственно первого и второго резисторов, второй вывод девятого резистора с первыми выводами пятого и шестого резисторов и с неинвертирующим

55 входом первого операционного усилителя, второй вывод шестого резистора - с первым выводом второго резистора, причем входом активного RC-фильтра является второй вывод пятого резистора.