Активный рс-фильтр второго порядкаи ЕгО ВАРиАНТ Советский патент 1981 года по МПК H03H11/04 

ИйобЬетение относится к раДиотех;Нике и может использоваться в различных радиотехнических устройствах; Известен активный RC-фильтр второго порядка, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен через первый резистор с входом фильтра, второй и третий резисторы, подключенные первыми выводами к инвертирующему входу и выходу операционного усилителя соответственно, и Т-образный RC-MOCT, один вывод продольного емкостного плеча которого подключен к отводу первого делителя напряжения, включенного параллельно входу фильтра, поперечное резистивное плечо Т-образного RC-моста подключено к отводу второго делителя напряжения, включенного параллельно выходу операционного усилите 1Я, являющегося выходом фильтра 1. Однако известное устройство имеет недостаточный частотный диапазон. Цель изобретения - расширение частотного диапазона. Поставленная цель достигается тем, что активный RC-фильтр второго поряд- . ка, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен через первый резистор с входом фильтра, второй и третий резисторы, подключенные первыми выводами к инвертирующему входу и выходу операционного усилителя соответственно, и Т-образный RC-MOCT, один вьгаод продольного емкостного плеча которого подключен к отводу первого делителя напряжения, включенного параллельно входу фильтра, поперечное резистивное плечо Т-абразного RC-моста подключено к отводу второго делителя напряжения, включенного параллельно выходу операционного усилителя, являющегося выходом фильтра, введены два дополнитель-. ных резистора и дополнительный делитель напряжения, включенный параллельно входу фильтра, к отводу которого

подключены вторые выводы второго и третьего резисторов, при этом первый дополнительный резистор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и общей шиной, второй допол нительный резистор включен между отводом первого делителя напряжения и выходом операционного усилителя, а другой вьшод продольного емкостного апеча Т-образного RC-моста подключен к инвертирующему входу операционного усилителя. Для этого в вариант активного RC-фильтра второго порядка, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен через первый резистор с входом фильтра, вто рой и третий резистор{ 1, подключенные первыми выходами к инвертирующему входу и выхрду операционного усилителя, и Т-образный RC-MOCT, один вывод продольного емкостного плеча которого подключен к отводу первого де лителя напряжения, включенного параллельно входу фильтра, при этом выход операционного усилителя является выходом фильтра, введены транзистор, три дополнительных резистора и дополнительный делитель напряжения включенный параллельно входу фильтра к отводу которого подключены вторые выводы второго и третьего резисторов при этом первьй дополнительный резис тор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и общей шиной, второй дополнительный резистор включен между отводом первого делителя напряжения и выходом операционного усилителя, третий дополнительный резистор включен между эмиттером транзистора и общей щиной, база транзистора подключена к выходу операционного усилителя, коллектор транзистора подключен к точке соединения продольного емкостного и поперечного резистивного плечей Т-образцого RC-моста, а его поперечное резистивное плечо подключено к шине источника питания. Ha фиг. 1 приведена электрическая принципиальная схема активного RCфильтра второго порядка; на фиг.2 электрическая принципиальная схема его варианта. Активный (фиг. 1) содер жит операционный усилитель (ОУ) 1, первый, второй и третий резисторы 2Т-образный RC-MOCT, состоящий из дву

8494494

конденсаторов 5 и 6 и резистора 7, первый делитель напряжения, состоящий из резисторов 8 и 9, второй делитель напряжения, состоящий из резисторрв 10 и II, первьй и второй дополнительиые резисторы 12 и 13, дополнительный делитель напряжения, состоящий из резисторов 14 и 15. Вариант активного RC-фильтра (фиг. 2) содержит операционный усилитель (ОУ) 1, первый, второй и третий резисторы 2-4, Т-образный RC-мост, состоящий из двух конденсаторов 5 и 6 и резистора 7, первый делитель напряжения, состоящий из двух резисторов 8 и 9, транзистор 10, три дополнительных резистора I1-13, дополнительный делитель напряжения, состоящий из резисторов 14 и 15. Сопротивление резистора 3 обозначено Re; сопротивление резистора 14 сопротивление резистора 15 сопротивление резистора 4 - сопротивление резистора 2 - d; сопротивление резистора 12 - d ; сопротивление резистора 11, {фиг. I) ig ; сопротивление pesi cTopa 10 (фиг. Г) - г ; сопротивление резистора II (фиг.2) R ; сопротивление резистора 7 - tjj ; сопротивление резистора 9 - z ; сопротивление резистора 8 - ZjJ сопротивление резистора 13 - г„; емкость конденсаторов 5 и 6 - С. Кроме того, амплитудный корректор обозначен АК. Устройство работает следующим образом. Реализу емая функция в общем случае имеет вид р р - J i-. где М - плоское усиление фильтра; fp - частота полюса; Q - добротность полюса; a(j,a,.ag,- коэффициенты, причем ,HZa «2--V« ai V 2 (, V«o(),d V-C.4R,j),,p.T,J . Надлежащим выбором соотношения коэффициентов передачи сзС- ,«362 и 22 делителей напряжения обеспечивается необходимый вид передаточной функции (т.е. заданная величина коэффициенто а ). Например, для реализации дробных функций низких частот (ФНЧ-Д) и фильтра высоких частот (ФВЧ-Д), а та же симметричного режектора режекторн го фильтра (РФ) выполняется условие баланса 0 Для реашизации ФНЧ, кроме того, обес печивается 2MV. -1е-. fr-i ,,l В случае реализации ФВЧ ,i -дтп и т.д. Величина - сдвиг частоты полюса fj по отношению к частоте настрой ки fj. RC-цепи задается соотношением усиления по петлям обратной связи, т.е. соотношением коэффициентов пере дачи jbj и делителей напряжения. .,) |bl/|bo «S 1Ьз--(2, ll22)/(2 И г г, Для реализации всех перечисленных функций в схемах принципиально сохра няются все элементы делителей напряжения на резисторах 9, 8, 13, 15, 14 4 и 2, 12, (т.е. они не обрашаются в разрыв цепи или короткое замыкание), причем для реализации функций ФНЧ-Д, ФВЧ-Д,РФ,ФНЧ (имеющих ) их величины удовлетворяют условия баланса. При реализации полосового фильтра (ЛФ выбирают соотношение А 56о - Для :реализации фазового контура буется 2 о T /r a dp 5j |v/p Частота настройки Т-КС-цепиал 1 - неизменна во всех c4RF случаях. Делитель напряжения на резисторах 8, 9 и 13 в направлении прямой передачи сигнала на вход операционно 96 го усилителя (сверху вниз направо на фиг. 1) обеспечивает сдвиг нуля в сторону более высоких частот по сравнению с частотой полюса uJ реалисравнениюзуемой функции. Он же повторно испол1эзуется в направлении обратной передачи с выхода операционного усилителя 1 на его вход (снизу вверх направо) для сдвига частоты полюсаЫрп реализуемой функции в сторону более низких частот по сравнению с частотой настройки о) RC-цепи. Делитель напряжения на резисторах 4, 14 и 15 в направлении прямой передачи (снизу вверх направо) сдвигает СА)0 вниз по отношению ки)р Он же повторно используется в цепи обратной связи (сверху вниз направо) сдвига.и)ро в сторону более высоких частот по сравнению cU) . Делитель на пряжения на резисторах 2 и 12 служит для дозирования напряжений на входах операционного усилителя 1 с целью организации нуля функции передачи. При конечном значении коэффициента передачи А этот делитель обеспечивает ноль функции передачи на конечных частотах (дробные функции). Рассмотрим теперь назначение делителя напряжения на резисторах 1,0 и 1I (для фиг. I). -«/( l Величину)|К/г желательно принимать порядка единицы (можно показать, что оптимальные значенияYR/Г в зависимости от свойств ОУ 1 лежат в пределах . Задавшись величиной Q.,J находим(|-/f-2i-) 0.,Ь,,.1 Если реализуется схема с Q 4 }( , не ичина близка к единице. В схемах, де Q%.jJ , величина близка к нулю (или даже обращается в ноль) . В схеах, где , при реализации их по иг. 1 потребуется положить fe,. О и ринять Ш/ 77 1, что очень нежелаельно. Выходом из этого положения являетя схсма на фиг. 2, в которой В i О (в - коэффициент усиления до полнительного каскада на транзисторе т.е. по петле ft действует -положительная обратная связь (две инверсии фазы: в ОУ 1 и в дополнительном каскаде). При этом, даже при |рг,о1 I В| 0,2 легко реализуются функции с . Требования к этому дополнительному усилительному каскаду при этом получаются очень невысокими. При проектировании схем задаются частотой f настройки RC-цепи, которая выбирается, обычно, некоторой средней частотой диапазона частот, пере1 1рьгоаемых проектируемой гребенкой фильтров. По частоте f и частоте fp данного фильтра Л axoдят ilf f /fp и соотношение коэффициентов передачи делителей напряжения в цепях обратной связи . )/(2- VS)) Ьо(,)/(,)Поскольку всегда ,0, а кроме того, величины (Ь ,р связаны с коэффициентами передачи oLfj к (t тех же делителей напряжения в направлении прямой передачи сигнала, фактически y«Kii«2L li5isJ t§MiS L $SM остается свободным только один параметр, который и выбирается конструктивно, например задаемся величиной PQ. Также принимается величина отношения d xR/r. По принятым значениям |Ьо , d и заданным и Q вычисляется параметр а&- Щ) Если величина В О, принимается, схема фиг. 1, в этом случае В характеризует коэффициент передачи делителя напряжения на резисторах 10 и II: В + rg), если величина В 7 О, принимается схема фиг. 2, в этом случае В характеризует коэффициент усиления добавочного транзистора В h.r/R Если величин В О, обратная связь через резистор 7 не вводится. Далее, в зависимости от вида реализуемой функции (в зависимости от значения коэффициентов а,числителя функции) выбираются параметры делителей напряжения, состоящих из резисторов 9, 8, 13, 14, 15, 4, 2 и 12 и их элементов: ..

Условие баланса ,()

ге.

,d,°a)

(выражения oi , а и 5€„ через элемен)f Z о . Таким образом в схемах (фиг. 1 и 2 реализуются все варианты биквадратной функции, -кроме ФВЧ квазиполиномиального вида (при а. Возможность реализации частоты fр / ffi(T.e. у 1) позволяет эффективно использовать их в диапазоне низких и инфранизких частот при ограниченной величине R и С частотноизбирательной RC-цепи. так как здесь реализуется эф фект умножения постоянной времени (С RC) пассивной RC-цепи.

гКг(,,о,) Возможность реализации частоты р- fj-AT.e. 1) позволяет эффективно использорать в диапазоне относительно высоких частот при достаточно большой, конструктивно рациональной величине R и С частотоизбирательной RC-цепи (с тем,чтобы NmHHMH3HpoBaTb влияние паразитных, параметров схемы), опять же используя эффект трансформации постоянной времени RC-цепи. Переход на другую частоту реализуемой функции (изменения частоты полюсов передаточной функции при одновреенном согласованном изменении частоты нуля), а также переход от одног вида реализуемой функции к другому (дополнительное изменение добротност полюсов и независимое изменение частоты нуля передаточной функции) достигается только изменением соотношения сопротивлений низкоомных резис торов без изменения элементов частотоизбирательной RC-цепи. Все вьше ск занное особенно важно с точки зрения технологичности схемы, так как позво ляет производить серию приборов на диапазон частот с одинаковыми частотноизбирательными цепями, которые явля ются наиболее громоздкой и дорогой частью фильтра, а на стройку на вид заданной функции и на заданные частоты выполнять путем регулировки низкоомных цепей, которые конструктивно могут быть вынесены в отдельный субблок управления, что особенно эффективно для микроэлектронного исполнения.. В предлагаемом устройстве- возможна электронная перестройка частоты; схемы универсальны, так как реализуют набор функций второго порядка; схемы упрощены за счет двойного использования делителей в цепи сигнала и обратной связи одновременно. Формула изобретения 1. Активньй КС-фильтр второго порядка, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен через первый резистор с входом фильтра, второй и третий резисторы, подключенные первыми выводами к инвертирующему входу и выходу операционного усилителя соответственно, и Т-образный КС-мост, один вывод продольного емкостного плеча которого подключен к отводу первого делителя напряжения, включенного параллельно входу фильтра, поперечное резистивное плечо Т-образного RC-моста подключено к отводу второго делителя напряжения, включенного параллельно выходу операциоиного усилителя, являющегося выходом фильтра, отличающийся тем, что, с целью расширения .частотного диапазона, зведены два дополнительных резистора и дополнительный делитель напряжения, включенный па.раллельно входу фильтра, к отводу которого подключены вторые выводы второго и-третьего резисторов, при этом первый дополнительный резистор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и обшей шиной, второй дополнительный резистор включен между отводом первого делителя напряжения и выходом операционного усилителя, а другой вьгаод продольного емкостного плеча Т-образноГо КС-моста подключен к инвертируюп1ему входу операционного усилителя. 2. Активный КС-фильтр второго порядка, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен через первый резистор с входом фильтра, второй и третий резисторы, подключенные первыми выходами к инвертирующему-входу и выходу операционного усилителя соответственно, и Т-образный R -MOCT, один вьгаод продольного емкостного плеча которого Подключен к отводу первого делителя напряжения, включенного параллельно входу фильтра, при этом вьасод операционного усилителя является выходом фильтра, отличающийся тем, что введены транзистор, три дополнительных резистора и дополнительный делитель напряжения, включенный параллельно входу фильтра, к отводу которого подключены вторые выводы второго и третьего резисторов, при этом первый дополнительный резистор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и общей шиной, второй дополнительный резистор включен между отводом первого делителя напряжения и выходом операционного усилителя, третий дополнительный резистор включен между эмиттером транзистора и общей шиной, база транзистора подключена к выходу операционного усилителя, коллектор транзистора подключен к точке соединения продольного емкостного и поперечного резистивного плечей Т-образного RC-моста, а его поперечное резистивное плео подключено к шине источника питаия . Источники информации, ринятые во внимание при экспертизе 1. ГРИШИНЕ.В., Куфлевский Е.И. и Тепин В.П. Высокоселективный фильтр нижних частот. - Сб. Избирательные системы с обратной связью, Таганрог, 1976,j вып, Ш, с. 171 (прототип).