Активный четырехполюсник второго порядка Советский патент 1983 года по МПК H03H11/12 

() АКТИВНЫЙ ЧЕТЫРЕХПОЛОСНИК ВТОРОГО

Изобретение относится к радиотех нике и может использоваться в устройствах, предназначенных для выделения сигналов на фоне помех по их частотному признаку в приемниках сла1бых сигналов, устройствах связи, гест физики, вычислительной техники и др.

Известен активный четырехполюсник второго порядка, содержащий последо- to вательно соединенные первый операционный усилитель и интегратор, выполненный на втором операционном усилителе, неинвертирующий вход которого подклю Тен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а также два, подключенных к входу устройства пассивных четырехполюсника, каждый из которых включен между неинвертирующим входом одного операци- 20 онного усилителя и выходом другого операционного усилители Cl.

В известном устройстве с двумя операционными усилителями (ОУ) поПОРЯДКА

грешность, определяющая потери компенсации, вычисляется по формуле

.

(1)

граничная частота опегдерационных усилителей (ОУ);

и (i - собственная частота и

/6 добротность активного четырехполюсника; У - петлевое усилие, определяемое соотношением резисторов, содержащихся в пассивном четырех полюснике, образованном R-цепью.

Отсюда следует, что в известном устройстве имеет место взаимная компенсация высокочастотных полюсов пе:редаточных функций различных ОУ, т.е.имеет место эффект взаимной компенсации потерь. Поэтому оно на двух ОУ характеризуется относительно большим запасом устойчивости, меньшей нестабильностью и позволяют при использовании однотипных ОУ с близкими ПО ве личине площадями усиления реализоват в 5-10 раз более высокие значения произведения Q(j устройства, в которых данный эффект отсутствует. Положительные свойства известного устройства наиболее заметно проявляются, когда два его ОУ имеют близкую площадь усиления и близкую стабильность. Однако на практике площади ус ления ОУ в среднем отличаются друг от друга в два раза, а в отдельных случаях в -5 раза/С промышленностью не выпускаются микросхемы с двумя идентичными ОУ). Из формулы (1) видно, что для реализации условия при F, 7 необходимо соответственно увеличить п :тлевое уси,ленив -у , а при F Г уменьшить Однако от петлевого усиления зависят практически все основные характеристики резонатора - собствен ные частоты нулей и полюсов передаточной функции (f fо ), добротности Q и Q(j нулей и полюсов передаточной функции и т.По Поэтому, если нарушено исходное (расчетное Р значение 1, то необходимо далее выпол нить настройку схемы на заданную рабочую частоту .за счет изменения но миналов частотозадающих резисторов, которые содержатся в соответствующем пассивном четырехполюснике, выполненном на Р-С-цепях, а также настроить схему на заданную добротность. Затем следует вновь осуществить проверку реализации условия ком пенсации потерь и при необходимости еще раз повторить все операции по настройке,, Таким образом, зависимост частоты и добротности полюсов и нулей передаточной функции известного устройства от петлевого усиления У и зависимость от этого же параметра условия компенсации потерь погрешнос ти в (1) определяет необходимость и сложность его настройки. Цель изобретения - расширение диа пазона рабочих частот, повышение добротности и устойчивости, а также упрощение настройки Поставленная цель достигается тем что в четырехполюсник второго порядка, содержащем последовательно соединенные первый операционный усилитель и Интегратор, выполненный на втором операционном усилителе, неинвертирующий вход которого подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а также два подключенных ко входу устройства пассивных четырехполюсника, каждый из которых включен между инвертирующим входом одного операционного усилителя и выходом другого операционного усилителя, введены два резистора, первый из которых включен между неинвертирующим входом первого и инвертирующим входом второго операционных усилителей, а между входами второго операционного усилителя включен второй резистор. На фиг. 1 приведена функциональная электрическая схема предлагаемо го устройства; на фиг. 2 и 3 - примеры конкретной реализации предлагаемого устройства„ Устройство (фиг. 1) содержит первый операционный усилитель (ОУ ) 1, интегратор 2, состоящий из второго ОУ 3, конденсатора k, резистора 5, два пассивных четырехполюсника 6, 7 и два введенных резистора 8 и 9 В устройстве (фиг. 2) пассивный четырехполюсник 6 содержит резисторы 10 и 11, образующие R-цепь нулевого порядка, пассивный четырехполюсник 7 содержит резисторы 12 и 13JKOндeнca- тор 14, образующие RC-цепь первого порядка„ В устройстве (фиг„ 3) пассивный четырехполюсник 6 содержит резисторы 10 и 11, образующие R-цепь нулевого порядка, пассивный четырехполюсник 7 содержит резисторы 12 и 13, конденсатор Н и резистор 15, образующие RC-цепь первого порядка. Устройство работает следующим образом. В зависимости от частоты входного сигнала в устройстве создается различная глубина обратной связи, определяющая величину знаменателя его коэффициента передачи, на собственной частоте полюсов 2:KRC acRct .,, ii . где величина петлевого усиления; R ,R сопротивления резисторов 10 -lO 14 и П. Знаменатель коэффициента передачи принимает минимальное свое значение. определяемое величиной добротности CL f равной отношению двух сопротивлений резисторов 10 и 11 (или дву (.емкостей), от одного или двух из которых не зависит частота f . При это в зависимости от того имеют ли пассивные четырехполюсники 6 и 7 через соответствующие свои элементы связь или с общей шиной, или (и) с входом устройства и в зависимости от того, где осуществляется съем сигнала, реа лизуются те или другие передаточные функции второго порядка (фиг. 2 и 3) В первом приближении, когда усиле ние ОУ считается бесконечным(, резисторы 8 и 9 (Rg, RO) не оказывают влияние на работу устройств и на все характеристики, что вытекает из следующего ОУ как активный прибор с коэффициентом передачи по двум своим дифференциальным входам описывается уравнением вида ь)Г . VI) «которое устанавливает связи между напряжением на вх де ОУ и напр)шенилми U- , деист вующими между соответсТвуюи(ими его входами и общей шиной. Отсюда следует, что разность входных напряжений V - V toio/ - Поэтому напряжения, действующие на входах иУ ... . . равны друг другу, т.е. Уц- V-, Устройство содержит два ОУ. Тогда для первого ОУ 1 напряжения J, а для второго ОУ 3 напряжения vj i- е. Кроме того, вход - первого ОУ I и вход + второго ОУЗ соединены между собой Поэтому напряжения / и- равны друг другу при произволь ных значениях усиления ОУ, Окончательно имеем ,. л ,„, . VV vi4 vi, .;(з Vi , при const. Итак, четыре входных вывода двух ОУ 1 ИОУ 3 из которых два вывода соединены между собой, образуют в устройстве три эквипотенциальных узла, если J -чto , Подключение ре- . зисторов 8 и 9 к таким узлам не изме няет действующих на этих узлах напряжений. Поэтому резисторы 8 и 9 не оказывают влияние на все характеристики устройства, рассчитанные при идеальных ОУ (fj - j, в том числе на добротность Q(li) и частоту . полюсов (нулей) передаточной функции, . Qo. 9} (4) и (Rg, Конечность усиления ОУ главным образом влияет на добротность предлагаемого устройства, что позволяет учитывать воздействие резисторов 8 и 9 только на эту его характеристику. Таким образом, известное и предлагаемое устройства характериэ тся одинаковым набором отмеченных ранее положительных свойств при условии, КОГ-да можно не учитывать конечность усиления ОУ. Отметим, что введение резисторов 8 и 9 в эквипотенциальные узлы предлагаемого устройства и эквивалентные преобразования связантю с переключениями выводов ОУ относительно пассивной части схемы являются двумя достаточно сильными способами воздействия на одни и те же характеристики активной цепи, причем , важно, что как те-; так и другие не изменяют частотную зависимость п воначально скорректированных ОУ. Расчёты показывают, что для предлагаемого устройства погрешность rf- имеют вид )L- Alt flKo( )дв) ДЯ г 1, здесь коэффициенты «ч «. f,. ff tj f-iff лъ «% о na%/v °л . состоят из .разности двух чисел,значения которых определяются пассивными элементами схемы и не зависят от-площади усиления активных приборов. Если в предлагаемом устройстве пассивный четырехполюс- , ник 6 является RC-цепью первого порядка, а пассивный четырехполюсник7 R-цепью, то Or«,-.-%f Т). v-™..:(-lt)) где 5 сопротивление резистора 5 сопрот и вление час тотозадающего резистора, который содержится в RC-цепи первого порядка а данном случае в пассивном четырехполюснике 7 ; ,- R сопротивления резисторов 10 и 11 R-цепи устройства (в данном случае пассивного четырехполюсника 6), определя ющие его петлевое усиление 2r Rio/Riv Для схем, в которых пассивный четырех полюсник 6 является 1.-цепью, а пассивный четырехполюсник 7 является ЯС цепью первого порядка (фиг. 3, можно проводимости GO / RQ Резистора 9 придать граничное значение, равное нулюСОд 0, что соответствует исключению этого резистора из схемы. Тогда в выражении (5 ) для погрешности коэффициенты .v«.v,,.VfbM V -ReV4 0/ V R,/ RII (. R5 W. Ria a,m,-yi,)-(l-) Полагая в Q 2 и, например h|Rg О,, Р./Й9 2,, реализуем условие 6 О при равенстве нулю коэфф1.,4иентов а и ,a,j. Аналогично, если в (7) принять RH г (Т 1), Re . то О при а О и 0. Отсюда и из формулы для погрешности известной схемы видно, что в предлагаемой схеме условие сГг. О реализуется и 82. о, в известной схе при а 0 (а. 7 О, , f О и ме - при а. а, о). Таким образом, в известной схеме имеет место взаимная ко(9пенсация высокочастотных полюсов передато ных функций активных приборов типа ОУ, а в предлагаемой схеме - собстве ная компенсация. Это различие объясняется следующим. Обе схемы содержат в петле обратной связи два канала передачи сигнала. При этом в известной схеме в каждом из этих каналов за счет неидеальностей ОУ создаются дополнительные (паразитные) фазовые сдвиги противоположного знака В предлагаемой схеме погрешность потерь (Гл (компенсация дополнительных фазовых сдвигов) реализуется иначе. Из формул (5) - (7) видно, что если в схеме удалить резисторы 8 и 9, т.е. принять 1/gg 1/R О, то погрешность (fg 0. Отсюда видно, что при этом предлагаемая схема работает аналогично схемам на интеграторах - схеме типа биквад, схеме переменных состояний и др. Для данной схемы погрешность сГ(5 О,так .как в ней имеются ОУ, охваченные через конденсаторы местной обратной связью. Резисторы 8 и 9 через элементы соответствующих пассивных четы рехполюсников 6 и 7 шунтируют эти конденсаторы и тем самым компенсируют их воздействие и воздействие площади усиления ОУ на добротность схемы. При этом шунтирование производится таким образом, что резисторы 8 и 9 не влияют на основные характеристики схемы, рассчитанные при идеальных ОУ ( - 00 ). .В предлагаемом устройстве с соб«ственной компенсацией неидеальностей ОУ добротность 8 значительной степени меньше зависит от площади усиления ОУ, чем в известном устройстве с взаимной компенсацией. Зависимость же от пассивных элементов условия компенсации (f О практически одинакова в обоих схемах. Однако этой зависимостью можно пренебречь, так как, во-первых, допуск на технологический разброс резисторов контролируется и в соответствии с ТУ для различных типов резисторов составляет величину от 0,1 до 5, а площадь усиления активных приборов типа ОУ в соответствии с ТУ определяется только по нижней границе (F50,8-10 Гц; и имеет сравнительно большой первоначальный технологический разброс и, во-вторых, температурная стабильность резисторов в 5-10 раз выше стабильности площади усиления и других параметров ОУ. Учитывая все это, можно сделать еледующи е вы воды„ Во-первых, при прочих равных условиях, . на одной и той же рабочей частоте и при одной и той же реализуемой добротности, ожидаемое температурное отклонение погрешности(, от своего первоначального значения ОQ О в предлагаемом устройстве будет в 2-3 раза ниже, чем в известном устройстве. Для грубого эмпирического расчета можно считать, что данное температурное отклонение при переп паде температур в 60-80С определяется соответственно по формулам (rfp),a oQo|F и (cfQVO,SfoQo|PЕсли CcfQ. 0,2, то 1С для предлагаемого устройства и f Q $0,4v известного устройства. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить добротность, полосу рабочих частот, стабильность и устойчивость. Во-вторых, так 99 как в устройстве условие компенсации неидеальностей каждого активного при бора типа ОУ определяется разностью двух чисел, значения которых в основном зависят только от сопротивлений резисторов, в том числе от сопротивлений резисторов 8 и 9, от которых, в свою очередь, не зависят основные характеристики резонатора, то реализация данного услрвия возможна при расчетных ( или близких к расчетным } значениям соответствующих сопротивлений и при произвольном начальном разбросе параметров ОУ известное устройство таким свойством не обладает, что упрощает, а практически исключает, настройку предлагаемого устройства по данному критерию. аким образом, в предлагаемом устроистве можно реализовать более высокие значения произведения рабочей частоты на добротность QQ при определенной температурной стабильноеnlT.n,, ° - ильности при определенном значении пройзведечия рр и, кроме того, в нем значительно упрощена настройка по реализации условия компенсации неидеальностей активных приборов. 01 0. Фбрмула изобретения Активный четырехполюсник второго порядка, содержащий последовательно соединенные первый операциожшй усилитель и интегратор, выполне 1ный на втором операционном усилителе, неимвертирующий вход которого подключен к инвертирующему входу первого ционного усилителя, а также два подключенных к в«оду устройства -пассивных четырехполюсника, каждый из которых включен между неинвертирупщим входом,одного операционного усилителя и выходом другого операционного усилителя, отличающийс я тем, что, с целью расширения диа пазона рабочих частот,повышения добротности и устойчивости, а также упрощения настройки, введены два оем н « .. -- . , .- .f,,,,, зистора, первый из которых включен между неинвертирующим входом первого и инвертирующим входом второго опе{ ационного усилителя, а между входами второго операционного усилителя включен второй резистор, Источники информации, ринятые во внимание при экспертизе 1о Патент ФРГ V 231761 А, л. Н 03 Н П/ОО, 1975(|рототип;.