Универсальный активный rc-фильтр

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в микроэлектронных селективных узлах радиоэлектронных устройств. Устройство содержит первый, второй и третий резисторы (Р) (1, 2, 3), первый и третий операционные усилители (ОУ) (4, 5), четвертый, пятый и шестой Р (6, 7, 8), второй (ОУ) 9, первый конденсатор (К) (10), седьмой Р (11), второй К (12) и восьмой Р (13). Технический результат - расширение диапазона рабочих частот и (или) повышение стабильности параметров. 5 ил., 2 табл.

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

Известна схема "модифицированного резонаторного фильтра" (В кн.: Хьюсман Л. П., Аллен Ф.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1984; с.241, рис.5.7.- 3), содержащая три операционных усилителя, шесть резисторов и два конденсатора, причем первый резистор и первый конденсатор включены между инвертирующим входом и выходом первого операционного усилителя, первые выводы второго резистора и второго конденсатора подключены к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, а их вторые выводы к выходам первого и третьего операционных усилителей соответственно, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а их вторые выводы к выходу второго операционного усилителя и к входу устройства, первые выводы пятого и шестого резисторов подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, а их вторые выводы - к выходам третьего и второго операционных усилителей, неинвертирующие входы первого и третьего операционных усилителей, а также инвертирующий вход второго операционного усилителя подключены к общей шине.

Признаками этого устройства, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются операционные усилители, резисторы и конденсаторы.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является невозможность перестройки затухания полюса без изменения коэффициента передачи.

Известен также "Перестраиваемый ARC-фильтр" (Пат. РФ N2110140 М. кл. 6 H 03 H 11/04 опубл. 27.04.98 в бюл. N12), содержащий четыре операционных усилителя, восемь резисторов, два конденсатора и две цифроуправляемых проводимости, причем первый и второй резисторы подключены между инвертирующими входами и выходами первого и второго операционных усилителей соответственно, третий и четвертый резисторы первыми выводами подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод четвертого резистора подключен к выходу третьего операционного усилителя, пятый резистор первым выводом подключен к выходу четвертого операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к общей шине, а выходом фильтра является один из выходов операционных усилителей, первая и вторая цифроуправляемые проводимости включены соответственно между выходом второго и неинвертирующим входом третьего операционных усилителей и между выходом третьего и инвертирующим входом четвертого операционных усилителей, первый вывод четвертого резистора соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, второй вывод пятого резистора - с вторым выводом третьего и первым выводом шестого и седьмого резисторов, второй вывод седьмого резистора соединен с общей шиной, восьмой резистор первым выводом соединен с выходом четвертого операционного усилителя, а вторым - с инвертирующими входами второго и четвертого операционных усилителей, первый конденсатор включен между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, а второй конденсатор включен между выходом второго операционного усилителя и инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, который соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, второй вывод шестого резистора является входом фильтра.

Признаками этого устройства, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются операционные усилители, резисторы, конденсаторы.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является повышенное потребление энергии от источников питания.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является "Универсальный активный фильтр" (В кн.: Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1984: с.208, рис. 5.3-1), содержащий три операционных усилителя, восемь резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого, второго и третьего резисторов подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а их вторые выводы - к первому входу устройства, к выходу третьего и выходу первого операционных усилителей соответственно, первые выводы четвертого, пятого и шестого резисторов подключены к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, а их вторые выводы - к второму входу устройства, общей шине и к выходу второго операционного усилителя соответственно, первые выводы первого конденсатора и седьмого резистора подключены к выходам второго и первого операционных усилителей соответственно, первые выводы второго конденсатора и восьмого резисторов подключены к выходам третьего и второго операционных усилителей соответственно, а их вторые выводы - к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, неинвертирующие входы второго и третьего операционных усилителей подключены к общей шине, вторые выводы первого конденсатора и седьмого резистора подключены к инвертирующему входу второго операционного усилителя, выходом устройства является один из выходов операционных усилителей.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является узкий частотный диапазон работы устройства из-за влияния площадей усиления операционных усилителей.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - расширение диапазона рабочих частот и (или) повышение стабильности параметров устройства.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения: расширен частотный диапазон работы устройства в 2,5 раза.

Для достижения технического результата в универсальном активном RC-фильтре, содержащем три операционных усилителя, восемь резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого, второго и третьего резисторов подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а их вторые выводы - к первому входу устройства, к выходу третьего и выходу первого операционных усилителей соответственно, первые выводы четвертого, пятого и шестого резисторов подключены к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, а их вторые выводы - к второму входу устройства, общей шине и к выходу второго операционного усилителя соответственно, первые выводы первого конденсатора и седьмого резистора подключены к выходам второго и первого операционных усилителей соответственно, первые выводы второго конденсатора и восьмого резисторов подключены к выходам третьего и второго операционных усилителей соответственно, а их вторые выводы - к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к общей шине, а выходом устройства является один из выходов операционных усилителей, причем вторые выводы первого конденсатора и седьмого резистора подключены к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя, а инвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя.

Возможность достижения технического результата обусловлена следующими выводами: достигается расширение частотного диапазона работы устройства за счет введения новых связей между элементами, благодаря этому у предлагаемого устройства реализуется большая частота полюса по сравнению с устройством-прототипом, или параметры полюсов меньше отклоняются от расчетных значений, что особенно важно для перестраиваемых фильтров.

Доказательство наличия причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом проведено при рассмотрении работы универсального активного RC-фильтра.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная схема универсального активного RC-фильтра, на фиг. 2 - принципиальная схема и ее сигнальный граф; на фиг. 3 - принципиальная схема устройства-прототипа и ее сигнальный граф, на фиг. 4 и 5 - семейство АЧХ полосовых фильтров предлагаемого устройства и устройства-прототипа соответственно.

Универсальный активный RC-фильтр содержит (см. фиг.1) первый 1, второй 2 и третий 3 резисторы, первый 4 и третий 5 операционные усилители, четвертый 6, пятый 7 и шестой 8 резисторы, второй операционный усилитель 9, первый конденсатор 10, седьмой резистор 11, второй конденсатор 12 и восьмой резистор 13.

Универсальный активный RC-фильтр содержит первый 1, второй 2 и третий 3 резисторы, первые выводы которых подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя 4, а их вторые выводы - к первому входу устройства, к выходу третьего операционного усилителя 5 и выходу первого операционного усилителя 4 соответственно, первые выводы четвертого 6, пятого 7 и шестого 8 резисторов подключены к неинвертирующему входу первого операционного усилителя 4, а их вторые выводы - к второму входу устройства, общей шине и к выходу второго операционного усилителя 9 соответственно, первые выводы первого конденсатора 10 и седьмого резистора 11 подключены к выходам второго 9 и первого 4 операционных усилителей, а их вторые выводы - к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя 5, первые выводы второго конденсатора 12 и восьмого резистора 13 подключены к выходам третьего 5 и второго 9 операционных усилителей соответственно, а их вторые выводы - к инвертирующим входам третьего 5 и второго 9 операционных усилителей, неинвертирующий вход второго операционного усилителя 9 подключен к общей шине, выходом устройства является один из выходов операционных усилителей.

Работает универсальный активный RC-фильтр следующим образом.

Входной гармонический сигнал подается на один из входов устройства, проходит через него и поступает на выходы универсального активного RC-фильтра.

В результате универсальным активным RC-фильтром реализуется передаточная функция где F_ij(p) - передаточная функция с i-го входа на j-й выход: М_ij - масштабный коэффициент передачи с i-го входа на j-й выход; А_ij(р) - числитель передаточной функции с i-го входа на j-й выход; B(p) - знаменатель передаточной функции.

Для анализа свойств универсального активного RC-фильтра использован метод графов.

Граф схемы универсального активного RC-фильтра приведен на фиг. 2,б. В соответствии с принципиальной схемой (см. фиг. 2,а), передачи графа равны: где П₁, П₂, П₃ - площади усиления первого 4, второго 9 и третьего 5 операционных усилителей,
R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇, R₈ - сопротивления седьмого 11, восьмого 13, третьего 3, второго 2, пятого 7, четвертого 6, шестого 8 и первого 1 резисторов соответственно,
коэффициенты передачи
τ₁= R₁C₁, τ₂= R₂C₂ - постоянные времени частотозадающих цепей,
C₁, C₂ - емкость первого 10 и второго 12 конденсаторов соответственно.

Так как основные свойства универсального активного RC-фильтра заключаются в свойствах полюсов передаточной функции, то определим их параметры. Для этого запишем по формуле Мэзона выражение знаменателя передаточной функции:

В предположении, что операционные усилители идеальные (т.е. П_i→ ∞), из (3) находим идеализированные параметры - частоту ω_p и затухание полюса d_p:

Так как отклонение идеализированных полюсов обычно определяется вблизи частоты полюса, где чувствительность АЧХ фильтра имеет максимальное значение, то справедливо равенство Тогда полином третьей степени (3) преобразуется к полиному второй степени:

Из последнего соотношения находим относительные изменения параметров полюсов:


Проводя аналогичный анализ схемы устройства-прототипа, граф которого изображен на фиг 3,б, находим идеализированные параметры - частоту и затухание полюса, которые определяются по формулам (4), в точности соответствующие для предлагаемого устройства, а их относительные изменения, зависящие от конечного значения площадей усиления операционных усилителей, равны:


Из соотношений (7) и (9) (при Q_p=10, k₁=K₂=1, τ₁= τ₂ и П₁=П₂=П₃ находим отклонение затуханий для предлагаемого устройства
δd_p(П) = -2Q_pω_p-1,5ω_p= -21,5ω_p (10)
и устройства - прототипа
δd_p(П) = -4,9Q_pω_p-1,1ω_p= -49,1ω_p (11)
Из сопоставления последних выражений следует, что относительное изменение затухания полюса универсального активного RC-фильтра примерно в 2,5 раза меньше, чем у устройства-прототипа, и как следствие во столько же раз повышается стабильность параметров или при одинаковой стабильности во столько же раз расширяется диапазон рабочих частот.

Для сравнения на фиг. 4 и 5 приведены графики АЧХ полосовых фильтров, полученные путем моделирования принципиальных схем устройств на пакете прикладных программ MicroCap-III, предлагаемого устройства и устройства-прототипа соответственно. Перестройка частот полюсов в обоих устройствах осуществлялась путем одновременного изменения сопротивлений частотозадающих резисторов R₁ и R₂.

Из анализа графиков следует, что уменьшение относительного изменения затухания полюса в предлагаемом устройстве приводит также и к меньшему изменению основного затухания (коэффициента передачи на центральной частоте).

Выражения для числителя передаточных функций (1) универсального активного RC-фильтра с i-го входа на j-й выход, полученные по формуле Мэзона из графа схемы на фиг. 2,б, приведены в табл. 1, а в табл. 2 - выражения для масштабных коэффициентов передачи Mij.

Таким образом, за счет введения новых связей достигнуто расширение частотного диапазона работы устройства или при прочих равных условиях - повышена стабильность его параметров.

Формула изобретения

Универсальный активный RC-фильтр, содержащий три операционных усилителя, восемь резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого, второго и третьего резисторов подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а их вторые выводы - к первому входу устройства, к выходу третьего и выходу первого операционных усилителей соответственно, первые выводы четвертого, пятого и шестого резисторов подключены к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, а их вторые выводы - к второму входу устройства, общей шине и к выходу второго операционного усилителя соответственно, первые выводы первого конденсатора и седьмого резистора подключены к выходам второго и первого операционных усилителей соответственно, первые выводы второго конденсатора и восьмого резисторов подключены к выходам третьего и второго операционных усилителей соответственно, а их вторые выводы - к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к общей шине, а выходом устройства является один из выходов операционных усилителей, отличающийся тем, что вторые выводы первого конденсатора и седьмого резистора подключены к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя, а инвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7