Избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном

Изобретение относится к области радиотехники, а конкретно к управляемым избирательным усилителям. Технический результат заключается в расширение частотного диапазона избирательного усилителя. Избирательный усилитель содержит основной операционный усилитель, между выходом и инвертирующим входом которого включен первый частотозадающий резистор, первый и второй частотозадающие конденсаторы, включенные последовательно между выходом основного операционного усилителя и его инвертирующим входом, второй частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с общим узлом последовательно включенных первого и второго частотозадающих конденсаторов, источник входного напряжения, связанный со вторым выводом второго частотозадающего резистора. Источник входного напряжения связан со вторым выводом второго частотозадающего резистора через дополнительный инвертирующий каскад, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом основного операционного усилителя. 10 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации и т.п.

В задачах выделения высокочастотных сигналов сегодня широко используются интегральные операционные усилители (ОУ) с элементами RC-коррекции, формирующими амплитудно-частотную характеристику резонансного типа [1-7]. Однако классическое построение таких избирательных усилителей (ИУ) приводит к существенной зависимости их основных параметров (добротности Q и частоты квазирезонанса f₀) от частоты единичного усилителя f₁ используемых ОУ. Это не позволяет обеспечить работу ИУ с микромощными и, как следствие, низкочастотными ОУ. В этой связи весьма актуальной является задача поиска архитектур избирательных усилителей, имеющих слабую зависимость частоты квазирезонанса f₀ от f₁ применяемых активных элементов (ОУ).

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является классический избирательный усилитель фиг.1, известный специалистам как схема Рауха, представленный в патенте US 5.336.242, фиг.3. Он содержит основной операционный усилитель 1, между выходом 2 и инвертирующим входом которого включен первый 3 частотозадающий резистор, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, включенные последовательно между выходом 2 основного операционного усилителя 1 и его инвертирующим входом, второй 6 частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с общим узлом 7 последовательно включенных первого 4 и второго 5 частотозадающих конденсаторов, источник входного напряжения 8, связанный со вторым выводом второго 6 частотозадающего резистора.

Существенный недостаток известного ИУ-прототипа состоит в том, что частота квазирезонанса f₀ его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) существенно зависит от численных значений частоты единичного усиления f₁ основного ОУ - при уменьшении f₁, например, при переводе основного ОУ в микрорежим, f₀ уменьшается. Таким образом, с микромощными ОУ схема Рауха неработоспособна на высоких частотах.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в расширении частотного диапазона ИУ за счет ослабления влияния частоты f₁ основного ОУ на частоту квазирезонанса f₀. Это позволяет, в ряде случаев, реализовать высококачественное избирательное устройство в диапазонах высоких и сверхвысоких частот с использованием типовых ОУ, имеющих сравнительно небольшие значения f₁ и малое энергопотребление.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем основной операционный усилитель 1, между выходом 2 и инвертирующим входом которого включен первый 3 частотозадающий резистор, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, включенные последовательно между выходом 2 основного операционного усилителя 1 и его инвертирующим входом, второй 6 частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с общим узлом 7 последовательно включенных первого 4 и второго 5 частотозадающих конденсаторов, источник входного напряжения 8, связанный со вторым выводом второго 6 частотозадающего резистора, предусмотрены новые элементы и связи - источник входного напряжения 8 связан со вторым выводом второго 6 частотозадающего резистора через дополнительный инвертирующий каскад 9, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом основного операционного усилителя 1.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.3 приведена практическая схема избирательного усилителя фиг.2 с компенсацией влияния частоты единичного усиления f₁ основного операционного усилителя 1 на частоту квазирезонанса f₀, в котором дополнительный неинвертирующий каскад 9 реализован на основе вспомогательного ОУ 10 и резисторов обратной связи 11 и 12.

На чертеже фиг.4а представлена схема, которая используется ниже в заявляемом ИУ в качестве основного 1 и вспомогательного 10 операционных усилителей с емкостью коррекции С1, а на чертеже фиг.4б - его блок-схема со стопроцентной обратной связью.

Чертеж фиг.5 иллюстрирует зависимость верхней граничной частоты операционного усилителя фиг.4 от емкости корректирующего конденсатора С_корр=С1. Это позволяет исследовать влияние верхней граничной частоты ОУ 1 и 10 (или частоты f₁) на f₀ заявляемого ИУ.

На чертеже фиг.6 представлена схема ИУ-прототипа (классическая схема Рауха) на основе операционного усилителя фиг.4 в среде PSpice.

На чертеже фиг.7 представлена зависимость коэффициента передачи схемы ИУ фиг.6 от частоты при разных значениях емкости корректирующего конденсатора С_корр=С1=Сс (100÷500 пФ).

На чертеже фиг.8 приведена схема ИУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НИН «Пульсар» с использованием ОУ фиг.4, а на чертеже фиг.9 показаны частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению (К₀) ИУ, выраженные в децибелах, схемы ИУ-прототипа (фиг.6) при С_корр=С1=190 пФ и 500 пФ и схемы заявляемого ИУ (фиг.8) при С_корр=С1=500 пФ.

Чертеж фиг.10 иллюстрирует частотную зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению K_u=u_вых/u_х схемы ИУ-прототипа фиг.6 при С_корр=С1=190 пФ и 500 пФ и схемы заявляемого ИУ фиг.8 при С_корр=С1=500 пФ.

Избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном фиг.2 содержит основной операционный усилитель 1, между выходом 2 и инвертирующим входом которого включен первый 3 частотозадающий резистор, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, включенные последовательно между выходом 2 основного операционного усилителя 1 и его инвертирующим входом, второй 6 частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с общим узлом 7 последовательно включенных первого 4 и второго 5 частотозадающих конденсаторов, источник входного напряжения 8, связанный со вторым выводом второго 6 частотозадающего резистора. Источник входного напряжения 8 связан со вторым выводом второго 6 частотозадающего резистора через дополнительный инвертирующий каскад 9, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом основного операционного усилителя 1.

В схеме фиг.3 дополнительный инвертирующий каскад 9 реализован на основе вспомогательного ОУ 10 и резисторов отрицательной обратной связи 11, 12, определяющих коэффициент передачи дополнительного инвертирующего каскада 9 (K_y9=R11/R₁₂).

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

Комплексный коэффициент передачи ИУ фиг.2 как отношение выходного напряжения (выход устройства 13) к входному напряжению u_вх (1) определяется формулой, которую можно получить с помощью методов анализа электронных схем:

$$K\left(jf\right)=\frac{u_{13}}{u_{вх}}=K_0\frac{jf\frac{f_0}{Q}}{f_0^2-f^2+jf\frac{f_0}{Q}},\left(1\right)$$

где f- частота входного сигнала;

f₀ - частота квазирезонанса избирательного усилителя;

Q - добротность АЧХ избирательного усилителя;

К₀ - коэффициент усиления ИУ на частоте квазирезонанса f₀.

Можно показать аналитически, а также путем компьютерного моделирования (см. чертежи фиг.7, фиг.10, фиг.11, фиг.15), что заявляемый избирательный усилитель фиг.2 характеризуется слабым влиянием частоты единичного усиления f₁ используемого основного 1 и дополнительного 10 операционных усилителей на основные параметры ИУ-добротность Q и частоту квазирезонанса f₀. Это позволяет при прочих равных условиях получить более широкий диапазон рабочих частот ИУ при использовании относительно низкочастотных операционных усилителей 1 и 10.

Представленные на чертежах фиг.7, фиг.10, фиг.11 результаты моделирования ИУ подтверждают указанные свойства заявляемой схемы ИУ.

Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение ИУ характеризуется более широким частотным диапазоном, а также ослабленным влиянием частоты единичного усиления f₁ основного операционного усилителя 1 на смещение частоты квазирезонанса f₀ относительно расчетных значений, а также повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 4.189.681 fig.1.

2. Патент US 6.404.279 fig.1.

3. Патент US 7.081.788 fig.6.

4. Патент US 6.268.766 fig.4.

5. Патент US 5.336.242 fig.3.

6. Патент US 6.492.865 fig.4.

7. Патент US 7.838.809 fig.13c.

Избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном, содержащий основной операционный усилитель (1), между выходом (2) и инвертирующим входом которого включен первый (3) частотозадающий резистор, первый (4) и второй (5) частотозадающие конденсаторы, включенные последовательно между выходом (2) основного операционного усилителя (1) и его инвертирующим входом, второй (6) частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с общим узлом (7) последовательно включенных первого (4) и второго (5) частотозадающих конденсаторов, источник входного напряжения (8), связанный со вторым выводом второго (6) частотозадающего резистора, отличающийся тем, что источник входного напряжения (8) связан со вторым выводом второго (6) частотозадающего резистора через дополнительный инвертирующий каскад (9), неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом основного операционного усилителя (1).