Полосовой arc-фильтр на двух операционных усилителях с понижением частоты полюса и независимой подстройкой основных параметров

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве интерфейса для ограничения спектра источника сигнала. Техническим результатом изобретения является создание схемы полосового АRC-фильтра с понижением частоты полюса, которая обеспечивает независимую подстройку трех основных параметров амплитудно-частотной характеристики – частоты полюса, затухания полюса, а также коэффициента передачи в полосе пропускания. Технический результат достигается за счет включения в схему полосового ARC-фильтра двух операционных усилителей, резисторов и конденсаторов в определенной последовательности. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве интерфейса для ограничения спектра источника сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.

Полосовые АRC-фильтры (ПФ) относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств, определяющих качественные показатели многих радиотехнических систем, в том числе для цифровой обработки сигналов [1-36].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является АRC-фильтр по патенту RU 2150782 «Полосовой ARC-фильтр с понижением частоты полюса», опубл.: 10.06.2000. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 операционный усилитель, выход которого соединен с выходом 2 устройства, первый 4 резистор, включенный между выходом и инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, последовательно соединенные второй 5 и третий 6 резисторы, включённые между инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и общей шиной источников питания 7, четвертый 8 резистор, включенный между общим узлом последовательно соединенных второго 5 и третьего 6 резисторов и неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, пятый 9 резистор, первый вывод которого подключен к выходу 2 устройства, шестой 10 резистор, первый вывод которого связан с инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, первый 11 конденсатор, первый вывод которого соединен с общей шиной источников питания 7, второй 12 конденсатор, седьмой 13 резистор, первый вывод которого соединен со входом 1 устройства, восьмой 14 резистор.

Существенный недостаток ARC-фильтра-прототипа фиг. 1, а также других известных фильтров рассматриваемого класса [1-26], состоит в том, что в процессе подстройки его одного параметра, например, затухания или частоты полюса, изменяется третий важный параметр амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) – коэффициент передачи в полосе пропускания. Это значительно усложняет производство ARC-фильтров данного класса.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании схемы полосового АRC-фильтра с понижением частоты полюса, которая обеспечивает независимую подстройку трех основных параметров АЧХ – частоты полюса (ω_s), затухания полюса (d_s), а также коэффициента передачи в полосе пропускания (М).

Поставленная задача достигается тем, что в полосовом ARC-фильтре фиг. 2, содержащем во вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 операционный усилитель, выход которого соединен с выходом 2 устройства, первый 4 резистор, включенный между выходом и инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, последовательно соединенные второй 5 и третий 6 резисторы, включённые между инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и общей шиной источников питания 7, четвертый 8 резистор, включенный между общим узлом последовательно соединенных второго 5 и третьего 6 резисторов и неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, пятый 9 резистор, первый вывод которого подключен к выходу 2 устройства, шестой 10 резистор, первый вывод которого связан с инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, первый 11 конденсатор, первый вывод которого соединен с общей шиной источников питания 7, второй 12 конденсатор, седьмой 13 резистор, первый вывод которого соединен со входом 1 устройства, восьмой 14 резистор, предусмотрены новые элементы и связи – вторые выводы шестого 10 и седьмого 13 резисторов подключены к инвертирующему входу дополнительного операционного усилителя 15, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания 7, восьмой 14 резистор включен между выходом и инвертирующим входом дополнительного операционного усилителя 15, выход дополнительного операционного усилителя 15 соединен со вторым выводом пятого 9 резистора через дополнительный 16 резистор, причем общий узел пятого 9 резистора и дополнительного 16 резистора соединен с неивертирующим входом первого 3 операционного усилителя через второй 12 конденсатор, а неинвертирующий вход первого 3 операционного усилителя связан со вторым выводом первого 11 конденсатора.

На чертеже фиг. 1 показана схема ПФ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого ПФ в соответствии с п. 2 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 4 приведены графики изменения амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) характеристик ПФ фиг. 3 при настройке частоты полюса (ω_s) последовательно соединенными вторым 5 и третьим 6 резисторами (R5 и R6).

На чертеже фиг. 5 представлены АЧХ и ФЧХ полосового ARC-фильтра фиг. 3 при настройке затухания полюса (d_s) с помощью первого 4, шестого 10 и восьмого 14 резисторов (R4, R10 и R14).

На чертеже фиг. 6 показаны графики изменения АЧХ и ФЧХ полосового ARC-фильтра фиг. 3 при настройке затухания полюса (d_s) с помощью восьмого 14 резистора (R14).

На чертеже фиг. 7 приведены графики изменения АЧХ полосового ARC-фильтра фиг. 3 при настройке коэффициента передачи М с помощью седьмого 13 резистора (R13).

Полосовой ARC-фильтр на двух операционных усилителях с понижением частоты полюса и независимой подстройкой основных параметров (фиг. 2) содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 операционный усилитель, выход которого соединен с выходом 2 устройства, первый 4 резистор, включенный между выходом и инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, последовательно соединенные второй 5 и третий 6 резисторы, включённые между инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и общей шиной источников питания 7, четвертый 8 резистор, включенный между общим узлом последовательно соединенных второго 5 и третьего 6 резисторов и неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, пятый 9 резистор, первый вывод которого подключен к выходу 2 устройства, шестой 10 резистор, первый вывод которого связан с инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, первый 11 конденсатор, первый вывод которого соединен с общей шиной источников питания 7, второй 12 конденсатор, седьмой 13 резистор, первый вывод которого соединен со входом 1 устройства, восьмой 14 резистор. Вторые выводы шестого 10 и седьмого 13 резисторов подключены к инвертирующему входу дополнительного операционного усилителя 15, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания 7, восьмой 14 резистор включен между выходом и инвертирующим входом дополнительного операционного усилителя 15, выход дополнительного операционного усилителя 15 соединен со вторым выводом пятого 9 резистора через дополнительный 16 резистор, причем общий узел пятого 9 резистора и дополнительного 16 резистора соединен с неивертирующим входом первого 3 операционного усилителя через второй 12 конденсатор, а неинвертирующий вход первого 3 операционного усилителя связан со вторым выводом первого 11 конденсатора.

На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения последовательно со вторым 12 конденсатором (C12) включен второй 17 дополнительный резистор (R17).

Рассмотрим работу АRC-фильтра, представленного на чертеже фиг. 3.

На практике прецизионность полосового АRC-фильтра обеспечивается подстройкой пассивных элементов с помощью цифровой коммутации резисторов (например, микросхем цифровых потенциометров) или специальных технологических процессов их подгонки [27-29,32-36], например, с помощью лазеров [32,33]. Однако в известных схемах полосовых
АRC-фильтров второго порядка [27,28,35,36] при настройке одного параметра, например, частоты полюса ω_s, изменяется другой параметр – затухание полюса d_s или коэффициент передачи М в полосе пропускания.

Для обеспечения независимой подстройки основных параметров ПФ перспективна предлагаемая архитектура фиг. 3. В этой схеме за счет введения новых обратных связей и при больших коэффициентах усиления операционных усилителей возможна независимая подстройка трех основных параметров ПФ – частоты полюса (ω_s), затухания полюса (d_s) и коэффициента передачи в полосе пропускания (M).

Свойства схемы классического полосового фильтра второго порядка, в том числе схемы фиг. 3, определяются его передаточной функцией [27,28]

где М – коэффициент передачи фильтра на центральной частоте; ω_s – частота полюса; d_s – затухание полюса.

Для нахождения параметров передаточной функции рассматриваемой схемы фиг. 3 введем обозначения

где – сопротивление n-го резистора; – емкость первого 11 и второго 12 конденсаторов.

С учетом последних обозначений передаточная функция схемы фиг. 3 приводится к виду

Из последней формулы находим основные параметры схемы ПФ фиг. 3:

- коэффициент передачи

,

- частота полюса

,

- затухание полюса

Независимая настройка параметров ПФ фиг. 3 возможна тогда, когда при настройке последующего параметра схемы не потребуется изменять сопротивления резисторов, определяющие уже настроенный параметр [27-29]. Из анализа полученных формул, определяющих основные параметры схемы следует, что в предлагаемом ПФ фиг. 3 такая настройка осуществима в следующей последовательности:

Первый этап: настраивается частота полюса ω_s путем изменения последовательно соединенных второго 5 и третьего 6 резисторов (R5, R6). Далее номиналы этих резисторов фиксируются.

Второй этап: настраивается затухание полюса d_s путем изменения сопротивлений первого 4, шестого 10 и восьмого 14 резисторов (R4,R10,R14). На втором этапе сопротивления последовательно соединенных второго 5 и третьего 6 резисторов (R5, R6) не изменяются.

Третий этап: настраивается коэффициент передачи М путем изменения сопротивления седьмого 13 резистора (R13). На этом этапе сопротивления первого 4, шестого 10, восьмого 14 резисторов (R4,R10,R14), а также последовательно соединенных второго 5 и третьего 6 резисторов (R5 и R6) не изменяются.

Эффективность рассмотренного выше алгоритма настройки ПФ фиг. 3 подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг. 4-фиг. 7).

При моделировании схемы фиг. 3 собственная частота полюса RC-цепи, т.е. классического моста Вина,

была выбрана равной 1000 Гц. В рассматриваемой схеме ПФ фиг. 3 при любом соотношении второго 5 и третьего 6 резисторов (R5 и R6) частота полюса фильтра будет всегда ниже частоты полюса RC-цепи. Это определяет название предлагаемой схемы фильтра.

По виду ФЧХ фиг. 5 можно судить, что частота полюса ω_s, на которой фазовый сдвиг равен -180⁰, изменяется за счет второго 5 и третьего 6 резисторов (R5 и R6) в относительно широких пределах.

По виду ФЧХ фиг. 5 можно установить, что при изменении сопротивлений последовательно соединенных второго 5 и третьего 6 резисторов (R5 и R6) изменяется наклон ФЧХ в области частоты полюса и изменяется подъем АЧХ на этой частоте. При этом частота полюса остается неизменной ω_s=const.

Аналогичные результаты получаются при изменении сопротивления восьмого 14 резистора (R14). При настройке затухания полюса изменяются частоты, на которых фазовый сдвиг составляет -135⁰ и -225⁰.

Рассматриваемая схема фильтра обладает ещё одной отличительной особенностью. Если в её знаменателе передаточной функции при выборе параметров элементов обеспечить равенство

то коэффициент передачи на частоте полюса

становится независимым от сопротивления восьмого 14 резистора (R14) и при настройке затухания полюса он не изменяется (фиг. 6).

Рассмотрение фазо-частотной характеристики фиг. 7 показывает, что седьмой 13 резистор (R13) не изменяет ее параметры, т.е. частота ω_s и затухание d_s полюса ФВЧ остаются неизменными. При этом изменяется только коэффициент передачи фильтра в полосе пропускания М.

Следует заметить, что предложенная процедура настройки ПФ с понижением частоты полюса может быть обеспечена за счет применения микросхем (или кристаллов) цифровых потенциометров. Кроме этого, она также применима при изготовлении ПФ по гибридно-пленочной технологии, при которой подгонка резисторов (резка тела резистора) приводит только к увеличению их сопротивлений. В схеме на фиг. 3 уменьшать или увеличивать величину настраиваемого параметра ПФ возможно за счет увеличения сопротивлений пар отдельных последовательно соединенных третьего 6 и второго 5 резисторов (R6/R5), а также первого 4 и шестого 10 резисторов (R4/R10) и третьего 6 и восьмого 14 резисторов (R6/R14).

Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент SU 296228, 1971 г.

2. Патент SU 964977, 1982 г.

3. Патент SU 1629960, 1991 г.

4. Патент SU 1755364, 1992 г.

5. Патент SU 438095, 1974 г.

6. Патент RU 2154337, 2000 г.

7. Патент RU 2150782, 2000 г.

8. Патент RU 2089998, 1997 г.

9. Патент RU 2089041, 1997 г.

10. Патент SU 1777233, 1992 г.

11. Патент SU 792557, 1980 г.

12. Патент SU 807482, 1981 г.

13. Патент SU 1788570, 1993 г.

14. Патент RU 2019023, 1994 г.

15. Патент RU 2019024, 1994 г.

16. Патент RU 2165673, 2001 г.

17. Патент SU 987800, 1983 г.

18. Патент SU 376871,1973 г.

19. Патент SU 536590, 1976 г.

20. Патент SU 587602, 1978 г.

21. Патент SU 813690, 1981 г.

22. Патент SU 813694, 1981 г.

23. Патент SU 815868, 1981 г.

24. Патент US 3,946,328, 1976 г.

25. Патент SU 785954, 1980 г.

26. Патент US 4,659,995, 1987 г.

27. Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров: Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 320 с.

28. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / Букашкин С.А., Власов В.П., Змий Б.Ф. и др.; Под ред. А.А. Ланнэ. – М.: Радио и связь, 1984. – 368 с.

29. Денисенко Д.Ю., Гришко И.К, Иванов Ю.И. Система автоматической настройки аналоговых активных RC-фильтров // Информационные технологии, системный анализ и управление. – ИТСАУ-2016; Сборник трудов ХIV Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, 16-19 ноября 2016 г. – Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2016 – Т.1. - 339 с. С. 120-122.

30. Иванов Ю.И. Схемотехника микромощных ARC-фильтров в гибридно-пленочном исполнении // Электроника и информатика – ХХI век. Третья международная научно-техническая конференция: Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2000, С. 228-229.

31. Иванов Ю.И. Увеличение гарантированного затухания в полосе задерживания в ARC-фильтрах второго порядка // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Сборник материалов Международного научно-технического семинара. Шахты. Изд. ЮРГУЭС, 2001, С. 95-101.

32. Куфлевский Е.И., Гура В.Д., Иванов Ю.И., Лысенко Г.В., Макаренко Б.Ф. Опыт разработки прецизионных активных фильтров в гибридно-пленочном исполнении // Тезисы доклада на X московской НТК, поев. Дню радио. - М.: Радио и связь, 1984. - С. 81.

33. Куфлевский Е.И., Иванов Ю.И. Схемотехника и реализация микроэлектронного фильтра нижних частот // Полупроводниковая электроника в технике связи: сб. статей / Под ред. И.Ф. Николаевского. - М.: Радио и связь, 1990. - Вып. 28. - С. 63-67.

34. Иванов Ю.И. Синтез экономичных звеньев ARC-фильтров с учетом ограничений гибридно-пленочной технологии // Труды 6 Всероссийской НТК с международным участием “Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники” - 1999. Дивноморск. С. 68.

35. Гришин С.В., Крутчинский С.Г., Иванов Ю.И. Активный фильтр верхних частот // А.с. № 1732431, БИ № 17 оп. 07.05.1992.

36. Иванов Ю.И. Активный RC-фильтр верхних частот // Пат. № 2149500, БИ № 14 оп. 20.05.2000.

1. Полосовой ARC-фильтр на двух операционных усилителях с понижением частоты полюса и независимой подстройкой основных параметров, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, первый (3) операционный усилитель, выход которого соединен с выходом (2) устройства, первый (4) резистор, включенный между выходом и инвертирующим входом первого (3) операционного усилителя, последовательно соединенные второй (5) и третий (6) резисторы, включённые между инвертирующим входом первого (3) операционного усилителя и общей шиной источников питания (7), четвертый (8) резистор, включенный между общим узлом последовательно соединенных второго (5) и третьего (6) резисторов и неинвертирующим входом первого (3) операционного усилителя, пятый (9) резистор, первый вывод которого подключен к выходу (2) устройства, шестой (10) резистор, первый вывод которого связан с инвертирующим входом первого (3) операционного усилителя, первый (11) конденсатор, первый вывод которого соединен с общей шиной источников питания (7), второй (12) конденсатор, седьмой (13) резистор, первый вывод которого соединен с входом (1) устройства, восьмой (14) резистор, отличающийся тем, что вторые выводы шестого (10) и седьмого (13) резисторов подключены к инвертирующему входу дополнительного операционного усилителя (15), неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания (7), восьмой (14) резистор включен между выходом и инвертирующим входом дополнительного операционного усилителя (15), выход дополнительного операционного усилителя (15) соединен со вторым выводом пятого (9) резистора через дополнительный (16) резистор, причем общий узел пятого (9) резистора и дополнительного (16) резистора соединен с неивертирующим входом первого (3) операционного усилителя через второй (12) конденсатор, а неинвертирующий вход первого (3) операционного усилителя связан со вторым выводом первого (11) конденсатора.

2. Полосовой ARC-фильтр на двух операционных усилителях с понижением частоты полюса и независимой подстройкой основных параметров по п. 1, отличающийся тем, что последовательно со вторым (12) конденсатором включен второй (17) дополнительный резистор.