Активный rc-фильтр нижних частот с одноэлементной перестройкой частоты полюса на дифференциальных и мультидифференциальном операционных усилителях
Владельцы патента RU 2718210:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)
Изобретение относится к средствам ограничителей спектра, включаемых на входе аналого-цифровых преобразователей различного назначения. Технический результат заключается в обеспечении условий, при которых при перестройке частоты среза коэффициент передачи ФНЧ на нулевой частоте остается без изменений. По сравнению с прототипом в активном RC-фильтре нижних частот с одноэлементной перестройкой частоты полюса на дифференциальных и мультидифференциальном операционных усилителях инвертирующий выход мультидифференциального операционного усилителя (7) связан с неинвертирующим входом второго (6) дифференциального операционного усилителя через последовательно включенные пятый (20) вспомогательный и третий (18) частотозадающий резисторы, а неинвертирующий выход мультидифференциального операционного усилителя (7) связан с инвертирующим входом второго (6) дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные шестой (21) вспомогательный и четвертый (19) частотозадающие резисторы, основной инвертирующий вход (11) второго порта мультидифференциального операционного усилителя (7) соединен с его неинвертирующим выходом, неинвертирующий дополнительный вход (23) первого порта мультидифференциального операционного усилителя (7) связан с инвертирующим выходом первого (5) дифференциального операционного усилителя, инвертирующий дополнительный вход (24) второго порта мультидифференциального операционного усилителя (7) связан с неинвертирующим выходом первого (5) дифференциального операционного усилителя, основной инвертирующий вход (9) первого порта мультидифференциального операционного усилителя (7) соединен с первым (1) входом устройства, основной неинвертирующий вход (10) второго порта мультидифференциального операционного усилителя (7) соединен со вторым (2) входом устройства, инвертирующий дополнительный вход (25) первого порта мультидифференциального операционного усилителя (7) и неинвертирующий дополнительный вход (26) второго порта мультидифференциального операционного усилителя (7) связаны с общей шиной источника питания (27). 4 ил.
Изобретение относится к области радиотехники, а также измерительной техники, и может использоваться, например, в качестве ограничителей спектра, включаемых на входе аналого-цифровых преобразователей различного назначения [1-4].
Активные RC-фильтры нижних частот (ФНЧ) широко используются в современной электронике [1-21] и оказывают существенное влияние на качественные показатели многих аналого-цифровых систем связи и автоматического управления [1-4].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ФНЧ фиг. 1, описанный в статье «Hussain Alzaher and Mohammed Ismail, “A CMOS Fully Balanced Differential Difference Amplifier and Its Applications”, IEEE Transactions on Circuits And Systems—Ii: Analog And Digital Signal Processing, Vol. 48, No. 6, June 2001, pp. 614-620, fig.8f). Он содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 противофазные входы устройства, а также первый 3 и второй 4 противофазные выходы устройства, первый 5 и второй 6 дифференциальные операционные усилители с противофазными выходами, а также первый 7 мультидифференциальный операционный усилитель с противофазными выходами, причем мультидифференциальный операционный усилитель 7 содержит первый входной порт с основными неинвертирующим 8 и инвертирующим 9 входами, второй входной порт с основными неинвертирующим 10 и инвертирующим 11 входами, первый 12 конденсатор, включенный между неинвертирующим входом и инвертирующим выходом первого 5 дифференциального операционного усилителя, связанным с первым 3 выходом устройства, второй 13 конденсатор, включенный между инвертирующим входом и неинвертирующим выходом первого 5 дифференциального операционного усилителя, связанным со вторым 4 выходом устройства, первый 14 частотозадающий резистор, включенный между инвертирующим выходом второго 6 дифференциального операционного усилителя и неинвертирующим входом первого 5 дифференциального операционного усилителя, второй 15 частотозадающий резистор, включенный между неинвертирующим выходом второго 6 дифференциального операционного усилителя и инвертирующим входом первого 5 дифференциального операционного усилителя, первый 16 частотозадающий двухполюсник, включенный между неинвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя и инвертирующим выходом второго 6 дифференциального операционного усилителя, второй 17 частотозадающий двухполюсник, включенный между инвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя и неинвертирующим выходом второго 6 дифференциального операционного усилителя, третий 18 частотозадающий резистор, связанный с неинвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя, четвертый 19 частотозадающий резистор, связанный с инвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя, пятый 20 и шестой 21 вспомогательные резисторы.
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что при перестройке частоты среза изменяется коэффициент передачи ФНЧ на нулевой частоте. Это ограничивает области использования данной схемы.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых при перестройке частоты среза коэффициент передачи ФНЧ на нулевой частоте остается без изменений.
Поставленная задача достигается тем, что в активном RC-фильтре, содержащем первый 1 и второй 2 противофазные входы устройства, а также первый 3 и второй 4 противофазные выходы устройства, первый 5 и второй 6 дифференциальные операционные усилители с противофазными выходами, а также первый 7 мультидифференциальный операционный усилитель с противофазными выходами, причем мультидифференциальный операционный усилитель 7 содержит первый входной порт с основными неинвертирующим 8 и инвертирующим 9 входами, второй входной порт с основными неинвертирующим 10 и инвертирующим 11 входами, первый 12 конденсатор, включенный между неинвертирующим входом и инвертирующим выходом первого 5 дифференциального операционного усилителя, связанным с первым 3 выходом устройства, второй 13 конденсатор, включенный между инвертирующим входом и неинвертирующим выходом первого 5 дифференциального операционного усилителя, связанным со вторым 4 выходом устройства, первый 14 частотозадающий резистор, включенный между инвертирующим выходом второго 6 дифференциального операционного усилителя и неинвертирующим входом первого 5 дифференциального операционного усилителя, второй 15 частотозадающий резистор, включенный между неинвертирующим выходом второго 6 дифференциального операционного усилителя и инвертирующим входом первого 5 дифференциального операционного усилителя, первый 16 частотозадающий двухполюсник, включенный между неинвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя и инвертирующим выходом второго 6 дифференциального операционного усилителя, второй 17 частотозадающий двухполюсник, включенный между инвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя и неинвертирующим выходом второго 6 дифференциального операционного усилителя, третий 18 частотозадающий резистор, связанный с неинвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя, четвертый 19 частотозадающий резистор, связанный с инвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя, пятый 20 и шестой 21 вспомогательные резисторы, предусмотрены новые элементы и связи – инвертирующий выход мультидифференциального операционного усилителя 7 связан с неинвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя через последовательно включенные пятый 20 вспомогательный и третий 18 частотозадающий резисторы, а неинвертирующий выход мультидифференциального операционного усилителя 7 связан с инвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные шестой 21 вспомогательный и четвертый 19 частотозадающие резисторы, причем общий узел последовательно включенных пятого 20 вспомогательного и третьего 18 частотозадающих резисторов связан с общим узлом последовательно включенных шестого 21 вспомогательного и четвертого 19 частотозадающих резисторов через дополнительный регулируемый двухполюсник 22, в качестве первого 16 и второго 17 частотозадающих двухполюсников используются соответствующие резисторы, основной неинвертирующий вход 8 первого порта мультидифференциального операционного усилителя 7 соединен с инвертирующим выходом мультидифференциального операционного усилителя 7, основной инвертирующий вход 11 второго порта мультидифференциального операционного усилителя 7 соединен с его неинвертирующим выходом, неинвертирующий дополнительный вход 23 первого порта мультидифференциального операционного усилителя 7 связан с инвертирующим выходом первого 5 дифференциального операционного усилителя, инвертирующий дополнительный вход 24 второго порта мультидифференциального операционного усилителя 7 связан с неинвертирующим выходом первого 5 дифференциального операционного усилителя, основной инвертирующий вход 9 первого порта мультидифференциального операционного усилителя 7 соединен с первым 1 входом устройства, основной неинвертирующий вход 10 второго порта мультидифференциального операционного усилителя 7 соединен со вторым 2 входом устройства, инвертирующий дополнительный вход 25 первого порта мультидифференциального операционного усилителя 7 и неинвертирующий дополнительный вход 26 второго порта мультидифференциального операционного усилителя 7 связаны с общей шиной источника питания 27.
На чертеже фиг. 1 показана схема ФНЧ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого активного RC-фильтра нижних частот в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 приведена структура входов по первому и второму портам мультидифференциального операционного усилителя 7.
На чертеже фиг. 4 представлены результаты компьютерного моделирования схемы ФНЧ фиг. 2.
Активный RC-фильтр нижних частот с одноэлементной перестройкой частоты полюса на дифференциальных и мультидифференциальном операционных усилителях фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 противофазные входы устройства, а также первый 3 и второй 4 противофазные выходы устройства, первый 5 и второй 6 дифференциальные операционные усилители с противофазными выходами, а также первый 7 мультидифференциальный операционный усилитель с противофазными выходами, причем мультидифференциальный операционный усилитель 7 содержит первый входной порт с основными неинвертирующим 8 и инвертирующим 9 входами, второй входной порт с основными неинвертирующим 10 и инвертирующим 11 входами, первый 12 конденсатор, включенный между неинвертирующим входом и инвертирующим выходом первого 5 дифференциального операционного усилителя, связанным с первым 3 выходом устройства, второй 13 конденсатор, включенный между инвертирующим входом и неинвертирующим выходом первого 5 дифференциального операционного усилителя, связанным со вторым 4 выходом устройства, первый 14 частотозадающий резистор, включенный между инвертирующим выходом второго 6 дифференциального операционного усилителя и неинвертирующим входом первого 5 дифференциального операционного усилителя, второй 15 частотозадающий резистор, включенный между неинвертирующим выходом второго 6 дифференциального операционного усилителя и инвертирующим входом первого 5 дифференциального операционного усилителя, первый 16 частотозадающий двухполюсник, включенный между неинвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя и инвертирующим выходом второго 6 дифференциального операционного усилителя, второй 17 частотозадающий двухполюсник, включенный между инвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя и неинвертирующим выходом второго 6 дифференциального операционного усилителя, третий 18 частотозадающий резистор, связанный с неинвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя, четвертый 19 частотозадающий резистор, связанный с инвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя, пятый 20 и шестой 21 вспомогательные резисторы. Инвертирующий выход мультидифференциального операционного усилителя 7 связан с неинвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя через последовательно включенные пятый 20 вспомогательный и третий 18 частотозадающий резисторы, а неинвертирующий выход мультидифференциального операционного усилителя 7 связан с инвертирующим входом второго 6 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные шестой 21 вспомогательный и четвертый 19 частотозадающие резисторы, причем общий узел последовательно включенных пятого 20 вспомогательного и третьего 18 частотозадающих резисторов связан с общим узлом последовательно включенных шестого 21 вспомогательного и четвертого 19 частотозадающих резисторов через дополнительный регулируемый двухполюсник 22, в качестве первого 16 и второго 17 частотозадающих двухполюсников используются соответствующие резисторы, основной неинвертирующий вход 8 первого порта мультидифференциального операционного усилителя 7 соединен с инвертирующим выходом мультидифференциального операционного усилителя 7, основной инвертирующий вход 11 второго порта мультидифференциального операционного усилителя 7 соединен с его неинвертирующим выходом, неинвертирующий дополнительный вход 23 первого порта мультидифференциального операционного усилителя 7 связан с инвертирующим выходом первого 5 дифференциального операционного усилителя, инвертирующий дополнительный вход 24 второго порта мультидифференциального операционного усилителя 7 связан с неинвертирующим выходом первого 5 дифференциального операционного усилителя, основной инвертирующий вход 9 первого порта мультидифференциального операционного усилителя 7 соединен с первым 1 входом устройства, основной неинвертирующий вход 10 второго порта мультидифференциального операционного усилителя 7 соединен со вторым 2 входом устройства, инвертирующий дополнительный вход 25 первого порта мультидифференциального операционного усилителя 7 и неинвертирующий дополнительный вход 26 второго порта мультидифференциального операционного усилителя 7 связаны с общей шиной источника питания 27.
Рассмотрим работу схемы ФНЧ фиг. 2.
Передаточная функция схемы ФНЧ первого порядка в общем виде описывается выражением
(1)
где 
– частота полюса.
Введем обозначения: 
– сопротивления первого частотозадающего 14, второго частотозадающего 15, первого частотозадающего двухполюсника 16, второго частотозадающего двухполюсника 17, третьего частотозадающего 18, четвертого частотозадающего 19, пятого вспомогательного 20, шестого вспомогательного 21 и дополнительного регулируемого двухполюсника 22 резисторов соответственно, 
– емкости первого 12, второго 13 конденсаторов соответственно.
При выполнении ряда условий 
, которые необходимо обеспечить в схеме фиг. 2 для симметричной работы каналов ФНЧ, коэффициенты передаточной функции (1) находятся с помощью следующих выражений
Путем изменения сопротивления резистора 22 может осуществляться перестройка частоты среза фильтра без изменения коэффициента передачи на нулевой частоте. В качестве элемента перестройки 22 могут использоваться, например, цифровые потенциометры.
Анализ графиков фиг. 4 показывает, что в схеме фиг. 2 обеспечивается перестройка амплитудно-частотной характеристики ФНЧ в широком диапазоне частот без изменения коэффициента передачи на нулевой частоте.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Выбор параметров аналоговых ограничителей спектра для цифровых систем обработки сигналов с учетом допусков и температурной нестабильности пассивных компонентов / Денисенко Д.Ю., Иванов Ю.И., Прокопенко Н.Н. // Радиотехника. – 2017. - № 1. – С.148-153.
2. Estimation to Efficiency of the Using of Anti-Alias Filter in the A/D Interface of Instrumentation and Control Systems / L.K. Samoylov, N.N. Prokopenko, A.V. Bugakova // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2018), Kazan, Russia, September 14 - 17, 2018, pp. 422-425.
3. Selection of the Band-Pass Range of the Normalizing Signal Transducer of the Sensing Element in the Instrumentation and Control Systems / L.K. Samoylov, N.N. Prokopenko, A.V. Bugakova // 2018 14th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT’2018). Proceedings. Oct.31-Nov.3, 2018, Qingdao, China.
4. The Function Approximation of the Signal Delay Time in the Anti-Alias Filter of the A/D Interface of the Instrumentation and Control System / L.K. Samoylov, D.Yu.Denisenko, N.N. Prokopenko // 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech-2018), October 22-23, 2018, Saint Petersburg, Russia.
5. 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.
6. Патент US 5.371.472, 1994 г.
7. Патент US 3.787.776, 1974 г.
8. Патентная заявка US 2007/0296496, 2007 г.
9. Патент RU 2370881, 2009 г.
10. Патент RU 2370882, 2009 г.
11. Патент RU 2370880, 2009 г.
12. Патент US 3.736.517, 1973 г.
13. Патент US 6.407.627, 2002 г.
14. Патент SU 1187241, 1985 г.
15. Патент US 6.344.773, 2002 г.
16. Патент US 6.710.644, 2004 г.
17. Патент SU 1777233, 1990 г.
18. Патент RU 2019023, 1994 г.
19. Патент SU 443459, 1974 г.
20. Патент SU 1417178, 1988 г.
21. Патент SU 1758833, 1992 г.
Активный RC-фильтр нижних частот с одноэлементной перестройкой частоты полюса на дифференциальных и мультидифференциальном операционных усилителях, содержащий первый (1) и второй (2) противофазные входы устройства, а также первый (3) и второй (4) противофазные выходы устройства, первый (5) и второй (6) дифференциальные операционные усилители с противофазными выходами, а также первый (7) мультидифференциальный операционный усилитель с противофазными выходами, причем мультидифференциальный операционный усилитель (7) содержит первый входной порт с основными неинвертирующим (8) и инвертирующим (9) входами, второй входной порт с основными неинвертирующим (10) и инвертирующим (11) входами, первый (12) конденсатор, включенный между неинвертирующим входом и инвертирующим выходом первого (5) дифференциального операционного усилителя, связанным с первым (3) выходом устройства, второй (13) конденсатор, включенный между инвертирующим входом и неинвертирующим выходом первого (5) дифференциального операционного усилителя, связанным со вторым (4) выходом устройства, первый (14) частотозадающий резистор, включенный между инвертирующим выходом второго (6) дифференциального операционного усилителя и неинвертирующим входом первого (5) дифференциального операционного усилителя, второй (15) частотозадающий резистор, включенный между неинвертирующим выходом второго (6) дифференциального операционного усилителя и инвертирующим входом первого (5) дифференциального операционного усилителя, первый (16) частотозадающий двухполюсник, включенный между неинвертирующим входом второго (6) дифференциального операционного усилителя и инвертирующим выходом второго (6) дифференциального операционного усилителя, второй (17) частотозадающий двухполюсник, включенный между инвертирующим входом второго (6) дифференциального операционного усилителя и неинвертирующим выходом второго (6) дифференциального операционного усилителя, третий (18) частотозадающий резистор, связанный с неинвертирующим входом второго (6) дифференциального операционного усилителя, четвертый (19) частотозадающий резистор, связанный с инвертирующим входом второго (6) дифференциального операционного усилителя, пятый (20) и шестой (21) вспомогательные резисторы, отличающийся тем, что инвертирующий выход мультидифференциального операционного усилителя (7) связан с неинвертирующим входом второго (6) дифференциального операционного усилителя через последовательно включенные пятый (20) вспомогательный и третий (18) частотозадающий резисторы, а неинвертирующий выход мультидифференциального операционного усилителя (7) связан с инвертирующим входом второго (6) дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные шестой (21) вспомогательный и четвертый (19) частотозадающие резисторы, причем общий узел последовательно включенных пятого (20) вспомогательного и третьего (18) частотозадающих резисторов связан с общим узлом последовательно включенных шестого (21) вспомогательного и четвертого (19) частотозадающих резисторов через дополнительный регулируемый двухполюсник (22), в качестве первого (16) и второго (17) частотозадающих двухполюсников используются соответствующие резисторы, основной неинвертирующий вход (8) первого порта мультидифференциального операционного усилителя (7) соединен с инвертирующим выходом мультидифференциального операционного усилителя (7), основной инвертирующий вход (11) второго порта мультидифференциального операционного усилителя (7) соединен с его неинвертирующим выходом, неинвертирующий дополнительный вход (23) первого порта мультидифференциального операционного усилителя (7) связан с инвертирующим выходом первого (5) дифференциального операционного усилителя, инвертирующий дополнительный вход (24) второго порта мультидифференциального операционного усилителя (7) связан с неинвертирующим выходом первого (5) дифференциального операционного усилителя, основной инвертирующий вход (9) первого порта мультидифференциального операционного усилителя (7) соединен с первым (1) входом устройства, основной неинвертирующий вход (10) второго порта мультидифференциального операционного усилителя (7) соединен со вторым (2) входом устройства, инвертирующий дополнительный вход (25) первого порта мультидифференциального операционного усилителя (7) и неинвертирующий дополнительный вход (26) второго порта мультидифференциального операционного усилителя (7) связаны с общей шиной источника питания (27).
