Широкополосный полосовой фильтр четвертого порядка
Владельцы патента RU 2749605:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) (RU)
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. Технический результат заключается в обеспечении в полосовом фильтре четвертого порядка возможности изменения полосы пропускания в расширенном частотном диапазоне. Фильтр содержит вход (1) устройства, связанный с источником сигнала (2), выход (3) устройства, подключенный к нагрузке (4), входной полосовой фильтр второго порядка, первый (8) операционный усилитель, первый (9) резистор, второй (10) резистор, второй (11) операционный усилитель, третий (12) резистор, первый (13) конденсатор, общую шину источника питания (14), третий (15) операционный усилитель, четвертый (16), пятый (17), шестой (18) резисторы, четвертый (19) операционный усилитель, второй (20) конденсатор, седьмой (21), восьмой (22), девятый (23), десятый (24), одиннадцатый (25) резисторы, источник сигнала (2) и нагрузка (4) согласованы с общей шиной источника питания (14). В схему устройства введен выходной полосовой фильтр (26), идентичный входному полосовому фильтру по составу элементов, связей между ними и функциональному назначению входов и выходов и вспомогательный резистор (30), причем первый (5) вход входного полосового фильтра второго порядка и первый (27) (in.1*) вход выходного полосового фильтра второго порядка (26) согласованы с общей шиной источника питания (14). 4 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 [1-17].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ARCФ, описанный в патенте RU 2110140 («Перестраиваемый ARC-фильтр», МПК H03H 11/04, 1998 г.). Он содержит (фиг. 1) вход 1 устройства, связанный с источником сигнала 2, выход 3 устройства, подключенный к нагрузке 4, входной полосовой фильтр второго порядка с первым 5 и вторым 6 входами, а также основным выходом 7, причем первый 5 вход входного полосового фильтра второго порядка подключен к инвертирующему входу первого 8 операционного усилителя через первый 9 резистор, инвертирующей вход первого 8 операционного усилителя связан с его выходом через второй 10 резистор, инвертирующий вход первого 8 операционного усилителя соединён с инвертирующим входом второго 11 операционного усилителя, инвертирующий вход второго 11 операционного усилителя связан с его выходом через третий 12 резистор, выход второго 11 операционного усилителя соединён с основным выходом 7 входного полосового фильтра второго порядка, выход первого 8 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 11 операционного усилителя через первый 13 конденсатор, неинвертирующий вход первого 8 операционного усилителя согласован с общей шиной источника питания 14, второй 6 вход входного полосового фильтра второго порядка связан с инвертирующим входом третьего 15 операционного усилителя через последовательно соединённые четвертый 16 и пятый 17 резисторы, общий узел которых связан с общей шиной источника питания 14 через шестой 18 резистор, выход третьего 15 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого 19 операционного усилителя через второй 20 конденсатор, неинвертирующий вход третьего 15 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 11 операционного усилителя и соединён с выходом четвертого 19 операционного усилителя через седьмой 21 резистор, инвертирующий вход четвертого 19 операционного усилителя связан с его выходом через восьмой 22 резистор, выход третьего 15 операционного усилителя подключен к объединённым инвертирующим входам третьего 15 и четвертого 19 операционных усилителей через девятый 23 резистор, выход первого 8 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого 19 операционного усилителя через десятый 24 резистор, основной выход 7 входного полосового фильтра второго порядка связан с общим узлом четвертого 16 и пятого 17 резисторов через одиннадцатый 25 резистор, источник сигнала 2 и нагрузка 4 согласованы с общей шиной источника питания 14.
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что он не обладает расширенным диапазоном рабочих частот. Это ограничивает области использования данного ПФ.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании полосового фильтра четвертого порядка, который имеет возможность изменения полосы пропускания и обладает расширенным частотным диапазоном.
Поставленная задача достигается тем, что в активном RC-фильтре фиг. 1, содержащем вход 1 устройства, связанный с источником сигнала 2, выход 3 устройства, подключенный к нагрузке 4, входной полосовой фильтр второго порядка с первым 5 и вторым 6 входами, а также основным выходом 7, причем первый 5 вход входного полосового фильтра второго порядка подключен к инвертирующему входу первого 8 операционного усилителя через первый 9 резистор, инвертирующей вход первого 8 операционного усилителя связан с его выходом через второй 10 резистор, инвертирующий вход первого 8 операционного усилителя соединён с инвертирующим входом второго 11 операционного усилителя, инвертирующий вход второго 11 операционного усилителя связан с его выходом через третий 12 резистор, выход второго 11 операционного усилителя соединён с основным выходом 7 входного полосового фильтра второго порядка, выход первого 8 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 11 операционного усилителя через первый 13 конденсатор, неинвертирующий вход первого 8 операционного усилителя согласован с общей шиной источника питания 14, второй 6 вход входного полосового фильтра второго порядка связан с инвертирующим входом третьего 15 операционного усилителя через последовательно соединённые четвертый 16 и пятый 17 резисторы, общий узел которых связан с общей шиной источника питания 14 через шестой 18 резистор, выход третьего 15 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого 19 операционного усилителя через второй 20 конденсатор, неинвертирующий вход третьего 15 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 11 операционного усилителя и соединён с выходом четвертого 19 операционного усилителя через седьмой 21 резистор, инвертирующий вход четвертого 19 операционного усилителя связан с его выходом через восьмой 22 резистор, выход третьего 15 операционного усилителя подключен к объединённым инвертирующим входам третьего 15 и четвертого 19 операционных усилителей через девятый 23 резистор, выход первого 8 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого 19 операционного усилителя через десятый 24 резистор, основной выход 7 входного полосового фильтра второго порядка связан с общим узлом четвертого 16 и пятого 17 резисторов через одиннадцатый 25 резистор, источник сигнала 2 и нагрузка 4 согласованы с общей шиной источника питания 14, предусмотрены новые элементы и связи - в схему устройства введен выходной полосовой фильтр 26, идентичный входному полосовому фильтру по составу элементов, связей между ними и функциональному назначению входов и выходов, содержащий первый 27 (in.1*) и второй 28 (in.2*) входы, а также основной выход 29 (out.1*), вспомогательный резистор 30, причем основной выход 7 входного полосового фильтра второго порядка подключен ко второму 28 (in.2*) входу выходного полосового фильтра второго порядка 26, основной выход 29 (out.1*) выходного полосового фильтра второго порядка 26 соединён с выходом 3 устройства и подключен к инвертирующему входу второго 11 операционного усилителя входного полосового фильтра второго порядка через вспомогательный резистор 30, вход 1 устройства соединён со вторым 6 входом входного полосового фильтра второго порядка, первый 5 вход входного полосового фильтра второго порядка и первый 27 (in.1*) вход выходного полосового фильтра второго порядка 26 согласованы с общей шиной источника питания 14.
На чертеже фиг. 1 показана схема ПФ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого широкополосного полосового фильтра четвертого порядка в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 изображен полосовой фильтр четвертого порядка с конкретной реализацией выходного полосового фильтра второго порядка 26 в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 4 представлены результаты компьютерного моделирования схемы ПФ фиг. 3.
Широкополосный полосовой фильтр четвертого порядка фиг. 2 содержит вход 1 устройства, связанный с источником сигнала 2, выход 3 устройства, подключенный к нагрузке 4, входной полосовой фильтр второго порядка с первым 5 и вторым 6 входами, а также основным выходом 7, причем первый 5 вход входного полосового фильтра второго порядка подключен к инвертирующему входу первого 8 операционного усилителя через первый 9 резистор, инвертирующей вход первого 8 операционного усилителя связан с его выходом через второй 10 резистор, инвертирующий вход первого 8 операционного усилителя соединён с инвертирующим входом второго 11 операционного усилителя, инвертирующий вход второго 11 операционного усилителя связан с его выходом через третий 12 резистор, выход второго 11 операционного усилителя соединён с основным выходом 7 входного полосового фильтра второго порядка, выход первого 8 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 11 операционного усилителя через первый 13 конденсатор, неинвертирующий вход первого 8 операционного усилителя согласован с общей шиной источника питания 14, второй 6 вход входного полосового фильтра второго порядка связан с инвертирующим входом третьего 15 операционного усилителя через последовательно соединённые четвертый 16 и пятый 17 резисторы, общий узел которых связан с общей шиной источника питания 14 через шестой 18 резистор, выход третьего 15 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого 19 операционного усилителя через второй 20 конденсатор, неинвертирующий вход третьего 15 операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго 11 операционного усилителя и соединён с выходом четвертого 19 операционного усилителя через седьмой 21 резистор, инвертирующий вход четвертого 19 операционного усилителя связан с его выходом через восьмой 22 резистор, выход третьего 15 операционного усилителя подключен к объединённым инвертирующим входам третьего 15 и четвертого 19 операционных усилителей через девятый 23 резистор, выход первого 8 операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого 19 операционного усилителя через десятый 24 резистор, основной выход 7 входного полосового фильтра второго порядка связан с общим узлом четвертого 16 и пятого 17 резисторов через одиннадцатый 25 резистор, источник сигнала 2 и нагрузка 4 согласованы с общей шиной источника питания 14. В схему устройства введен выходной полосовой фильтр 26, идентичный входному полосовому фильтру по составу элементов, связей между ними и функциональному назначению входов и выходов, содержащий первый 27 (in.1*) и второй 28 (in.2*) входы, а также основной выход 29 (out.1*), вспомогательный резистор 30, причем основной выход 7 входного полосового фильтра второго порядка подключен ко второму 28 (in.2*) входу выходного полосового фильтра второго порядка 26, основной выход 29 (out.1*) выходного полосового фильтра второго порядка 26 соединён с выходом 3 устройства и подключен к инвертирующему входу второго 11 операционного усилителя входного полосового фильтра второго порядка через вспомогательный резистор 30, вход 1 устройства соединён со вторым 6 входом входного полосового фильтра второго порядка, первый 5 вход входного полосового фильтра второго порядка и первый 27 (in.1*) вход выходного полосового фильтра второго порядка 26 согласованы с общей шиной источника питания 14.
Рассмотрим работу схемы ПФ фиг. 2.
Передаточная функция схемы ПФ четвертого порядка описывается выражением
где 
и 
- коэффициенты числителя и знаменателя передаточной функции (1).
Характер изменения АЧХ и ФЧХ фильтра от частоты зависят от численных значений и передаточной функции (1), а его свойства, т.е. возможность перестройки по частоте, регулировки полосы пропускания, неравномерности АЧХ и коэффициента передачи на центральной частоте, определяются топологией схемы. Известно, что для перестройки фильтра четвертого порядка по частоте при неизменных других параметрах необходимо одновременно изменять как минимум параметры четырёх элементов, например, сопротивлений четырёх резисторов или ёмкостей четырёх конденсаторов. Наиболее просто это осуществить, используя в качестве элементов перестройки различные переменные резисторы, в том числе с электронной перестройкой параметров. Причем, наиболее простые схемы получаются, когда все электронные компоненты перестройки имеют идентичные характеристики. Данная задача решается, например, на идентичных звеньях полосовых фильтров второго порядка, имеющих равные значения частот полюсов 
, затуханий 
и масштабных коэффициентов передач 
За счет введения обратной связи с выхода выходного полосового фильтра 26 на инвертирующий вход второго 11 операционного усилителя входного полосового фильтра второго порядка, с которого на его выход реализуется передаточная функция режекторного фильтра
заявляемым полосовым фильтром четвертого порядка (фиг. 2) реализуется передаточная функция (1), коэффициенты которой определяются соотношениями
Благодаря такой (4) зависимости коэффициентов передаточной функции фильтра от параметров отдельных звеньев и коэффициентов передач дополнительного входного сумматора в полосовом фильтре четвёртого порядка возможна независимая регулировка неравномерности АЧХ и масштабного коэффициента передачи, при этом полоса пропускания фильтра зависит от затуханий звеньев , а фильтр реализуется на идентичных звеньях второго порядка.
Для упрощения соотношений (4) значения коэффициентов передач звеньев независимо от реализуемых ими передаточных функций выбраны равными, но это не является обязательным условием при реализации конкретной схемы ПФ четвертого порядка.
В результате компьютерного моделирования ПФ фиг. 2 в программе схемотехнического моделирования Micro-Cap было получено семейство АЧХ фильтра (фиг. 4) при изменении коэффициента обратной связи 
, которое подтвердило работоспособность предлагаемого схемотехнического решения.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. 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.
2. Куцко Т.Ю. Расчет полосовых фильтров / Т.Ю. Куцко. - Москва ; Ленинград : Энергия, 1965, 192 с.
3. Крутчинский С.Г., Прокопенко Н.Н., Петр Будяков П.С. Активные полосовые фильтры ВЧ- и СВЧ-диапазонов: Базовые структуры на основе усилителей тока, Издательство Lap Lambert Academic Publishing GmbH KG, 2013, 84 c.
4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. М.: Мир, 1982. - 512 с.
5. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т.1. Пер. с англ. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Мир, 1993. - 413 с., ил.
6. Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1984. - 384 с.
7. Капустян В.И. Активные RC-фильтры высокого порядка. - М.: Радио и связь, 1985. - 248 с.
8. Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 320 с.
9. Г. Лэм. Аналоговые и цифровые фильтры. Расчет и реализация: Пер. с англ. - М.: Мир, 1982. - 592 с.
10. Schubert Thomas F., Kim Ernest M. Fundamentals of Electronics, Book 3. Active Filters and Amplifier Frequency Response / Morgan & Claypool Publishers, 2014. - 924 pp.
11. Hercules G. Dimopoulos. Analog Electronic Filters: Theory, Design and Synthesis/ Springer Science+Business Media New York, 2015. - 577 pp.
12. Патент RU 2110140, 1998 г.
13. Патент RU 2063657, 1996 г.
14. Патент JPS6379408, 1998 г.
15. Патент US4356451, 1982 г.
16. Патент RU 2517323, 2014 г.
17. Патент CN109743152, 2019 г.
Широкополосный полосовой фильтр четвертого порядка, содержащий вход (1) устройства, связанный с источником сигнала (2), выход (3) устройства, подключенный к нагрузке (4), входной полосовой фильтр второго порядка с первым (5) и вторым (6) входами, а также основным выходом (7), причем первый (5) вход входного полосового фильтра второго порядка подключен к инвертирующему входу первого (8) операционного усилителя через первый (9) резистор, инвертирующий вход первого (8) операционного усилителя связан с его выходом через второй (10) резистор, инвертирующий вход первого (8) операционного усилителя соединён с инвертирующим входом второго (11) операционного усилителя, инвертирующий вход второго (11) операционного усилителя связан с его выходом через третий (12) резистор, выход второго (11) операционного усилителя соединён с основным выходом (7) входного полосового фильтра второго порядка, выход первого (8) операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго (11) операционного усилителя через первый (13) конденсатор, неинвертирующий вход первого (8) операционного усилителя согласован с общей шиной источника питания (14), второй (6) вход входного полосового фильтра второго порядка связан с инвертирующим входом третьего (15) операционного усилителя через последовательно соединённые четвертый (16) и пятый (17) резисторы, общий узел которых связан с общей шиной источника питания (14) через шестой (18) резистор, выход третьего (15) операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого (19) операционного усилителя через второй (20) конденсатор, неинвертирующий вход третьего (15) операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу второго (11) операционного усилителя и соединён с выходом четвертого (19) операционного усилителя через седьмой (21) резистор, инвертирующий вход четвертого (19) операционного усилителя связан с его выходом через восьмой (22) резистор, выход третьего (15) операционного усилителя подключен к объединённым инвертирующим входам третьего (15) и четвертого (19) операционных усилителей через девятый (23) резистор, выход первого (8) операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом четвертого (19) операционного усилителя через десятый (24) резистор, основной выход (7) входного полосового фильтра второго порядка связан с общим узлом четвертого (16) и пятого (17) резисторов через одиннадцатый (25) резистор, источник сигнала (2) и нагрузка (4) согласованы с общей шиной источника питания (14), отличающийся тем, что в схему устройства введен выходной полосовой фильтр (26), идентичный входному полосовому фильтру по составу элементов, связей между ними и функциональному назначению входов и выходов, содержащий первый (27) (in.1*) и второй (28) (in.2*) входы, а также основной выход (29) (out.1*), вспомогательный резистор (30), причем основной выход (7) входного полосового фильтра второго порядка подключен ко второму (28) (in.2*) входу выходного полосового фильтра второго порядка (26), основной выход (29) (out.1*) выходного полосового фильтра второго порядка (26) соединён с выходом (3) устройства и подключен к инвертирующему входу второго (11) операционного усилителя входного полосового фильтра второго порядка через вспомогательный резистор (30), вход (1) устройства соединён со вторым (6) входом входного полосового фильтра второго порядка, первый (5) вход входного полосового фильтра второго порядка и первый (27) (in.1*) вход выходного полосового фильтра второго порядка (26) согласованы с общей шиной источника питания (14).
