Полосовой фильтр класса саллена-ки с независимой подстройкой основных параметров
Владельцы патента RU 2771979:
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 устройства выделения заданного спектра сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций. Технический результат: создание полосового фильтра семейства Саллена - Ки, в котором предусмотрена возможность независимой настройки частоты полюса и добротности полюса разными резисторами. Полосовой фильтр класса Саллена - Ки с независимой подстройкой основных параметров содержит вход (1) и выход (2) устройства, дифференциальный операционный усилитель (3), первый (4) и второй (5) частотозадающие конденсаторы, а также первый (6), второй (7) и третий (8), четвертый (9) и пятый (10) резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя (3) связан с общей шиной источников питания через пятый (10) резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя (3) через четвертый (9) резистор. Неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя (3) связан со входом первого (11) дополнительного буферного усилителя, выход которого подключен к выходу (2) устройства и связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый (12) и второй (13) дополнительные резисторы, общий узел первого (12) и второго (13) дополнительных резисторов соединен со входом второго (14) дополнительного буферного усилителя, выход которого связан с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (3) через первый (4) частотозадающий конденсатор, причем выход дифференциального операционного усилителя (3) соединен с общей шиной источников питания через последовательно соединенные второй (5) частотозадающий конденсатор и третий (8) резистор, общий узел которых соединен со входом первого (11) дополнительного буферного усилителя через второй (7) резистор, а вход (1) устройства связан с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (3) через первый (6) резистор. 5 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве устройства выделения заданного спектра сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.
Полосовые АRC-фильтры (ПФ) семейства Саллен-Ки (Sallen-Key), благодаря простоте, относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств фильтрации [1-9], определяющих качественные показатели многих радиотехнических и измерительных систем. Практическому применению ARCФ данного класса посвящено более 100 научных статей и патентов в разных странах мира.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ПФ, представленный в патенте CN 103018660, fig. 3, 2015 г. Кроме этого, данная схема ПФ присутствует в патенте US 3.805.178, fig. 3, а также в статьях [3-9]. ПФ-прототип содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, дифференциальный операционный усилитель 3, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, а также первый 6, второй 7 и третий 8, четвертый 9 и пятый 10 резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через пятый 10 резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через четвертый 9 резистор.
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что в нем не реализуется независимая настройка основных параметров (частоты полюса и добротности полюса) – при настройке одного параметра ПФ изменяется другой. Как следствие, это требует итерационных процедур настройки, что ограничивает использование данной схемы ПФ.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании полосового фильтра семейства Саллен-Ки, в котором предусмотрена возможность независимой настройки частоты полюса и добротности полюса разными резисторами.
Поставленная задача достигается тем, что в полосовом фильтре, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, дифференциальный операционный усилитель 3, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, а также первый 6, второй 7 и третий 8, четвертый 9 и пятый 10 резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через пятый 10 резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через четвертый 9 резистор, предусмотрены новые элементы и связи – неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан со входом первого 11 дополнительного буферного усилителя, выход которого подключен к выходу 2 устройства и связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый 12 и второй 13 дополнительные резисторы, общий узел первого 12 и второго 13 дополнительных резисторов соединен со входом второго 14 дополнительного буферного усилителя, выход которого связан с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через первый 4 частотозадающий конденсатор, причем выход дифференциального операционного усилителя 3 соединен с общей шиной источников питания через последовательно соединенные второй 5 частотозадающий конденсатор и третий 8 резистор, общий узел которых соединен со входом первого 11 дополнительного буферного усилителя через второй 7 резистор, а вход 1 устройства связан с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через первый 6 резистор.
На чертеже фиг. 1 показана схема ПФ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого полосового фильтра в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 приведена схема ПФ фиг. 2 в среде моделирования Micro-Cap. В случае применения ПФ для диапазона более высоких частот численные значения параметров его пассивных элементов могут иметь другие значения.
На чертеже фиг. 4 представлена амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ПФ фиг. 3 с настройкой частоты полюса (W) резистором R3.
На чертеже фиг. 5 показана амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ПФ фиг. 3 с настройкой добротности Q резистором R5.
Полосовой фильтр класса Саллен-Ки с независимой подстройкой основных параметров фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, дифференциальный операционный усилитель 3, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, а также первый 6, второй 7 и третий 8, четвертый 9 и пятый 10 резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через пятый 10 резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через четвертый 9 резистор. Неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан со входом первого 11 дополнительного буферного усилителя, выход которого подключен к выходу 2 устройства и связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый 12 и второй 13 дополнительные резисторы, общий узел первого 12 и второго 13 дополнительных резисторов соединен со входом второго 14 дополнительного буферного усилителя, выход которого связан с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через первый 4 частотозадающий конденсатор, причем выход дифференциального операционного усилителя 3 соединен с общей шиной источников питания через последовательно соединенные второй 5 частотозадающий конденсатор и третий 8 резистор, общий узел которых соединен со входом первого 11 дополнительного буферного усилителя через второй 7 резистор, а вход 1 устройства связан с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через первый 6 резистор.
Рассмотрим характеристики схемы ПФ фиг. 2, представленные на чертежах фиг. 4 и фиг. 5.
Из чертежа фиг. 4 следует, что за счет изменения резистора R3 в схеме фиг. 3 изменяется частота полюса W, причем с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса в фильтре увеличивается. В схеме также возможна регулировка частоты полюса путем изменения сопротивления резистора R4. При этом с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса будет уменьшаться. Следует отметить, что частота полюса на графиках фазочастотной характеристики – это частота, на которой фазовый угол равен -180°.
Если в схеме фиг. 3 изменять сопротивление резистора R5, то будет изменяться добротность полюса Q, а частота полюса остается неизменной. Причем увеличение сопротивления резистора R5 приводит к уменьшению Q. Аналогичным образом в схеме можно изменять Q за счет изменения сопротивления резистора R6, причем его увеличение будет приводить к увеличению Q. Следует отметить, что величина Q в схеме фиг. 3 определяется крутизной фазочастотной характеристики, причем чем она выше, тем больше Q, а также частотами, на которых фазовый угол равен -135° и -225°.
Работа заявляемого полосового фильтра в тяжелых условиях эксплуатации (проникающая радиация, низкие или высокие температуры) определяется стабильностью пассивных элементов его схемы (R, C), а также используемых операционного (3) и буферных (11, 14) усилителей, которые рекомендуется выполнять на JFET Si, GaN, GaAs, SiC, КНИ, SiGe25VR и других технологических процессах.
В тех случаях, когда нагрузка заявляемого устройства, подключаемая к его выходу 2 – низкоомная, предлагаемый фильтр имеет еще одно важное преимущество – его выходной буферный усилитель 11 может проектироваться как повторитель напряжения на мощных выходных транзисторах, а в качестве применяемого ОУ (3) могут использоваться более маломощные и широкополосные микросхемы. Такое разделение функций и требований к параметрам между ОУ (3) и БУ (11) является еще одним достоинством заявляемой схемы ПФ, которая позволяет в зависимости от решаемой задачи получить более высокие обобщенные показатели качества.
Предлагаемая схема ПФ допускает цифровую подстройку основных параметров. Для этого необходимо применять микросхемы цифровых потенциометров или использовать вместо управляемых резисторов схемы ПФ их цифровую КМОП-коммутацию.
Таким образом, заявляемый ПФ семейства Sallen-Key характеризуется независимой подстройкой основных параметров, что является его существенным преимуществом в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент СN 103018660 fig. 3, 2015 г.
2. Патент US 3805178 fig. 3, 1974 г.
3. Rathnapriya S., Manikandan V. Remaining Useful Life Prediction of Analog Circuit Using Improved Unscented Particle Filter //Journal of Electronic Testing. – 2020. – Т. 36. – №. 2. – С. 169-181, fig.1.
4. Parai M. et al. Analog Circuit Fault Detection by Impulse Response-Based Signature Analysis //Circuits, Systems, and Signal Processing. – 2020. – С. 1-16, fig. 5
5. Pandaram K., Rathnapriya S., Manikandan V. Fault Diagnosis of Linear Analog Electronic Circuit Based on Natural Response Specification using K-NN Algorithm //Journal of Electronic Testing. – 2021. – С. 1-14, fig. 1.
6. Gasca Sienes A. Didactic and Interactive Material as a Complement to the Filter Theory : дис. – Universitat Politècnica de Catalunya, 2021, fig.5-36, p.59.
7. Srimani S. et al. A Statistical Approach of Analog Circuit Fault Detection Utilizing Kolmogorov–Smirnov Test Method //Circuits, Systems, and Signal Processing. – 2020. – С. 1-23, fig. 4a.
8. Wenxin Y. Analog circuit fault diagnosis via FOA-LSSVM //Telkomnika. – 2020. – Т. 18. – №. 1. – С. 251-257, fig. 1, p.259.
9. Qiu X., Ye Z. Fault Diagnosis of Analog Circuits Based on Wavelet Packet Energy Entropy and DBN //IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – IOP Publishing, 2021. – Т. 632. – №. 4. – С. 042018, fig.4, p. 6.
Полосовой фильтр класса Саллена - Ки с независимой подстройкой основных параметров, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, дифференциальный операционный усилитель (3), первый (4) и второй (5) частотозадающие конденсаторы, а также первый (6), второй (7) и третий (8), четвертый (9) и пятый (10) резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя (3) связан с общей шиной источников питания через пятый (10) резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя (3) через четвертый (9) резистор, отличающийся тем, что неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя (3) связан со входом первого (11) дополнительного буферного усилителя, выход которого подключен к выходу (2) устройства и связан с общей шиной источников питания через последовательно соединенные первый (12) и второй (13) дополнительные резисторы, общий узел первого (12) и второго (13) дополнительных резисторов соединен со входом второго (14) дополнительного буферного усилителя, выход которого связан с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (3) через первый (4) частотозадающий конденсатор, причем выход дифференциального операционного усилителя (3) соединен с общей шиной источников питания через последовательно соединенные второй (5) частотозадающий конденсатор и третий (8) резистор, общий узел которых соединен со входом первого (11) дополнительного буферного усилителя через второй (7) резистор, а вход (1) устройства связан с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (3) через первый (6) резистор.
