Фильтр высоких частот семейства саллена - ки с независимой подстройкой основных параметров
Владельцы патента RU 2772314:
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 фильтра высоких частот семейства Саллена-Ки, в котором предусмотрена возможность независимой настройки разными резисторами частоты полюса, добротности полюса и коэффициента передачи. Фильтр высоких частот семейства Саллена-Ки с независимой подстройкой основных параметров содержит вход (1) и выход (2), дифференциальный операционный усилитель (3), первый (4) и второй (5) частотозадающие конденсаторы, а также первый (6), второй (7), третий (8) и четвертый (9) резисторы. Инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя (3) связан с общей шиной источников питания через четвертый (9) резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя (3) через третий (8) резистор, вход (1) связан с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (3) через последовательно соединенные первый (4) и второй (5) частотозадающие конденсаторы, общий узел которых связан с выходом дифференциального операционного усилителя (3) через первый (6) резистор. Неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя (3) связан со входом дополнительного буферного усилителя (10), выход которого соединен с выходом (2) и через последовательно соединенные первый (11) и второй (12) дополнительные резисторы связан с общей шиной источников питания. Общий узел первого (11) и второго (12) дополнительных резисторов соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (3) через второй (7) 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.
ARC-фильтры высоких частот (ФВЧ) семейства Саллен-Ки (Sallen-Key), благодаря простоте, относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств фильтрации [1-8], определяющих качественные показатели многих радиотехнических и измерительных систем. Практическому применению ARCФ данного класса посвящено более 200 научных статей и патентов в разных странах мира.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ФВЧ по патенту US 9.263.043, fig. 4, 2016 г. (патентообладатель - University of Mississippi, США). Он 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, третий 8 и четвертый 9 резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через четвертый 9 резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через третий 8 резистор, вход 1 устройства связан с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, общий узел которых связан с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через первый 6 резистор.
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что в нем не реализуется независимая настройка основных параметров (частоты полюса, добротности полюса и коэффициента передачи) - при настройке одного параметра ФВЧ изменяется другой. Как следствие, это требует итерационных процедур настройки, что ограничивает использование данной схемы ФВЧ.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании фильтра высоких частот семейства Саллен-Ки, в котором предусмотрена возможность независимой настройки разными резисторами частоты полюса, добротности полюса и коэффициента передачи.
Поставленная задача достигается тем, что в фильтре высоких частот фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, дифференциальный операционный усилитель 3, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, а также первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через четвертый 9 резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через третий 8 резистор, вход 1 устройства связан с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, общий узел которых связан с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через первый 6 резистор, предусмотрены новые элементы и связи - неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан со входом дополнительного буферного усилителя 10, выход которого соединен с выходом 2 устройства и через последовательно соединенные первый 11 и второй 12 дополнительные резисторы связан с общей шиной источников питания, причем общий узел первого 11 и второго 12 дополнительных резисторов соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через второй 7 резистор.
На чертеже фиг. 1 показана схема ФВЧ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого фильтра высоких частот в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 приведена схема ФВЧ фиг. 2 в среде моделирования Micro-Cap. В случае применения ФВЧ 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 ФВЧ фиг. 3 с настройкой частоты полюса (W) резистором R3.
На чертеже фиг. 5 показана амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФВЧ фиг. 3 с настройкой добротности Q резистором R5.
Фильтр высоких частот семейства 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, третий 8 и четвертый 9 резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через четвертый 9 резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через третий 8 резистор, вход 1 устройства связан с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, общий узел которых связан с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через первый 6 резистор. Неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан со входом дополнительного буферного усилителя 10, выход которого соединен с выходом 2 устройства и через последовательно соединенные первый 11 и второй 12 дополнительные резисторы связан с общей шиной источников питания, причем общий узел первого 11 и второго 12 дополнительных резисторов соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через второй 7 резистор.
Рассмотрим характеристики схемы ФВЧ 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 уменьшается. В схеме фиг. 3 возможна также регулировка частоты полюса путем изменения сопротивления резистора R4, при этом с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса будет увеличиваться. Следует отметить, что частота полюса на графиках фазо-частотных характеристик фиг. 4 и фиг. 5 - это частота, на которой фазовый угол равен 90°.
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 увеличению Q. Аналогичным образом в схеме фиг. 3 можно изменять Q за счет изменения сопротивления резистора R6, причем его увеличение будет приводить к уменьшению 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 45°.
Работа заявляемого фильтра высоких частот в тяжелых условиях эксплуатации (проникающая радиация, низкие или высокие температуры) определяется стабильностью пассивных элементов его схемы (R, C), а также используемых операционных и буферных 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 10 может проектироваться как повторитель напряжения на мощных выходных транзисторах, а в качестве применяемого ОУ 3 могут использоваться более маломощные или широкополосные микросхемы. Такое разделение функций и требований к параметрам между ОУ 3 и БУ 10 является еще одним достоинством заявляемой схемы ФВЧ, которая позволяет в зависимости от решаемой задачи получить более высокие обобщенные показатели качества.
Для ряда вариантов применения ФВЧ фиг. 2 необходимо иметь малый статический уровень напряжения на выходе ФВЧ 2. При этом в заявляемой схеме ФВЧ требования к напряжению смещения нуля ОУ 3 и БУ 10 независимы друг от друга. Это предоставляет разработчику ARCФ дополнительную свободу выбора аналоговой ЭКБ.
Предлагаемая схема ФВЧ допускает цифровую подстройку основных параметров. Для этого необходимо применять микросхемы цифровых потенциометров или использовать вместо управляемых резисторов схемы их цифровую КМОП коммутацию.
Таким образом, заявляемый ФВЧ семейства Sallen-Key характеризуется независимой подстройкой основных параметров, что является его существенным преимуществом в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 8.565.448 fig. 2, 2013 г.
2. А.с. СССР 298059 фиг. 1, 1969 г.
3. Патент US 9.263.043 fig. 2, fig. 4, 2016 г.
4. Патент CN 103346748 fig. 4, 2013 г.
5. Патент US 7.466.829 fig. 2, fig. 5, fig. 6, 2008 г.
6. Патент US 8.565.448 fig. 2, fig. 5, 2013 г.
7. Патент US 6854005, fig. 2, fig. 11, 2005 г.
8. Патент US 6388511, fig. 2, 2002 г.
Фильтр высоких частот семейства 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), третий (8) и четвертый (9) резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя (3) связан с общей шиной источников питания через четвертый (9) резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя (3) через третий (8) резистор, вход (1) устройства связан с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (3) через последовательно соединенные первый (4) и второй (5) частотозадающие конденсаторы, общий узел которых связан с выходом дифференциального операционного усилителя (3) через первый (6) резистор, отличающийся тем, что неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя (3) связан со входом дополнительного буферного усилителя (10), выход которого соединен с выходом (2) устройства и через последовательно соединенные первый (11) и второй (12) дополнительные резисторы связан с общей шиной источников питания, причем общий узел первого (11) и второго (12) дополнительных резисторов соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя (3) через второй (7) резистор.
