Режекторный фильтр семейства sallen-key на основе мультидифференциального операционного усилителя
Владельцы патента RU 2782958:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться, например, для фильтрации сигналов в системах радиомониторинга или подавления помех в линиях связи с датчиками и в шинах питания интегральных микросхем. Технический результат: создание условий, при которых реализуется режекторный фильтр семейства Sallen-Key с малым токопотреблением на основе одного мультидифференциального операционного усилителя. Режекторный фильтр семейства Sallen-Key на основе мультидифференциального операционного усилителя содержит вход (1) и выход (2), мультидифференциальный операционный усилитель (3) с неинвертирующим (4) и инвертирующим (5) входами первого входного порта, а также с неинвертирующим (6) и инвертирующим (7) входами второго входного порта, первый (8) и второй (9) частотозадающие резисторы, первый (10) и второй (11) частотозадающие конденсаторы. Выход усилителя (3) соединён с выходом (2). Режекторный фильтр так же содержит первый (13) и второй (14) дополнительные частотозадающие резисторы, а также первый (15) и второй (16) дополнительные частотозадающие конденсаторы, причём вход (1) связан с неинвертирующим (4) входом первого входного порта усилителя (3) через последовательно соединённые первый (8) и второй (9) частотозадающие резисторы, общий узел которых подключен к выходу (2) через первый (10) частотозадающий конденсатор, вход (1) связан с неинвертирующим (6) входом второго входного порта усилителя (3) через последовательно соединённые первый (15) и второй (16) дополнительные частотозадающие конденсаторы, общий узел которых подключен к выходу (2) и инвертирующему (7) входу второго входного порта мультидифференциального операционного усилителя (3) через первый (13) дополнительный частотозадающий резистор, инвертирующий (5) вход первого входного порта усилителя (3) согласован с общей шиной источников питания (12), неинвертирующий вход (4) первого входного порта усилителя (3) связан с общей шиной источников питания (12) через второй (11) частотозадающий конденсатор, неинвертирующий (6) вход второго входного порта усилителя (3) связан с общей шиной источников питания (12) через второй (14) дополнительный частотозадающий резистор. 5 ил.
Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться, например, для фильтрации сигналов в системах радиомониторинга [1] или подавления помех в линиях связи с датчиками и в шинах питания интегральных микросхем.
Активные режекторные RC-фильтры (РФ) широко используются в современной электронике [1-25] и оказывают существенное влияние на качественные показатели многих аналоговых и аналого-цифровых систем связи и управления [1-10]. Практические схемы RC РФ реализуются сегодня на нескольких операционных усилителях [27]. Известна также схема РФ [10] на основе мультидифференциальных операционных усилителях (МОУ) [26].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является режекторный фильтр на двух МОУ, описанный в статье R. Sotner, N. Herencsar, V. Kledrowetz, A. Kartci and J. Jerabek, «New Low-Voltage CMOS Differential Difference Amplifier (DDA) and an Application Example» 2018 IEEE 61st International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), 2018, doi: 10.1109/MWSCAS.2018.8623866, с. 135, fig.9.). Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, мультидифференциальный операционный усилитель 3 с неинвертирующим 4 и инвертирующим 5 входами первого входного порта, а также с неинвертирующим 6 и инвертирующим 7 входами второго входного порта, первый 8 и второй 9 частотозадающие резисторы, первый 10 и второй 11 частотозадающие конденсаторы, общую шину источников питания 12, причём выход мультидифференциального операционного усилителя 3 соединён с выходом 2 устройства.
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что в нём содержится два активных элемента (МОУ), что отрицательно сказывается на общем токопотреблении схемы РФ в статическом режиме. Это сужает области использования данного РФ.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании режекторного фильтра семейства Sallen-Key на основе одного МОУ, что в два раза снижает токопотребление схемы.
Поставленная задача достигается тем, что в активном RC-фильтре фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, мультидифференциальный операционный усилитель 3 с неинвертирующим 4 и инвертирующим 5 входами первого входного порта, а также с неинвертирующим 6 и инвертирующим 7 входами второго входного порта, первый 8 и второй 9 частотозадающие резисторы, первый 10 и второй 11 частотозадающие конденсаторы, общую шину источников питания 12, причём выход мультидифференциального операционного усилителя 3 соединён с выходом 2 устройства, предусмотрены новые элементы и связи – в схему устройства введены первый 13 и второй 14 дополнительные частотозадающие резисторы, а также первый 15 и второй 16 дополнительные частотозадающие конденсаторы, причём вход 1 устройства связан с неинвертирующим 4 входом первого входного порта мультидифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединённые первый 8 и второй 9 частотозадающие резисторы, общий узел которых подключен к выходу 2 устройства через первый 10 частотозадающий конденсатор, вход 1 устройства связан с неинвертирующим 6 входом второго входного порта мультидифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединённые первый 15 и второй 16 дополнительные частотозадающие конденсаторы, общий узел которых подключен к выходу 2 устройства и инвертирующему 7 входу второго входного порта мультидифференциального операционного усилителя 3 через первый 13 дополнительный частотозадающий резистор, инвертирующий 5 вход первого входного порта мультидифференциального операционного усилителя 3 согласован с общей шиной источников питания 12, неинвертирующий вход 4 первого входного порта мультидифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания 12 через второй 11 частотозадающий конденсатор, неинвертирующий 6 вход второго входного порта мультидифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания 12 через второй 14 дополнительный частотозадающий резистор.
На чертеже фиг. 1 показана схема РФ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого режекторного фильтра в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 приведена схема РФ фиг. 2 в среде моделирования Micro-Cap 12 с использованием фирменной макромодели МОУ AD830.
На чертеже фиг. 4 приведены результаты моделирования амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик РФ фиг. 3 на серийном мультидифференциальном операционном усилителе AD830.
Для сравнения на чертеже фиг. 5 показаны результаты моделирования амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик РФ фиг. 3 на ОУ с идеальными параметрами.
Режекторный фильтр семейства Sallen-Key на основе мультидифференциального операционного усилителя фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, мультидифференциальный операционный усилитель 3 с неинвертирующим 4 и инвертирующим 5 входами первого входного порта, а также с неинвертирующим 6 и инвертирующим 7 входами второго входного порта, первый 8 и второй 9 частотозадающие резисторы, первый 10 и второй 11 частотозадающие конденсаторы, общую шину источников питания 12, причём выход мультидифференциального операционного усилителя 3 соединён с выходом 2 устройства. В схему устройства введены первый 13 и второй 14 дополнительные частотозадающие резисторы, а также первый 15 и второй 16 дополнительные частотозадающие конденсаторы, причём вход 1 устройства связан с неинвертирующим 4 входом первого входного порта мультидифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединённые первый 8 и второй 9 частотозадающие резисторы, общий узел которых подключен к выходу 2 устройства через первый 10 частотозадающий конденсатор, вход 1 устройства связан с неинвертирующим 6 входом второго входного порта мультидифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединённые первый 15 и второй 16 дополнительные частотозадающие конденсаторы, общий узел которых подключен к выходу 2 устройства и инвертирующему 7 входу второго входного порта мультидифференциального операционного усилителя 3 через первый 13 дополнительный частотозадающий резистор, инвертирующий 5 вход первого входного порта мультидифференциального операционного усилителя 3 согласован с общей шиной источников питания 12, неинвертирующий вход 4 первого входного порта мультидифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания 12 через второй 11 частотозадающий конденсатор, неинвертирующий 6 вход второго входного порта мультидифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания 12 через второй 14 дополнительный частотозадающий резистор.
На основе результатов компьютерного моделирования заявляемой схемы РФ (фиг. 3) в программе Micro-Cap были получены амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики фильтра, представленные на графиках фиг. 4, фиг. 5. При этом, за счёт выбора резисторов и конденсаторов заявляемой схемы можно изменять в широких пределах полосу подавления РФ и уровень ослабления сигнала на частоте подавления.
Статический ток Iр, потребляемый режекторным фильтром фиг. 2 от источника питания, определяется схемотехникой МОУ, причём он в два раза меньше, чем у РФ-прототипа. Сегодня промышленностью выпускается более 30 типов МОУ с разными значениями Iр [26], что позволяет рекомендовать предлагаемое устройство для задач микромощного приборостроения.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом по энергопотреблению.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Красиков М.И. Режекторный фильтр КВ диапазона для широкополосных систем радиомониторинга. / М.И. Красиков, Д.Г. Гарш, И.Н. Бармин. // Автоматизация технических процессов и устройств. Сборник докладов. – ИТ АРКТИКА. – 2016. - №3. – С 59 -63.
2. Богнер Р. Введение в цифровую фильтрацию. / Р. Богнер, А. Константинидис. - М.: Мир, 1976. – 478 с. 33.
3. Ленк Дж. Электронные схемы. Практическое руководство. / Дж. Ленк . – М.: Мир, 1985. – 343 с.
4. Головин О.В. Профессиональные радиоприемные устройства декаметрового диапазона / О.В. Головин – М.: Радио и связь, 1985. - 288 с.
5. Симон В.А., Герасимов В.А., Кострин Д.К. / Режекторный фильтр с настраиваемыми параметрами // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». -2017, №5, C.3-9.
6. Симон В. А. Режекторный фильтр с независимой регулировкой центральной частоты и добротности / В. А. Герасимов, Д. К. Кострин, Л. М. Селиванов, В. А. Симон, А. А. Ухов // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. - 2017. - Т. 17. - № 4. - С. 1068-1070.
7. Симон В. А. Способ увеличения глубины подавления режекторного фильтра / В. А. Симон // Труды 71-й научно-технической конференции, посвященной Дню Радио. - Санкт-Петербург. - С. 357-358.
8. Хьюлсман Л. П., Аллен Ф. Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров: Пер. с англ. Москва, издательство: Радио и связь, 1984. - 384 с.
9. 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.
10 R. Sotner, N. Herencsar, V. Kledrowetz, A. Kartci and J. Jerabek, "New Low-Voltage CMOS Differential Difference Amplifier (DDA) and an Application Example", 2018 IEEE 61st International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), 2018, pp. 133-136, doi: 10.1109/MWSCAS.2018.8623866.
11. Патент RU 2110140, 1998 г.
12. Патент SU 491195, 1975 г.
13. Патент SU 1363443, 1987 г.
14. Патент SU 1246342, 1986 г.
15. Патент RU 180799, 2018 г.
16. Патент SU 430484, 1974 г.
17. Патент SU 1739479, 1992 г.
18. Патент CN203522672, 2014 г.
19. Патент SU 1056431, 1983 г.
20. Патент SU 375030, 1973 г.
21. Патент SU 374703, 1973 г.
22. Патент CN103314481, 2013 г.
23. Патент CN203912166, 2014 г.
24. Патент US7340237, 2007 г.
25. Патент US6677815, 2003 г.
26. Прокопенко Н.Н., Дворников О.В., Будяков П.С. Основные свойства, параметры и базовые схемы включения мультидифференциальных операционных усилителей с высокоимпедансным узлом // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Выпуск 2 (233), 2014 г. С. 53-64
27. Bainter Notch Filters by Hank Zumbahlen, Analog Devices Inc. Mini Tutorial MT-203. URL: https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-203.pdf
Режекторный фильтр семейства Sallen-Key на основе мультидифференциального операционного усилителя, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, мультидифференциальный операционный усилитель (3) с неинвертирующим (4) и инвертирующим (5) входами первого входного порта, а также с неинвертирующим (6) и инвертирующим (7) входами второго входного порта, первый (8) и второй (9) частотозадающие резисторы, первый (10) и второй (11) частотозадающие конденсаторы, общую шину источников питания (12), причём выход мультидифференциального операционного усилителя (3) соединён с выходом (2) устройства, отличающийся тем, что введены первый (13) и второй (14) дополнительные частотозадающие резисторы, а также первый (15) и второй (16) дополнительные частотозадающие конденсаторы, причём вход (1) устройства связан с неинвертирующим (4) входом первого входного порта мультидифференциального операционного усилителя (3) через последовательно соединённые первый (8) и второй (9) частотозадающие резисторы, общий узел которых подключен к выходу (2) устройства через первый (10) частотозадающий конденсатор, вход (1) устройства связан с неинвертирующим (6) входом второго входного порта мультидифференциального операционного усилителя (3) через последовательно соединённые первый (15) и второй (16) дополнительные частотозадающие конденсаторы, общий узел которых подключен к выходу (2) устройства и инвертирующему (7) входу второго входного порта мультидифференциального операционного усилителя (3) через первый (13) дополнительный частотозадающий резистор, инвертирующий (5) вход первого входного порта мультидифференциального операционного усилителя (3) согласован с общей шиной источников питания (12), неинвертирующий вход (4) первого входного порта мультидифференциального операционного усилителя (3) связан с общей шиной источников питания (12) через второй (11) частотозадающий конденсатор, неинвертирующий (6) вход второго входного порта мультидифференциального операционного усилителя (3) связан с общей шиной источников питания (12) через второй (14) дополнительный частотозадающий резистор.
