Rlc-фильтр высоких частот на повторителях напряжения

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат - возможность независимой настройки разными резисторами частоты полюса и добротности полюса при постоянных значениях емкости частотозадающего конденсатора и частотозадающей индуктивности. Для этого предложен RLC-фильтр, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, частотозадающую индуктивность (3) и частотозадающий конденсатор (4), а также согласующий резистор (5). В схему введены первый (6), второй (7) и третий (8) дополнительные повторители напряжения, вход устройства (1) связан с выходом устройства (2) через последовательно соединенные согласующий резистор (5) и первый (9) дополнительный резистор, общий узел которых подключен ко входу второго (7) дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого (6) дополнительного повторителя напряжения через частотозадающий конденсатор (4), выход устройства (2) связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные второй (10) и третий (11) дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом третьего (8) дополнительного повторителя напряжения. 5 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве устройства выделения заданного спектра сигналов, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.

Классические RLC-фильтры высоких частот (ФВЧ) относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств фильтрации [1-9], определяющих качественные показатели многих радиотехнических и измерительных систем. Практическому применению RLCФ данного класса посвящено значительное количество учебной и научной литературы, в том числе [1-9].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ФВЧ, представленный в работе [Pease R. (ed.). Analog circuits. – Newnes, 2008. (p. 165, Figure 7-16)]. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, частотозадающую индуктивность 3 и частотозадающий конденсатор 4, а также согласующий резистор 5.

Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что в нём настройка основных параметров (частоты полюса и добротности полюса) возможна только за счёт изменения ёмкости частотозадающего конденсатора (С4) или частотозадающей индуктивности (L3). Это ограничивает использование данной схемы ФВЧ, так как в микроэлектронных устройствах частотной селекции затруднено изменение L3 и С4.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании фильтра высоких частот, в котором предусмотрена возможность независимой настройки разными резисторами частоты полюса и добротности полюса при постоянных значениях частотозадающего конденсатора 4 и частотозадающей индуктивности 3.

Поставленная задача достигается тем, что в фильтре высоких частот фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, частотозадающую индуктивность 3 и частотозадающий конденсатор 4, а также согласующий резистор 5, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введены первый 6, второй 7 и третий 8 дополнительные повторители напряжения, вход устройства 1 связан с выходом устройства 2 через последовательно соединенные согласующий резистор 5 и первый 9 дополнительный резистор, общий узел которых подключен ко входу второго 7 дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого 6 дополнительного повторителя напряжения через частотозадающий конденсатор 4, выход устройства 2 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные второй 10 и третий 11 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом третьего 8 дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого 6 дополнительного повторителя напряжения через четвертый 12 дополнительный резистор, причем вход первого 6 дополнительного повторителя напряжения связан с общей шиной источника питания через частотозадающую индуктивность 3.

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 (ω_p) резистором R3.

На чертеже фиг. 5 показана амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФВЧ фиг. 3 с настройкой частоты полюса (ω_p) резистором R5.

RLC-фильтр высоких частот на повторителях напряжения фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, частотозадающую индуктивность 3 и частотозадающий конденсатор 4, а также согласующий резистор 5. В схему введены первый 6, второй 7 и третий 8 дополнительные повторители напряжения, вход устройства 1 связан с выходом устройства 2 через последовательно соединенные согласующий резистор 5 и первый 9 дополнительный резистор, общий узел которых подключен ко входу второго 7 дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого 6 дополнительного повторителя напряжения через частотозадающий конденсатор 4, выход устройства 2 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные второй 10 и третий 11 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом третьего 8 дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого 6 дополнительного повторителя напряжения через четвертый 12 дополнительный резистор, причем вход первого 6 дополнительного повторителя напряжения связан с общей шиной источника питания через частотозадающую индуктивность 3.

Рассмотрим характеристики схемы ФВЧ фиг. 2, представленные на чертежах фиг. 4 и фиг. 5.

Из чертежа фиг. 4 следует, что за счет изменения сопротивления резистора R3 в схеме фиг. 3 изменяется частота полюса ω_p, причем с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса 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 фазо-частотной 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 повторителей напряжения, 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 (например, 75 Ом), предлагаемый ФВЧ имеет еще одно важное преимущество – его первый 6 выходной повторитель напряжения может проектироваться как буферный усилитель на мощных выходных транзисторах, например как это сделано в микросхеме LT1010 [10], а в качестве повторителей напряжения 7 и 8 могут использоваться маломощные или широкополосные микросхемы.

Предлагаемая схема ФВЧ допускает резистивную цифровую подстройку основных параметров без изменения индуктивности частотозадащей индуктивности 3 или ёмкости частотозадащего конденсатора 4. Для этого необходимо вместо управляемых резисторов применять микросхемы цифровых потенциометров или использовать их цифровую КМОП-коммутацию.

Таким образом, заявляемый ФВЧ характеризуется независимой подстройкой основных параметров, что обеспечивается при постоянных значениях частотозадающей индуктивности L3 и ёмкости частотозадающего конденсатора С4. Это является его существенным преимуществом в сравнении с прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 6.854.005, fig. 13с, fig. 13d, 2005 г.

2. Патент US 6.069.541, 2000 г.

3. Патент DE 69737805, fig. 2d, 2008 г.

4. Патент US 6854005, fig. 12c, fig. 12d, fig. 13c, fig. 13d, 2005 г.

5. Современная теория фильтров и их проектирование : пер. с англ. / Ред. Г. Темеш, С. Митра . – М. : Мир, 1977 . – 560 с. (фиг. 3.18, 3.19)

6. Pease R. (ed.). Analog circuits. – Newnes, 2008. (fig. 11-3, fig. 7-16, fig. 7-4, fig. 7-2)

7. Аналоговые Г. Л. Цифровые фильтры: расчет и реализация. – М: Мир,1982, 592 с. (рис. З.4.10 б, З.4.10 в, 7.13)

8. Lacanette K. A basic introduction to filters-active, passive, and switched-capacitor // National Semiconductor Corporation, https://www.ti.com/lit/an/snoa224a/snoa224a.pdf?ts=1659686870686&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F – 1995. – pp. 24. (fig. 12)

9. A. S. Elwakil and B. J. Maundy, "Single Transistor Active Filters: What is Possible and What is Not," in IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 61, no. 9, pp. 2517-2524, Sept. 2014, doi: 10.1109/TCSI.2014.2332249. (table. IV)

10.LT1010CN8 https://www.compel.ru/item-pdf/2c71acfcd46088db3d9ce391886075b9/pn/ltc~lt1010cn8.pdf .

RLC-фильтр высоких частот на повторителях напряжения, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, частотозадающую индуктивность (3) и частотозадающий конденсатор (4), а также согласующий резистор (5), отличающийся тем, что в схему введены первый (6), второй (7) и третий (8) дополнительные повторители напряжения, вход устройства (1) связан с выходом устройства (2) через последовательно соединенные согласующий резистор (5) и первый (9) дополнительный резистор, общий узел которых подключен ко входу второго (7) дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого (6) дополнительного повторителя напряжения через частотозадающий конденсатор (4), выход устройства (2) связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные второй (10) и третий (11) дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом третьего (8) дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого (6) дополнительного повторителя напряжения через четвертый (12) дополнительный резистор, причем вход первого (6) дополнительного повторителя напряжения связан с общей шиной источника питания через частотозадающую индуктивность (3).