Активный фильтр верхних частот

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в селективных узлах радиоэлектронных устройств. Цель изобретения - повышение стабильности и расширение диапазона рабочих частот. Активный фильтр верхних частот содержит первый и второй операционные усилители 1 и 2, первый и второй резисторы 3 и 4, первый и второй конденсаторы 5 и 6, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой резисторы 7-12, третий операционный усилитель 13. Работа активного фильтра верхних частот основана на том, что введение дополнительных цепей обратной связи компенсирует инерционные свойства операционных усилителей. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ts»s Н 03 Н 11/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4627620/09 (22) 28.12.88 (46) 07.05.92, Бюл. % 17 (71) Таганрогский радиотехнический институт им. В. Д. Калмыкова (72) С. В. Гришин, С. Г. Крутчинский и Ю. И.

Иванов (53) 621.372.54(088.8) (56) Активные избирательные устройства радиоаппаратуры./Под ред. В. В, Масленникова.-M. Радио и связь, 1987, с. 31, рис. 1. (54) АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР ВЕРХНИХ ЧАСТОТ (57) Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в селективных,;SU 1732431 А1 узлах радиоэлектронных устройств. Цель изобретения — повышение стабильности и расширение диапазона рабочих частот. Активный фильтр верхних частот содержит первый и второй операционные усилители 1 и 2, первый и второй резисторы 3 и 4, первый и второй конденсаторы 5 и 6, третий, четвертый, пятый, шестой,.седьмой и восьмой резисторы 7- 12, третий операционный усилитель 13. Работа активного фильтра верхних частот основана на том, что введение дополнительных цепей обратной связи компенсирует инерционные свойства операционных усилителей. 1 ил.

1732431

10

25

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных узлах радиоэлектронных устройств.

Известен универсальный активный фильтр, содержащий суммирующий блок и первый интегрирующий блок, охваченные отрицательной частотнонезависимой обратной связью через аттенюатор. второй интегрирующий блок, охваченный через суммирующий блок и первый интегрирующий блок отрицательной частотнозависимой обратной связью через аттенюатор, причем входной сигнал подается на неинвертирующий вход суммирующего блока, а выходом фильтра верхних частот является выход суммирующего блока.

Недостатком устройства является сильная зависимость, его параметров от частотных свойств операционных усилителей, что сужает его применение.

Известен активный RC-фильтр, содержащий суммирующий усилитель, интегратор и дифференциатор, причем выход суммирующего усилителя подключен к входам интегратора и дифференциатора, между выходами дифференциатора и интегратора включен первый резистивный делитель напряжения, выход которого подключен к неинвертирующему входу суммирующего усилителя, между выходом суммирующего усилителя и входом устройства включен второй резистивный делитель напряжения, выход которого подключен к инвертирующему входу суммирующего усилителя, при этом выходом устройства является выход дифференциатора.

Недостатком схемы является необходимость применения идентичных по частотным свойствам ОУ и сильная зависимость частот полюсов передаточной функции от частотных свойств активных элементов.

Наиболее близким к предлагаемому является фильтр верхних частот, содержащий первый и второй операционные усилители. неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами первого и eToporo резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с выходом второго операционного усилителя и общей шиной, неинвертируащий вход второго операционного усилителя соединен с первым выводом. первого конденсатора, второй вывод которого является . входом активного фильтра верхних частот, третий резистор, первый вывод которого соединен с обЩей шиной, выход первого операционного усилителя соединен с первыми выъодами четвертого резистора и второго конденсатора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход и выход второго операционного усили-. теля соединен соответственно с первым и вторым выводами пятого резистора. при этом инвертирующие входы первого и второго операционных усилителей соединены между собой, а вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого является выходом активного фильтра верхних частот.

Недостатком известного устройства является большая зависимость частот полюсов передаточной функции от частотных свойств активных элементов.

Целью изобретения является повышение стабильности параметров и расширение диапазона рабочих частот за счет уменьшения влияния частотных свойств операционных усилителей на параметры полюсов передаточной функции.

Цель достигается тем, что в активный фильтр верхних частот, содержащий первый и второй операционные усилители, неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с выходом второго операционного усилителя и общей шиной, неинвертнрующий вход второго операционного усилителя соединен с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого является входом активного фильтра верхних частот, третий резистор, первый вывод которого соединен с общей шиной, выход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами четвертого резистора и второго конденсатора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход и выход второго операционного усилителя соединен соответственно с первым и вторым выводами пятого резистора, введены третий операционный усилитель, шестой, седьмой и восьмой резисторы, при этом неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей соединены между собой, второй вывод третьего резистора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и с первым выводом шестого резистора, а инвертифующий вход второго операционного усилителя соединен с вторым выводом четвертого резистора, первым выводом седьмого резистора и с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом седьмого резистора и с первым выводом восьмого резистора. второй вывод которого соединен

1732431

3.0

40

50 с вторым выводом шестого рез астора и инвертирующим входом третьего операцион.ного усилителя, выход которого является выходом активного фильтра верхних частот, 3а счет введения шестого, седьмого, восьмого резисторов и третьего операционного усилителя с соответствующими связями, уменьшаются отклонения параметров фильтра от расчетных, так как снижается относительное изменение частоты полюса в зависимости от частотных свойств операционных усилителей, что позволяет расширить диапазон рабочих частот фильтра и повысить стабильность ега параметров.

На чертеже представлена принципиальная схема активного фильтра верхних частот.

Устройство содержит первый 1 и второй

2 операционные усилители, первый 3 и второй 4 резисторы, первый конденсатор 5, третий 6 и четвертый 7 резисторы, второй конденсатор 8, пятый резистор 9, третий операционный усилитель 10; шестой 11, седьмой 12 и восьмой 13 резисторы.

Активный фильтр верхних частот содержит первый 1 и второй 2 операционные усилители, неинвертирующий вход первого операционного усилителя 1 соединен с первыми выводами первого 3 и второго 4 резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с выходам второго операционного усилителя 2 и общей шиной, неинвертирующий вход второго операционного усилителя 2 соединен с первым выводом первого конденсатора 5, второй вывод котарого является входом активного фильтра верхних частот, третий резистор 6, первый вывод которого соединен с общей шиной, выход первого операционного усилителя 1 соединен с первыми выводами четвертого резистора 7 и второго конденсатора 8, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 1, инвертирующий вход и выход второго операционного усилителя 2 соединены соответственно с первым и вторым выводами пятого резистора 9, третий операционный усилитель 10, шестой 11, седьмой

12 и восьмой 13 резисторы, при этом неинвертирующие входы первого 1 и второго 2 операционных усилителей соединены между собой, второй вывод третьего резистора

6 соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 1 и с первым выводом шестого резистора 11, а инвертирующий вход второго операционного усили- . теля 2 соединен с вторым выводом. четвертого резистора 7, первым выводом седьмого резистора 12 и с неинвертирующим входом третьего операционного усили5

20 теля 10, выход которого соединен с вторым выводом седьмого резистора 12 и с первым выводом восьмого резистора 13, второй вывод которого соединен с вторым выводом шестого резистора 11 и инвертирующим входом третьего операционного усилителя

10, выход которого является выходом активного фильтра верхних частот.

Устройство работает следующим образом, Входной гармонический сигнал подается через первый конденсатор 5, второй 2, первый 1 и третий 10 операционные усилители йа выход устройства, причем на выходе операционного усилителя 10 реализуется передаточная функция фильтра верхних частот (р) г р +рс1рар+йф где вр — частота полюса; г1р — затухание полюса.

При применении идеальных операционных усилителей (с коэффициентом передачи на любой частоте, равным бесконечности) частота и затухание полюса фильтра верхних частот определяются по формулам ф 9

Й7 ЧТ1, т2 (2) 2 ЯЪ R3 ор= t) R7 R4 (3) ус(р) — — — — — „

Ро П (4) где,ио — коэффициент усиления на постоянном токе; где 7:> =-ЯзС5, т2 =-RoCs — постоянные времени RC-цепей;

Яз, R4, Вв, R7, Rg — сопротивление резисторов 3, 4, 6, 7 и 9;

С, Са — емкости конденсаторов 5 и 8, В общем случае коэффициенты передаточной функции фильтра и, следовательно, его основные параметры ар и бр зависят не только ат резистивных и емкостных элементов схемы, но и от параметров операционных усилителей.

Оценкой влияния активных элементов на вр и dp может служить относительное изменение этих параметров идеализиро- ванного фильтра.

С учетом конечности усиления операционных усилителей и с учетом внешних и внутренних корректирующих цепей передаточная функция операционного усилителя определяется следующим отношением:

1732431

П- p e) p — площадь усиления операционного усилителя;

ly(: — — граничная частота по уроаЩ.р. ню ЗдБ. 5

Так как на высоких частотах р > > —, то членом — в (4) можно пре1 1 1

Po Po небречь, тогда частота и затухание полюса фильтра верхних частот определяются по 10 следующим формулам: . д7р р (1 )22. Ro RI2+ ! 112)»

Д Й RI 2 1)! )2I %4 t1 312 %4 1 4 21 %7J

- Я 21 (! +!! ) (! + ((2 )Я !211) + 10

20 ртрр(I+I,) (г, Юр)) "Прт(+й) (р-,,-41)) (4 где П1, П2, П!а — площади усиления первого 25

1, второго 2 и третьего 10 операционных усилителей;

R11, К1г и В1з — сопротивления резисторов 11, 12 и 13 соответственно.

Из соотношений (5) и(6) находятся отно- 30 сительные изменения частоты и затухания полюса .

40. +д46р(П). (8) Как следует из соотношений (7) и (8),. благодаря наличию раэностных членов, возможно выбором отношения резисторов К11 и Я1з обеспечить существенное уменьшение 45 влияния площади усиления ОУ на параметры.

Появление разностных членов в выражениях (7) и (8) при введении третьего ОУ объясняется возникновением дополнитель- 50 ных контуров обратной связи, приводящих к уменьшению влияния площади усиления на параметры звена.

Полагая, что Ор > 1 (при этом Вз/R4 «1), Ву-В9=В12 и П1=Пэ=П1о=П, из соотношения 55 . (8), приравнивая член пропорциональный с0р Ор нулю и оказывающий доминирующее влияние на затухание полюса, получаем

R1З/R11 2, (9) при котором относительные изменения частоты и затухания полюса равны дг р(П) =2 П, д,(П) =дгФ(П).

Минимально возможные относительные изменения частоты и затухания полюса у известного устройства имеют следующие значения д (П) = — 2ЩП. д р(П) =0.

Для оценки выигрыша в частотном диапазоне предлагаемого устройства по сравнению с известным необходимо воспоЛьзоваться функциями чувствительности.

Как известно, изменение АЧХ через функции чувствительности определяется соотношением и > 1ф»

6JF<(u)I =Я 6!(П)+ „6(),, (1()) где 1„, = Qp- чувствительность модуля функции передачи к изменению частоты полюса в наиболее "опасной" точке (т.е, на границе полосып@пускания);

Яс) =0,5 в чувствительность модуля функции передачи к изменению добротности полюса в наиболее "опасной" точке.

Тогда, подставляя в выражение (10) значения входящих в него величин, получим для известного д!Р() в)1 = — 2 для предлагаемого технического решения

6IF(3N)t = 2n(Qp 05)

При одном и том же отклонении АЧХ известного и предлагаемого устройств: выигрыш в частотном диапазоне составляет

2-

N — -4 (при С1р»1), П

2П (Π— o,5) Формула изобретения

Активный фильтр верхних частот, содержащий первый и второй операционные усилители, неинвертирующий вход первого операцион:(ого усилителя соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с выходом второго операционного усилителя и общей шиной, неинвертирующий выход второго операционного усилителя соединен с первым выводом второго резистора и с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого является входом активного фильтра верхних частот, второй вывод

1732431

Корректор РЯетрова

Редактор Г,Гербер

Техред ММоргеитал

Заказ 1588 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета flo изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 третьего резистора соединен с общей ши-. ной, выход первого операционного усилите-. ля соединен с первыми выводами четвертого резистора и второго конденсатора. второй вывод которого соединен с ин- 5 еертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход и выход второго операционного усилителя соединены соответственно с первым и вторым выводами пятого резистора. отл и ч- 10 а ю шийся тем, что, с целью повышения стабильности и расширения диапазона рабочих частот, введены третий операционный усилитель, шестой, седьмой и восьмой резисторы, первый вывод третьего резисто- 15 к ра соединен с инвертирующим входом пер- вого операционного усилителя и с первым выводом восьмого резистора, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с вторым выводом четвертого резистора, первым выводом шестого резистора и с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом шестого рези- . стора и с первым выводом седьмого резистора. второй вывод которого соединен с вторым выводом восьмого резистора и инвертирующим входом третьего операционного усилителя.