Активный rc-фильтр

 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано, в частно-й -тз 04 2 сти, в селективных узлах. Цель изобретения - расширение диапазона рабочих частот. Активные RC-фильтр содержит первый, второй и третий операционные усилители 1, 2 и 3, первый и второй конденсаторы 4 и 5, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы 7-14, коммутатор 15. Работа активного RC-фильтра основана на введении дополнительных цепей ООС, компенсирующих частотные свойства операционных усилителей . 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 03 Н 11/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4653472/09 (22) 22.02.89 (46) 15.08,92, Бюл. ¹ 30 (71) Таганрогский радиотехнический институт им. В.Д,Калмыкова (72) В,С.Григорьев, С.В.Гришин и С.Г,Крутчийский (56) Мошиц Г„Хорн П, Проектирование активных фильтров, M. Мир, 1984, с. 74; рис, 5.21. (54) АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР (57) Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано, в частно!

Ж 1755364 А1

2 сти, в селективных узлах. Цель изобретения — расширение диапазона рабочих частот.

Активные RC-фильтр содержит первый, второй и третий операционные усилители 1, 2 и

3, первый и второй .конденсаторы 4 и 5, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы 7-14, коммутатор 15. Работа активного RC-фильтра основана на введении дополнительных цепей ООС, компенсирующих частотные свойства операционных усилителей. 1 ил, 1755364

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

Известен активный RC-фильтр второго порядка, содержащий суммирующий усилитель, интегратор и дифференциатор, причем выход суммирующего усилителя подключен к входам интегратора и дифференциатора, между выходами интегратора и дифференциатора включен первый рези сторный 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 на выходе суммирующего усилителя реализуется полосовой фильтр, на выходе интегратора — фильтр нижних частот, на выходе дифференциатора — фильтр верхних частот.

Недостатком схемы является необходи- . мость применения идентичных по частотным свойствам операционных усилителей (ОУ) и сильная зависимость частоты полюсов передаточной функции от частотных свойств активных элементов, Известен также универсальный активный фильтр, содержащий суммирующий блок и первый интегрирующий блок, охваченные отрицательной частотонезависимой обратной связью через аттенюатор, второй интегрирующий блок, охваченный через суммирующий блок и первый интегрирующий блок отрицательной частотонезависимой обратной связью через аттенюатор, причем входной сигнал подается на неинвертирующий вход суммирующего блока, при этом на выходе суммирующего блока реализуется фильтр верхних частот, на выходе первого инвертирующего блока — полосовой фильтр, а на выходе второго интегрирующего блока — фильтр нижних частот.

Недостатком устройства является сильная зависимость его параметров от частотных свойств операционных усилителей, что ограничивает частотный диапазон его применения или снижали стабильность работы на высоких частотах, Наиболее близким к предлагаемому является активный RC-фильтр, содержащий первый и второй операционный усилители, первый двигатель напряжения иэ первого и второго резисторов, включенный между выходами первого и второго операционных усилителей, инвертирующие входы которых подключены к выходу первого делителя напряжения, выход первого операционного

Z0

30 усилителя, являющийся первым выходом устройства, соединен через третий резистор с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого, являющийся вторым выходом устройства, соединен через первый конденсатор с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, второй конденсатор и четвертый резистор первыми выводами подключены к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, а пятый резистор — к неинвертирующему входу первого операционного усилителя. При этом вторые выводы второго конденсатора и пятого являются входом устройства, а второй вывод четвертого резистора соединен с общей шиной.

Недостатком этого активного RC-фильтра является сильное влияние частотных свойств операционных усилителей на частоту полюса, что существенно ограничивает частотный диапазон его работы, а также малые функциональные возможности, позволяющие реализовать только фильтр нижних и верхних частот с нулями передачи, Целью изобретения является расширение диапазона частот за счет снижения влияния операционных усилителей на частоту полюса.

Поставленная цель достигается тем, что активный RC-фильтр, содержащий первый и второй операционные усилители, выход первого операционного усилителя через последовательно соединенные первый и второй резисторы соединен с выходом второго операционного усилителя, выход которого через первый конденсатор соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого через третий резистор с первыми выводами четвертого резистора и второго конденсатора, а также с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с точкой соединения первого и второго резисторов и с неинве ртирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с первым выво- дом пятого резистора, дополнительно введены третий операционный усилитель. шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы и коммутатор, причем выход третьего операционного усилителя через шестой и седьмой резистор соединен соответственно

55 со своим инвертирующим входом и со своим неинвертирующим входом, который соединен с инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей, неинвертирующие входы которых через соответственно восьмой и девятый резисторы

1755364 ды пятого резистора 10 и второго конденса тора 5, при этом второй вывод четвертого резистора 9 через коммутатор 15 соединен с общей шиной, на первом и втором выходах

Вых.1 и Вых.2 активного RC-фильтра реализуются передаточные функции фильтра нижних частот с нулем передачи Г1(Р) и фильтра верхних частот с нулем передачи

Гг(Р) соответственно, а на третьем выходе

Вых,3 — передаточная функция Ез(Р) режекторного фильтра

2 () P +C0 Z1

p + pd> c + ug

rae 1 =re p 1+ " з нуля фильтра типа ФНЧ; частота

30 нуля фильтра типа ФВЧ; (д = —:" — g 4

1 Х1 i"2 R полюса; — частота

1 г-Гг — R1

dp = — у хг — — - — затухание

Qð х1 з 4 полюса;

Qp — добротность полюса; им инвертирующим входом и со своим не- 40 инвертирующим входом, который соединен с инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей 1 и 2, неинвертирующие входы которых через ф

Х1= R1C1

Хг = R2C2;

R1,й2,йз,R4 и R5 — сопротивления резисторов 8, 10,9,6и7;

С1 и С2 — емкости конденсаторов 4 и 5, При подключении входного сигнала через коммутатор 15 поочередно к вторым выводам пятого резистора 10, второго конденсатора 5 и четвертого резисторов 9 на третьем выходе Вых,3 устройства реализуются пеоедаточные функции фильтра ижних частот F4(P), фильтра верхних частот

5(Р) и полосового фил bTp3 F6(P) оответственно;

50 н рым и третьим выходами активного RC- 55 фильтра. с

Активный RC-фильтр работает следующим образом, При подаче входного сигнала через коммутатор 15 на обьединенные вторые вывосоединены.с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, а вторые выводы четвертого, пятого резисторов и второго конденсатора соединены с соответствующими выходами коммутатора, вход которого является входом активного RCфильтра. На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого активного RC-фильтра, Активный RC-фильтр содержит первый, второй и третий операционные усилители 1, 2 и 3, первый и второй конденсаторы 4 и 5, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой. седьмой, восьмой и девятый резисторы 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и 14, коммутатор 15.

Активный RC-фильтр содержит первый, второй и третий операционные усилители 1, 2 и 3, выхбд первого операционного усилителя 1 через последовательно соединенные первый и второй резисторы 6 и 7 соединен с выходом второго операционного усилителя 2, выход которого через первый конденсатор 4 соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя

1, выход которого через третий резистор 8 соединен с первыми выводами четвертого резистора 9 и второго конденсатора 5 и с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 2, инвертирующий вход которого соединен с точкой соединения первого 6 и второго 7 резисторов и инвертирующим входом первого операционного усилителя 1, неинвертирующий вход которого соединен с первым выводом пятого резистора 10, выход третьего операционного усилителя 3 через шестой 11 и седьмой 12 резистор соединен соответственно со свосоответственно восьмой 13 и девятый 14 резисторы соединены с инвертирующим входом третьего операционного усилителя

3, а вторые выводы четвертого 9 и пятого 10 резисторов и второго конденсатора 5 соеди. нен ы с соответствующими выходами коммутатора 15, вход которого является входом активного RC-фильтра, Выходы операционных усилителей 1, 2 и 3 являются соответственно первым, вто15

Рг(р) — (2) р + рб 01р + 03 {} — а- р)

p + p dp мр + (re ттат = в р тт, аа — частота

R4 З

2 (Р) г (4) р + pdpop +avdp

1755364

50 при Qp 50

2 5(р)-, — --- — -- (5) р + р „о), +в

F5(P) г

pd 0 (6)

p2 + pd О + () При этом для реализации функций (4)(6) неиспользованные вторые выводы четвертого резистора 9 и второго конденсатора

5, или четвертого и пятого резисторов 9 и 10, или пятого резистора 10 и второго конденсатора 5 через коммутатор 15 соединяются с общей шиной устройства.

В качестве коммутатора 15 можно использовать как различные переключатели (кнопочные, релейные; галетные и др,) на основе механического замыкания" контактов, так и бесконтактные на основе электронных ключей, например электронных

MOll-ключей серии К590КН5, В общем случае основные параметры активного RC-фильтра зависят не только от резистивных и емкостных элементов схемы, но и от параметров операционных усилителей.

Оценкой влияния активных элементов на частоту вр и затухание d() полюса могут служить относительные изменения этих параметров, С учетом конечного коэффициента усиления и корректирующих цепей передаточная функция операционного усилителя аппроксимируется следующим выражением

n(V) - 1+,,„=

/ о П где po — коэффициент усиления операционного усилителя на постоянном токе;

П=,и)в(-р — площадь усиления операционного усилителя;

1 и)(-и = — граничная частота по уровтус ню 3дБ, Так как на высоких частотах

1 1 1

< р —, то членом в (7) можно

/ о . po пренебречь.

Тогда вь(ражения для ыр и d(с учетом (7) можно представить в виде

И 1 (+ w x

< 4 (1 Ч 7 П2 Ч 8 р= л — — (-Я Й 4-- 4 — к

Пю4

6 „

"() 2 "2 Ч Ra "Ь Кг 4 ч!

X — - (q) где П1, Пг и П - площадь усиления первого, второго и третьего операционных уси15 лителей 1, 2 и 3;

Re, R7, Re и R9 — сопротивления резисторов 11, 12, 13 и 14.

Из соотношений (8) и (9) относительные изменения частоты и затухания полюса рав20 ны

ЪRg Rq ч (1) Из выражений(10 и(11) при r1 = r2, R4=

= R5 = R9i П1 = Пг = П3 = Пи. npN Re = R7 =

35 г(в для относительной нестабильности частоты и затухания полюса предлагаемого технического решения получаем (п)=+-, (1 — Q ):

1 ар д a>ð (П) = — 2 -Я- (1 — 1 (1 — С вЂ” ) (Для фильтров с разными добротностями полюсов относительные изменения параметров буду следующие: в предлагаемом фильтре при Q(, = 5 д а)р (П) = О; д dp (П ) = — 2 -))— в устройстве-прототипе при Qð = 5

1755364

10 и N -= 4 при Qp 50.

5 С другой стороны при одном и том же отклонении АЧХ фильтра — прототипа и предлагаемого устройства частотный диапазон последнего в 4-9 раз больше.

Полученный выигрыш объясняется появлением разностных членов в выражении (10) для (2 вр (П) при введении третьего ОУ с его функциональными связями за счет дополнительных контуров обратной связи, приводящих к компенсации влияния площади усилия на частоту полюса г()р .

Формула изобретения

Активный RC — фильтр, содержащий пер вый и второй операционные усилители, в цепи отрицательной связи каждого из которых включен соответственно первый и второй резисторы, при этом инвертирующие входы первого и второго операционных усилителей соединены, выход второго операционного усилителя через первый конденсатор соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого через третий резистор соединен с первыми выводами четвертого резистора и второго конденсатора Й: с неинвертирующим входом второго операционного усилителя; неинвертирующий вход первого операционного усилйтеля соединен с первым выводом пятого резистора, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих частот, введены третий операционный усилитель, пе. реключатель, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы, выход третьего операционного усилителя через шестой и седьмой резисторы соединен соответственно со своими инвертирующими и неинвертирующими входами, инвертирующий вход третьего операционного усилителя через восьмой и девятый резисторы соедйнен соответственно с неинвертирующими входами первого и второго операционных усилителей, вторые выводы пятого резистора, второго конденсатора и четвертого резисторов соединены соответственно с первым — третьим выходами переключателя, вход которого является входом активного RC — фильтра, причем неинвертирующий входтретьего усилителя соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя.

Для оценки эффективности повышения стабильности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) предлагаемого технического решения по сравненйю с фильтром-прототипом воспользуемся функциями чувствительности.

Отклонение АЧХ, выраженное через функции чувствительности, определяется соотношением

1 (1ы1 р((!) Яр IlQpp)5gp (р, >f F(jul где S г()р Ор — относительная

25 чувствительность АЧХ к изменению частоты полюса в наиболее "опасной" точке, а именно на границе полосы пропускания (максимальная чувствительность};

S 0р(> = 0,5 — относительная чувствительность АЧХ к изменению добротности в той же точке.

Отклонение АЧХ у фильтров прототипа .в диапазоне добротностей от 5 до Ор 50 35 находится в пределах от Л! F(Iru) 11 = — 91 — + при Ор = 5; до Л! F(Iap) 11 и — 100.+ при Ор и 50.

0 40

Соответствующее отклонение АЧХ у предлагаемого технического решения равно 45

Л Р1 (! и ) i 1 — 2 -Я- при Ор = 5 и Л! FI(! e) IР >+ 25 — + пои Ори 50

В указанном диапазоне добротностей выигрыш в повышении стабильности АЧХ составляет

55 да1 (П) = — 1.8-Я-:д d, (11) = — 0,2 ф при Ор > 50 до1р (П) = -2-Я-. д др (П) = — 002-ЯК

ЛlF ) M1t1 — 9,1при Ор =-5

О) 2