Высокочастотный активный фильтр

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для фильтрации высокочастотных сигналов в радиотехнических устройствах. Цель изобретения - повышение стабильности параметров АЧХ, расширение диапазона рабочих частот, увеличение динамического диапазона. Высокочастотный активный фильтр содержит дифференциальный транзисторный каскад 1, содержащий первый и второй транзисторы 2 и 3, третий и четвертый транзисторы 4 и 5, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы 6-9, первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы 10-14, источник 15 тока, пятый конденсатор, шестой и седьмой резисторы. Работа высокочастотного активного фильтра основана на том, что каждый транзистор работает в качестве конвертора иммитанса. 2 ил.

(19) (ll) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s Н 03 Н 11/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4?68529/09 (22) 11.12.89

{46) 30,08.92. Бюл. М 32 (71) Рязанский радиотехнический институт (72) Г.В.Уточкин и А.В.Розов

{56) Авторское свидетельство СССР

ЛЬ 1587621, кл. Н 03 Н 11/12, 1987. (54) ВЫСОКОЧАСТОТНЪ|Й АКТИВНЫЙ

ФИЛЬТР (57) Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для фильтрации высокочастотных сигналов в радиотехнических устройствах. Цель изобретения — повы- . шение стабильности параметров АЧХ, расширение диапазона рабочих частот, увеличение динамического диапазона. Высокочастотный активный фильтр содержит дифференциальный транзисторный каскад

1, содержащий первый и второй транзисторы 2 и 3, третий и четвертый транзисторы 4 и 5, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы 6 — 9, первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы 10 — 14, источник

15 тока, пятый конденсатор, шестой и седьмой резисторы. Работа высокочастотного активного фильтра основана на том, что каждый транзистор работает s качестве конвертора иммитанса, 2 ил.

1758834

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для фильтрации высокочастотных сигналов в радиотехнических устройствах.

Цель изобретения — повышение ста- 5 бильности параметров фильтра, расширение диапазона рабочих частот, увеличение динамического диапазона и повышение избирательности.

На фйг.1 представлена принципиаль- 10 ная электрическая схема предлагаемого фильтра; на фиг.2 — модификация схемы.

Высокочастотный активный фильтр содержит дифференциальный транзисторный каскад, первый 2 и второй 3 транзисторы, 15 третий 4 и четвертый 5 транзисторы, источник тока 15, первый 10, второй 11, третий

12, четвертый 14 и пятый 13 резисторы, пер, вый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 конденсаторы. 20

Высокочастотный активный фильтр работает следующим образом.

Входной сигнал через конденсатор 7 поступает на базу транзистора 2. Каждый из транзисторов используется в активном 25 фильтре в качестве конверторов иммитанса.

При этом на выход преобразуются иммитанс конденсатора 6 и входной иммитанс транзистора 4, включенного по схеме с общим коллектором (ОК). Ток источника тока 30

15 равен сумме эмиттерных токов транзисторов 3 и 2, имеющих одинаковую величину, и, поэтому, при идентичных транзисторах все они имеют одинаковые коллекторные токи, а, следовательно, и 35 идентичные параметры. Резистор 10 служит для протекания базового тока транзистора

2 и имеет низкое сопротивление(50...75 Ом) для согласования с источником сигнала.

Примерно такой же величины выбирается и 40 сопротивление резистора 11. Из-за низкого сопротивления резисторов 10 и 11 транзистора 3 и 2 со стороны источника тока 15 можно считать включенными по схеме с общей базой (ОБ). В связи с этим транзистор 45

2 преобразует иммитанс на входе состоящий из емкости конденсатора 6. входного сопротивления транзистора 3 и входной индуктивности величина которой определяетсЯ, как Lex (гб+ Ru)/ в (1), где . 50 гб-объемноесопротивление базы транзистора;

R>> — сопротивление резистора 11; а — частота единичного усиления, в следующие выходные импедансы 55

Res«g»(йг Ск!Сб(гб + R10))i

Йвых1 1 Ьх/fC«jro + %0));

Свых1 C«(ra + RiO)ИЬхг г кто, — Je) кг со (4) где K = R14/(R13 + Й14).

В связи с этим, если на входных зажимах транзистора 5 имеется емкастнай, активный или индуктивный импеданс, та ан преобразуется 8 следующие:

Сг- Свых = Сг/K: (эвых = K Жг /(йР Cr); г

Rp йвых = KRr; Ьых = К М ВГ/ аР (5) г

1 ) (г Йвых(-) K Шг Lr; Ьых KLr

Так как конденсатор 8 в предлагаемой схеме высокочастотного активного фильтра является разделительным, то транзистором

5 осуществляется преобразование импеданса, состоящего из емкости конденсатора где в — текущая частота;

C« — активная часть емкости коллекторного перехода;

810 — сопротивление резистора 10;

Rex2 — ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ тРаНЗИстара 3.

Й хгиГэ+ (Гб+ Й11)/! Р 1, ГДЕ гэ — сопротивление эмиттера транзистора 3;

I P l — модуль коэффициента передачи по току в схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Ввиду того, что внутреннее сопротивление источника тока 15 намного больше, чем

Ввхг, которое шунтирует генератор тока, то в процессах конверсии им можно пренебречь, Таким образом, в результате данного преобразования, в коллекторной цепитранзистора 2 имеем импеданс, определяемый выражениями (2).

Транзистор 5 из-за небольшой величины резистора 14 порядка 100...120 Ом можно считать включенным па схеме с ОК.

Однако резистор 14 влияет на процесс преобразования соответствующих импедансов.

Характер влияния резистора 14 можно оценить, определив коэффициент конверсии транзистора 5 с учетом резисторов 13 и 14.

Коэффициент преобразования транзистора

5 определяется как

Тк = ггэквИ11экв (3)

ГДЕ Уггэкв — ЭКВИВаЛЕНткаЯ ВЫХОДНаЯ ПРаВОдимасть схемы с ОК с учетам резисторов 13 и 14;

У) экв — эквивалентная входная проводимость схемы с ОК с учетом резисторов 13 и 14.

Определив Уггэкв и +113Ke можно получить, чта

1758834

6, параллельного соединению входных сопротивлений транзисторов 3 и 2 с базы на эмиттер и соединенный с ним коллектор транзистора 2. Так как транзисторы 3 и 2 идентичны, а номиналы резисторов 10 и 11 5 практически совпадают, то можно считать. что преобразуемая входная индуктивность транзистора 5 равна L»/2, а преобразуемое входное сопротивление — R»z/2. Тогда в соответствии с (5) в эмиттере транзистора 5 IO будем иметь:

Полный же импеданс в эмиттерной це- 25 пи транзистора 5 определяется параллельным соединением составляющих, определяемых в (2) и (6). С учетом этого

Свыкся - С(к

R цб „g Я ò/ Ы <6)

„г

< «)

L8 k = к(рд" Ф R,f)/(2Ы7)/

С-,м= CA (rgiRto)/йв„г С lк

ll

g — Р Г + R t t ) ЛЗ . (т К . B OI X 5 - ЛЫ Ъ Б ) /

Вьг " "2

R P " = к (гэ+(лд.+ Я„)/)У)

ll l С ll (t.x ° Йв„ х с< живых явыi1 > J и э (О3 + q11)

2+ к сдэ Ск C ь (пу+ Я д)(лр+ Rqq) В дальнейшем импеданс (7) преобразуется транзистором 4, который включен по схеме с ОК. Отличительной особенностью поеобраэования транзистором 4 своего входного импеданса является наличие между его базой и эмиттером частотно задающего конденсатора 9, который в значительной степени влияет на коэффициент преобразования данного транзистора, образуя цепь местной обратной связи.

Можно показать, что в области рабочих частот предлагаемого высокочастотного активного фильтра, где аР Сягб«в (Cg— емкость конденсатора 9) коэффициент поеобразования. транзистора 4

Сд i г - J iс)т

К

Б соответствии с (8) в результате преобразования транзистором 4 составляющих(7) в его эмиттерной цепи, т.е. на выходе высокочастотного активнога фильтра будем иметь: вы х - т с ° (-„- я .)/я „2 с !х ) г .etltx = т(Ск (rd Rsa)/Яв„г Св(x)Cg " ) вы„(-1--й2 кl (rg+ R„) (2 "Г )

Рвых (-)= x t гэ+(I (+ ян ) gjjj/4(drCg rg}

4 вых" = A ("э (rg + "и )/ tP lj (2 ) г (rd-+ я,)

> 2+ х Ы См сь (rp+ R«) (r + R«) Кроме составляющих, определяемых (9) на выходе высокочастотного активного фильтра будут иметь место результаты преобразования транзистора 3, включенного по схеме с ОБ. Этот транзистор преобразует импеданс на входе, состоящий из емкости конденсатора 6, входного сопротивления транзистора 2 и его входной индуктивности со стороны эмиттера в следующие компоненты:

tv

-1.

Rçûõ(-) = ((Lt Ск1Сь(гб+ R11)j

Свых" Ск1(Гб + 811)/Гэ, (10/

Йвых в = (Гб+ R10)/((ь т Ск1Гб).

Таким образом, полный выходной импеданс высокочастотного активного фильтра определяется выражениями (9) и (10), из которых следует, что имеет место квазирезо-.. нанс, частота которого определяется емкостью С =- Свых + Свых и индуктивностями

Ьых, вых. Б эквивалентный параллельный контур вносятся и отрицательные сопротивления 4ых (-), Г4ых(-), Ввых (-),. Ввых (-> которые в значительной степени позволяют повысить нагруженную добротность фильтра.

Особенностью фильтра является большое число компонент реактивных и активных составляющих вносимых в эквивалентную колебательную систему, Это улучшает основные характеристики фильтра, Увеличение динамического диапазона по входному сигналу в высокочастотном активном фильтре достигается за счет уменьшения амплитуды высокочастотного напряжения на переходе база-эмиттер выходного транзистора 4, в связи с чем транзистор 4 окажется в нелинейном режиме

Г„

55 работы только при достаточно больших уровнях входного сигнала. Это происходит следующим образом.

Транзистор 2 имеет по коллекторной цепи значительный коэффициент передачи, так как его коллекторной нагрузкой является транзистор 5, который В силу небольшой величины резистора 14, можно считать включенным по схеме с ОК, и имеющий низкое входное сопротивление. Сигнал с коллектора транзистора 2 распределяется между двумя транзисторами — 5 и 4 (так как конденсатор 8 — разделительный). В свою очередь, транзистор 5 за счет цепочки резисторов 13 и 14 охвачен местной параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, что при больших уровнях входного сигнала приведет к уменьшению выходного сопротивления транзистора 5, а, следовательно, и к уменьшению коэффициента передачи транзистора 2 по коллекторной цепи, Резистор 12, с выходным сопротивлением транзистора 5 образует делитель напряжения на пути прохождения сигнала на базу транзистора 4, Все это приводит к уменьшению амплитуды напряжения на переходе база — эмит ер транзистора

4, В связи с чем транзистор 4 Окажется В нелинейном режиме работы при достаточно больших напряжениях входного сигнала.

При этом уменьшение коэффициента передачи по цепи обратной связи не ухудшает добротность фильтра, так как согласно (9) и (10) В контур Вносятся четыре составляющих .сопротивления, что позволяют при меньшем коэффициенте передачи реэлизовать высокую добротность.

Повышение стабильности параметров

Высокочастотного активного фильтра при изменении напряжения питания во многом

Определяется транзистором 5 и емкостью 9.

Ввиду того, что номиналы резисторов

13 и 14 составляют десятки Ом и напряжение база-коллектор транзистора 5 близко к нулю, напряжение база-коллектор транзистора 4 стабилизируется напряжением база-эмиттер транзистора 5 и практически не зависит от изменения напряжения питания, В связи с чем не будут изменяться емкости коллекторных перЕходов транзисторов 5 и

4, Однако будет изменяться напряжение база-коллектор транзисторов 3 и 2 и, соответсТВ8ННо, будут изменяться емкости их коллекторных переходов, но ввиду определенного Включения частотнозадающего конденсатора 9., величина которого намного больше С», общая емкость выходного контура будет в основном, согласно (9}, определяться Ся, и таким образом изменение емкости С» при изменении напряжения питания почти не влияет на резонансную частоту фильтра. Кроме этого величина емкости

С» влияет и на отрицательное сопротивление. Путем выбора коэффициента к, который входит во многие выражения, определяющие величины отрицательных сопротивлений (9), (10) можно уменьшить влияние компонент. в которые входит емкость

С» за счет определяющей роли отрицательных сопротивлений без С».

Расширение диапазона рабочих частот в Высокочастотном активном фильтре достигается в основном за счет конденсатора

9, который являет я частотнозадающим и величина которого согласно (9) в значительной степени определяет общую емкость эквивалентного параллельного колебательного контура. Таким образом изменяя емкость 9 в значительных пределах можно значительно расширить диапазон установки возможных значений резонансной частоты, Емкость 9 также влияет и на величину одной из компонент отрицательного сопротивления, которое не зависит от частоты. Так как другие компоненты отрицательного сопротивления, согласно (9) и (10) зависят от частоты, причем эта зависимость определяется Во многом коэффициентом к, то соответствующим Выбором коэффициента к, можно Обеспечить постоянство отрицательного сопротивления предлагаемого активного фильтра в широком диапазоне рабочих часто.г, определяемых номиналом емкости 9, На фиг.2 приведена модификация схемы, которая позволяет значительно повысить избирательность активного фильтра.

Принципиальное отличие схемы фильтра фиг.2 от фиг,1 заключается в том, что введен пятый конденсатор 17, включенный между базой и эмиттером транзистора 5, а между эмиттерами транзисторов 3 и 2 включена цепочка из двух последовательно соединенных резисторов 18 и 19, к общей точке которых подключен источник тока 15 и третий конденсатор 8, фильтр фиг.2 работает аналогично схеме фиг.1, но имеет ряд особенностей, вытекающих из-за введения соответствующих элементов. Как следует из (7), в эмиттерной цепи транзистора 5 существует квазиреэонанс, частота которого определяется емкостью С В и индуктивностью

1 вихр, Однако, всилу того,,что данные значения реактивностей невелики, эта частота находится выше основной резонансной частоты фильтра, которая определяется выражениями(9) и(10). Кроме этого, а схеме фиг.1 резистор 12 — низкоомный (20...100 Ом), поэтому оба эквивалентных контура включены практически параллельно, что приводит к 758634

10 одногорбной АЧХ. В схеме же фильтра фиг.2, эа счет конденсатора 17 уменьшается резонансная частота контура в эмиттерной цепи транзистора 5. т.е. частоты обоих квазирезонансов могут быть сближены в зависимости ат HGMvlMBfioB емкасi ай 17 и 9. При этом оба контура будут связань» через емкость эмиттер-коллектор транзистора 2, низкоомную цепь резисторов 18 и 19 (их номиналы составляют десятки Ом) и емкость эмиттер-коллектор транзистора 3. Для этого случая номинал резистора 12 увеличивается и составляет порядка 300...500 Ом, что позволяет ослабить связь двух контуров через цепь базы транзистора 4. Включекие конденсатора 6 с одной стороны непосредственно в эмиттер транзистора 2, а с другой стороны — через цепочку резисторов 18 и 19 в цепь эмиттера транзистора 3, преследует следующие цепи, Как правило, контур, образованный в эмиттерной цепи транзистора 5 настраивается на более высокую частоту, чем аналогичный контур в эмиттерной цепи транзистора 4. Емкость конденсатора 6 и реобразуется транзистором 2 в отрицательное сопротивление, обратно пропорциональное квадрату частоты. В связи с этим номиналом конденсатор 6 выбирается таким обоазом, чтобы обеспечить наибольшее вкеполоское подавление в высокочастотной области, т.е, чтобы увеличить крутизну высокочастотного ската амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра. Однако, данная емкость преобразуется и транзистором 3, также включенкым по схеме ОБ. Для того, чтобы уменьшить влияние конденсатора 6 на величину отрицательного сопротивления, вносимого в эмиттерный контур транзистора 4 за счет конверсии транзистором 2 емкости 6, включена цепочка низкоомных резисторов

18 и 19, В результате этого удается добиться одинаковой крутизны скатов АЧХ фильтра, Таким образом, высокочастотный активный фильтр фиг,2, эквивалентен двум связанным контурам, что позволяет значительно уменьшить коэффициент прямоугальнасти, т,е. повыси, . избирательность фильтра.

Формула изобретения

I, Высокочастотный активный фильтр, содержащий дифференциальный транзисторный каскад, содержащий первый и второй транзисторы, базы первого и второго . тракзисторов являются соответственно первым и вторым входами дифференциального транзисторного каскада, первым, вторым и третьим выходами которого являются соответственно коллектор второго транзистора, коллектор и эмиттер первого.транзистора. а четвертый выход дифференциального транзисторного каска5

55 да соедикен с первым выводом источника тока, второй вывод которого соединен с шиной отрицательного источника питания, третий выход дифференциального транзисторного каскада соединен с первым выводам первого конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, первый и второй входы дифференциального транзисторкаго каскада соединены соответственно с первыми выводами первого и второго резисторов, вторые выводы которых соединены с общей шиной, первый вывод первого резистора соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого является входом высокочастотного активного фильтра, первый выход дифференциального транзисторного каскада соединен с эмиттером тре» ьега транзистора, коллектор которого соединен с шиной положительного источника питания, первый вывод третьего резистора соединен с Ьгзай третьего транзистора, а т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения стабильности параметров амплитудно-частотной характеристики высокочастотного активного фильтра, расширения диапазона рабочих частот, увеличения динамического диапазона, введены четвертый транзистор, четвертый и пятый резисторы,третий и четьертый конденсаторы, змиттеры первого и второго транзисторов соединены с четвертым выходом дифференциального транзисторного каскада, второй выход которого соединен с вторым выводом третьего резистора и эмиттером четвертого транзистора, база которого соединена с первыми выводами третьего конденсатора и четвертого резистора, второй вывод которого соединен с коллектором четвертого транзистора и первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с коллектором третьего резистора, база и эмиттер которого соединены с первым и вторым выводами четвертого конденсатора, второй вывод третьего конденсатора соединен с четвЕртым выходом дифференциального транзисторного каскада, первый выход которого является выходом высокочастотного активного фильтра.

2, Фильтр по п.1, о т л и v а ю шийся тем, что, с целью повышения избирательности, ведены пятый конденсатор, шестой и седьмой резисторы, первый и второй выводы пятого конденсатора соединены с базой и эмиттерам четвертого транзистора, а эмиттеры первого и второго транзисторов соединены с четвертым выводамдифференциального транзисторного каскада соответственно через шестой и седьмой резисторы.

1758834

Составитель Л.Чуракова

Редактор Ю.Середа Техред M.Моргентал Корректор О.Кравцова

Заказ 3010 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101