Активный rc-фильтр

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в часготно-селективных блоках радиоэлектронных устройств . Цель изобретения - повышение стабильности амплитудно-частотной характеристики . Активный RC-фильтр содержит первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 операционные усилители, первый 3 и второй 6 конденсаторы, резисторы 7 - 19. Работа активного RC-фильтра основана на снижении чувствительности затухания полюсов АЧХ к площади усиления ОУ за счет введения дополнительных цепей ООС. 1 ил.

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 03 Н 11/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4828626/09 (22) 23,05.90 (46) 23.11.92, Бюл. N. 43 (71) Таганрогский радиотехнический институт им. B,Ä.Kàëìûкова (72) C.В.Гришин, Ю.И.Иванов и С.Г.Крутчинский (56) Авторское свидетельство СССР

К 1688387, кл, Н 03 Н 11/12, 1989. (54) АКТИВНЫЙ RC-ФИЛ6ТР (57) Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в частотно-се„„ЯЦ„„1777233 А1 лективных блоках радиоэлектронных устройств. Цель изобретения — повышение стабильности амплитудно-частотной характеристики. Активный RC-фильтр содержит первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 операционные усилители, первый 3 и второй 6 конденсаторы, резисторы 7 — 19.

Работа активного RC-фильтра основана на снижении чувствительности затухания полюсов АЧХ к площади усиления OY за счет введения дополнительных цепей ООС.

1 ил.

1777233 (авт. св. СССР ¹ 1381689, кл, Н 03 Н 11/12), содержащий первый сумматор, выход кото- рого через последовательна соединенные

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных радиоэлектронных устройствах.

Известны устройства, которые реализуют различные типа характеристик (в том числе фильтры верхних и нижних частот, режекторные и паласовые фильтры) и могут быть использованы для построения селективных радиоэлектронных устройств, Известен универсальный активный фильтр (Патент ФРГ ¹ 3213513, кл. Н 03

Н 11/04), содержащий суммирующий блок и первый интегрирующий блок, охваченные отрицательной частотно-независимой обратной связью через аттен юатор, второй интегрирующий блок, охваченный через . суммирующий блок и первый интегрирующий блок отрицательной частотно-зависимой обратной связью через аттенюатор, причем входной сигнал подается на неинвертирующий вход суммирующего блока, а выходом фильтра является выход суммирующего блока или выход первого интегрирующего блока или выход второго интегрирующего блока.

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

Известен также активный RC-фильтр первый и второй интеграторы и первый аттенюатор подключен к первому неинвертирующему входу второго сумматора, а через второй аттенюатор подключен к второму неинвертирующему входу второго сумматора, выход второго интегратора через третий аттенюатор подключен к первому инвертирующему входу первого сумматора, выход первого интегратора через четвертый аттенюатор подключен к инвертирующему входу второго сумматора, пятый аттенюатор подключен к второму неинвертирующему входу первого сумматора, причем первый неинвертирующий вход первого сумматора является входом, а выход второго сумматора выходом устройства, между выходом первого сумматора и его вторым инвертирующим входом, а также между выходом первого интегратора и входом пятого аттенюаторы включены корректирующие элементы с передаточной функцией апериодического звена первого порядка, Достоинством активного RC-фильтра является широкий диапазон рабочих частот благодаря взаимной компенсации влияния

30 площади усиления ОУ на частоту и затухание полюса.

К недостатку фильтра относится низкая температурная стабильность параметров вследствие сильной зависимости условий компенсации от температуры окружающей среды и высокой чувствительности частоты и затухания полюса к площади усиления

ОУ.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является активный

RC-фильтр (1), содержащий первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, выходы второго и третьего операционных усилителей соединены соответственно с первыми выводами первого и второго конденсаторов, вторые выводы которых соединены соответственно с инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей, выход четвертого операционного усилителя соединены с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с его инвертирующим входом и с первыми выводами второго и третьего резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с общей шиной и выходом первого операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя. неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, первый вывод пятого резистора соединен с вторым выводом первого конденсатора, первый вывод шестого резистора соединен с вторым выводом второго конденсатора, а второй вывод шестого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, с инвертирующим входом которого соединен первый вывод седьмого резистора, первый вывод восьмого резистора соединен с выходом третьего операционного усилителя, а входом активного

RC-фильтра является первый вывод девятого резистора, первый вывод десятого резистора и неинвертирующие входы второго и третьего операционных усилителей соединены с общей шиной, второй вывод седьмаго резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, а второй вывод девятого резистора — с инвертирующим входом второго и неинвертирующим входом четвертого операционных усилителей, вторые выводы восьмого и десятого резисторов соединены с инвертирующим входом первого операционного усилителя, к выходу которого подключен второй вывод пятого резистора.

1777233

Достоинством этого активного RCфильтра является широкий частотный диапазон, а недостатком — низкая стабильность параметров при изменении температуры из-за высокой чувствительности затухания полюса к площади усиления ОУ.

Целью изобретения является повышение стабильности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра эа счет снижения чувствительности затухания полюса к площади усиления ОЧ, Для достижения поставленной цели в активный RC-фильтр, содержащий первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, выходы второго и третьего операционных усилителей соединены соответственно с первыми выводами первого и второго конденсаторов, вторые выводы которых соединены соответственно с инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей, выход четвертого операционного усилителя соединены с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с его инвертирующим входом и с первыми выводами второго и третьего резисторов, вторые выводы которого соединены соответственно с общей шиной и выходом первого операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, первый вывод пятого резистора соединен с вторым выводом первого конденсатора, первый вывод шестого резистора соединен с вторым выводом второго конденсатора, а второй вь вод шестого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, с инвертирующим входом которого соединен первый вывод седьмого резистора, первый вывод восьмого резистора соединен с выходом третьего операционного усилителя, а входом активного RC-фильтра является первый выводдевятого резистора, первый вывод десятого резистора и неинвертирующие входы второго и третьего операционных усилителей соединены с общей шиной, введены одиннадцатый, двенадцатый и тринадцатый резисторы, первые выводы одиннадцатого и двенадцатого резисторов соединены с вторыми выводами девятого и десятого резисторов, а вторые выводы одиннадцатого и двенадцатого резисторов соединены соответственно с выходом второго и инвертирующим входом первого операционных усилителей, первый и второй выводы тринадцатого резистора соединены соответст5

55 венно с инвертирующими входами первого и третьего операционных усилителей, а вторые выводы седьмого и восьмого резисторов соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами первого операционного усилителя, причем второй вывод пятого резистора соединен с выходом четвертого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине.

Наличие отличительных признаков, а именно, введение новых связей и одиннадцатого, двенадцатого и тринадцатого резисторов обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "Новизна". Заявляемое техническое решение соответствует также критерию

"Существенные отличия", поскольку не обнаружено решений с признаками, сходными с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, При введении новых связей возникают дополнительные корректирующие контуры обратных связей, передачи по которым зависят от площади усиления операционных усилителей, что приводит к снижению чувствительности затухания полюса к изменению площадей усиления, а следовательно, к повышению стабильности АЧХ, На черте>ке представлена принципиальная электрическая схема активного RCфильтра.

Активный RC-фильтр содер>кит первый, второй, третий и четвертый операционные усилители 1,2,3 и 4, первый и второй конденсаторы 5 и 6, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый, двенадцатый и тринадцатый резисторы

7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 и 19.

Активные RC-фильтр содержит первый, второй, третий и четвертый операционные усилители 1,2,3 и 4, выходы второго 2 и третьего 3 операционных усилителей соединены соответственно с первыми выводами первого 5 и второго 6 конденсаторов, вторые выводы которых соединены соответственно с инвертирующими входами второго

2 и третьего 3 операционных усилителей. выход четвертого операционного усилителя

4 соединен с первым выводом первого резистора 7, второй вывод которого с его инвертирующим входом и с первыми выводами второго 8 и третьего 9 резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с общей шиной и выходом первого операционного усилителя 1, выход которого соединен с первым выводом четвертого резистора 10, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого one1777233 рационного усилителя 1, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя 4, первый вывод пятого резистора 11 соединен с вторым выводом первого конденсатора 5, первый вывод шестого резистора 12 соединен с вторым выводом второго конденсатора 6, а второй вывод шестого резистора 12 соединен с выходом второго операционного усилителя 2, с инвертирующим входом которого соединен первый вывод седьмого резистора 13, первый вывод восьмого резистора 14 соединен с выходом третьего операционного усилителя 3, а входом активного RC-фильтра является первый вывод девятого резистора 15, первый вывод десятого резистора 16 и неинвертирующие входы второго 2 и третьего

3 операционных усилителей соединены с общей шиной, первые выводы одиннадцатого 17 и двенадцатого 18 резисторов соединены с вторыми выводами девятого 15 и десятого 16 резисторов, а вторые выводы одиннадцатого 17 и двенадцатого 18 резисторов соединены соответственно с выходом второго. 2 и инвертирующим входом первого 1 операционных усилителей, первый и второй выводы тринадцатого резистора 19 соединены соответственно с инвертирующими входами первого 1 и третьего 3 операционных усилителей, а вторые выводы седьмого 13 и восьмого 14 резисторов соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами первого 1 операционного усилителя, причем второй вывод пятого резистора 11 соединен с выходом четвертого операционного усилителя 4, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине.

Активный RC-фильтр работает следующим образом.

Входной сигнал через девятый 15 и одиннадцатый 17 резисторы поступает на инвертирующий вход первого операционного усилителя 1, при этом на выходах четвертого 4, второго 2 и третьего 3 операционных усилителей реализуются передаточные функции фильтра верхних частот, полосового фильтра и фильтра нижних частот, которые при идеальных операционных усилителях имеют вид

Fgeu(p)=Meu (1) Р г+, +

F.ф(р М. р" рг (2) р + pdð ар + и1

Frau(p)=M@u (3) г+ „+ г

R7 R10 i R15 R15s -1 где М ч= — 1 + — + )

R9 п18 Г117 Г116 14 R10 j Â5 1115 -1

Мнч= — — 1 + — + — )

Я9 818 1 817 Г116)

M ô= — масштабные множители 17

В15 фильтров верхних частот, нижних частот и полОСОВОГО; ар — « à — 1/ В7 — частота полюса (4)

Т1 2 R14

1 I t2 Нн R7 810

Р ар t1 R7 Rg R18

R17 п17 -1

20 R15 R16

+ — + — ) — затухание полюса (5)

Qp — добротность полюса, 71 и тг — постоянные времени первого и второго интеграторов на операционных усилителях 2 и 3.

25 Й7, Rg, R10, R11, R12, п14, п15, п16, 17 и

R18 — сопротивления резисторов 7,9,10, 11,12,14,15,16,17 и 18;

С5 и C6 — емкости конденсаторов 5 и 6.

При использовании реальных операци30 онных усилителей; имеющих ограниченный коэффициент усиления и, следовательно, конечную площадь усиления, основные параметры фильтра вр и бр будут зависеть не только от резистивных и емкостных элемен35 тов, но и от параметров операционных усилителей.

При аппроксимации АЧХ операционного усилителя функцией первого порядка и

40 р ,и(р)= —, где П=,ио вгр — площадь усиления, а èî и вГр — коэффициент усиления операционного усилителя и граничная частота по уровню Здб, выражения для частоты (4) и затухания (5) полюса приобретает вид

1 4% Г и 1% R14

R14 1, 2 т1 Й7

50 х 1П.„- 1- — — "" +П т (6)

1 iг Гйн Rv Rip R»

R7 Rg R18 . R15

+ 1 — жрОр П-(1 + — + ——

R17 1 r R7 R7 п16 1 R14 RS

R7 (В10 R10 R10 1 1

Rg Й13 Й19 R18 ) П2 ПЗ

1777233 (7) 10

„+ й7 +й7 двр(П)=0, д 2 (10) R1=R19=R18

WvÃzz / 91х

2 г1 R7

< 7 R1oh Яз 2 Ж4 1 /1

Rg й19/ 2 т1 й7 P2 k где П2, Пз и П4 — площади усиления второго

2, третьего 3 и четвертого 4 операционных усилителей, йа, й1з и R1g — сопротивление резисторов 8,13 и 19.

Выражения (6) и (7) получены из анализа предложенной схемы ARC-фильтра методом графов с использованием формулы Мезона и справедливы при й1з»й7, R1g»Rs, R18»R15ll R17 I I R16.

Из формул (6) и (7) находятся относительные изменения частоты и затухания полюса

ep v/ zz l Rla

2 т1 й7

R7 (R1o+ й1о+ йю 1 + 1 + 1 й9 (R13 R19 й18 ) П2 ПЗ х <(+ — — ) Мшр(п) (9) Иэ выражения (8) nðè t1 72; П2=Пз-П4; й7=йв=й9=й14 находится соотношение между резисторами R1 и й1з, при котором

При й1/й1з=2 из (9) определяются соотношения между R1, R1s и й19. при которых д u,(Ï)=0

При выполнении условий (10) и (11) относительные изменения дар (П)=0 и д бр(П)=0, т.е. устраняется влияние площади усиления на параметры фильтра и расширяется диапазон его рабочих частот.

Соотношения (8) и (9). как известно, являются соответствующими чувствительными, взятыми с обратным знаком, т.е.

Я5 =врОр — 1 + — +—

1 R7

П4 R14 Rs — + +

R1o R1o R1o 1 1

+ — + — х й9 й1з й19 R1s Пг Пз х <1 — — Д4$п

R7 R1oi) (13)

Rg й19

При выполнении условий (10) и (11) и

15 выборе <1= т2 R7=RS=R9=R14 чувствительности (12) и (13) принимают значения

S,n" g= ж 1 (14)

2 ПЗ П2

S ф = сОрОр — — — + S1n (15)

П2 П1

Чувствительности (14) и (15) обращаются в нуль при П2=Пз=П4. Выбором соотношений между й1о,й1з,R19 и R18 чувствительности (12) и (13) можно сделать равными нулю и при П2 Пз П . Однако в любом случае точные.

30 равенства Sn" =0 и S Ô=Î возможны только при постоянных величинах площадей усиления или соотношений между ними. У реальных усилителей площади усиления и соотношения между. ними под действием

Различных дестабилизиРУющих фактоРов (температуры, старения, измерения напряжения питания и других) меняются, что приводит к нарушению условий компенсации и росту чувствительности (14) и (15). Влиянием на чувствительности (12) и (13) нестабильности пассивных элементов, по сравнению с изменением площади усиления. можно пренебречь (разница в нестабильности примерно на два порядка, так как темпе45 ратурный коэФФициент сопротивления резисторов типа С2-29 aR- 510 1/град., температурный коэффициент площади усиления ад=(3-5) 10 1/град, а неидентичность температурных коэффициентов площади усиления Лап=(0.3-0,5) an).

Из выражений (6) и (7) заявки ЬЬ 463616/

09(003418), принятой за прототип, при

7:1 = г2; M=1; R7=R14; й1в=й1з й14 . R14 5 й1о 2 + и й значения соответствующих чувствительностей равны

1777233

$20 vP ЕЕ 1 (1 6) -4 — + $гп

1 6J

П1 (17) 15

25

2 (",) Как следует из таблицы

$йр скз = — —

= 4,7 — —

35 (18) 40

S9 =врОр (2 — + — +—

Пч ПЗ П2

Из соотношений (1 4), (15) и (16), (17) видно, что чувствительности частоты полюса к площади усиления в обоих фильтрах примерно одинаковые, а чувствительность затухания полюса в предлагаемом активном RC-фильтре в 4 раза меньше, чем у прототипа, так как реализуется вычитанием чисел в 4 раза меньших.

Чувствительности затухания полюса прототипа и предлагаемого решения приведены в таблице.

Для сравнения предлагаемого решения с прототипом воспользуемся среднеквадратичной чувствительностью, характеризующей влияние неидентичности изменения площадей усиления операционных усилителей на затухание поглоса — для прототипа, и

$Фскз- Р Р 12+12 = 141 — Е

Q Q

П П (19) — для предлагаемого решения.

Иэ выражений (18) и (19) видно, что у предлагаемого решения среднеквадратичная чувствительность в 3,3 раза меньше и, следовательно, во столько же раза выше стабильность затухания полюса, что приводит к лучшей стабильности параметров фильтра, Таким образом, в предлагаемом техническом решении в 3,3 раза меньше, чем у прототипа чувствительность затухания полюса к площади усиления, что позволяет повысить стабильность параметров или при той же стабильности использовать усилители с меньшей площадью усиления, т,е, более экономичные и дешевые.

Формула изобретения

Активный RC-фильтр, содержащий первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, выходы второго и третьего операционных усилителей соединены соответственно с первыми выводами первого и второго конденсаторов, вторые выводы которых соединены соответственно с инвертирующими входами второго и третьего . операционных усилителей, выход четвертоro операционного усилителя соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с его инвертирующим входом и с первыми выводами второго и третьего резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с общей шиной и выходом первого операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, первый вывод пятого резистора соединен с вторым выводом первого конденсатора, первый вывод шестого резистора соединен с вторым выводом второго конденсатора, а второй вывод шестого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, с инвертирующим входом которого соединен первый вывод седьмого резистора, первый вывод восьмо30. ro резистора соединен с выходом третьего операционного, а входом активного ЯСфильтра является первый вывод девятого резистора. первый вывод десятого резистора соединен с общей шиной и с неинвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей, о т л и ч а юшийся тем, что. с целью повышения стабильности амплитудно-частотной характеристики, в него введены одиннадцатый, двенадцатый и тринадцатый резисторы, первые выводы одиннадцатого и двенадцатога резисторов соединены с вторыми вывадами девятого и десятого резисторов, а вторые выводы одиннадцатого и двенадца45 того резисторов соединены соответственно с выходом второго и инвертирующим входом первого операционного усилителей, первый и второй тринадцатого резистора соединены соответственно с инвертирующими входами первого и третьего операционных усилителей; а вторые выводы седьмого и восьмого резисторов соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами первого операционного усилителя, причем второй вывод пятого резистора соединен с выходом четвертого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной.

1777233

Составитель С. Гришин

Редактор Т. Куркова Техред М.Моргентал Корректор H. Бучок

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

Заказ 4127 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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