Активный rc-фильтр

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в частотно-избирательных блоках радиоэлектронных устройств . Цель изобретения - упрощение перестройки по частоте и повышение стабильности амплитудно-частотной характеристики активного RC-фильтра. Активный RC-фильтр содержит первый, второй, третий и четвертый операционные усилители 1, 2, 3 и 4, первый и второй конденсаторы 5 и 6, первый, второй, третий, четвертый, пя-. тый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый и одиннадцатый резисторы 7, 8, 9,10. 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17. Работа активного RC-фильтра основана на том; что введение дополнительных отрицательных обратных связей снижает чувствительность параметров АЙХ к изменению полосы пропускания операционных усилителей. 1 ил. 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1788570 А1

{51)5 Н 03 Н 11/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4789812/09 (22) 05.02.90 (46) 15.01.93. Бюл. t4 2 (71) Таганрогский радиотехнический институт им. В.Д.Калмыкова (72) В.С.Григорьев, С.В.Гришин и С.Г.Крутчинский (56) Авторское свидетельство СССР

Q 1688387, кл. Н 03 Н 11/12 от 16 01 90. (54) АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР (57) Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в частотно-избирательных блоках радиоэлектронных устройств. Цель изобретения — упрощение перестройки по частоте и повышение стабильности амплитудно-частотной характеристики активного RC-фильтра, Активный

RC-фильтр содержит 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 и одийнадцатый резисторы 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и.17. Работа активного

RC-фильтра основана на том; что введение дополнительных отрицательных обратных связей снижает чувствительность параметров АИХ к изменению полосы пройускания операционных усилителей. 1 ил. 1 табл.

17885 7Р состояния, содержащий первый суммирую- 10

20

30

50

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных радиоэлектронных устройствах, Известны устройства, которые реализуют различные типы АЧХ (в том числе верхних, нижних и плосовых фильтров) и могут быть использованы для построения селективных радиоэлектронных блоков.

Известен контур с переменным числом щий усилитель, выход которого соединен с входом первого интегратора и через аттенюатор с вторым неинвертирующим входом второго суммирующего усилителя, выход первого интегратора соединен с входом второго интегратора и через аттенюаторы с инвертирующим входом второго суммирующего усилителя и с вторым неинвертирующим -входом первого суммирующего усилителя, выход второго интегратора соединен через аттенюаторы с вторым инвертирующим входом первого суммирующего усилителя и с первым неинвертирующим входом второго суммирующего усилителя.

Недостатком устройства является сильная зависимость его параметров от частотных свойств операционных усилителей, что сужает частотный диапазон его применения, Известен также универсальный активный AC-фильтр второго порядка, состоящий из первого масштабного усилителя, дифференцирующего и интегрирующего RCзвеньев, выполненных на операционных усилителях, и Т-образного четырехполюсника из трех резисторов, а также. второго масштабного усилителя и конденсатора, при этом конденсатор дифференцирующего

RC-звена подключен к выходу первого масштабного усилителя, инвертирующий вход которого и вход интегрирующего RC-звена подключены к выходу дифференцирующего

RC-звена, а инвертирующие входы дифференцирующего RC-звена и второго масштабного усилителя соединены с общей шиной, первый вход Т-образного резистивного четырехполюсника является входом фильтра, второй вход соединен с выходом интегрирующего RC-звена, а третий вход— с выходом второго масштабного усилителя, общая точка соединения резисторов этого четырехполюсника подключена к неинвертирующему входу первого масштабного усилителя, неинвертирующий вход второго масштабного усилителя соединен с инвертирующим входом операционного усилителя интегрирующего RC-звена, а конденсатор включен между выходом интегрирующего RC-звена и инвертирующим входом операционного .усилителя первого масштабного усилителя.

Преимуществом универсального фильтра являются расширенный частотный диапазон благодаря взаимной компенсации влияния площадей усиления операционных усилителей на затухание и частоту полюса передаточной функции, а также возможность перестройки частоты полюса с помощью двух резисторов интегрирующего и дифференцирующего RC-звеньев при неизменно*й добротности полюса.

К недостатку этого фильтра относится взаимосвязь между условиями компенсации влияния площади усиления на затухание полюса и параметрами полюсов идеализированного фильтра, что приводит к интерационному процессу настройки параметров полюса и уровня компенсации и. следовательно, к сложности настройки. Кроме того, структура частотозадающей цепи (дифференцирующее RC-звено на операционном усилителе) снижает запас устойчивости и не позволяет использовать при построении конкретных устройств целый . класс современных операционных усилителей, Все это существенно затрудняет реализацию в полной мере его преимуществ, Иэ известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является активный RCфильтр, содержащий последовательно соединенные первый операционный усилитель, первый интегратор на третьем операционном усилителе втором резисторе и втором конденсаторе, между выходом первого и выходом третьего операционных усилителей включен первый делитель напряжения иэ третьего и четвертого резисторов, а между входом устройства и выходом второго операционного усилителя — второй делитель напряжения из пятого и шестого резисторов, при этом инвертирующий вход первого операционного соединен со средним выходом первого делителя напряже ния, а инвертирующий вход второго и неинвертирующий вход четвертого операционных усилителей соединены со средним . выводом второго делителя напряжения, первые выводы седьмого, восьмого и девятого резисторов третьего делителя напря-. жения соединены с неинвертирующим входом первого и неинвертирующим входом четвертого операционных усилителей, тогда как их вторые выводы подключены соответственно к выходам первого и четвер.того операционных усилителей и к общей шине, а десятый резистор включен между инвертирующим входом первого операционного усилителя и общей шиной, при этом

17885

15

25

35

50 неинвертирующие входы второго и третьего операционных усилителей соединены с общей шиной, а их выходы являются выходами полосового фильтра и фильтра нижних частот соответственно.

Достоинством этого активного RCфильтра является широкий частотный диапазон, отсутствие взаимосвязи между условиями компенсации влияния площади усиления на затухание и частоту полюса и параметрами полюсов идеализированного фильтра, что упрощает процесс настройки, К одному из недостатков фильтра относится взаимосвязь между частотой и до. бротностью полюса, что затрудняет перестройку частоты при постоянной добротности полюса и, следовательно, не позволяет использовать данный фильтр в устройствах с переменными параметрами.

Другим недостатком является высокая чувствительность затухания полюса к площади усиления операционных усилителей, что снижает стабильность АЧХ на высоких частотах.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение перестройки частоты полюса благодаря устранению взаимосвязи между частотой и добротностью полюса и повышение стабильности АЧХ за счет уменьшения чувствительности затухания полюса к площади усиления операционных усилителей.

Для достижения поставленной цели в активный RC-фильтр, содержащий первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, неинвертирующие входы второго и третьего операционных усилителей соединены с общей шиной, а их выходы и инвертирующие входы соединены соответственно с первыми и вторыми выводами первого и второго конденсаторов, выходы первого и второго операционных усилите.лей соединены соответственно с первыми выводами первого и второго резисторов, вторые выводы которых соединены с инвертирующими входами соответственно второго и третьего операционных усилителей, первый вывод второго конденсатора соединен с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом четвертого резистора и инвертиру ющим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом четвертого резистора, пятый и шестой резисторы, первые выводы которых объединены, седьмой резистор, первый вывод которого соединен с выходом четвертого операционного усилителя, с неинвертирующим входом которого соединен второй вывод седьмого резистора и

Ь первый вывод восьмого резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, девятый резистор первым выводом соединенный с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, десятый резистор, введен одиннадцатый резистор, соединенный первым выводом с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя и первым выводом десятого резистора, вторые выводы десятого и одиннадцатого резисторов подключены соответственно к инвертирующим входам второго и третьего операционных усилителей, второй вывод девятого резистора соединен с выходом четвертого операционного усилителя, второй вывод шестого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, объединенные первые выводы пятого и шестого резисторов соединены с неинвертирующим входом nepaoro onepaционного усилителя, а второй вывод пятого резистора является входом активного. RCфильтра.

Наличие отличительных признаков, а именно, введение новых связей между вы-, ходами второго и четвертого операционных усилителей и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, а также одиннадцатого резистора и соответствующих связей неинвертирующего входа четвертого операционного усилителя с инвертирующим входами второго и третьего операционных усилителей обусловливает соответственно 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 прототи па.

При введении новых связей между четвертым операционным усилителем и неинвертирующим входом первого, а также инвертирующим входами второго и третье- го операционных усилителей 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, Отсутствие взаимосвязи между условиями компенса55 ции и идеализированными параметрами фильтра существенно облегчает его настройку. Кроме .того. появляется возможность независимого управления частотой и затуханием полюса, что делает данный фильтр пригодным для использования в си178857С (2) стемах с переменными параметрами, а появление выхода фильтра верхних частот расширяет его функциональные возможности, На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предложенного активного RC-фильтра.

Активный RC-фильтр содержит первый, . второй, третий и четвертый операционные усилители 1, 2, 3 и 4, первый и второй кон- денсаторы 5 и 6, первый, второй, третий, четвертый, пятый; шестой, седьмой, вocb -мой, девятый, десятый и одиннадцатый ре зисторы 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 1 7;

Активный RC-фильтр содержит первый

1, второй 2, третий 3, четвертый 4 операционные усилители; неин вертирующие входы второго 2 и третьего 3 операционных усилителей соединены с общей шиной, а их выходы и инвертирующие входы соединены соответственно с первыми и вторыми выводами первого 5 и второго 6 конденсаторов, выходы первого 1 и,второго 2 операционных усилителей соединены соответственно с первыми выводами первого 7 и второго 8 резисторов, вторые выводы которых соединены с инвертирующими входами соответственно второго 2 и третьего 3 операционных усилителей, первый вывод второго конденсатора 6 соединен с первым выводом третьего резистора 9, второй вывод которого соединен с первым выводом четвертого резистора 10, пятый и шестой резисторы 11 и 12, первые выводы которых объединены, седьмой резистор 13, первый вывод которого соединен с выходом четвертого рперационйого усилителя 4, с неинвертирующим входом которого соединены второй вывод седьмого резистора 13 и первый вывод восьмого резистора 14, второй вывод которого соединен с общей шиной, девятый резистор 15 первым выводом соединенный с неинвертирующим входом ïåðвого операционного усилителя 1, десятый резистор 16, одиннадцатый резистор 17, соединенный первым выводом с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя 4 и первым выводом десятого резистора 16, вторые выводы десятого 16 и одиннадцатого 17 резисторов подключены соответственйо к" йнвертирующим входам второго 2 и третьего 3 операционных усилителей, второй вывод девятого резистора 15 соединен с выходом четвертого операционного усилителя 4, второй вывод шестого резистора 12 соединен с выходом второго операционного усилителя 2, объединенные первые выводы пятого 11 и шестого 12 резисторов соединены с неинвертирующим входом первого операционного усилителя 1, 8

Рг

Рфвч(Р) — Мвч, (1)

Р +Роро +ир а второй вывод пятого резистора 11 является входом активного RC-фильтра.

Активный RC-фильтр работает следую щим образом, 5 Входной сигнал через пятый резистор . 11 поступает на.неинвертирующий вход первого операционного усилителя 1, при этом на выходах первого 1, второго.2 и третьего 3 операционных усилителей реали10 эуются передаточные функции фильтра верхнйх частот, полосового фильтра и фильтра нижних частот, которые при идеальных операционных усилителях имеют вид

Рф(Р) = Мпф

Pd

20 Р + Pdð 0 + N ð г

«фнч(Р) = Мнч 2 . 2, (3)

Р + Pdðг р +mp

Где M„=(1 + )(1 + + )

R9 R11 R11 — 1, 10 « 12 R15

M.,=. (1+ "o)(1+ "1"+ ") 9 R12 15

R12 и Мпф = — масштабные множители nepeR11 даточных функций фильтров верхних частот, нижних частот и полосового;

35 1,/ Р9 оф — — частота полюса; (4)

r1 тг R1O д «+ 9 ю „ а 1

40 ..— затухание полюса; (5) 0p — добротность полюса; т1 = ВтС5; т1 = ВвС5 — постоянные времени первого и второго интеграторов; .

45 Ят, йв, Rg, R«o, R11 и R12 — сопротивления первОгО, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого резисторов 7, 8, 9, 10, 11 и 12;

R15 — сопротивление девятого резистора 15;

50 С5 и C5 — емкости первого и второго конденсаторов 5 и 6.

При использовании реальных операционных усилителей, имеющих ограниченный коэффициент усиления и, следовательно, 55 конечную площадь усиления; основные параметры фильтра ер и бр будут зависеть не только от реэистивных и емкостных элементов,"но и от параметров операционных усилителей.

17885 7Р

При аппроксимации АЧХ операционного усилителя функций первого порядка

П ,и (P) = —, где П =,и, вр — площадь усиления, а,ио и и,р — коэффициент усиления 5 операционного усиления и граничная частота по уровню Здб, выражения для частоты (4) и затухания (5) полюса приобретают вид:

10,(-ji — j(ик(((-(il) -»»вЂ” с R91

<-Са а — L»9 — 1+ — + л

-„,(»-(» ")(»к,}f) и -.,1I, 15 (7) Из выражений (11) видно, что изменение частоты полюса резисторами R7 и йа, приводит к изменению затухания полюса,т,к. бу20 дет меняться соотношение между R7 и R11, Поэтому для подде ржания: не измен ным затухания полюса в прототипе необходимо изменять сопротивление резистора R11. Однако при изменении R11 будет меняться мас25 штабный множитель М, Следовательно, для сохранения неизменным M необходимо еще изменять и Rla, Причем изменение всех резисторов должно быть синхронным с высокой точностью, что на практике невыпол30 нимо.

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

В1з, R17

К1=

R14 16 + 17

4О При выполнении условий (10) и выборе

r1 = тг, R9 = В1о чувствительности (12) и (13) принимают значения

1 1

51п= (— — — ), 2 Пэ П2. (14) 2 - 2(1 + К1) y = 0 или (1 + К1) у = 1 45

50 Чувствительности (14) и (15) обращаются в нуль при П1=П2=Пэ. Выбором величины К1 и у чувствительности (12) и (13) можно сделать равными нулю и при П1=П2=Пэ. Однако в любом случае точные равенства S 1п = 0 и

S 1п = 0 возможны только при постоянных

»1р величинах площадей усиления или соотношений между ними. У реальных усилителей площади усиления и соотношения между ними под действием различных дестабили » —. . —, (- рЯ*.E, (-,(+а — j(«(н и =. д} (6) где П1, Пр и Пэ — площади усиления первого

1, второго 2 и третьего 3 операционных усилителей

Я1э, R14, R16 и R17 — сопротивления седьмого, восьмого, десятого и одиннадцатого резисторов 13, 14, 16 и .17.

Выражения (6) и (7) получены из анализа предложенной схемы ARC-фильтра методом, графов с использованием формулы Мезона и справедливы при Ор » 1; 016 » Я7;

817»йв. Из формул (6) и (7) находятся относительные изменения частоты и затухания полюса

3о,(»(}- — - y — — (-(»+Я(»»»(}ц+- j )

9 Qg ».,)R9(»l

Приравнивая выражения (8) и (9) нулю (при т1 +72 П1=П2=Пз; R9 = В1о). получаем . систему уравнений — 2(1 + К1)(1 - y) = 0 (1 + К1)(1 - y) = 2 решая которую находим

К1-2; — или =2; =2, (10)

1 13 . R16

3, R14 R17

При выполнении условий (10) д вр (П) =

=0 и д бр(П) = О, т.е. устраняется влияние площади усиления на параметры фильтра и расширяется диапазон рабочих частот. При этом условия компенсациИ не связаны с параметрами идеализированного фильтра (4) и (5), что существенно упрощает процесс настройки, Кроме того, как видно иэ соотношений(4) и(5), изменением постоянных вре- мени интеграторов с помощью резисторОв

R7 u Ra (первого резистора 7 и второго резистора 8) можно перестраивать частоту полюса без изменения его затухания (5) и масштабного множителя, Это позволяет использовать данный фильтр в устройствах с переменными параметрами, работающих в широком диапазоне частот.

Выражения для параметров устройства — прототипа имеют вид

19»»

"= 4("М+Н+Ь (- (Л "(1з»

S р1п= ирОр(2 П +П П ) (15)

П1 П2 Пэ

17885 7

10

20

30

40 ьр (>yg — для прототипа, и

50 зирующих факторов (температуры, старения, изменения напряжения питания и других) меняются, что приводит к нарушению условий компенсации и росту чувствительностей (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 температурный коэффициент сопротивления резисторов типа С2-29 са = 5 . 10 1/град, температурный коэффи- .

-5 циент площади усиления йп = (3 — 5)10

-з

1/град, а неидентичность температурных коэффициентов площади усиления Лап =

=(0,3-0,5) ап. Значения соответствующих чувствительностей для прототипа при Г1 =Tг; Ы = "; R7 R10; R13=R14 4 2 + 10, R o 5 (16)

К15 К16 В16 Qp — 1 равны, S2n = — (— — ) . оз 1 1

2 Пз Пг

Из соотношений (14), (15) и (16), (17) видно. что чувствительности частоты полюса к площади усиления в обоих фильтрах одинаковые, а чувствительность затухания полюса в .предлагаемом активном RC-фильтре меньше чем у прототипа, так как этэ чувствительность реализуется вычитанием меньших чисел.

Чувствительности затухания полюса прототипа и предлагаемого решения приве-. дены в таблице.

Для сравнения предлагаемого решения с прототипом воспользуемся среднеквадратичной чувствительностью характеризующей влияние неидентичности изменения площадей усиления ОУ на затухание полюса, Как видно из таблицы

Q a.

S Ргпскз = ор 2 +1 +1 +4 =4,7 — „и р" 1пскр - î, z+ t +s +ю = > ò-рФ

Q и п — для предлагаемого решения, Таким образом, предлагаемая схема характеризуется более низкой (в 1,26 раза) среднеквадратичной чувствительностью и, следовательно, лучшей стабильностью параметров.

Из приведенных материалов заявки следует, что в предложенной схеме по сравнению с прототипом отсутствует взаимо связь между условиями компенсации и идеализировэнными параметрами полюсов, реализуется управление частотой без изменения затухания и масштабного множителя и, следовательно, возможно использовать данный фильтр в системах с переменными параметрами, при этом снижена среднеквадратичная чувствительность затухания к площади усиления и поэтому повышена стабильность параметров, Формула изобретения

Активный МС-фильтр, содержащий первый — четвертый операционные усилители, . неинвертирующие входы второго и третьего операционных усилителей соединены с общей шиной, а их выходы и инвертирующие входы соединены соответственно с первыми и вторыми выводами первого и второго конденсаторов, выходы первого — третьего операционных усилителей соединены с первыми выводами соответственно первого— третьего резисторов, вторые выводы которых соединены с инвертирующими входами соответственно второго, третьего и первогооперационных усилителей, первый вывод четвертого резистора соединен с вторым выводом третьего резистора, а второй вывод — с первым выводом первого резистора, пятый и шестой резисторы, первые выводы которых обьединены, первый вывод седьмого резистора соединен с выходом четвертого операционного . усилителя, инвертирующий вход которого соединен с вторым выводом седьмого резистора и первым выводом восьмого резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, девятый резистор первый вывод которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, десятый резистор, отличающийся тем, что, с целью упрощения перестройки по частоте и повышения стабильности амплитудночастотной характеристики активного RC45 фильтра,. введен одиннадцатый резистор, первый вывод которого соединен с неинвертирующим входом четвертого операционно,го усилителя и первым выводом десятого резистора, вторые выводы десятого и одиннадцатого резисторов соединены с вторыми выводами соответственно первого и второго резисторов, второй вывод девятого резистора — с первыми выводами пятого и шестого резисторов и с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, второй вывод шестого резистора — с первым выводом второго резистора, причем входом активного RC-фильтра является второй вывод пятого резистора.

1788570

Составитель В.Григорьев

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор С.Патрушева

Редактор

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

Заказ 76 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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