Активный rc-фильтр

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных радиоэлектронных устройствах с управляемой центральной частотой. Цель - повышение стабильности амплитудно - частотной и фазочастотной характеристик. Устройство содержит первый операционный усилитель (ОУ), первый и второй резисторы, первый конденсатор, первый делитель напряжения, третий резистор, второй конденсатор, второй и третий ОУ, четвертый и пятый резисторы, второй делитель напряжения и шестой резистор. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных радиоэлектронных устройствах с управляемой центральной частотой.

Известными устройствами, на основе которых можно построить фильтр с управляемой центральной частотой, являются: активный RC-фильтр (Банк М. У. Аналоговые интегральные схемы в радиоаппаратуре. М. : Радио и связь, 1981, с.52, рис.4.5), содержащий последовательно соединенные масштабный усилитель, имеющий инвертирующий и неинвертирующий входы, и два интегратора, выполненные на операционных усилителях с заземленными неинвертирующими входами, а также делитель напряжения из двух резисторов, включенный между входом фильтра и выходом первого интегратора, причем средняя точка делителя подключена к неинвертирующему входу масштабного усилителя, инвертирующим вход которого соединен с выходом второго интегратора. Для перестройки частоты полюса в данной схеме можно использовать частотно-задающие резисторы R₁и R₂.

Схема проста в настройке, реализует три различные передаточные функции (ФНЧ, ПФ и ФВЧ). Однако на параметры фильтра (частота и добротность полюса) оказывают сильное влияние частотные свойства операционных усилителей, поэтому схема работает с малой погрешностью АЧХ в сравнительно узком частотном диапазоне, что является ее недостатком.

Известен активный RC-фильтр (а.с.СССР N 510778, кл. Н 03 Н 7/10, 1976, "Справочник по расчету и проектированию RC-схем. Под ред. А.А.Ланнэ, М.: Радио и связь, 1984, с.208), содержащий масштабный усилитель и два RC-звена, интегрирующее и дифференцирующее, выполненные на операционных усилителях, неинвертирующие входы которых соединены с общей шиной, при этом входы RC-звеньев подключены к выходу масштабного усилителя, а выходы через соответствующие плечи делителя напряжения, состоящего из трех резисторов, соединены с выходом устройства и с неинвертирующим входом масштабного усилителя.

Перестраивать фильтр можно изменением постоянных времени интегрирующего и дифференцирующего RC-звена.

Данная схема обладает более широким частотным диапазоном, чем предыдущая, благодаря взаимной компенсации влияния частотных свойств операционных усилителей на затухание полюса, однако сильное влияние частотных свойств используемых усилителей на частоту полюса существенно ограничивает частотный диапазон устройства или снижает стабильность его параметров на высоких частотах.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является активный RC-фильтр (Банк М.У. Аналоговые интегральные схемы в радиоаппаратуре. М.: Радио и связь, 1981, с.56, рис.4.11), содержащий первый операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине, а его инвертирующий вход соединен с первыми выводами первого и второго резисторов и первого конденсатора, к выходу первого операционного усилителя подключены второй вывод первого конденсатора и вход первого делителя напряжения, выход которого соединен с первым выводом третьего и вторым выводом второго резисторов, второй вывод третьего резистора соединен с первым выводом второго конденсатора, второй и третий операционные усилители, к выходам которых подключены соответственно первыми выводами четвертый и пятый резисторы, вторые выводы четвертого и пятого резисторов соединены с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, второй делитель напряжения, выход которого соединен с вторым выводом первого резистора, и шестой резистор, первый вывод которого является входом устройства, а выход первого операционного усилителя - выходом полосового фильтра, при этом инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с вторым выводом третьего резистора и первым выводом второго конденсатора, неинвертирующие входы второго и третьего операционных усилителей соединены с общей шиной, второй вывод шестого резистора соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, а вход второго делителя напряжения подключен к выходу третьего операционного усилителя.

Перестройка частоты в этом фильтре осуществляется с помощью делителей напряжения, при этом по мере увеличения частоты полюса растет влияние частотных свойств операционных усилителей на параметры полюсов, что приводит к отклонению характеристики фильтра от требуемой а также снижению стабильности характеристик на высоких частотах, или к ограничению диапазона рабочих частот.

Целью изобретения является повышение стабильности параметров фильтра за счет уменьшения влияния частотных свойств (площади усиления) операционных усилителей на частоту и затухание полюса.

Для достижения цели в устройстве, содержащем первый операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине, а его инвертирующий вход соединен с первыми выводами первого и второго резисторов и первого конденсатора, к выходу первого операционного усилителя подключены второй вывод первого конденсатора и вход первого делителя напряжения, выход которого соединен с первым выводом третьего и вторым выводом второго резисторов, второй вывод третьего резистора соединен с первым выводом второго конденсатора, второй и третий операционные усилители, к выходам которых подключены соответственно первыми выводами четвертый и пятый резисторы, вторые выводы четвертого и пятого резисторов соединены с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, второй делитель напряжения, выход которого соединен с вторым выводом первого резистора, и шестой резистор, первый вывод которого является входом устройства, а выход первого операционного усилителя - выходом полосового фильтра, выполнены соединения входа второго делителя напряжения с выходом второго операционного усилителя, второго вывода второго конденсатора с выходом третьего операционного усилителя, второго вывода третьего резистора и первого вывода второго конденсатора с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, втоpого вывода шестого резистора с инвертирующим входом первого и неинвертирующим входом третьего операционных усилителей, инвертирующего входа второго операционного усилителя с общей шиной.

Наличие отличительных признаков, а именно введение новых связей между входом второго делителя напряжения и выходом второго операционного усилителя, второго вывода второго конденсатора с выходом третьего операционного усилителя, второго вывода третьего резистора и первого вывода второго конденсатора с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, второго вывода шестого резистора с инвертирующим входом первого и неинвертирующим входом третьего операционных усилителей, инвертирующего входа второго операционного усилителя с общей шиной, обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "Новизна". Заявляемое техническое решение соответствует также критерию "Существенные отличия", поскольку не обнаружено решений с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа.

При введении новых связей происходит взаимная компенсация влияния площадей усиления операционных усилителей на параметры полюсов передаточной функции фильтра, что приводит к повышению стабильности АЧХ и ФЧХ, а также к уменьшению отклонений параметров фильтра при перестройке частоты полюса.

Теоретическое доказательство возможности достижения цели изобретения приведено при описании работы устройства.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предложенного активного RC-фильтра.

Активный RC-фильтр содержит первый операционный усилитель 1, первый резистор 2, второй резистор 3, первый конденсатор 4, первый делитель 5 напряжения, третий резистор 6, второй конденсатор 7, второй 8 и третий 9 операционные усилители, четвертый 10 и пятый 11 резисторы, второй делитель 12 напряжения и шестой резистор 13.

Активный RC-фильтр содержит первый операционный усилитель 1, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине, а его инвертирующий вход соединен с первыми выводами первого 2 и второго 3 резисторов и первого конденсатора 4, к выходу первого операционного усилителя 1 подключены второй вывод первого конденсатора 4 и вход первого делителя 5 напряжения, выход которого соединен с первым выводом третьего 6 и вторым выводом второго 3 резисторов, второй вывод третьего резистора 6 соединен с первым выводом второго конденсатора 7, второй 8 и третий 9 операционные усилители, к выходам которых подключены соответственно первыми выводами четвертый 10 и пятый 11 резисторы, вторые выводы четвертого 10 и пятого 11 резисторов соединены с инвертирующим входом третьего операционного усилителя 9, второй делитель 12 напряжения, выход которого соединен с вторым выводом первого резистора 2, и шестой резистор 13, первый вывод которого является входом устройства, а выход первого операционного усилителя 1 - выходом полосового фильтра, при этом вход второго делителя 12 напряжения соединен с выходом второго операционного усилителя 8, второй вывод второго конденсатора 7 - с выходом третьего операционного усилителя 9, второй вывод третьего резистора 6 и первый вывод второго конденсатора 7 - с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 8, второй вывод шестого резистора 13 - с инвертирующим входом первого 1 и неинвертирующим входом третьего 9 операционных усилителей, инвертирующий вход второго операционного усилителя 8 - с общей шиной.

Работает активный RC-фильтр следующим образом. Входной гармонический сигнал подается через шестой резистор 13 на инвертирующий вход первого 1 и неинвертирующий вход третьего 9 операционных усилителей. При этом на выходе первого операционного усилителя 1 формируется передаточная функция полосового фильтра, которая при идеальных операционных усилителях имеет вид F(p)=M , (1) где M= - масштабный множитель; (2) ω_р= - частота полюса; (3) d_p= = - затухание полюса; (4) Q_p - добротность полюса; К₁ и К₂ - коэффициенты передачи первого 5 и второго 12 делителей напряжения; τ₁ = R₁C₁; τ₂= R₂C₂ - постоянные времени; R₁,R₂,R₃,R₄,R₅ и R₆ - сопротивления резисторов 6,2,10,11,3 и 13; С₁ и С₂ - емкости конденсаторов 4 и 7.

При использовании реальных операционных усилителей, имеющих конечную площадь усиления, основные параметры фильтра ω_p и d_p будут зависеть не только от резистивных и емкостных элементов схемы, но и от параметров операционных усилителей.

При аппроксимации АЧХ операционных усилителей функций первого порядка μ(P) = П/Р, где П = μ_oω_гр- площадь усиления, а μ_o и ω_гр - коэффициент усиления и граничная частота по уровню 3дБ, выражения для частоты (3) и затухания (4) полюса, как следует из анализа схемы фильтра, приобретают вид:
ω_p= 1- - 1+ K+
+ 1+ + -K1+ (5)
d_p= 1+ω_pQ1+- K₁-
- K1- +δω_p(П) (6) где
δω_p(П)=- 1+ K+
+ 1+ + -K1+ (7) относительное изменение частоты полюса, полученное из выражения (5) П₁, П₂ и П₃ - площади усиления 3,2 и 1 операционных усилителей.

Из выражения (6) можно определить относительное изменение затухания полюса
δd_p(П)= ω_pQ1+- K₁- K1- +δω_p(П) (8)
Относительные изменения параметров полюсов, полученные из анализа схемы устройства-прототипа, имеют вид:
δω_p(П)=- 1+ + K₁+ 1++
+ +K₁ (9)
δd_p(П)= -ω_pQ 1+ + + + +δω_p(П) (10) При τ₁=τ₂, R₃=R₄, R₅= R₆(M= 1), П₁=П₂=П₃=П и Q_p >> 1 Q_p≫ ≪ 1 для предлагаемого технического решения и τ₁=τ₂, R₃=R₄, R₆=R₃(M=1), П₁=П₂=П₃=П и Q_p >> 1 Q_p≫ ≪ 1 для прототипа выражения для относительных изменений параметров полюсов будут иметь вид: для прототипа
δω_p(П)= - ; (11)
δd_p(П)=-5 +δω_p(П), (12) и для предлагаемого технического решения
; (13)
. (14)
Оценим относительные изменения параметров полюсов при Q_p = 10; ω_pмакс = =0,01П и К₁= К₂ = 1-0,1 (т.е. перестройка частоты полюса в 10 раз). Результаты расчетов по формулам (11)-(14) приведены в таблице.

Как видно из таблицы, относительные изменения как частоты, так и затухания полюса у предлагаемого устройства существенно меньше, чем у прототипа во всем диапазоне перестройки частоты, что повышает стабильность параметров фильтра и уменьшает отклонение параметров от требуемых.

Таким образом, в результате введения новых связей уменьшается влияние частотных свойств операционных усилителей на частоту и затухание полюса, что позволяет повысить стабильность АЧХ и ФЧХ фильтра.

Формула изобретения

АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР, содержащий первый операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине, инвертирующий вход - к первым выводам первого и второго резисторов и первого конденсатора, выход - к второму выводу первого конденсатора и входу первого делителя напряжения, выход которого соединен с вторым выводом второго резистора, а через третий резистор - с первым выводом второго конденсатора, второй и третий операционные усилители, выходы которых соответственно через четвертый и пятый резисторы подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, второй делитель напряжения, выход которого соединен с вторым выводом первого резистора, и шестой резистор, первый вывод которого является входом, а выход первого операционного усилителя является выходом активного RC-фильтра, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик, вход второго делителя напряжения соединен с выходом второго операционного усилителя, второй вывод второго конденсатора - с выходом третьего операционного усилителя, первый вывод второго конденсатора - с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к общей шине, второй вывод шестого резистора соединен с неинвертирующим входом третьего и инвертирующим входом первого операционных усилителей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2