Активный rc-фазовый контур

 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для построения широкополосных линий задержки и фазовых корректоров для различных устройств связи. Целью изобретения является повышение стабильности фазочастотной характеристики путем расширения области рабочих частот за счет уменьшения влияния площади усиления используемых операционных усилителей на частоты полюсов и нулей передаточной функции, что достигается введением в активный RC-фазовый контур, содержащий первый, второй, третий, четвертый операционные усилители 1,2,3,4, первый резистор 5, первый конденсатор 6, второй, третий и четвертый резисторы 7,8 и 9, второй конденсатор 10, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый резисторы 11 - 18 дополнительно пятого операционного усилителя 19, тринадцатого и четырнадцатого резисторов 20 и 21. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для построения высокочастотных линий задержки и фазовых корректоров для различных устройств связи, используемых при обработке спектров фаз сигналов без искажения спектра амплитуд.

Известны устройства, которые могут быть использованы для построения линий задержки, фазовых корректоров и фазовращателей.

Известен активный RC-фазовый контур (авт.св. СССР N 1338004, кл. Н 03 Н 11/16 опублик. 15.09.87), содержащий первый операционный усилитель, выход которого через первый резистор соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен второй резистор, первый вывод третьего резистора соединен с общей шиной, последовательно соединенные четвертый и пятый резисторы, точка соединения которых является входом активного RC-фазового контура и через шестой резистор подключена к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, который через первый конденсатор соединен с общей шиной, второй конденсатор, третий операционный усилитель, инвертирующие входы первого и второго операционных усилителей объединены, в цепи отрицательной обратной связи третьего операционного усилителя включен седьмой резистор, инвертирующий и неинвертирующий входы третьего операционного усилителя подключены соответственно к второму выводу пятого резистора и неинвертирующему входу второго операционного усилителя, восьмой резистор, один вывод которого соединен с вторым выводом четвертого резистора и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, девятый резистор, причем выход третьего операционного усилителя является выходом активного RC-фазового контура, а второй конденсатор включен между выходом второго операционного усилителя и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, в отрицательной обратной связи которого включен девятый резистор, второй вывод третьего резистора подключен к точке соединения четвертого и восьмого резисторов.

Преимуществом активного RC-фазового контура является повышенная стабильность параметров в широком диапазоне частот. Однако невозможна перестройка частот нуля и полюса двумя частотно-заданными резисторами без изменения затуханий нуля и полюса, что затрудняет реализацию перестраиваемых фазокорректирующих устройств.

Известен активный RC-фазовый контур (заявка N 4723999/09 от 26.07.89), содержащий первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, к выходу первого операционного усилителя подключены первые выводы первого резистора и первого конденсатора, второй вывод первого конденсатора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго операционного усилителя и через последовательно включенные третий и четвертый резисторы - с выходом третьего операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к точке соединения третьего и четвертого резисторов, между выходом первого и третьего операционных усилителей включены последовательно соединенные пятый резистор и второй конденсатор, точка соединения пятого резистора и второго конденсатора подключена к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, инвертирующий вход второго и неинвертирующий вход первого операционных усилителей соединены с общей шиной, между выходом третьего операционного усилителя и общей шиной включены последовательно соединенные шестой и седьмой резисторы, точка соединения которых подключена к неинвертирующему входу четвертого операционного усилителя, выход которого является выходом активного RC-фазового контура, между выходами первого и четвертого операционных усилителей включены последовательно соединенные восьмой и девятый резисторы, точка соединения которых подключена к инвертирующему входу четвертого операционного усилителя и к первому выводу десятого резистора, второй вывод которого соединен с входом активного RC-фазового контура и с первым выводом одиннадцатого резистора, вторые выводы первого и одиннадцатого резисторов соединены с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, при этом первый вывод одиннадцатого резистора является входом активного RC-фазового контура, а инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя.

Достоинством этого технического решения является высокая стабильность параметров, и следовательно, малая неравномерность АЧХ и незначительное отклонение ФЧХ от расчетного значения в широком диапазоне частот, а недостатком - зависимость между затуханиями и частотами полюса и нуля при перестройке по частоте двумя частотно-задающими резисторами, что не позволяет использовать данное устройство в перестраиваемых фазокорректирующих системах.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является активный RC-фазовый контур (авт.св. СССР N 1584080, кл. Н 03 Н 11/16, опублик. 07.08г.90), содержащий первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами первого резистора и первого конденсатора, второй вывод которого и первые выводы второго, третьего и четвертого резисторов соединены с выходом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине, второй вывод второго резистора соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод четвертого и первые выводы пятого и шестого резисторов соединены с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, к инвертирующему входу которого подключены первыми выводами седьмой и восьмой резисторы, вторые выводы седьмого и восьмого резисторов соединены соответственно с выходами второго и третьего операционных усилителей, второй вывод третьего и первые выводы девятого и десятого резисторов соединены с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, второй вывод девятого резистора подключен к выходу четвертого операционного усилителя, к неинвертирующему входу которого подключены первыми выводами одиннадцатый и двенадцатый резисторы, второй вывод двенадцатого резистора соединен с общей шиной, вторые выводы шестого и десятого резисторов являются входом, а выход четвертого операционного усилителя является выходом активного RC-фазового контура, при этом второй вывод первого резистора соединен с выходом третьего операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого конденсатора, вторые выводы второго конденсатора и одиннадцатого резистора соединены с выходом второго операционного усилителя, второй вывод пятого резистора и инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединены с общей шиной.

С помощью этого активного RC-фазового контура возможна перестройка частот нуля и полюса двумя частотно-задающими резисторами без изменения затуханий нуля и полюса, что позволяет использовать его в различных фазокорректирующих устройствах с переменными параметрами, которые широко используются в адаптивных системах связи.

Недостатком этого устройства является низкая стабильность основных параметров (АЧХ и ФЧХ) из-за влияния на высоких частотах частотных свойств операционных усилителей. Это приводит к возрастанию на высоких частотах неравномерности АЧХ и отклонению ФЧХ от расчетного значения.

Целью изобретения является повышение стабильности фазочастотной характеристики активного RC-фазового контура за счет уменьшения влияния частотных свойств операционных усилителей на ФЧХ.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами первого резистора и первого конденсатора, второй вывод которого и первые выводы второго, третьего и четвертого резисторов соединены с выходом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине, второй вывод второго резистора соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод четвертого и первые выводы пятого и шестого резисторов соединены с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, к инвертирующему входу которого подключены первыми выводами седьмой и восьмой резисторы, вторые выводы седьмого и восьмого резисторов соединены соответственно с выходами второго и третьего операционных усилителей, второй вывод третьего и первые выводы девятого и десятого резисторов соединены с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, второй вывод девятого резистора подключен к выходу четвертого операционного усилителя, к неинвертирующему входу которого подключены первыми выводами одиннадцатый и двенадцатый резисторы, второй вывод двенадцатого резистора соединен с общей шиной, вторые выводы шестого и десятого резисторов являются входом, а выход четвертого операционного усилителя является выходом активного RC-фазового контура, введены пятый операционный усилитель, тринадцатый и четырнадцатый резисторы, при этом второй вывод первого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, инвертирующий вход третьего операционного усилителя подключен к неинвертирующему входу пятого операционного усилителя и первому выводу второго конденсатора, вторые выводы второго конденсатора и одиннадцатого резистора соединены с выходом третьего операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, первые выводы тринадцатого и четырнадцатого резисторов подключены к инвертирующему входу пятого операционного усилителя, вторые выводы пятого и тринадцатого резисторов соединены с выходом пятого операционного усилителя, а второй вывод четырнадцатого резистора соединен с общей шиной.

Наличие отличительных признаков, а именно введение пятого операционного усилителя, тринадцатого и четырнадцатого резисторов с соответствующими связями обусловливает соответствие предложенного технического решения критерию "Новизна". Оно соответствует также критерию "Существенные отличия", поскольку не обнаружено решений с признаками, сходными с признаками, отличающими предложенное устройство от прототипа.

За счет введения новых элементов и связей уменьшается влияние площади усиления операционных усилителей на ФЧХ активного RC-фазового контура, что приводит к повышению стабильности одного из основных параметров фазового контура - фазочастотной характеристики.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема предложенного активного RC-фазового контура.

Он содержит первый, второй, третий и четвертый операционные усилители 1-4, первый резистор 5, первый конденсатор 6, второй, третий и четвертый резисторы 7-9, второй конденсатор 10, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый резисторы 11-18, пятый операционный усилитель 19, тринадцатый и четырнадцатый резисторы 20 и 21.

Инвертирующий вход первого операционного усилителя 1 соединен с первыми выводами первого резистора 5 и первого конденсатора 6, второй вывод которого и первые выводы второго, третьего и четвертого резисторами 7,8 и 9 соединены с выходом первого операционного усилителя 1, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине, второй вывод второго резистора 7 соединен с первым выводом второго конденсатора 10, второй вывод четвертого 9 и первые выводы пятого 11 и шестого 12 резисторов соединены с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 2, к инвертирующему входу которого подключены первыми выводами седьмой и восьмой резисторы 13 и 14, вторые выводы седьмого и восьмого резисторов 13 и 14 соединены соответственно с выходами второго и третьего операционных усилителей 2 и 3, второй вывод третьего 8 и первые выводы девятого 15 и десятого 16 резисторов соединены с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя 4, к неинвертирующему входу которого подключены первыми выводами одиннадцатый и двенадцатый резисторы 17 и 18, второй вывод двенадцатого резистора 18 соединен с общей шиной, вторые выводы шестого и десятого резисторов 12 и 16 являются входом, а выход четвертого операционного усилителя является выходом активного RC-фазового контура, пятый операционный усилитель 19, тринадцатый и четырнадцатый резистор 20 и 21. При этом второй вывод первого резистора 5 соединен с выходом второго операционного усилителя 2, инвертирующий вход третьего операционного усилителя 3 подключен к неинвертирующему входу пятого операционного усилителя 19 и первому выводу второго конденсатора 10, вторые выводы второго конденсатора 10 и одиннадцатого резистора 17 соединены с выходом третьего операционного усилителя 3, первые выводы тринадцатого и четырнадцатого резисторов 20 и 21 подключены к инвертирующему входу пятого операционного усилителя 19, вторые выводы пятого и тринадцатого резисторов 11 и 20 соединены с выходом пятого операционного усилителя 19, а второй вывод четырнадцатого резистора 21 соединен с общей шиной.

Активный RC-фазовый контур работает следующим образом.

Входной сигнал подается на вторые выводы шестого и десятого резисторов 12 и 16, на выходе четвертого операционного усилителя 4 реализуется передаточная функция фазового контура второго порядка F(P)= - , (1) где d_z= 1+ - ; ω_z= (2) α= ; γ= ; κ_z=1- 1+ + ; β= d_p= = 1+ ; ω_p= ; (3) τ₁=R₅C₆; τ₂=R₇C₁₀ где d_z= - затухание нуля; Q_z - добротность нуля; d_p= - затухание полюса; Q_p - добротность полюса;
ω_z и ω_p - частоты нуля и полюса;
κ_z - коэффициент сдвига частоты нуля относительно частоты полюса;
R₅, R₇, R₈, R₉,R₁₁,R₁₂,R₁₃,R₁₄,R₁₅,R₁₆,R₁₇ и R₁₈ - сопротивления резисторов 5,7,8,9,11,12,13,14,15,16,17 и 18;
С₅ и С₁₀ - емкости конденсаторов 5 и 10.

Зависимость модуля комплексного коэффициента передачи от частоты (т.е. амплитудно-частотная характеристика) находится из выражения (1) заменой Р на jω
F(jω)= . (4)
Из выражения (4) следует, что при d_z=d_p и ω_z=ω_p модуль коэффициента передачи активного RC-фазового контура частотно независим и равен 1, что реализуется только при идеальных операционных усилителях (ОУ).

Фазовый сдвиг фазового контура также находится из выражения (1) и имеет значение
ϕ(ω)=arctg + arctg . (5)
При использовании реальных ОУ из-за ограниченности их площади усиления П= μ_oω_гр (где μ_o - коэффициент усиления ОУ на постоянном токе, ω_гр - частота, на которой коэффициент усиления ОУ без обратной связи уменьшается до уровня 0,707 μ_o затухание нуля и полюса и их части не совпадают и отклоняются от расчетных. Это приводит к появлению неравномерности АЧХ и отклонению ФЧХ фазового контура от заданного значения. Оценкой влияния активных элементов на ω_z,d_z, ω_p и d_p могут служить относительные изменения этих параметров идеализированного фазового контура. Чем меньше относительные изменения параметров фазового контура, обусловленные ограниченной величиной площади усиления, тем выше стабильность параметров.

Для оценки влияния частотных свойств ОУ, его передаточная функция аппроксимируется соотношением
μ(P)= (6)
Из анализа активного RC-фазового контура при β= 0 с учетом выражения (6) определяются относительные изменения его параметров
П+1 ; (7)
; (8)
d-+ + -1-; (9)
d-+ + -1-, (10) где П₁, П₂, П₃, П₄ и П₁₉ - площади усиления первого 1, второго 2, третьего 3, четвертого 4 и пятого 19 операционных усилителей; R₂₀ и R₂₁- сопротивления резисторов 20 и 21.

Выражения для относительных изменений параметров устройства-прототипа при оптимальных соотношениях между элементами имеют вид
δω_z(П)= - 1- ; δd_z=δω_z(П);
δω_p(П)= - 1+ ; δd_p=δω_p(П);. (11)
При оптимальных соотношениях между элементами предлагаемого технического решения (П₁=П₂=П₃=П₄=П₁₉=П; R₁₃ = R₁₄; τ₁=τ₂;R₁₅ = R₁₆ = 2R₈ и Q_p = Q_z >> 1, при этом 1+ + ≈1) выражения (7)÷(10) упрощаются и принимают вид
δω_z(П)≈ - 1-2+ 6+ (12)
δd_p(П)≈ 1-2+ 2+ (13)
δd_z(П)≈ - 2 -1+ +δω_z(П); (14)
δd_p(П)≈ 2 -1+ + δω_p(П) (15)
Для минимизации влияния площади усиления ОУ на затухание нуля и полюса необходимо скомпенсировать в выражениях (14) и (15) члены, пропорциональные Q_z и Q_p и оказывающие доминирующее влияние на d_z и d_p. Приравняв эти члены нулю, найдем условие, при котором происходит компенсация влияния площади усиления на d_z и d_{p
2 - 1 = 0} или R₂₁= 2R₂₀ (16)
При условии (16) происходит также компенсация влияния площади усиления ОУ на частоты ω_z и ω_p При R₂₁ = 2R₂₀ выражения (12)÷(15) принимают вид
δω_z(П)=1,25; δω_p= -3,75
δd_z(П)= 1+ ; δd_p(П)= 1- (17)
Из-за влияния площади усиления ОУ происходит взаимный сдвиг между частотами ω_z и ω_p, что приводит к существенной неравномерности АЧХ. Для устранения сдвига между ω_z и ω_p и уменьшения неравномерности АЧХ в схеме имеется делитель из резисторов R₁₇ и R_18, который позволяет уменьшить частоту ω_z до выполнения условия ω_p = ω_z коэффициент передачи этого делителя находится из выражения
β=2,5
Если требования к неравномерности АЧХ не очень жесткие, то делитель из резисторов R₁₇ и R₁₈ можно из схемы исключить, соединив при этом неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя с общей шиной.

Из сопоставления выражений (11) и (17) видно, что в предлагаемом техническом решении влияния площади усиления на затухания нуля и полюса примерно такие же, как у прототипа, а влияния на частоты нуля и полюса существенно меньше, что и позволяет повысить стабильность ФЧХ.

Для оценки отклонения параметров фазовых контуров необходимо воспользоваться функциями чувствительности, которые имеют на частотах ω_z = ω_p как известно, следующие значения:
S=1; S= - ; S=Q_z;
S= -Q_p; S=2Q_z; S=2Q_p.

Тогда относительные изменения модуля передаточной функции |δF(jω)| можно определить по соотношению
(П)+S(П)+Sd_z(П)+, (18) а изменение фазового сдвига на частоте ω_z= ω_p можно нйти по выражению
Δϕ=S(П)+S(П)+Sd_z(П)+Sd_p(П). . (19)
Из расчетов следует, что отклонения АЧХ в известном (прототипе) и предлагаемом RC-контурах практически одинаковые, а отклонения ФЧХ в предлагаемом RC-контуре в 6 раз выше. При этом, как следует из соотношений (2) и (3), при перестройке частот нуля ω_z и полюса ω_pсинхронным изменением τ₁ и τ₂ с помощью резисторов R₅ и R₇ не происходит изменения затуханий нуля d_z и полюса d_p и, следовательно, с помощью двух резисторов можно перестраивать активный RC-фазовый контур в широком диапазоне частот при постоянной добротности нуля и полюса. Это позволяет использовать данный фазовый контур в адаптивных и высокостабильных системах связи с переменными параметрами.

Формула изобретения

АКТИВНЫЙ RC-ФАЗОВЫЙ КОНТУР, содержащий первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами первого резистора и первого конденсатора, второй вывод которого и первые выводы второго, третьего и четвертого резисторов соединены с выходом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине, второй вывод второго резистора соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод четвертого и первые выводы пятого и шестого резисторов соединены с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, к инвертирующему входу которого подключены первые выводы седьмого и восьмого резисторов, вторые выводы которых соединены с выходами соответственно второго и третьего операционных усилителей, первый вывод десятого и второй вывод шестого резисторов соединены и являются входом активного RC-фазового контура, а второй вывод десятого резистора соединен с вторым выводом третьего резистора и через девятый резистор - с выходом четвертого операционного усилителя, выход которого является выходом активного RC-фазового контура, а инвертирующий вход четвертого операционного усилителя подключен через двенадцатый резистор к общей шине, а через одиннадцатый резистор к второму выводу второго конденсатора, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности фазочастотной характеристики, введены пятый операционный усилитель, тринадцатый и четырнадцатый резисторы, при этом второй вывод первого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, первый и второй выводы второго конденсатора подключены соответственно к инвертирующему входу и выходу третьего операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к первому выводу первого конденсатора, а инвертирующий вход - к неинвертирующему входу пятого операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом пятого резистора, а с общей шиной - через последовательно соединенные тринадцатый и четырнадцатый резисторы, точка соединения которых подключена к инвертирующему входу операционного усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1