Активный rc - фильтр с многократной обратной связью

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах связи для передачи и приема сигналов, системах борьбы с помехами и медицинской технике. Сущность - повышение добротности фильтра при сохранении неизменной величины его устойчивости к самовозбуждению. Содержит частотно-избирательную цепь 0, 1 ... 1' усилителей, 2...2', делителей напряжения, (-1)...(-1)' - сумматоров. 2 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах связи для передачи и приема сигналов, в системах борьбы с помехами и медицинской технике.

Известно устройство активный фильтр, состоящий из активного четырехполюсника (операционный усилитель), выход которого, являющийся выходом фильтра, подсоединен к входу пассивной частотно-зависимой цепи, выход которой подключен к одному из входов сумматора, другой вход которого является входом фильтра, а выход сумматора подключен к входу активного четырехполюсника [1] Недостатком этого аналога является резкое снижение устойчивости фильтра к самовозбуждению при увеличении его добротности за счет увеличения величины фактора обратной связи.

Известен также полосовой активный RC-фильтр, имеющий последовательно включенные интегрирующую и дифференцирующую RC-цепи, а также дифференциальный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к выходу дифференцирующей RC-цепи, а выход которого через резистор соединен с входом дифференцирующей RC-цепи, резистивная ветвь дифференцирующей RC-цепи соединена через регулируемый резистор с общей шиной и через резистивный усилитель напряжения с выходом дифференциального усилителя, при этом к отводу резисторного делителя напряжения подключен инвертирующий вход дифференциального усилителя [2] Недостатком данного активного фильтра с пассивной цепью обратной связи является сравнительно низкая величина реализуемой добротности фильтра.

Более высокой добротностью обладает активный фильтр с активной цепью обратной связи, содержащий два операционных усилителя, неинвертирующий вход первого из которых соединен с общей шиной, а выход через конденсатор местной отрицательной обратной связи соединен с его инвертирующим входом и через пассивную интегрирующую RC-цепь с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого через резисторы местной и общей отрицательной обратной связи соединен соответственно с инвертирующими входами операционных усилителей, при этом инвертирующий вход первого операционного усилителя и каждый вход второго операционного усилителя подключены через резисторы к входу фильтра, а инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с выводом дополнительного резистора, а второй вывод дополнительного резистора подключен к выходу первого операционного усилителя [3] Данный активный RC-фильтр может иметь произвольно высокую добротность. Недостатком данного схемного решения является то, что с ростом добротности снижается степень устойчивости системы, что делает невозможной практическую реализацию высокодобротного стабильного фильтра.

За прототип принимается активный фильтр, содержащий n ветвей, в каждую из которых входят каскадно соединенные суммирующий усилитель и фильтр, выход каждого из которых является автономным выходом фильтра, причем каждый из этих выходов соединен с суммирующими входами остальных (n-1) суммирующих усилителей, все другие входы которых соединены между собой в один вход, являющийся входом активного фильтра [4] Недостатком упомянутого прототипа являются весьма жесткое и трудновыполнимое требование к идентичности частотных и фазовых характеристик компенсирующих и компенсируемых фильтров и сохранение этих характеристик при влиянии дестабилизирующих факторов. Кроме того, инвертирование фазы на 180^o в каналах компенсации имеет место лишь на частотах, находящихся в середине полосы пропускания фильтра, и отличается от 180^o на границе полос. Эти недостатки приводят к снижению избирательности фильтра. Это приводит к невозможности реализовать высокую добротность фильтра.

Целью изобретения является повышение добротности фильтра при сохранении неизменной величины его устойчивости к самовозбуждению. Это достигается тем, что (см. фиг. 1) в активном RC-фильтре, содержащем n каскадно соединенных суммирующих усилителей [1, 2, (n-1), n] и частотно-зависимую цепь 0, выход которой соединен с входом первого суммирующего усилителя 1, а вход n-го суммирующего усилителя является входом активного RC-фильтра, при этом выход каждого последующего суммирующего усилителя соединен с другим входом предыдущего, суммирующие усилители соединены каскадно, и каждый последующий соединен с другим входом предыдущего через введенные делители напряжения 1', 2', (n-1)', выход первого суммирующего усилителя соединен с входом частотно-избирательной цепи 0 через дополнительно введенный делитель напряжения 1', а выходом активного RC-фильтра является выход n-го суммирующего усилителя.

Отличительными от прототипа признаками предлагаемого устройства являются: 1. Иной характер связей между суммирующими усилителями, заключающийся в том, что выход каждого предыдущего суммирующего усилителя соединен через соответствующий введенный делитель напряжения c входом только последующего суммирующего усилителя. В прототипе же выход каждого канала суммирующего усилителя соединен с суммирующими входами всех остальных суммирующих усилителей; 2. В соединения между суммирующими усилителями введены делители напряжения, отсутствующие в прототипе.

Упомянутые отличительные признаки позволяют значительно повысить добротность фильтра за счет многократного использования положительной обратной связи, обеспечиваемой иным характером связей между суммирующими усилителями, и в то же время сохранить неизменной устойчивость фильтра к самовозбуждению за счет введения делителей напряжения, обеспечивающих необходимую для этого величину фактора обратной связи.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого устройства "Активный RC-фильтр с многократной обратной связью"; на фиг. 2 экспериментальная схема фильтра.

Устройство "Активный RC-фильтр с многократной обратной связью" выполняется схемно следующим образом (см. фиг. 2).

Устройство содержит операционный усилитель 1, охваченный цепью 0 положительной обратной связи, в состав которой входит частотно-избирательное звено с масштабным усилителем 2, двумя RC-цепями 3, 4 и 5, 6, постоянные времени которых подбираются так, чтобы τ₁=τ₂=τ, где τ₁=R₃C₄; τ₂=R₅C₆, а частота резонанса цепи f₁=1/2πτ. Выход RC-цепи 3, 4 подключен к неинвертирующему входу усилителя 2, выход которого соединен с входом C₆R₅-цепи. Масштабный усилитель 2 служит в качестве буферного звена, исключающего взаимовлияние цепей R₃C₄ и R₅C₆, а также для подбора требуемой величины коэффициента обратной связи за счет изменения коэффициента усиления масштабного усилителя 2 резисторами 7, 8. Коэффициент усиления суммирующего операционного усилителя 1 определяется резисторами 9, 10, подключенными между инвертирующим входом и выходом усилителя 1, неинвертирующий вход которого через резистор 11 соединен с выходом звена C₆R₅-цепи 0 положительной обратной связи. Схема, рассматриваемая в таком составе элементов, образует активный RC-фильтр первого порядка. Этот фильтр, в свою очередь, является цепью положительной обратной связи второго суммирующего операционного усилителя 14, вместе с которым образуется схема фильтра второго порядка. Коэффициент усиления усилителя 14 определяется резисторами 15, 16, подключенными между инвертирующим входом и выходом указанного усилителя 14, являющимся выходом всего фильтра, соединенным со вторым входом первого суммирующего усилителя 1 через резистор 13. Первый вход суммирующего усилителя 14 является входом рассматриваемого активного RC-фильтра второго порядка, второй вход усилителя 14 через резистор 18 соединен с выходом суммирующего усилителя 1 и входом делителя напряжения 1', состоящего из резисторов 20, 21, выход которого, являющийся средней точкой этих резисторов, соединен с входом цепи 0 положительной обратной связи, т.е. с входом RC-цепи 3, 4.

Предлагаемый фильтр работает следующим образом.

Входной сигнал, поступающий на вход усилителя 14, проходит на его выход, а с выхода усилителя 14 на вход усилителя 1, т.е. на вход системы, представляющей собой активный фильтр первого порядка, резонансная кривая которого формируется на основе частотно избирательной цепи, состоящей из RC-цепи 3, 4, масштабного усилителя 2 и RC-цепи 5, 6, находящихся в цепи положительной обратной связи усилителя 1, и в силу известных свойств системы с положительной обратной связью резонансная кривая фильтра первого порядка обладает более узкой полосой пропускания, нежели исходная упомянутая частотно-избирательная цепь, при заданном допустимом запасе устойчивости фильтра первого порядка. Сигнал с выхода фильтра первого порядка, т.е. с выхода усилителя 1, поступает на вход усилителя 14, где складывается с входным сигналом, замыкая тем самым путь сигнала в цепи положительной обратной связи усилителя 14.

При этом реализуется дополнительное уменьшение полосы пропускания вновь образуемого фильтра второго порядка при сохранении запаса его устойчивости на той же исходной допустимой величине, которая была задана для фильтра первого порядка. Этот запас устойчивости обеспечивается за счет выбираемых коэффициентов суммирования в усилителях 1 и 14 и коэффициента деления вновь введенного делителя на резисторах 20, 21.

Итак, сформированная таким образом двукратная обратная связь с использованием операционных усилителей 1 и 14 позволяет существенно дополнительно уменьшить полосу пропускания резонансной кривой всей системы. При этом особенностью работы устройства является то, что сужение полосы происходит при фиксированном запасе устойчивости системы, а не за счет уменьшения этого запаса устойчивости, имеющего место в традиционной схеме активного фильтра с однократной обратной связью, в котором уменьшение полосы обменивается на крайне неустойчивое состояние системы, которую обычно ради повышения добротности недопустимо близко подводят к порогу генерации.

Источники, на которые ссылаются авторы при изложении описания аналогов и прототипа изобретения 1. Васкаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М. Высшая школа, 1963, с. 422, рис. 14.1.

2. Авторское свидетельство СССР N 536590, кл. Н 03 Н 7/10, опубл. 1990.

3. Авторское свидетельство СССР N 562913, кл. H 03 H 7/02, опубл. 1990.

4. Патент Англии N 1226031, кл. Н 03 Н 7/46 1971 (прототип).

Формула изобретения

Активный RC-фильтр с многократной обратной связью, содержащий n каскадно соединенных суммирующих усилителей, где n ≥ 2 и частотно-зависимую цепь, выход которой соединен с входом первого суммирующего усилителя, вход n-го суммирующего усилителя является входом активного RC-фильтра, при этом выход каждого последующего суммирующего усилителя соединен с другим входом предыдущего, отличающийся тем, что суммирующие усилители соединены каскадно, и каждый последующий соединен с другим входом предыдущего через введенные делители напряжения, выход первого суммирующего усилителя соединен с входом частотно-избирательной цепи через дополнительно введенный делитель напряжения, а выходом активного RC-фильтра является выход n-го суммирующего усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2