Активный rc-фильтр

 

Использование: в селективных радиоэлектронных устройствах, в том числе микроэлектронных. Сущность изобретения: для расширения частотного диапазона в активный RC-фильтр, содержащий операционный усилитель и частотозадающий блок, первый вход которого подключен к источнику входного сигнала, а второй - к выходу операционного усилителя, первый выход частотозадающего блока подключен к инвертирующему входу, а второй вход - к неинвертирующему входу операционного усилителя, введен весовой сумматор, первый вход которого подключен к инвертирующему входу, а второй - к неинвертирующему входу операционного усилителя, выход весового сумматора подключен к третьему входу частотозадающего блока. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных радиоэлектронных устройствах, в том числе микроэлектронных.

Известен полосовой активный RC-фильтр (СССР, а.с. 785954, кл. H 03 H 7/01, опубл. 07.12.80, бюл. N 45), содержащий T-мост с перекрывающей ветвью, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с выходом T-моста и одним концом перекрывающей ветви, и делитель напряжения, подключенный параллельно выходу фильтра, делитель напряжения выполнен с двумя отводами, первый из которых соединен с другим концом перекрывающей ветви, а второй с неинвертирующим входом операционного усилителя, при этом вход T-моста и выход операционного усилителя подключены к входу усилителя напряжения.

Недостатком устройства является сильная зависимость его основных параметров (частоты и добротности) от частотных свойств операционного усилителя.

Известно также звено с мостовой RC-цепью (Букашкин С.А. Власов В.П. Змий Б. Ф. и др. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем. /Под ред. А.А. Ланнэ. М. Радио и связь, 1984, 386 с. ил. на с. 166 в табл. 4.3), содержащее операционный усилитель, резистивный блок и частотозадающий блок, причем выход операционного усилителя подключен к первым входам резистивного блока и частотозадающего блока, выходы которых подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя соответственно, источник сигнала подключен к второму входу частотозадающего блока.

Недостатком устройства является сильная зависимость его параметров от частотных свойств операционного усилителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является операционное звено (Кустов О.В. Лундин В.З. Операционные усилители в линейных цепях. М. Связь, 1978, 144 с. на с. 13 рис. 1.6 д), содержащее операционный усилитель и частотозадающий блок, первый вход которого подключен к источнику входного сигнала, а второй к выходу операционного усилителя, первый выход частотозадающего блока подключен к инвертирующему входу, а второй к неинвертирующему входу операционного усилителя, выходом устройства является выход операционного усилителя.

Недостатком устройства-прототипа является сильная зависимость его основных параметров от частотных свойств операционного усилителя.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона его работы.

Для достижения цели в предлагаемом активном RC-фильтре, содержащем операционный усилитель и частотозадающий блок, первый вход которого подключен к источнику входного сигнала, а второй к выходу операционного усилителя, первый выход частотозадающего блока подключен к инвертирующему входу, а второй выход к неинвертирующему входу операционного усилителя, выходом устройства является выход операционного усилителя, причем введен весовой сумматор, первый вход которого подключен к инвертирующему входу, а второй к неинвертирующему входу операционного усилителя, выход весового сумматора подключен к третьему входу частотозадающего блока.

С целью унификации путем обеспечения возможности использования операционных усилителей с одинаковой площадью усиления весовой сумматор выполнен на операционном усилителе и двух резисторах, первые выводы которых соединены с инвертирующим входом операционного усилителя, второй выход первого резистора является первым входом, а неинвертирующий вход этого операционного усилителя является вторым входом весового сумматора, выходом которого является выход операционного усилителя, к которому подключен второй выход второго резистора.

С целью реализации устройства с передаточной функцией полосового типа частотозадающий блок выполнен на семи резисторах и двух конденсаторах, при этом первый выход первого резистора через первый конденсатор соединен с общей шиной, а через второй конденсатор с первым выводом второго резистора, который является вторым выходом частотозадающего блока, второй вывод второго резистора соединен с общей шиной, второй вывод первого резистора соединен с первыми выводами третьего, четвертого и пятого резисторов, вторые выводы которых являются соответственно первым, третьим и вторым входами частотозадающего блока, первым выходом которого являются соединенные первые выводы шестого и седьмого резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с вторым выводом пятого резистора и общей шиной.

С целью реализации устройства с передаточной функцией полосового типа со сдвигом частоты полюса частотозадающий блок выполнен на восьми резисторах и двух конденсаторах, при этом первый вывод первого резистора через первый конденсатор соединен с общей шиной, а через второй конденсатор с первым выводом второго резистора, который является вторым выходом частотозадающего блока, второй вывод первого резистора соединен с первыми выводами третьего, четвертого и пятого резисторов, вторые выводы которых являются соответственно первым, третьим и вторым входами частотозадающего блока, первым выходом которого являются соединенные первые выводы шестого и седьмого резисторов, причем второй вывод шестого резистора соединен с вторым выводом пятого резистора, а второй вывод седьмого резистора соединен с вторым выводом второго резистора и через восьмой резистор с общей шиной.

С целью реализации устройства с передаточной функцией фильтра верхних частот со сдвигом частоты полюса частотозадающий блок выполнен на семи резисторах и двух конденсаторах, при этом первый вывод первого резистора соединен с первым выводом первого конденсатора и через второй конденсатор с первым выводом второго резистора, который является вторым выходом частотозадающего блока, второй вывод первого резистора соединен с первыми выводами третьего и четвертого резисторов, вторые выводы которых и второй вывод первого конденсатора являются соответственно третьим, вторым и первым входами частотозадающего блока, первым выходом которого являются соединенные первые выводы пятого и шестого резисторов, причем второй вывод пятого резистора соединен с вторым выводом четвертого резистора, а второй вывод шестого резистора соединен с вторым выводом второго резистора и через восьмой резистор с общей шиной.

С целью реализации устройства с передаточной функцией фильтра нижних частот со сдвигом частоты полюса частотозадающий блок выполнен на семи резисторах и двух конденсаторах, при этом первый вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора и через первый конденсатор с первыми выводами третьего и четвертого резисторов, вторые выводы первого, третьего и четвертого резисторов являются соответственно первым, вторым и третьим входами частотозадающего блока, первые выводы пятого и шестого резисторов соединены и являются первым выходом частотозадающего блока, вторым выходом которого является второй вывод второго резистора, который через второй конденсатор подключен к второму выводу шестого резистора, который через седьмой резистор соединен с общей шиной, причем второй вывод пятого резистора соединен с вторым выводом третьего резистора.

С целью реализации устройства инвертирующих передаточных функцией весовой сумматор выполнен на операционном усилителе и двух резисторах, первые выводы которых соединены с инвертирующим входом этого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого является первым входом, а второй вывод первого резистора вторым входом весового сумматора, выходом которого является выход операционного усилителя, к которому подключен второй вывод второго резистора.

С целью реализации устройства с инвертирующей передаточной функцией полосового фильтра со сдвигом частоты полюса частотозадающий блок выполнен на восьми резисторах и двух конденсаторах, при этом первый вывод первого резистора соединен с первыми выводами первого и второго конденсаторов, вторые выводы которых являются соответственно вторым входом и вторым выходом частотозадающего блока и соединены соответственно через шестой и второй резисторы с первым выводом седьмого резистора, второй вывод которого является первым выходом частотозадающего блока и через восьмой резистор соединен с общей шиной, второй вывод первого резистора соединен с первыми выводами четвертого и пятого резисторов, вторые выводы которых являются соответственно первым и третьим входами частотозадающего блока, а через третий резистор второй вывод первого резистора соединен с общей шиной.

С целью реализации устройства с инвертирующей передаточной функцией полосового типа с повышением частоты полюса частотозадающий блок выполнен на восьми резисторах и двух конденсаторах, при этом первый вывод первого резистора соединен с первым выводом первого конденсатора и через второй конденсатор с первым выводом второго резистора, который является вторым выходом, а его второй вывод вторым входом частотозадающего блока, первым выходом которого является первый вывод седьмого резистора, который через восьмой резистор соединен с общей шиной, второй вывод седьмого резистора подключен к второму выводу первого конденсатора и через шестой резистор к второму выводу второго резистора, второй вывод первого резистора соединен с первыми выводами четвертого и пятого резисторов, вторые выводы которых являются соответственно первым и третьим входами частотозадающего блока, а через третий резистор соединен с общей шиной.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого активного RC-фильтра; на фиг.2 схема активного RC-фильтра с передаточной функцией полосового типа; на фиг.3 схема активного RC-фильтра с передаточной функцией полосового типа со сдвигом частоты полюса; на фиг.4 схема активного RC-фильтра с передаточной функцией фильтра верхних частот со сдвигом частоты полюса; на фиг. 5 схема активного RC-фильтра с передаточной функцией фильтра нижних частот со сдвигом частоты полюса; на фиг.6 схема активного RC-фильтра с инвертирующей передаточной функцией полосового типа с понижением частоты полюса; на фиг. 7 схема активного RC-фильтра с инвертирующей передаточной функцией полосового типа с повышением частоты полюса.

Активный RC-фильтр (фиг. 1) содержит операционный усилитель 1, частотозадающий блок 2 и весовой сумматор 3, при этом первый вход частотозадающего блока 2 подключен к источнику входного сигнала, а второй к выходу операционного усилителя 1, первый выход частотозадающего блока 2 подключен к инвертирующему входу, а второй выход к неинвертирующему входу операционного усилителя 1, выходом устройства является выход операционного усилителя 1, первый вход весового сумматора 3 подключен к инвертирующему входу, а второй к неинвертирующему входу операционного усилителя 1, выход весового сумматора 3 подключен к третьему входу частотозадающего блока 2.

Активный RC-фильтр с передаточной функцией полосового типа (фиг.2) содержит операционный усилитель 1, частотозадающий блок 2 и весовой сумматор 3, первый вход частотозадающего блока 2 подключен к источнику входного сигнала, а второй к выходу операционного усилителя 1, первый выход частотозадающего блока 2 подключен к инвертирующему входу, а второй выход к неинвертирующему входу операционного усилителя 1, выходом устройства является выход операционного усилителя 1, первый вход весового сумматора 3 подключен к инвертирующему входу, а второй к неинвертирующему входу операционного усилителя 1, выход весового сумматора 3 подключен к третьему входу частотозадающего блока 2, весовой сумматор 3 выполнен на операционном усилителе 4 и двух резисторах 5, 6, при этом первые выводы этих резисторов соединены с инвертирующим входом операционного усилителя 4, второй вывод первого резистора 5 является первым входом, а неинвертирующий вход этого операционного усилителя является вторым входом весового сумматора 3, выходом которого является выход операционного усилителя 4, к которому подключен второй вывод второго резистора 6, частотозадающий блок 2 выполнен на семи резисторах 7, 10-15 и двух конденсаторах 8 и 9, при этом первый вывод первого резистора 7 через конденсатор 8 соединен с общей шиной, а через второй конденсатор 9 с первым выводом второго резистора 10, который является вторым выходом частотозадающего блока 2, второй вывод первого резистора соединен с первыми выводами третьего 13, четвертого 12 и пятого 11 резисторов, вторые выводы которых являются соответственно первым, третьим и вторым входами частотозадающего блока 2, первым выходом которого являются соединенные первые выводы шестого 14 и седьмого 15 резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с вторым выводом пятого резистора 11 и общей шиной.

Активный RC-фильтр с передаточной функцией полосового типа со сдвигом частоты полюса (фиг. 3) содержит операционный усилитель 1, частотозадающий блок 2 и весовой сумматор 3, первый вход частотозадающего блока 2 подключен к источнику входного сигнала, а второй к выходу операционного усилителя 1, первый выход частотозадающего блока 2 подключен к инвертирующему входу, а второй выход к инвертирующему входу операционного усилителя 1, выходом устройства является выход операционного усилителя 1, первый вход весового сумматора 3 подключен к инвертирующему входу, а второй к неинвертирующему входу операционного усилителя 1, выход весового сумматора 3 подключен к третьему входу частотозадающего блока 2, весовой сумматор 3 выполнен на операционном усилителе 4 и двух резисторах 5, 6, при этом первые выводы этих резисторов соединены с инвертирующим входом операционного усилителя 4, второй вывод первого резистора 5 является первым входом, а неинвертирующий вход этого операционного усилителя является вторым входом весового сумматора 3, выходом которого является выход операционного усилителя 4, к которому подключен второй вывод второго резистора 6, частотозадающий блок 2 выполнен на восьми резисторах 7, 10-16 и двух конденсаторах 8, 9, при этом первый вывод первого резистора 7 через первый конденсатор 8 соединен с общей шиной, а через второй конденсатор 9 с первым выводом второго резистора 10, который является вторым выходом частотозадающего блока 2, второй вывод первого резистора 7 соединен с первыми выводами третьего 13, четвертого 12 и пятого 11 резисторов, вторые выводы которых являются соответственно первым, третьим и вторым входами частотозадающего блока 2, первым выходом которого являются соединенные первые выводы шестого 14 и седьмого 15 резисторов, причем второй вывод шестого резистора 14 соединен с вторым выводом пятого резистора 11, а второй вывод седьмого резистора 15 соединен с вторым выводом второго резистора 10 и через восьмой резистор 16 с общей шиной.

Активный RC-фильтр с передаточной функцией фильтра верхних частот со сдвигом частоты полюса (фиг.4) содержит операционный усилитель 1, частотозадающий блок 2 и весовой сумматор 3, первый вход частотозадающего блока 2 подключен к источнику входного сигнала, а второй к выходу операционного усилителя 1, первый выход частотозадающего блока 2 подключен к инвертирующему входу, а второй выход к инвертирующему входу операционного усилителя 1, выходом устройства является выход операционного усилителя 1, первый вход весового сумматора 3 подключен к инвертирующему входу, а второй - к неинвертирующему входу операционного усилителя 1, выход весового сумматора 3 подключен к третьему входу частотозадающего блока 2, весовой сумматор 3 выполнен на операционном усилителе 4 и двух резисторах 5, 6, при этом первые выводы этих резисторов соединены с инвертирующим входом операционного усилителя 4, второй вывод первого резистора 5 является первым входом, а неинвертирующий вход этого операционного усилителя является вторым входом весового сумматора 3, выходом которого является выход операционного усилителя 4, к которому подключен второй вывод второго резистора 6, частотоздающий блок 2 выполнен на семи резисторах 7, 10-16 и двух конденсаторах 8, 9, при этом первый вывод первого резистора 7 соединен с первым выводом первого конденсатора 8 и через второй конденсатор 9 с первым выводом второго резистора 10, который является вторым выходом частотозадающего блока 2, второй вывод первого резистора 7 соединен с первыми выводами третьего 12 и четвертого 11 резисторов, вторые выводы которых и второй вывод первого конденсатора 8 являются соответственно третьим, вторым и первым входами частотозадающего блока 2, первым выходом которого являются соединенные первые выводы пятого 14 и шестого 15 резисторов, причем второй вывод пятого резистора 14 соединен с вторым выводом четвертого резистора 11, а второй вывод шестого резистора 15 соединен с вторым выводом второго резистора 10 и через седьмой резистор 16 с общей шиной.

Активный RC-фильтр с передаточной функцией фильтра нижних частот со сдвигом частоты полюса (фиг. 5) содержит операционный усилитель 1, частотозадающий блок 2 и весовой сумматор 3, первый вход частотозадающего блока 2 подключен к источнику входного сигнала, а второй к выходу операционного усилителя 1, первый выход частотозадающего блока 2 подключен к инвертирующему входу, а второй выход к неинвертирующему входу операционного усилителя 1, выходом устройства является выход операционного усилителя 1, первый вход весового сумматора 3 подключен к инветирующему входу, а второй к неинвертирующему входу операционного усилителя 1, выход весового сумматора 3 подключен к третьему входу частотозадающего блока 2, весовой сумматор 3 выполнен на операционном усилителе 4 и двух резисторах 5, 6, при этом первые выводы этих резисторов соединены с инвертирующим входом операционного усилителя 4, второй вывод первого резистора 5 является первым входом, а неинвертирующий вход этого операционного усилителя является вторым входом весового сумматора 3, выходом которого является выход операционного усилителя 4, к которому подключен второй вывод второго резистора 6, частотозадающий блок 2 выполнен на семи резисторах 7, 10-16 и двух конденсаторах 8, 9, при этом первый вывод первого резистора 7 соединен с первым выводом второго резистора 10 и через первый конденсатор 8 с первыми выводами третьего 11 и четвертого 12 резисторов, вторые выводы первого 7, третьего 11 и четвертого 12 резисторов являются соответственно первым, вторым и третьим входами частотозадающего блока 2, первые выводы пятого 14 и шестого 15 резисторов соединены и являются первым выходом частотозадающего блока 2, вторым выходом которого является второй вывод второго резистора 10, который через второй конденсатор подключен к второму выводу шестого резистора 15, который через седьмой резистор 16 соединен с общей шиной, причем второй вывод пятого резистора 14 соединен с вторым выводом третьего резистора 11.

Активный RC-фильтр с инвертирующей передаточной функцией полосового фильтра со сдвигом частоты полюса (фиг. 6) содержит операционный усилитель 1, частотозадающий блок 2 и весовой сумматор 3, первый вход частотозадающего блока 2 подключен к источнику входного сигнала, а второй к выходу операционного усилителя 1, первый выход частотозадающего блока 2 подключен к инвертирующему входу, а второй выход к неинвертирующему входу операционного усилителя 1, выходом устройства является выход операционного усилителя 1, первый вход весового сумматора 3 подключен к инвертирующему входу, а второй - к неинвертирующему входу операционного усилителя 1, выход весового сумматора 3 подключен к третьему входу частотозадающего блока 2, весовой сумматор 3 выполнен на операционном усилителе 4 и двух резисторах 5, 6, при этом первые выводы этих резисторов соединены с инвертирующим входом этого операционного усилителя 4, неинвертирующий вход которого является первым входом, а второй вывод первого резистора 5 вторым входом весового сумматора 3, выходом которого является выход операционного усилителя 4, к которому подключен второй вывод второго резистора 6, частотозадающий блок 2 выполнен на восьми резисторах 7, 10-16 и двух конденсаторах 8, 9, при этом первый вывод первого резистора 7 соединен с первыми выводами первого 8 и второго 9 конденсаторов, вторые выводы которых являются соответственно вторым входом и вторым выходом частотозадающего блока 2 и соединены соответственно через шестой 14 и второй 10 резисторы с первым выводом седьмого резистора 15, второй вывод которого является первым выходом частотозадающего блока 2 и через восьмой резистор 16 соединен с общей шиной, второй вывод первого резистора 7 соединен с первыми выводами четвертого 13 и пятого 12 резисторов, вторые выводы которых являются соответственно первым и третьим входами частотозадающего блока 12, а через третий резистор 11 второй вывод первого резистора 7 соединен с общей шиной.

Активный RC-фильтр с инвертирующей передаточной функцией полосового типа с повышением частоты полюса (фиг. 7) содержит операционный усилитель 1, частотозадающий блок 2 и весовой сумматор 3, первый вход частотозадающего блока 2 подключен к источнику входного сигнала, а второй к выходу операционного усилителя 1, первый выход частотозадающего блока 2 подключен к инвертирующему входу, а второй выход к неинвертирующему входу операционного усилителя 1, выходом устройства является выход операционного усилителя 1, первый вход весового сумматора 3 подключен к инвертирующему входу, а второй - к неинвертирующему входу операционного усилителя 1, выход весового сумматора 3 подключен к третьему входу частотозадающего блока 2, весовой сумматор 3 выполнен на операционном усилителе 4 и двух резисторах 5, 6, при этом первые выводы резисторов соединены с инвертирующим входом этого операционного усилителя 4, неинвертирующий вход которого является первым входом, а второй вывод первого резистора 5 вторым входом весового сумматора 3, выходом которого является выход операционного усилителя 24, к которому подключен второй вывод второго резистора 6, частотозадающий блок 2 выполнен на восьми резисторах 7, 10-16 и двух конденсаторах 8, 9, при этом первый вывод первого резистора 7 соединен с первым выводом первого конденсатора 8 и через второй конденсатор 9 с первым выводом второго резистора 10, который является вторым выходом, а его второй вывод вторым входом частотозадающего блока 2, первым выходом которого является первый вывод седьмого резистора 15, который через восьмой резистор 16 соединен с общей шиной, второй вывод седьмого резистора 15 подключен к второму выводу первого конденсатора 8 и через шестой резистор 14 к второму выводу второго резистора 10, второй вывод первого резистора 7 соединен с первыми выводами четвертого 13 и пятого 12 резисторов, вторые выводы которых являются соответственно первым и третьим входами частотозадающего блока 2, а через третий резистор 11 соединен с общей шиной.

Активный RC-фильтр работает следующим образом.

Входной гармонический сигнал поступает на выход устройства через частотозадающий блок 2 и операционный усилитель 1. Благодаря наличию обратных связей с выходов частотозадающего блока 2 через весовой сумматор 3 осуществляется уменьшение влияния частотных свойств операционного усилителя 1.

В зависимости от конкретного выполнения частотозадающего блока 2 различают два способа включения пассивной RC-цепи второго порядка в положительную и отрицательную обратную связь операционного усилителя 1 (Букашкин С.А. Власов В.П. Змий Б.Ф. и др. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем. /Под ред. А.А.Ланнэ. М. Радио и связь, 1984. 368 с.).

При включении пассивной RC-цепи в положительную обратную связь операционного усилителя 1 функцию активного RC-фильтра можно представить в виде где μ₁(p), -μ₁(p) коэффициенты усиления операционного усилителя 1 с неинвертирующего и инвертирующего входов на его выход; β_o, β₁- коэффициенты передач частотозадающего блока 2 с первого и второго входов на его первый выход, f₀(p),f₁(p),f₂(p) передачи частотозадающего блока 2 с первого, второго и третьего входов на его второй выход соответственно; γ₁(p), γ₂(p)-передачи весового сумматора 3 с первого и второго входов на его выход.

Передачи частотозадающего блока 2, представляющие в общем случае передаточные функции пассивной RC-цепи второго порядка, удобно представить в виде где i соответствует номеру входа частотозадающего блока 2 (i=1,2,3); d_оц, d_ц, ω_ц затухание нуля, полюса и частота полюса пассивной RC-цепи частотозадающего блока 2; α_i2,α_i1,α_i0 логические переменные, принимающие значения "1" или "0" и характеризующие наличие соответствующих коэффициентов при степенях p полинома в числителе.

Для оценки влияния частотных свойств операционного усилителя его передаточная функция аппроксимируется следующим соотношением:

где П₁=μ₁ω_гр1 площадь усиления операционного усилителя 1;
μ₁ коэффициент усиления операционного усилителя на постоянном токе;
ω_гр1 граничная частота амплитудно-частотной характеристики по уровню 3 дБ.

Передачи весового сумматора 3, представляющего в общем случае звено первого порядка, можно представить в виде

при этом подбор конкретного выражения для числителей γ₁ и γ₂ будет определен для конкретного исполнения весового сумматора 3.

В том случае, если весовой сумматор выполняется на операционном усилителе, коэффициенты в выражении (4) принимают следующий смысл: П₂-площадь усиления операционного усилителя 4 (фиг.2 5); K=R₆/R₅; γ₁= -K, γ₂=1+K; R₅ и R₆-сопротивления первого 5 и второго 6 резисторов весового сумматора 3.

Подставляя выражения (2)-(4) в (1), находим передаточную функцию активного RC-фильтра, которая может быть представлена в общем виде

где M-масштабный коэффициент передачи;
d_oz, ω_oz затухание и частота нуля;
d_p, ω_р затухание и частота полюса.

Оценкой влияния операционных усилителей на ω_р и d_p могут служить относительные изменения этих параметров идеализированного звена

где под индексом "u" необходимо понимать идеализированные параметры устройства (т.е. при П₁=П₂=∞).

Положив в выражение (5) μ₁(p)=μ₂(p)=∞, находим идеализированные параметры устройства


Для устранения взаимосвязи ω_р и d_p при расстройке значения логических переменных α₁₀ и α₁₂ выбираем равными нулю. Тогда последние выражения упростятся


Подставляя выражения (9) и (10), а также ω_р и d_p из (5) в (6), находим относительные изменения параметров


Условием уменьшения влияния частотных свойств операционного усилителя на параметры является равенство нулю относительных изменений δω_р=δd_р=0, из которых находим расчетные соотношения для резисторов весового сумматора 3.

Приравняв δω_р=0, находим

Анализ выражения (12) показывает, что δd_р=0 только в том случае, когда α₂₀=α₂₂=0, т. е. в устройстве отсутствует сдвиг между частотой полюсов устройства ω_р и частотой полюса ω_ц пассивной RC-цепи: B=ω_р/ω_ц=1. Для микроэлектронного исполнения наличие сдвига "B" является важным фактором, определяющим независимость настройки ω_р и d_p, поэтому можно рекомендовать выбирать "B" такой величины (1,2-1,5), которая была бы достаточной для настройки и не вызывала заметного изменения δω_р.

При включении пассивной RC-цепи в отрицательную обратную связь операционного усилителя 1 передаточную функцию активного RC-фильтра можно представить в виде

где β_o, β₁ коэффициенты передач частотозадающего блока 2 с первого и второго входов на его второй выход;
f₀(p), f₂(p), f₃(p) передачи частотозадающего блока 2 с первого, второго и третьего входов на его первый выход;
γ₁(p), γ₂(p) передачи весового сумматора 3 с второго и первого входов на его выход.

Принимая во внимание выражения (2) (5), находим основные идеализированные параметры (при условии α₁₀=α₁₂=0 для обеспечения независимой настройки ω_р и d_p)

и относительные изменения этих параметров под воздействием неидеальностей операционных усилителей

Наложив условие δω_р=0, из выражения (17) находим расчетные соотношения для резисторов весового сумматора 3:

Из анализа выражения (18) следует, что δd_р=0 только тогда, когда B=1, т. е. так же, как и при включении пассивной RC-цепи в положительную обратную связь операционного усилителя 1.

Идеализированные параметры активного RC-фильтра с передаточной функцией полосового типа (фиг. 2) определяются соотношениями (9) и (10) или через элементы частотозадающего блока 2

где

R₇, R₁₀, R₁₁, R₁₂, R₁₃, R₁₄, R₁₅- сопротивления частотозадающего блока 2-7, 10, 11, 12, 13, 14, 15 соответственно;
C₈, C₉ емкости частотозадающего блока 2-8, 9 соответственно;
τ₁=R^*₇C₈, τ₂=R₁₀C₉ - постоянные времени пассивной RC-цепи частотозадающего блока 2.

Расчетная формула для определения резисторов весового сумматора 3 находится из соотношения (13), (для однотипных операционных усилителей П₁=П₂, тогда это выражение упрощается)

Основные параметры активного RC-фильтра с передаточной функцией полосового типа со сдвигом частоты полюса (фиг.3) определяются по следующим соотношениям:


где R₁₆- сопротивление резистора 16 частотозадающего блока 2;

Основные параметры активного RC-фильтра с передаточной функцией фильтра верхних частот со сдвигом частоты полюса (фиг.4) определяются по аналогичным соотношениям (25), (27) и (28), в которых сопротивление R₁₃ необходимо принять равным бесконечности (R₁₄ _→ ∞).
Основные параметры активного RC-фильтра с передаточной функцией фильтра нижних частот со сдвигом частоты полюса (фиг.5) определяются по следующим соотношениям:


Основные параметры инвертирующего активного RC-фильтра с передаточной функцией полосового фильтра с понижением частоты полюса определяются по выражениям (15), (16) и (19) или через элементы частотозадающего блока 2 по соотношениям:



Основные параметры инвертирующего активного RC-фильтра с передаточной функцией полосового типа с повышением частоты полюса определяются по соотношениям:


Таким образом, по сравнению с устройством-прототипом предложенный активный RC-фильтр имеет расширенный частотный диапазон за счет введения весового сумматора 3.

Формула изобретения

1. Активный RC-фильтр, содержащий операционный усилитель и частотозадающий блок, первый вход которого подключен к источнику входного сигнала, а второй к выходу операционного усилителя, первый выход частотозадающего блока подключен к инвертирующему входу, а второй выход к неинвертирующему входу операционного усилителя, выходом фильтра является выход операционного усилителя, отличающийся тем, что введен весовой сумматор, первый вход которого подключен к инвертирующему входу, второй к неинвертирующему входу операционного усилителя, а выход к третьему входу частотозадающего блока.

2. RC-фильтр по п.1, отличающийся тем, что весовой сумматор выполнен на операционном усилителе и двух резисторах, первые выводы которых соединены с инвертирующим входом этого операционного усилителя, второй вывод первого резистора является первым входом, а неинвертирующий вход этого операционного усилителя является вторым входом весового сумматора, выходом которого является выход операционного усилителя, к которому подключен второй вывод второго резистора.

3. RC-фильтр по п.2, отличающийся тем, что частотозадающий блок выполнен на семи резисторах и двух конденсаторах, при этом первый вывод первого резистора через первый конденсатор соединен с общей шиной, а через второй конденсатор с первым выводом второго резистора, который является вторым выходом частотозадающего блока, второй вывод второго резистора соединен с общей шиной, второй вывод первого резистора с первыми выводами третьего, четвертого и пятого резисторов, вторые выводы которых являются соответственно первым, третьим и вторым входами частотозадающего блока, первым выходом которого являются соединенные первые выводы шестого и седьмого резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с вторым выводом пятого резистора и общей шиной.

4. RC-фильтр по п.2, отличающийся тем, что частотозадающий блок выполнен на восьми резисторах и двух конденсаторах, при этом первый вывод первого резистора через первый конденсатор соединен с общей шиной, а через второй конденсатор с первым выводом второго резистора, который является вторым выходом частотозадающего блока, второй вывод первого резистора соединен с первыми выводами третьего, четвертого и пятого резисторов, вторые выводы которых являются соответственно первым, третьим и вторым входами частотозадающего блока, первым выходом которого являются соединенные первые выводы шестого и седьмого резисторов, причем второй вывод шестого резистора соединен с вторым выводом пятого резистора, а второй вывод седьмого резистора с вторым выводом второго резистора и через восьмой резистор с общей шиной.

5. RC-фильтр по п.2, отличающийся тем, что частотозадающий блок выполнен на семи резисторах и двух конденсаторах, при этом первый вывод первого резистора соединен с первым выводом первого конденсатора и через второй конденсатор с первым выводом второго резистора, который является вторым выходом частотозадающего блока, второй вывод первого резистора соединен с первыми выводами третьего и четвертого резисторов, вторые выводы которых и второй вывод первого конденсатора являются соответственно третьим, вторым и первым входами частотозадающего блока, первым выходом которого являются соединенные первые выводы пятого и шестого резисторов, причем второй вывод пятого резистора соединен с вторым выводом четвертого резистора, а второй вывод шестого резистора с вторым выводом второго резистора и через седьмой резистор с общей шиной.

6. RC-фильтр по п.2, отличающийся тем, что частотозадающий блок выполнен на семи резисторах и двух конденсаторах, при этом первый вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора и через первый конденсатор с первыми выводами третьего и четвертого резисторов, вторые выводы первого, третьего и четвертого резисторов являются соответственно первым, вторым и третьим входами частотозадающего блока, первые выводы пятого и шестого резисторов соединены и являются первым выходом частотозадающего блока, вторым выходом которого является второй вывод второго резистора, который через второй конденсатор подключен к второму выводу шестого резистора, который через седьмой резистор соединен с общей шиной, причем второй вывод пятого резистора соединен с вторым выводом третьего резистора.

7. RC-фильтр по п.1, отличающийся тем, что весовой сумматор выполнен на операционном усилителе и двух резисторах, первые выводы которых соединены с инвертирующим входом этого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого является первым входом, а второй вывод первого резистора вторым входом весового сумматора, выходом которого является выход операционного усилителя, к которому подключен второй вывод второго резистора.

8. RC-фильтр по п.7, отличающийся тем, что частотозадающий блок выполнен на восьми резисторах и двух конденсаторах, при этом первый вывод первого резистора соединен с первыми выводами первого и второго конденсаторов, вторые выводы которых являются соответственно вторым входом и вторым выходом частотозадающего блока и соединены соответственно через шестой и второй резисторы с первым выводом седьмого резистора, второй вывод которого является первым выходом частотозадающего блока и через восьмой резистор соединен с общей шиной, второй вывод первого резистора соединен с первыми выводами четвертого и пятого резисторов, вторые выводы которых являются соответственно первым и третьим входами частотозадающего блока, а через третий резистор второй вывод первого резистора соединен с общей шиной.

9. RC-фильтр по п.7, отличающийся тем, что частотозадающий блок выполнен на восьми резисторах и двух конденсаторах, при этом первый вывод первого резистора соединен с первым выводом первого конденсатора и через второй конденсатор с первым выводом второго резистора, который является вторым выходом, а его второй вывод вторым входом частотозадающего блока, первым выходом которого является первый вывод седьмого резистора, который через восьмой резистор соединен с общей шиной, второй вывод седьмого резистора подключен к второму выводу первого конденсатора и через шестой резистор к второму выводу второго резистора, второй вывод первого резистора соединен с первыми выводами четвертого и пятого резисторов, вторые выводы которых являются соответственно первым и третьим входами частотозадающего блока, а через третий резистор соединен с общей шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7