Аналоговый фильтр нижних частот

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в аналоговых селективных узлах, выполненных в микроэлектронном исполнении. Сущность изобретения: заключается в возможности независимой настройки всех параметров, а также увеличении затухания в полосе заграждения, для этого в устройстве, содержащем первый резистор 1, буферный усилитель 2, первый и второй конденсаторы 3, 4, операционный усилитель 5, весовой сумматор 6, второй резистор 7, введены первый и второй резистивные делители напряжения 8, 9, третий резистор 10. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в аналоговых селективных узлах, выполненных в микроэлектронном исполнении.

Известно устройство (см. патент США N 3564441, кл. 330-31, 1969), которое состоит из операционного усилителя (ОУ), двух резисторов и двух конденсаторов, причем первый вывод первого резистора подключен к входу устройства, а второй к выходу устройства и первым выводам первого и второго конденсаторов, второй вывод первого конденсатора подключен к первому выводу второго резистора и к инвертирующему входу ОУ, второй вывод второго конденсатора подключен к второму выводу второго резистора и выходу ОУ, инвертирующий вход ОУ подключен к общей шине.

Признаками этого устройства, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются ОУ, резисторы, конденсаторы, причем первый вывод первого резистора подключен к входу устройства, а второй к выходу устройства и первым выводам первого и второго конденсаторов, второй вывод первого конденсатора подключен к первому выводу второго резистора и к инвертирующему входу ОУ, второй вывод второго конденсатора подключен к выходу ОУ.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, следующие: невозможность независимой регулировки параметров устройства (частоты и добротности полюса), малое значение крутизны спада АЧХ в полосе заграждения.

Известно также устройство "Активный RC-фильтр" (авт.св. СССР N 1216821, кл. H 03 H 11/12, 1986), состоящее из ОУ, конденсаторов и резисторов, причем первый резистор первым выводом подключен к входу устройства, а его второй вывод к выходу устройства и первому выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к первым выводам первого и второго конденсаторов, второй вывод первого конденсатора подключен к инвертирующему входу ОУ, а второй вывод второго конденсатора к выходу ОУ, первые выводы третьего и четвертого резистора подключены к инвертирующему входу ОУ, второй вывод третьего резистора подключен к входу устройства, а второй вывод четвертого резистора - к выходу ОУ, неинвертирующий вход ОУ подключен к общей шине.

Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: ОУ, резисторы, конденсаторы, причем первый резистр первым выводом подключен к входу устройства, а его второй вывод к выходу устройства, первый вывод первого конденсатора подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод первого конденсатора подключен к инвертирующему входу ОУ, а второй вывод второго конденсатора к выходу ОУ.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является невозможность независимой настройки параметров устройства (частоты и добротности полюса, а также частоты и добротности нуля).

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является "Фильтр нижних частот" (авт.св СССР N 1320874, кл. H 03 H 11/12, 1987), содержащий ОУ, резисторы, конденсаторы, весовой сумматор и буферный усилитель, причем первый вывод первого резистора подключен к входу устройства, второй вывод которого подключен к выходу устройства, а также к входу буферного усилителя и к первым выводам первого и второго конденсаторов, второй вывод первого конденсатора подключен к выходу ОУ, а второй вывод второго конденсатора к инвертирующему входу ОУ, первый и второй входы весового сумматора подключены к выходам ОУ и буферного усилителя соответственно, выход весового сумматора подключен через второй резистор к инвертирующему входу ОУ, неинвертирующий вход ОУ подключен к общей шине.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является малое значение затухания в полосе заграждения.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение увеличение затухания в полосе заграждения и обеспечение независимости настройки всех параметров устройства частоты и добротности полюса, а также частоты и добротности нуля.

Технические результаты, которые могут быть получены при осуществлении изобретения: возможность микроэлектронного исполнения устройства за счет независимой настройки всех параметров, увеличено затухание в полосе заграждения.

Для достижения технического результата в аналоговом фильтре нижних частот, содержащем ОУ, резисторы, конденсаторы, буферный усилитель, причем первый вывод первого резистора подключен к входу устройства, второй вывод которого подключен к выходу устройства, а также к входу буферного усилителя и к первым выводам первого и второго конденсаторов, второй вывод первого конденсатора подключен к выходу ОУ, а второй вывод второго конденсатора к инвертирующему входу ОУ, первый и второй входы весового сумматора подключены к выходам ОУ и буферного усилителя соответственно, выход весового сумматора подключен через второй резистор к инвертирующему входу ОУ, дополнительно введены первый и второй резистивные делители напряжения и третий резистор, причем входы резистивных делителей напряжений подключены к входу устройства, выход первого резистивного делителя напряжения подключен к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого подключен к инвертирующему входу ОУ, выход второго резистивного делителя напряжения подключен неинвертирующему входу ОУ.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого аналогового фильтра нижних частот; на фиг. 2 возможные реализации весового сумматора; на фиг. 3 схема усилителя.

Устройство содержит первый резистор 1, первый вывод которого подключен к входу устройства, а его второй вывод к первому выходу устройства, буферный усилитель (БУ) 2, выход которого подключен к второму выходу устройства, первый и второй конденсаторы 3, 4, первые выводы которых подключены к первому выходу устройства, операционный усилитель (ОУ) 5, инвертирующий вход которого подключен ко второму выводу второго конденсатора 4, выход ОУ 5, подключен ко второму выводу первого конденсатора 3, весовой сумматор 6, первый и второй входы которого подключены к выходам буферного усилителя (БУ) 2 и ОУ 5 соответственно, выход весового сумматора 6 подключен через второй резистор 7 к инвертирующему входу ОУ 5, первый и второй резистивные делители напряжения 8, 9, входы которых подключены к входу устройства, третий резистор 10, первый вывод которого подключен к выходу первого резистивного делителя напряжения 8, а его второй вывод к инвертирующему входу ОУ 5, выход второго резистивного делителя напряжения 9 подключен к неинвертирующему входу ОУ 5.

Весовой сумматор 6 (фиг. 2, а) содержит собственно сумматор, образованный резисторами 11-12, и весовые входные цепи, образованные резисторами 13-16.

Весовой сумматор 6 (фиг. 2, б) содержит собственно сумматор, образованный резисторами 11-12, и весовую входную цепь, образованную резисторами 17-20 и операционным усилителем 21.

Аналоговый фильтр нижних частот работает следующим образом.

Входной гармонический сигнал подается на входы первого и второго резистивных делителей напряжения 8, 9 и на один из выводов первого резистора 1, поэтому образуется три пути прохождения сигнала на выход через RC-цепь и ОУ 5. В результате устройством реализуется передаточная функция где p оператор Лапласа; R₁, R₂, R₃ сопротивления первого, второго и третьего резисторов 1, 7, 10 соответственно; C₁, C₂ емкости первого и второго конденсаторов 3, 4; χ₁, χ₂ коэффициенты передач весового сумматора 6 с первого и второго входа на выход; χ₃, χ₄ коэффициенты передач первого и второго резистивных делителей напряжения 8, 9.

В общем виде передаточная функция фильтра второго порядка может быть представлена формулой
где ω₀, d₀ частота и затухание нуля;
ω_p, d_p частота и затухание полюса;
M масштабный коэффициент передачи.

Сопоставляя коэффициенты при одинаковых степенях p последних выражений, находим M χ₃ и




Приравняв выражение (4) нулю, находим условие, при котором d₀ 0 (приняв C₁ C₂, R₁ R₂)

Сравнивая выражения (3) (6), делаем вывод о том, что независимая настройка параметров возможна в следующей последовательности:
ω_p(χ₂) → d_p(χ₁) → ω₀(χ₃) → d₀(χ₄). (8)
Если весовой сумматор 6 в устройстве выполняется по схеме, изображенной на фиг. 2,а, то χ₁ и χ₂ определяются по формулам


С целью уменьшения затухания полюса в устройстве, можно применить весовой сумматор, выполненный по схеме, изображенной на фиг. 2,б, тогда χ₁ и χ₂ равны


Формулы (9) и (10) справедливы при выполнении условия

Устройством может быть реализован также и режекторный фильтр (при ω₀ = ω_p ), но в этом случае для обеспечения d_p 0 вместо первого резистивного делителя напряжения 8 необходимо применить усилитель, т.к. χ₄ в этом случае должно быть больше единицы. В качестве примера на фиг. 3 изображена схема такого усилителя, его коэффициент усиления равен

где R₂₂, R₂₃ сопротивления резисторов 22 и 23 соответственно.

Коэффициент передачи устройства на постоянном токе (т.е. при входной частоте ω 0) не зависит от параметров фильтра и всегда равен единице, причем со входа на первый выход устройства (Вых.1, см. фиг. 1) осуществляется бездрейфовая передача сигнала, а на второй выход (Вых.2, фиг. 1) с минимальным дрейфом, определяемым буферным усилителем 2.

Формула изобретения

Аналоговый фильтр нижних частот, содержащий операционный усилитель, резисторы, конденсаторы, буферный усилитель и весовой сумматор, причем первый вывод первого резистора подключен к входу устройства, второй вывод которого подключен к выходу устройства, а также к входу буферного усилителя и к первым выводам первого и второго конденсаторов, второй вывод первого конденсатора подключен к выходу операционного усилителя, а второй вывод второго конденсатора к инвертирующему входу операционного усилителя, первый и второй входы весового сумматора подключены к выходам операционного усилителя и буферного усилителя соответственно, выход весового сумматора подключен через второй резистор к инвертирующему входу операционного усилителя, отличающийся тем, что дополнительно введены первый и второй резистивные делители напряжения и третий резистор, причем входы резистивных делителей напряжения подключены к входу устройства, выход первого резистивного делителя напряжения подключен к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, выход второго резистивного делителя напряжения подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3