Перестраиваемый arc-фильтр

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных радиоэлектронных устройствах, в том числе микроэлектронных. Технический результат заключается в расширении частотного диапазона работы и расширении функциональных возможностей. Перестраиваемый АРС-фильтр содержит первый и второй резисторы 1, 2, первый и второй операционные усилители 3, 4, третий и четвертый резисторы 5, 6, третий операционный усилитель 7, пятый, шестой, седьмой и восьмой резисторы 8 - 11, четвертый операционный усилитель 12, первый и второй конденсаторы 13, 14, первую и вторую цифроуправляемые проводимости 15, 16, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый резисторы 17 - 20. 2 з.п.ф-лы, 4 ил., 2 табл.

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

Известно устройство "Универсальный активный фильтр" (ФРГ, пат. N 3213513, кл. H 03 H 11/04, опублик. в бюллетене "Изобретения в СССР и за рубежом" N 10, 1983), содержащее суммирующий блок и первый интегрирующий блок, охваченные отрицательной частотонезависимой обратной связью через первый аттенюатор, второй интегрирующий блок, охваченный через суммирующий блок и первый интегрирующий блок отрицательной частотонезависимой обратной связью через второй аттенюатор, причем входной сигнал подается на неинвертирующий вход суммирующего блока, а выходом фильтра является выход суммирующего блока или выход первого или второго интегрирующего блока.

Признаками этого устройства, совпадающими с признаками предлагаемого технического решения, являются аттенюаторы и интегрирующие блоки.

Причины, препятствующие достижению технического результата, заключаются в большой зависимости частоты и добротности (затухания) полюса на высокой частоте из-за влияния площадей усиления операционных усилителей.

Известен также "Активный RC-фильтр" (СССР, А.с. N 1381689, опублик. 15.03.88, бюл. N 10), содержащий первый сумматор, выход которого через последовательно соединенные первый и второй интеграторы и первый аттенюатор подключен к первому неинвертирующему входу второго сумматора, а через второй аттенюатор подключен к второму неинвертирующему входу первого сумматора, выход второго интегратора через третий аттенюатор подключен к первому инвертирующему входу первого сумматора, выход первого интегратора через четвертый аттенюатор подключен к инвертирующему входу второго сумматора, пятый аттенюатор подключен к второму неинвертирующему входу первого сумматора, между выходом первого сумматора и его вторым инвертирующим входом, а также между выходом первого интегратора и входом пятого аттенюатора включены корректирующие элементы с передаточной функцией апериодического звена первого порядка, причем первый неинвертирующий вход первого сумматора является входом, а выход второго сумматора - выходом устройства.

Признаками этого устройства, совпадающими с признаками предлагаемого технического решения, являются аттенюаторы и интеграторы.

Причины, препятствующие достижению технического результата, заключаются в большой чувствительности частоты и добротности на высокой частоте из-за влияния площадей усиления операционных усилителей, а также большая потребляемая мощность (в устройстве содержится шесть операционных усилителей), а также ограниченные функциональные возможности.

Наиболее близким решением по технической сущности к предлагаемому устройству является "Универсальный фильтр второго порядка с независимо настраиваемыми характеристиками" (В кн. : Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное пособие. Пер. с нем.- М.:Мир, 1982; с.224, рис. 13.37), содержащий четыре операционных усилителя, восемь резисторов и два конденсатора, первый и второй резисторы подключены между инвертирующими входами и выходами первого и второго операционных усилителей, третий и четвертый резисторы первыми выводами подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод четвертого резистора подключен к выходу третьего операционного усилителя, пятый резистор первым выводом подключен к выходу четвертого операционного усилителя, шестой резистор включен между выходом первого и инвертирующим входом второго операционных усилителей, седьмой резистор включен между выходом второго и инвертирующим входом третьего операционного усилителя, восьмой резистор включен между выходом третьего и инвертирующим входом четвертого операционных усилителей, первый и второй конденсаторы подключены к инвертирующим входам и выходам третьего и четвертого операционных усилителей соответственно, при этом неинвертирующие входы операционных усилителей соединены с общей шиной, второй вывод пятого резистора - с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а второй вывод третьего резистора является входом устройства, выходами устройства являются выходы операционных усилителей.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является узкий частотный диапазон работы устройства из-за влияния площадей операционных усилителей.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение,- расширение диапазона рабочих частот.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения: расширенный частотный диапазон работы; расширенные функциональные возможности.

Для достижения технического результата в перестраиваемом ARC-фильтре, содержащем четыре операционных усилителя, восемь резисторов и два конденсатора, причем первый и второй резисторы включены между инвертирующими входами и выходами первого и второго операционных усилителей соответственно, третий и четвертый резисторы первыми выводами подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод четвертого резистора подключен к выходу третьего операционного усилителя, пятый резистор первым выводом подключен к выходу четвертого операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к общей шине, а выходом фильтра является один из выходов операционных усилителей; дополнительно введены первая и вторая цифроуправляемые проводимости, включенные соответственно между выходом второго и неинвертирующим входом третьего операционных усилителей и между выходом третьего и неинвертирующим входом четвертого операционных усилителей, при этом первый вывод четвертого резистора соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, второй вывод пятого резистора соединен с вторым выводом третьего и с первыми выводами шестого и седьмого резисторов, второй вывод седьмого резистора соединен с общей шиной, восьмой резистор первым выводом соединен с выходом четвертого операционного усилителя, а вторым выводом - с инвертирующими входами второго и четвертого операционных усилителей, первый конденсатор включен между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, а второй конденсатор включен между выходом второго операционного усилителя и неинвертирующими входами первого и четвертого операционных усилителей, второй вывод шестого резистора является первым входом фильтра.

Для достижения технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей (за счет реализации входов фильтров НЧ, ВЧ, полосовых и режекторных с инверсией фазы и без инверсии фазы), введены девятый и десятый резисторы, причем девятый резистор подключен первым выводом к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а второй является вторым входом фильтра, десятый резистор подключен первым выводом к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а второй является третьим входом фильтра.

Для достижения технического результата, заключающегося в увеличении стабильности добротности, неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя через резистивный делитель напряжения, состоящий из одиннадцатого и двенадцатого резисторов, причем первый вывод одиннадцатого резистора подключен к неинвертирующему входу четвертого операционного усилителя, а второй - к первому выводу двенадцатого резистора и к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод двенадцатого резистора подключен к общей шине. Возможность достижения технического результата обусловлена следующими выводами: достигается расширение частотного диапазона работы устройства за счет введения новых связей между элементами, благодаря чему реализуется у предлагаемого устройства большая частота полюса по сравнению с устройством-прототипом при прочих равных условиях, или параметры полюсов меньше отклоняются от расчетного значения, что особенно важно для перестраиваемых фильтров; достигается расширение функциональных возможностей данного технического решения за счет введения дополнительных резисторов и дополнительных входов, что позволяет реализовать устройством различные типы фильтров (ФНЧ, ФВЧ, ПФ и РФ) с независимо настраиваемыми параметрами: частоты и добротности полюса, масштабного коэффициента передачи, а также осуществить дополнительно инверсию сигнала; обеспечивается повышение стабильности добротности полюса за счет введения дополнительного резистивного делителя напряжения, выбором коэффициента передачи которого достигается практически полная компенсация влияния площадей усиления операционных усилителей на затухание полюса.

Наличие причинно-следственной связи между совокупностью осуществленных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом приведено при рассмотрении работы перестраиваемого ARC-фильтра.

На фиг.1 приведена функциональная схема перестраиваемого ARC-фильтра; на фиг.2-схема делителя напряжения; на фиг.3-принципиальная схема и ее сигнальный граф; на фиг.4- принципиальная схема устройства прототипа и ее сигнальный граф.

Перестраиваемый ARC-фильтр содержит (см. фиг.1) первый 1 и второй 2 резисторы, первый 3 и второй 4 операционные усилители, третий 5 и четвертый 6 резисторы, третий операционный усилитель 7, пятый 8, шестой 9, седьмой 10 и восьмой 11 резисторы, четвертый операционный усилитель 12, первый 13 и второй 14 конденсаторы, первую 15 и вторую 16 цифроуправляемые проводимости, девятый 17, десятый 18, (одиннадцатый 19 и двенадцатый 20 резисторы (на фиг. 2)).

Перестраиваемый ARC-фильтр содержит первый 1 и второй 2 резисторы, которые подключены между инвертирующими входами и выходами первого 3 и второго 4 операционных усилителей соответственно, третий 5 и четвертый 6 резисторы первыми выводами подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя 3, второй вывод четвертого резистора подключен к выходу третьего операционного усилителя 7, пятый резистор 8 первым выводом подключен к выходу четвертого операционного усилителя 12, неинвертирующий вход второго операционного усилителя 4 подключен к общей шине, а выходом фильтра является один из выходов операционных усилителей 3, 4, 7 или 12, первый конденсатор 13 включен между выходом первого операционного усилителя 3 и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя 7, а второй конденсатор 14 включен между выходом второго операционного усилителя 4 и неинвертирующими входами первого 3 и четвертого 12 операционных усилителей, первую 15 и вторую 16 цифроуправляемые проводимости, включенные соответственно между выходом второго 4 и неинвертирующим входом третьего 4 и неинвертирующим входом третьего 7 операционных усилителей и между выходом третьего 7 и неинвертирующим входом четвертого 12 операционных усилителей, при этом первый вывод четвертого резистора 6 соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя 7, второй вывод пятого резистора 8 соединен с вторым выводом третьего 5 и с первыми выводами шестого 9 и седьмого 10 резисторов, второй вывод седьмого резистора 10 соединен с общей шиной, восьмой резистор 11 первым выводом соединен с выходом четвертого операционного усилителя 12, а вторым выводом - с инвертирующим входом второго 4 и четвертого 12 операционных усилителей, второй вывод шестого резистора 9 подключен к первому входу устройства; первый вывод девятого резистора 17 соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 3, а второй вывод девятого резистора 17 подключен к второму входу устройства, первый вывод десятого резистора 18 соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя 4, а второй вывод десятого резистора 18 подключен к третьему входу устройства.

Для увеличения стабильности, добротности между неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя 12 и неинвертирующим входом первого операционного усилителя 3 включен делитель напряжения, состоящий из одиннадцатого 19 и двенадцатого 20 резисторов, первые выводы которых соединены с неинвертирующим входом первого операционного усилителя 3, а вторые выводы одиннадцатого 19 и двенадцатого 20 резисторов подключены соответственно к неинвертирующему входу четвертого операционного усилителя 12 и к общей шине.

Работает перестраиваемый ARC-фильтр следующим образом.

Входной гармонический сигнал подается на один из входов устройства, проходит через него и поступает на выходы перестраиваемого ARC-фильтра.

В результате перестраиваемым ARC-фильтром реализуется передаточная функция где F_ij(p) - передаточная функция с i-го входа на j-й выход; M_ij - масштабный коэффициент передачи с i-то входа на j-й выход; A_ij - числитель передаточной функции с i-го входа на j-й выход;
B(p) - знаменатель передаточных функций.

Для анализа свойств перестраиваемого ARC-фильтра использован метод графов. Граф схемы перестраиваемого ARC-фильтра (см. фиг.3б, где цифрами с индексами "+" или "-" обозначены неинвертиующие или инвертирующие входы OY, а цифрами без индексов - их выходы; μ₃, μ₄, μ₇ и μ₁₂ - коэффициенты усиления соответственно первого 3, второго 4, третьего 7 и четвертого 12 операционных усилителей; R₁, R₂, R₅, R₆, R₈, R₉, R₁₀ и R₁₁ - сопротивления первого 1, второго 2, третьего 5, четвертого 6, пятого 8, шестого 9, седьмого 10 и восьмого 11 резисторов; C₁₃ и C₁₄ - емкости первого 13 и второго 14 конденсаторов; τ₁ =R₁₅C₁₃; τ₂ = R₁₆C₁₄- постоянные времени RC-цепей; R₁₅ и R₁₆- эквивалентные сопротивления цифроуправляемых проводимостей 15 и 16 соответственно;

- коэффициенты передач резистивных делителей напряжения).

Так как основные свойства перестраиваемого ARC-фильтра заключаются в свойствах полюсов передаточной функции, то определим их параметры. Для этого запишем по формуле Мэзона выражение знаменателя функции:
.

Умножая на множитель

и пренебрегая членами второго и более высоких порядков малости (т.е. пропорциональных ) после алгебраических преобразований, а также заменяя , где П_i - площадь усиления i-го операционного усилителя, получим
.

При П_i → ∞ получаем выражения для знаменателя передаточной функции перестраиваемого ARC-фильтра с идеальными OY
.

Откуда находим идеализированные параметры полюсов
частота полюса

затухание полюса
;
Q_p - добротность полюса.

Так как отклонение идеализированных полюсов обычно меняются вблизи частот полюса, где чувствительность АЧХ фильтра имеет максимальное значение, то справедливо равенство p²= -ω²_p, а p³= -pω²_p . Тогда полином знаменателя третьей степени преобразуется к полиному второй степени
.

Из последнего соотношения находим относительные изменения параметров полюсов
.

Проводя аналогичный анализ схемы устройства-прототипа, граф которой приведен на фиг. 4, получим
.

Из соотношений (9) и (10) для предлагаемого устройства при τ₁= τ₂ Q_p=10 (при этом k₁=k₃=0,45; β = 0,045 ); γ = 1 ; R₆/R₁=1; R₁₁/R₁₂=1; П₃=П₄=П₇=П₁₂= П получим
.

При аналогичных соотношениях между элементами и параметрами для схемы устройства-прототипа при τ₁= τ₂ Q_p=10 (при этом R₂/R₅=1; R₂/R₆=0,1; R₁/R₃= R₁/R₄=1) П₁=П₂=П₃=П₄=П из выражений (11) и (12) получим

Из сопоставления выражений (13) и (14) следует, что отклонение частоты из-за влияния площади усиления ОУ у предлагаемого устройства в 1,7 раза, а отклонение затухания полюса в 25 раз меньше, чем у прототипа, и, следовательно, во столько же раз повышается стабильность параметров, или при одинаковой стабильности во столько же раз расширяется диапазон рабочих частот.

Для повышения стабильности затухания полюса между инвертирующими входами четвертого операционного усилителя 12 и третьего операционного усилителя 3 включен делитель напряжения (фиг.2), состоящий из резисторов 19 и 20 и позволяющий изменять величину γ до выполнения условия δd_p(П) = 0 т.е.
Откуда, при указанных выше соотношениях между элементами, находим
γ ≈ 0,9.
Таким образом, при полученном значении γ затухание полюса практически не зависит от площади усиления и имеет максимальную стабильность. Однако, чтобы при введении делителя не изменялись идеализированные параметры перестраиваемого ARC-фильтра, необходимо выполнение условия: R₂₀>>R₁₆, которое на практике легко реализуется.

Выражения для числителей передаточных функций (1) перестраиваемого ARC-фильтра с i-то входа на j-й выход получены по формуле Мэзона из графа схемы фиг.3, приведены в табл. 1.

Как видно из табл. 1, перестраиваемым ARC-фильтром реализуются с соответствующих входов на соответствующие выходы передаточные функции фильтров нижних и верхних частот, а также полосовых и режекторных фильтров с инверсией фазы (знак "-") и без инверсии (знак "+"). Наличие одних и тех же функций с инверсией и без инверсии позволяет конструировать фильтры высокого порядка с многопетлевой обратной связью, не используя дополнительные ОУ, выполняющие обычно роль инверторов.

Выражения для масштабных множителей функции передачи (1) приведены в табл. 2.

Для перестройки частоты полюса используются цифроуправляемые проводимости, имеющие эквивалентные сопротивления R₁₅ и R₁₆. Цифроуправляемые проводимости представляют собой набор резисторов и электронных ключей, на управляющие электроды которых подаются цифровые коды. Замыкаясь, электронные ключи изменяют постоянные времени τ₁ и τ₂, это приводит к изменению частоты полюса и соответственно к перестройке фильтра.

В неперестраиваемом варианте устройства цифроуправляемые проводимости могут быть замены на постоянные резисторы.

Таким образом, за счет введения новых элементов и связей между ними достигнуто увеличение стабильности частоты и затухания полюса, а также расширены функциональные возможности ARC-фильтра по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

1. Перестраиваемый ARC-фильтр, содержащий четыре операционных усилителя, восемь резисторов и два конденсатора, причем первый и второй резисторы подключены между инвертирующими входами и выходами первого и второго операционных усилителей соответственно, третий и четвертый резисторы первыми выводами подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод четвертого резистора подключен к выходу третьего операционного усилителя, пятый резистор первым выводом подключен к выходу четвертого операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к общей шине, а выходом фильтра является один из выходов операционных усилителей, отличающийся тем, что дополнительно введены первая и вторая цифроуправляемые проводимости, включенные соответственно между выходом второго и неинвертирующим входом третьего операционных усилителей и между выходом третьего и неинвертирующим входом четвертого операционных усилителей, при этом первый вывод четвертого резистора соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, второй вывод пятого резистора - с вторым выводом третьего и с первыми выводами шестого и седьмого резисторов, второй вывод седьмого резистора соединен с общей шиной, восьмой резистор первым выводом соединен с выходом четвертого операционного усилителя, а вторым выводом - с инвертирующими входами второго и четвертого операционных усилителей, первый конденсатор включен между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, а второй конденсатор включен между выходом второго операционного усилителя и неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя, который соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, второй вывод шестого резистора является первым входом фильтра.

2. ARC-фильтр по п. 1, отличающийся тем, что в него введены девятый и десятый резисторы, первый вывод девятого резистора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, а второй вывод девятого резистора является вторым входом фильтра, при этом первый вывод десятого резистора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а второй вывод десятого резистора является третьим входом фильтра.

3. ARC-фильтр по п.2, отличающийся тем, что неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя через введенный делитель напряжения, выполненный на одиннадцатом и двенадцатом резисторах, первые выводы которых соединены с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, а вторые выводы одиннадцатого и двенадцатого резисторов подключены соответственно к неинвертирующему входу четвертого операционного усилителя и к общей шине.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5