Широкополосный активный пьезоэлектрический фильтр

 

Широкополосный активный пьезоэлектрический фильтр состоит из двух идентичных по структуре секций, каждая из которых содержит пьезоэлектрический резонатор, и первый и второй операционные усилители с отрицательными обратными связями, соединенные между собой, так, что образуют конвертор имитирующий индуктивность. А также алгебраический сумматор, выход которого является выходом фильтра. При этом выходы первой и второй секции соединены с первым и вторым входами алгебраического сумматора соответственно. Каждая из секций фильтра содержит дополнительно третий конденсатор, соединяющий выход первого операционного усилителя и неинвертирующий вход второго операционного усилителя, а упомянутый пьезоэлектрический резонатор включен параллельно первому конденсатору. Технический результат: повышение устойчивости и упрощение настройки. 4 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может использоваться в качестве фильтра основной селекции в профессиональной приемопередающей аппаратуре связи.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа активный полосовой пьезоэлектрический фильтр [1], схема которого приведена на фиг. 1, состоящий из двух одинаковых по структуре секций, каждая из которых содержит пьезоэлектрический резонатор, первый резистор, первый вывод которого соединен с входом фильтра, первый и второй операционные усилители с резистивными отрицательными обратными связями, инвертирующие входы которых соединены между собой, инвертирующий вход первого операционного усилителя через второй резистор подключен к выходу второго операционного усилителя, через первый конденсатор соединен с общей шиной и через второй конденсатор со вторым выводом первого резистора и входом секции, неинвертирующий вход второго операционного усилителя через третий резистор соединен с общей шиной, пьезоэлектрический резонатор, включенный между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, кроме того, фильтр содержит алгебраический сумматор, имеющий первый и второй входы и выход, являющийся выходом фильтра, при этом выходы первой и второй секций соединены с первым и вторым входами алгебраического сумматора соответственно.

Данная схема позволяет реализовывать высокую избирательность, поскольку имеет четвертый класс по характеристическому затуханию, и достаточно широкую полосу пропускания, составляющую где Δ F_max - максимально-возможная ширина полосы пропускания фильтра; f_o - средняя частота фильтра; r - емкостной коэффициент пьезоэлектрического резонатора.

Анализ свойства данной схемы приведен в работе [2].

Практическое использование данной схемы показало, что она сложна в настройке и в ряде случаев работает неустойчиво (происходит самовозбуждение).

Задача изобретения - повышение устойчивости работы фильтра и упрощение процесса его настройки.

Поставленная задача достигается тем, что в активном пьезоэлектрическом фильтре, состоящем из двух идентичных по структуре секций, каждая из которых содержит пьезоэлектрический резонатор, первый резистор первый вывод которого соединен с входом фильтра, первый и второй операционные усилители с резистивными отрицательными обратными связями, инвертирующие входы которых соединены между собой, неинвертирующий вход первого операционного усилителя через второй резистор подключен к выходу второго операционного усилителя, через первый конденсатор соединен с общей шиной и через второй конденсатор со вторым выводом первого резистора и выходом секции, неинвертирующий вход второго операционного усилителя через третий резистор соединен с общей шиной, алгебраический сумматор, имеющий первый и второй входы и выход, являющийся выходом фильтра, выходы первой и второй секций соединены с первым и вторым входами алгебраического сумматора, при этом в каждую секцию вводится дополнительный третий конденсатор, соединяющий выход первого операционного усилителя и неинвертирующий вход второго операционного усилителя, упомянутый пьезоэлектрический резонатор включен параллельно первому конденсатору.

Сопоставленный анализ показывает, что заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в каждую секцию введен дополнительно третий конденсатор, включенный между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, а пьезоэлектрический резонатор включен параллельно второму конденсатору.

При сравнении заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в науке и технике не обнаружены решения, обладающие сходными признаками.

На фиг. 2 приведена электрическая схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из двух идентичных секций 1 и 2, каждая из которых содержит пьезоэлектрический резонатор 3, первый резистор 4, первый вывод которого соединен с входом фильтра, первый и второй операционные усилители 5 и 6 с резистивными отрицательными обратными связями 7 и 8, инвертирующие входы которых соединены между собой, неинвертирующий вход первого операционного усилителя через второй резистор 9 подключен к выходу второго операционного усилителя 6, через первый конденсатор 10 соединен с общей шиной и через второй конденсатор 11 со вторым выводом первого резистора 4 и выходом секции, неинвертирующий вход второго операционного усилителя 6 через третий резистор 12 соединен с общей шиной, алгебраический сумматор 13, имеющий первый и второй входы 14, 15 и выход 16, являющийся выходом фильтра, при этом выходы первой и второй секций соединены с первым и вторым входами 14, 15 алгебраического сумматора 13 соответственно, в каждой из секций содержится дополнительный конденсатор 17, соединяющий выход первого операционного усилителя 5 и неинвертирующий вход второго операционного усилителя 6, при этом пьезоэлектрический резонатор 3 включен параллельно первому конденсатору 10.

Фильтр работает следующим образом. Как следует из работы [3], первый и второй операционные усилителя совместно с резисторами 7, 8, 9, 12 и конденсатором 17 образуют обобщенный конвертор импеданса входное сопротивление со стороны неинвертирующего входа первого операционного усилителя имеет индуктивный характер. Последовательное подключение к конденсатору 11 двухполюсника, состоящего из параллельно соединенных пьезоэлектрического резонатора 3, конденсатора 10 и индуктивности, имитируемой конвертором, образует реактивный двухполюсник с сопротивлением Z. Передаточная функция секции определяется в этом случае выражением: где R - сопротивление резистора 4.

Алгебраический сумматор производит вычитание сигналов, поступающих на его входы с первой и второй секций. Результирующая передаточная функция будет иметь следующий вид: Здесь Z и Z - входные реактивные сопротивления первой и второй секций соответственно.

Данная передаточная функция соответствует симметричной мостовой схеме. В ветвях которой включены реактивные сопротивления Z₁ и Z₂.

Выбирая соответствующим образом параметры пьезоэлектрических резонаторов 3 в каждой из секции, величины индуктивностей и емкостей можно получить реактивные сопротивления Z₁ и Z₂, как это показано на фиг. 3. Таким образом, на частотах от ω₁ до ω₅ получим полосу пропускания, на частотах от 0 до ω₁ и от ω₅ до ∞ полосы задерживания.

В отличие от прототипа в данной схеме конвертор имитирует индуктивное входное сопротивление. Условия устойчивости такого типа конверторов в настоящее время разработаны достаточно полно, см. например, [3], в соответствии с которыми выбор номиналов резисторов, конденсаторов и наиболее приемлемого типа операционного усилителя позволяет получить схему фильтра без самовозбуждения. Кроме того, при настройке фильтра достаточно просто фиксируется величина имитируемой индуктивности и более просто по сравнению с прототипом подбираются величины первого и второго конденсаторов в секциях фильтра.

Если в предлагаемом устройстве (см. фиг. 4) первый конденсатор 10 включить между общей шиной и вторым выводом первого резистора 4, а пьезоэлектрический резонатор 3 подключить параллельно второму конденсатору 11, получим также полосовой фильтр эквивалентный предлагаемому по всем параметрам и отличающийся только величиной номинального характеристического сопротивления. Численная оценка этих двух схем по величине номинального характеристического сопротивления Z_m показывает, что вторая схема имеет меньшую величину Z_m по сравнению с первой в n = (f₀/2δ)² раз при одинаковых значениях динамических индуктивностей пьезоэлектрических резонаторов. Здесь f_o - средняя частота фильтра и 2δ - ширина полосы пропускания. В связи с изложенным предлагается следующая формула изобретения.

Источники информации: 1. А. с. N 559368 (СССР), Активный полосовой пьезоэлектрический фильтр (формула изобретения по п. 1); Звягинцев И.В., Меньшиков В.Л., Ясинский И.М. , Христофоров В.Н. H 03 H 7/02, 1976 г.

2. Полосовые пьезоэлектрические фильтры. Ясинский И.М., Звягинцев И.В., Техника средств связи. Сер. ТРС, вып. 9, стр. 58-64 1991 г.

3. Иммитансный критерий устойчивости ARC-фильтров на обобщенных конверторах импеданса. Коротков А.С., Михалев П.Г., Электросвязь N 12, стр. 23-24, 1992 г.

Формула изобретения

Широкополосный активный пьезоэлектрический фильтр, состоящий из двух идентичных по структуре секций, каждая из которых содержит пьезоэлектрический резонатор, первый резистор, первый вывод которого соединен со входом фильтра, первый и второй операционные усилители с отрицательными обратными связями, инвертирующие входы которых соединены между собой, неинвертирующий вход первого операционного усилителя через второй резистор подключен к выходу второго операционного усилителя, через первый конденсатор соединен с общей шиной и через второй конденсатор со вторым выводом первого резистора и выходом секции, неинвертирующий вход второго операционного усилителя через третий резистор соединен с общей шиной, алгебраический сумматор, имеющий первый и второй входы и выход, являющийся выходом фильтра, при этом выходы первой и второй секции соединены с первым и вторым входами алгебраического сумматора соответственно, отличающийся тем, что каждая из секций фильтра содержит дополнительно третий конденсатор, соединяющий выход первого операционного усилителя и неинвертирующий вход второго операционного усилителя, а упомянутый пьезоэлектрический резонатор включен параллельно первому конденсатору.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4