Полосовой arc-фильтр

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных радиоэлектронных устройствах, преимущественно в микроэлектронном исполнении. Устройство содержит операционный усилитель (1), частотозадающую цепь (2), делитель напряжения (3), состоящий из первого, второго, третьего и четвертого резисторов (4,5,6,7). Технический результат: упрощение настройки частоты и затухания полюса. 3 з.п.ф-лы, 7 ил.

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в микроэлектронных селективных радиоэлектронных устройствах, преимущественно в микроэлектронном исполнении.

Известен "Полосовой фильтр" (ТИИЭР, 1979, том 67, N 1, с. 45, рис. 36), содержащий операционный усилитель, два конденсатора и семь резисторов, причем вывод первого конденсатора подключен к первым выводам второго конденсатора и первого резистора, второй вывод второго конденсатора и первый вывод второго резистора подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, вторые выводы первого конденсатора и третьего резистора подключены к общей шине, а первый вывод третьего резистора подключен к вторым выводам второго и четвертого резисторов, первые выводы четвертого и пятого резисторов подключены к инвертирующему входу операционного усилителя, вторые выводы пятого и шестого резисторов подключены к выходу операционного усилителя, первые выводы шестого и седьмого резисторов подключены к второму выводу первого резистора, а второй вывод седьмого резистора является входом устройства.

Признаками этого устройства, совпадающими с признаками заявляемого техническою решения, являются операционный усилитель, резисторы и конденсаторы.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является итерационность процесса настройки затухания полюса при микроэлектронной реализации устройства.

Известен также "Активный RC-фильтр нижних частот" (СССР, авт. свид. N 1187241, МКИ 4 H 03 H 11/12, опубл. 23.10.85, бюл. N 39), содержащий операционный усилитель, два конденсатора и пять резисторов, причем первые выводы первого резистора и первого конденсатора подключены к второму выводу второго резистора, первый вывод которого подключен к первому выводу второго конденсатора и к инвертирующему входу операционного усилителя, вторые выводы первого резистора и первого конденсатора подключены к входу устройства и к выходу операционного усилителя соответственно, второй вывод второго конденсатора подключен к первым выводам третьего и четвертого резисторов, вторые выводы которых подключены к общей шине и к инвертирующему входу операционного усилителя, пятый резистор включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя.

Признаками этого устройства, совпадающими с признаками предлагаемого технического решения, являются операционный усилитель, резисторы, конденсаторы.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является итерационность процесса настройки затухания полюса при микроэлектронной реализации устройства.

Наиболее близким техническим решением по технической сущности к предлагаемому устройству является "Полосовой активный RC-фильтр" (СССР, авт. свид. N 785954, МКИ 3 H 03 H 7/01, опубл. 07.12.80, бюл. N 45), содержащий операционный усилитель, частотозадающую цепь и делитель напряжения, причем первый вход частотозадающей цепи является входом устройства, второй вход частотозадающей цепи и вход делителя напряжения подключены к выходу операционного усилителя, первый и второй выходы делителя напряжения подключены к неинвертирующему входу операционного усилителя и к третьему входу частотозадающей цепи соответственно, выход частотозадающей цепи подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, делитель напряжения состоит из трех резисторов, причем первый вывод первого резистора является входом делителя напряжения, узел соединения второго вывода первого резистора и первого вывода второго резистора является вторым выходом делителя напряжения, а узел соединения вторых выводов второго и третьего резисторов является первым выходом делителя напряжения, первый вывод третьего резистора подключен к общей шине, частотозадающая цепь состоит из Т-моста и перекрывающей ветви, причем к выходу частотозадающей цепи подключен выход Т- моста и один вывод перекрывающей ветви, второй вывод перекрывающей ветви подключен к третьему входу частотозадающей цепи, первый и второй входы Т-моста подключены соответственно к первому и второму входу частотозадающей цепи.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является итерационность процесса настройки затухания полюса при микроэлектронной реализации.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - упрощение настройки частоты и затухания полюса.

Технические результаты, которые могут быть получены при осуществлении изобретения: сокращено время настройки устройства, увеличен процент выхода годных изделий при микроэлектронном гибридно-пленочном исполнении, реализовано устройство с понижением частоты полюса, реализовано устройство с повышением частоты полюса, реализовано устройство с повышением частоты полюса и активным входным сопротивлением.

Для достижения технического результата в полосовом ARC-фильтре, содержащим операционный усилитель, частотозадающую цепь и делитель напряжения, причем первый вход частотозадающей цепи является входом устройства, второй вход частотозадающей цепи и вход делителя напряжения подключены к выходу операционного усилителя, первый и второй выходы делителя напряжения подключены к неинвертирующем входу операционного усилителя и к третьему входу частотозадающей цепи соответственно, выход частотозадающей цепи подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, делитель напряжения состоит из трех резисторов, первый вывод первого резистора является входом делителя напряжения, узел соединения второго вывода первого резистора и первого вывода второго резистора является вторым выходом делителя напряжения, а узел соединения вторых выводов второго и третьего резисторов является первым выходом делителя напряжения, первый вывод третьего резистора подключен к общей шине, причем в делитель напряжения дополнительно введен четвертый резистор, первый вывод которого подключен к первому выводу первого резистора, а второй вывод четвертого резистора подключен к вторым выводам второго и третьего резисторов.

Для достижения технического результата по реализации устройства с понижением частоты полюса частотозадающая цепь выполнена на двух резисторах и двух конденсаторах, причем первые выводы первого резистора, первого конденсатора и второго резистора являются соответственно первым, вторым и третьим входами частотозадающей цепи, второй вывод первого резистора подключен к вторым выводам первого и второго конденсаторов, узел соединения второго вывода второго резистора и первого вывода второго конденсатора является выходом частотозадающей цепи.

Для достижения технического результата по реализации устройства с повышением частоты полюса частотозадающая цепь выполнена на двух резисторах и двух конденсаторах, причем первые выводы первого конденсатора, первого резистора и второго конденсатора являются соответственно первым, вторым и третьим входами частотозадающей цепи, второй вывод первого конденсатора подключен к вторым выводам первого и второго резисторов, узел соединения второго вывода второго конденсатора и первого вывода второго резистора являются выходом частотозадающей цепи.

Для достижения технического результата по реализации устройства с повышением частоты полюса и с активным входным сопротивлением частотозадающая цепь выполнена на двух резисторах и двух конденсаторах, причем первые выводы первого и второго резисторов и первого конденсатора являются соответственно первым, вторым и третьим входами частотозадающей цепи, второй вывод первого резистора подключен к вторым выводам первого и второго конденсаторов, узел соединения первого вывода второго конденсатора и второго вывода второго резистора является выходом частотозадающей цепи.

Возможность достижения технического результата обусловлена следующими выводами: благодаря введению в делитель напряжения четвертого резистора с соответствующими связями, появилась возможность неитерационной настройки частоты и затухания полюса путем только увеличения сопротивлений первого, второго, третьего и четвертого резисторов делителя напряжения, что особенно важно при микроэлектронном гибридно-пленочном исполнении, где подгонка сопротивлений резисторов осуществляется только в сторону их увеличения. В устройстве-прототипе при настройке затухания полюса с помощью подгонки сопротивления третьего резистора делителя напряжения в случае "проскакивания" нужного номинала, необходимо было подгонять второй резистор делителя напряжения, а затем снова осуществлять настройку частоты полюса, а затем вновь затухание полюса с помощью подгонки сопротивления третьего резистора делителя напряжения. В предлагаемом устройстве для указанного выше случая достаточно подогнать (изменить) сопротивление четвертого резистора делителя напряжения, что не влияет на настройку частоты полюса.

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

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого полосового ARC-фильтра, на фиг. 2 - то же полосового ARC-фильтра с понижением частоты полюса, на фиг. 3 - то же полосового ARC-фильтра с повышением частоты полюса, на фиг. 4 - то же полосового ARC-фильтра с повышением частоты полюса с активным входным сопротивлением, на фиг. 5 - то же полосового ARC-фильтра в дискретном исполнении, на фиг. 6 и 7 - семейства АЧХ и ФЧХ полосового ARC-фильтра с понижением и повышением частоты полюса соответственно.

Полосовой ARC-фильтр (фиг. 1) содержит операционный усилитель 1, частотозадающую цепь 2 и делитель напряжения 3, состоящий из первого 4, второго 5, третьего 6 и четвертого 7 резисторов, причем выход операционного усилителя 1 подключен к второму входу частотозадающей цепи 2 и входу делителя напряжения 3, первый вход частотозадающей цепи 2 является входом устройства, первый и второй выходы делителя напряжения подключены к неинвертирующему входу операционного усилителя 1 и к третьему входу частотозадающей цепи 2 соответственно, выход частотозадающей цепи 2 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 1, первый вывод первого резистора 4 является входом делителя напряжения 3, узел соединения второго вывода первого резистора 4 и первого вывода второго резистора 5 является вторым выходом делителя напряжения, а узел соединения вторых выводов второго 5 и третьего 6 резисторов является первым выходом делителя напряжения 3, первый вывод третьего резистора 6 подключен к общей шине, первый вывод четвертого резистора 7 подключен к первому выводу первого резистора 4, а второй вывод четвертого резистора 7 подключен к вторым выводам второго 5 и третьего 6 резисторов.

Полосовой ARC-фильтр с понижением частоты полюса (фиг. 2) содержит операционный усилитель 1, частотозадающую цепь 2 и делитель напряжения 3, состоящий и первого 4, второго 5, третьего 6 и четвертого 7 резисторов, причем выход операционного усилителя 1 подключен к второму входу частотозадающей цепи 2 и входу делителя напряжения 3, первый вход частотозадающей цепи 2 является входом устройства, первый и второй выходы делителя напряжения 3 подключены к неинвертирующему входу операционного усилителя 1 и третьему входу частотозадающей цепи 2 соответственно, выход частотозадающей цепи 2 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 1, первый вывод первого резистора 4 является входом делителя напряжения 3, узел соединения второго вывода первого резистора 4 и первого вывода второго резистора 5 является вторым выходом делителя напряжения, а узел соединения вторых выводов второго 5 и третьего 6 резисторов является первым выходом делителя напряжения 3, первый вывод третьего резистора 6 подключен к общей шине, первый вывод четвертого резистора 7 подключен к первому выводу первого резистора 4, а второй вывод четвертого резистора 7 подключен к вторым выводам второго 5 и третьего 6 резисторов, частотозадающая цепь 2 выполнена на первом 8 и втором 9 резисторах и первом 10 и втором 11 конденсаторах, причем первые выводы первого резистора 8, первого конденсатора 10 и второго резистора 9 являются соответственно первым, вторым и третьим входами частотозадающей цепи 2, второй вывод первого резистора 8 подключен к вторым выводам первого 10 и второго 11 конденсаторов, узел соединения второго вывода второго резистора 9 и первого вывода второго конденсатора 11 является выходом частотозадающей цепи 2.

Полосовой ARC-фильтр с повышением частоты полюса (фиг. 3) содержит операционный усилитель 1, частотозадающую цепь 2 и делитель напряжения 3, состоящий и первого 4, второго 5, третьего 6 и четвертого 7 резисторов, причем выход операционного усилителя 1 подключен к второму входу частотозадающей цепи 2 и входу делителя напряжения 3, первый вход частотозадающей цепи является входом устройства, первый и второй выходы делителя напряжения 3 подключены к неинвертирующему входу операционного усилителя 1 и к третьему входу частотозадающей цепи 2 соответственно, выход частотозадающей цепи 2 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 1, первый вывод первого резистора 4 является входом делителя напряжения 3, узел соединения второго вывода первого резистора 4 и первого вывода второго резистора 5 является вторым выходом делителя напряжения, а узел соединения вторых выводов второго 5 и третьего 6 резисторов является первым выходом делителя напряжения 3, первый вывод третьего резистора 6 подключен к общей шине, первый вывод четвертого резистора 7 подключен к первому выводу первого резистора 4, а второй вывод четвертого резистора 7 подключен к вторым выводам второго 5 и третьего 6 резисторов, частотозадающая цепь 2 выполнена на первом 8 и втором 9 резисторах и первом 10 и втором 11 конденсаторах, причем первые выводы первого конденсатора 10, первого резистора 8 и второго конденсатора 11 являются соответственно первым, вторым и третьим входами частотозадающей цепи 2, второй вывод первого конденсатора 10 подключен к вторым выводам первого 8 и второго 9 резисторов, узел соединения второго вывода второго конденсатора 11 и первого вывода второго резистора 9 является выходом частотозадающей цепи 2.

Полосовой ARC-фильтр с повышением частоты полюса и активным входным сопротивлением (фиг. 4) содержит операционный усилитель 1, частотозадающую цепь 2 и делитель напряжения 3, состоящий из первого 4, второго 5, третьего 6 и четвертого 7 резисторов, причем выход операционного усилителя 1 подключен к второму входу частотозадающей цепи 2 и входу делителя напряжения 3, первый вход частотозадающей цепи 2 является входом устройства, первый и второй выходы делителя напряжения 3 подключены к неинвертирующему входу операционного усилителя 1 и к третьему входу частотозадающей цепи 2 соответственно, выход частотозадающей цепи 2 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 1, первый вывод первого резистора 4 является входом делителя напряжения 3, узел соединения второго вывода первого резистора 4 и первого вывода второго резистора 5 является вторым выходом делителя напряжения, а узел соединения вторых выводов второго 5 и третьего 6 резисторов является первым выходом делителя напряжения 3, первый вывод третьего резистора 6 подключен к общей шине, первый вывод четвертого резистора 7 подключен к первому выводу первого резистора 4, а второй вывод четвертого резистора 7 подключен к вторым выводам второго 5 и третьего 6 резисторов, частотозадающая цепь 2 выполнена на первом 8 и втором 9 резисторах и первом 10 и втором 11 конденсаторах, причем первые выводы первого 8, второго 9 резисторов и первого конденсатора 10 являются соответственно первым, вторым и третьим входами частотозадающей цепи 2, второй вывод первого резистора 8 подключен к вторым выводам первого 10 и второго 11 конденсаторов, узел соединения первого вывода второго конденсатора 11 и второго вывода второго резистора 9 является выходом частотозадающей цепи 2.

Работает полосовой ARC-фильтр следующим образом.

Входной гармонический сигнал подается на выход устройства через частотозадающую цепь 2 в операционный усилитель 1.

При этом, частотозадающая цепь 2 имеет передаточную функцию второго порядка.

где d₀, d_ц - затухание нуля и полюса частотозадающей цепи 2, ω_ц - частота полюса частотозадающей цепи 2.

Благодаря введению обратных связей с выхода операционного усилителя 1 через делитель напряжения 3 и частотозадающую цепь 2, полосовым ARC-фильтром реализуется передаточная функция
где М - масштабны и коэффициент передачи на частоте полюса,
d_р - затухание полюса полосового ARC-фильтра,
ω_p - частота полюса полосового АRС-фильтра,
β - коэффициент сдвига частоты полюса относительно частоты полюса частотозадающей цепи.

Аналитические выражения коэффициентов передаточной функции (2) зависят от конкретного выполнения частотозадающей цепи 2.

Основные параметры полосового ARC-фильтра с понижением частоты полюса (фиг. 2) определяются по формулам:



аналогично для полосового ARC-фильтра с повышением частоты полюса (фиг. 3):



и для полосового ARC-фильтра с повышением частоты полюса и с активным входным сопротивлением (фиг. 4):



В формулах (3)-(11) приняты следующие обозначения: R₁, R₂ - сопротивления первого 8 и второго 9 резисторов частотозадающей цепи 2, C₁, C₂ - емкости первого 10 и второго 11 конденсаторов частотозадающей цепи 2, R₃, R₄, R₅, R₆ - сопротивления первого 4, второго 5, третьего 6 и четвертого 7 резисторов делителя напряжения 3, τ₁ = R₁C₁, τ₂ = R₂C₂ - постоянные времени частотозадающей цепи 2.

Анализ формул (3), (6) и (8) показывает, что частота полюса полосового ARC-фильтра зависит от отношения сопротивлений первого 4 и второго 5 резисторов делителя напряжения 3 (R₃/R₄) и поэтому может быть настроена только путем увеличения их сопротивлений. В свою очередь, анализ формул (4), (7) и (10) показывает, что затухание полюса зависит от отношения сопротивлений третьего 6 и четвертого 7 резисторов делителя напряжения (R₅/R₆) и поэтому может быть настроено с помощью увеличения этих сопротивлений.

Формулы (3) - (4) справедливы и для устройства-прототипа при R₆ = ∞. В этом случае при настройке затухания полюса с помощью изменения сопротивления R₅ (третьего резистора 6 делителя напряжения 3) и при "проскакивании" нужного номинала необходимо было изменить (подогнать) сопротивление R₄ (второго резистора 5 делителя напряжения 3), что приводило к изменению частоты полюса (см. ф-лы (3), (6) и (9)) и необходимости повторной ее настройки.

В заключение следует отметить, что полосовой ARC-фильтр с повышением частоты с активным входным сопротивлением (фиг. 4) следует применять, если источником входного сигнала является выход операционного усилителя, который имеет малую допустимую емкостную нагрузку, в противном случае предпочтение нужно отдавать полосовому ARC-фильтру с повышением частоты полюса по фиг. 3, т.к. он имеет меньшую поэлементную чувствительность. Возможны также и другие варианты реализации частотозадающей цепи - например с мостом Вина, а также дуальная по сравнению с фиг. 4.

В случае реализации полосового ARC-фильтра в дискретном исполнении, первый 4 и второй 5 резисторы, а также третий 6 и четвертый 7 резисторы делителя напряжения 3 могут быть заменены потенциометрами (см. фиг. 5).

На фиг. 6-7 приведены графики, иллюстрирующие изменение форм АЧХ и ФЧХ при изменении сопротивления четвертого резистора 7 в схемах, приведенных на фиг. 2 и 3.

Как видно из графиков, фазовый сдвиг на частоте полюса оставался неизменным, что подтверждает сделанные выводы.

Таким образом, благодаря введению четвертого резистора в делитель напряжения в полосовом ARC-фильтре, достигнуто упрощение настройки.

Формула изобретения

1. Полосовой ARC-фильтр, содержащий операционный усилитель, частотозадающую цепь и делитель напряжения, причем первый вход частотозадающей цепи является входом устройства, второй вход частотозадающей цепи и вход делителя напряжения подключены к выходу операционного усилителя, первый и второй выходы делителя напряжения подключены к неинвертирующему входу операционного усилителя и к третьему входу частотозадающей цепи соответственно, выход частотозадающей цепи подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, делитель напряжения состоит из трех резисторов, первый вывод первого резистора является входом делителя напряжения, узел соединения второго вывода первого резистора и первого вывода второго резистора является вторым выходом делителя напряжения, а узел соединения вторых выводов второго и третьего резисторов является первым выходом делителя напряжения, первый вывод третьего резистора подключен к общей шине, отличающийся тем, что в делитель напряжения дополнительно введен четвертый резистор, первый вывод которого подключен к первому выводу первого резистора, а второй вывод четвертого резистора подключен к вторым выводам второго и третьего резисторов.

2. Полосовой ARC-фильтр по п.1, отличающийся тем, что частотозадающая цепь выполнена на двух резисторах и двух конденсаторах, причем первые выводы первого резистора, первого конденсатора, второго резистора являются соответственно первым, вторым и третьим входами частотозадающей цепи, второй вывод первого резистора подключен к вторым выводам первого и второго конденсаторов, узел соединения второго вывода второго резистора и первого вывода второго конденсатора является выходом частотозадающей цепи.

3. Полосовой ARC-фильтр по п.1, отличающийся тем, что частотозадающая цепь выполнена на двух резисторах и двух конденсаторах, причем первые выводы первого конденсатора, первого резистора и второго конденсатора являются соответственно первым, вторым и третьим входами частотозадающей цепи, второй вывод первого конденсатора подключен к вторым выводам первого и второго резисторов, узел соединения второго вывода второго конденсатора и первого вывода второго резистора является выходом частотозадающей цепи.

4. Полосовой ARC-фильтр по п.1, отличающийся тем, что частотозадающая цепь выполнена на двух резисторах и двух конденсаторах, причем первые выводы первого, второго резисторов и первого конденсатора являются соответственно первым, вторым и третьим входами частотозадающей цепи, второй вывод первого резистора подключен к вторым выводам первого и второго конденсаторов, узел соединения первого вывода второго конденсатора и второго вывода второго резистора является выходом частотозадающей цепи.

РИСУНКИ

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