Активный фильтр нижних частот четвертого порядка



Активный фильтр нижних частот четвертого порядка
Активный фильтр нижних частот четвертого порядка
Активный фильтр нижних частот четвертого порядка
Активный фильтр нижних частот четвертого порядка
Активный фильтр нижних частот четвертого порядка

 


Владельцы патента RU 2277756:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военный институт радиоэлектроники (RU)

Изобретение относится к радиотехнике для реализации фильтрового оборудования с высокими показателями избирательности. Технический результат заключается в увеличении динамического и частотного диапазонов. Сущность изобретения состоит в подключении первого усилителя (К1) между RC-мостом четвертого порядка и входом второго усилителя (К2). При этом выход первого усилителя (К1) подключен ко вторым выводам первого - третьего конденсаторов (С1-С3) RC-моста четвертого порядка, а через пятый резистор (R5) - ко второму зажиму четвертого конденсатора (С4) моста. Выход второго усилителя (К2) через пятый конденсатор (С5) подключен к общей точке (С4) и (R5), через шестой конденсатор (С6) - к общей точке первого и второго резисторов (R1, R2) и (С1) моста. В результате уменьшение значений чувствительности передаточной функции к отклонению параметров усилителей (K1, K2) приведет к увеличению динамического и частотного диапазонов фильтра. 5 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при реализации электрических фильтров высоких порядков в каналообразующей аппаратуре.

Цель изобретения - увеличение динамического и частотного диапазонов активных фильтров на звеньях четвертого порядка. Цель достигается распределением усиления соответствующей организацией обратных связей в схеме с активными и пассивными RC-элементами.

Сущность изобретения состоит в том, что за счет включения первого усилителя (К1) между RC-мостом четвертого порядка (R1, R2, R3, R4 и С1, С2, С3, С4) и входом второго усилителя (К2), а также в организации обратных связей: с выхода первого усилителя (К1) ко вторым выводам первого (С1), второго (С2) и третьего (С3) конденсаторов, а к четвертому конденсатору (С4) RC-моста через пятый резистор (R5); с выхода второго усилителя, являющимся выходом фильтра, через пятый конденсатор в точку соединения четвертого конденсатора и пятого резистора; через шестой конденсатор в общую точку второго (R2), третьего (R3) резисторов и второго конденсатора (С2) моста; через шестой резистор в общую точку первого (R1), второго (R2) резисторов и первого конденсатора (С1) моста, происходит увеличение динамического и частотного диапазонов фильтра в результате уменьшения значений чувствительности передаточной функции к отклонению параметров усилителей.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в электрических фильтрах высоких порядков, реализующих высокую крутизну ската частотной характеристики и имеющих большой динамический и частотный диапазоны.

Известно устройство (аналог) (Бакашкин С.Ф., Власов В.П., Змий Б.Ф. и др. - Справочник по расчету и проектированию ARC-схем. / Под ред. Ланнэ А.А. - М: Радио и связь, 1984 г., с.297), содержащее один операционный усилитель, двенадцать резисторов и четыре конденсатора. Недостаток устройства - низкий динамический диапазон.

Известно устройство (аналог) (Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Е. - Введение в теорию и расчет активных фильтров - М: Радио и связь. 1984 г., с.170, рис.5-5а), содержащее один операционный усилитель и по четыре резистора и конденсатора. Недостаток устройства - низкий динамический диапазон.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом к предполагаемому изобретению) является устройство (Демин А.А., Маркин В.В., Масленников В.В., Сироткин А.П. - Активные избирательные устройства радиоаппаратуры. / Под ред. Масленникова В.В. М.: Радио и связь, 1987 г., 216 с.), содержащее пять резисторов, четыре конденсатора, и два усилителя. Недостаток прототипа: низкий динамический диапазон из-за большого уровня шумов, а также нелинейных искажений в фильтре четвертого порядка из-за высокой чувствительности характеристик фильтра к отклонению параметров активных элементов.

Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в увеличении динамического и частотного диапазонов активных RC-фильтров.

Технический результат достигается тем, что устройство, содержащее последовательно соединенные входной зажим фильтра, первый, второй резисторы, первый усилитель, третий, четвертый резисторы и второй усилитель, выход которого является выходным зажимом фильтра; причем ко второму выводу первого (второго, третьего, четвертого) резистора (в соответствии с их номером) подключен одним выводом первый (второй, третий, четвертый) конденсатор; пятый резистор первым зажимом включен к выходу первого усилителя, а выход фильтра через шестой резистор соединён с общей точкой подключения первого, второго резисторов и первого конденсатора, отличается тем, что с целью увеличения динамического и частотного диапазонов первый усилитель с пятым резистором смещен в сохраняемой цепи последовательного соединения элементов и включен в разрыв своим входом в общую точку соединения четвертого резистора и четвертого конденсатора, а общей точкой соединения пятого резистора и выхода усилителя - к входу второго усилителя и вторым выводам первого, второго, третьего конденсаторов; другим выводом пятый резистор соединен со вторым выводом четвертого и дополнительно включенным пятым конденсатором, который вторым выводом соединен с выходом фильтра; выход фильтра через дополнительный шестой конденсатор соединен с общим соединением второго, третьего резисторов и второго конденсатора.

Сущность изобретения состоит в том, что за счет распределения усиления в схеме и требуемой организации обратных связей обеспечивается снижение чувствительностей передаточной функции активного RC-фильтра четвертого порядка к отклонениям параметра активных элементов. Что позволяет, по сравнению с прототипом, реализовать фильтры, имеющие большой динамический и частотный диапазоны при высокой крутизне ската частотной характеристики.

Передаточная функция предлагаемого фильтра - фильтра нижних частот четвертого порядка (фиг.1) может быть записана как

где - сумма передач прямых путей с входа фильтра на вход первого усилителя;

- сумма передач путей обратной связи первого усилителя;

- сумма передач путей обратной связи с выхода второго усилителя на вход первого усилителя;

К1 и К2 - коэффициенты усиления первого и второго усилителей;

Δ(р) - определитель пассивной RC-цепи и р - оператор Лапласа.

Динамический и частотный диапазоны активной RC-цепи связан с величинами чувствительности передаточной функции к отклонениям параметров активных элементов, соответственно, следующим соотношениями:

где ωр, Q, П, δω - резонансная частота, добротность, площадь усиления и относительная частотная нестабильность (δω=Δωpp) ARC-цепи, соответственно; D - динамический диапазон ARC-цепи; DA - динамический диапазон усилителя; а в свою очередь - есть чувствительность комплексной передаточной функции к отклонению коэффициента усиления i-го усилителя, а Ki - коэффициент усиления i-го усилителя.

Модули величин L1 и L2 для предлагаемого фильтра определяются на основе передаточной функции (1), как:

В числитель выражения (5) входят два слагаемых с различными знаками, что позволяет уменьшить числитель до сколь угодно малой величины, а следовательно, уменьшить L2. Уменьшение величины L1 связано с распределением усиления. Так если обеспечить К2≫К1, то вполне возможно уменьшить L1 до малой величины. Следовательно, с целью обеспечения оптимальных значений L1 целесообразно выполнить равенство

и обеспечить значение величины равной

Анализ функции активных чувствительностей в схеме прототипа (фиг.2) показал, что в ней происходит только перераспределение величин L1 и L2 между звеньями, охваченными обратной связью. Величина L становится меньше, чем у каскадной реализации на оптимальных звеньях второго порядка, но превышает Q (Li>Q) и в случае предельного значения затухания (q) в схеме, равного 1/3, примет значения L1=L2≈Q/q=3·Q, тогда

При использовании операционного усилителя типа 544УД2 (с динамическим диапазоном в 120 дБ) динамический диапазон заявляемого фильтра будет равен а прототипа - и при добротности полюса Q=2,3 будет на 40 дБ меньше.

Частотной диапазон заявляемого фильтра (2) будет больше, чем у прототипа в или раз (для фильтров с высокой крутизной характеристики избирательности Q>1).

Таким образом, при включении последовательно за RC-мостом четвертого порядка двух усилителей и организации обратных связей: с выхода первого усилителя через вторые выводы первого, второго, третьего конденсаторов, а через пятое сопротивление ко второму выводу четвертого конденсатора RC-моста и с выхода второго усилителя: через пятый конденсатор в точку соединения пятого резистора и четвертого конденсатора; через шестой резистор в точку соединения первого, второго резисторов и первого конденсатора; через шестой конденсатор в общую точку включения второго, третьего резисторов и второго конденсатора моста, происходит увеличение динамического и частотного диапазонов фильтра.

Положительным дополнительным эффектом является повышение стабильности частотных характеристик, технологичности массового производства активных RC-фильтров за счет снижения чувствительности передаточной функции к отклонению параметров активных элементов.

Работа устройства описывается его передаточной функцией:

где g1, g2, g3, g4, g5, g6 и c1, c2, c3, c4, c5, c6 - нормированные значения проводимости резисторов R1, R2, R3, R4, R5, R6 и конденсаторов С1, С2, С3, С4, С5, С6 соответственно, при выполнении условий:

Пусть необходимо реализовать фильтр нижних частот четвертого порядка с аппроксимацией по Чебышеву и неравномерностью АЧХ в полосе пропускания 1 дБ. В этом случае необходимо, чтобы знаменатель передаточной функции такого фильтра был равен следующему полиному:

(коэффициенты полинома рассчитываются по табличным значениям полюсов соответствующего полинома Чебышева).

Обеспечение высоких качественных показателей звена возможно только при условии баланса моста (8) четвертого порядка в схеме и выполнения условия (6), учет которых необходим для разрешения относительно неизвестных системы уравнений, получаемой из равенств коэффициентов полинома (9) и передаточной функции Н(р) (7) при одинаковых степенях оператора p.

С учетом изложенного определены нормированные значения элементов схемы: с1=2, с2=0.338525, с3=0.8, с4=0.121904, с5=3.078096, с6=0.99398, g1=0.3826, g2=0.37415, g3=0.14966, g4=3.21607, g5=0.38263, g6=13462927, m=2.5, z=4 и рассчитаны: зависимость АЧХ предлагаемого фильтра (представлена на фиг.3), среднеквадратичное значение чувствительности а для прототипа на графиках фиг.5.

На частоте среза представляемого авторами фильтра L1≈0,5 и L2=1,1, а у прототипа L1≈6 и L2=12, следовательно, величина примерно в 13 раз больше у прототипа. Частотный диапазон в 13 раз, а динамический диапазон более чем на 40 дБ будет меньше, чем у заявляемого фильтра.

Полученный фильтр отличается тем, что значения коэффициентов полинома знаменателя передаточной функции (2) определяются параметрами почти всех элементов схемы, поэтому изменение любого параметра элемента ведет к одновременному изменению всех коэффициентов передаточной функции. Следовательно, схема отличается простотой и доступностью к оптимизации.

Возможность достижения положительного эффекта от использования данного изобретения состоит в повышении технологичности массового производства фильтров с высокой избирательностью характеристик с увеличенными динамическим и частотным диапазонами в ARC-базисе.

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства, где обозначено: 1 - вход активного фильтра четвертого порядка; R1 - первый, R2 - второй; R3 - третий; R4 - четвертый; R5 - пятый, R6 - шестой резисторы, С1 - первый, С2 - второй; С3 - третий; С4 - четвертый; С5 - пятый, С6 - шестой конденсаторы, К1 - первый и К2 - второй усилители; 2 - выход активного RC-фильтра четвертого порядка; 3 или (и) 4 - корпус.

Входом фильтра 1 является левый вывод последовательно соединенных: RC-моста четвертого порядка (первый R1, второй R2, третий R3, четвертый R4 резисторы и первый С1, второй С2, третий С3, четвертый С4 конденсаторы), первого К1 и второго К2 усилителей, выход последнего является выходом фильтра 2; вторые выводы первого С1, второго С2, третьего С3 конденсаторов моста соединены с общей точкой включения выхода первого усилителя К1, входом второго усилителя К2 и первым выводом пятого резистора R5, вторым выводом подключенного ко второму зажиму четвертого конденсатора С4 моста, а через пятый конденсатор С5 - с выходом фильтра, который через шестой конденсатор С6 включен в общую точку соединения второго R2, третьего R3 резисторов и второго конденсатора С2 и через шестой резистор - с общей точкой соединения первого R1, второго R2 резисторов и первого конденсатора С1 моста.

Активный фильтр нижних частот четвертого порядка, содержащий последовательно соединенные вход фильтра, первый, второй резисторы, последовательно соединенные третий, четвертый резисторы, а также первый усилитель и второй усилитель, выход которого является выходом фильтра, ко второму выводу первого, второго, третьего, четвертого резисторов соответственно подключены первый, второй, третий, четвертый конденсаторы, при этом пятый резистор первым выводом включен к выходу первого усилителя, а выход фильтра через шестой резистор соединен с общей точкой подключения первого, второго резисторов и первого конденсатора, отличающийся тем, что вход первого усилителя подключен к общей точке соединения четвертого резистора и четвертого конденсатора, а выход - к входу второго усилителя и вторым выводам первого, второго, третьего конденсаторов, вторым выводом пятый резистор соединен со вторым выводом четвертого конденсатора и дополнительно включенным пятым конденсатором, который вторым выводом соединен с выходом фильтра и через дополнительный шестой конденсатор с общей точкой соединения второго, третьего резисторов и второго конденсатора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотехнике для использования в каналообразующей аппаратуре. .

Изобретение относится к радитехнике и может использоваться в каналообразующей аппаратуре с высокими показателями избирательности, динамического и частотного диапазонов.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к фильтрам для выделения постоянной составляющей периодических напряжений. .

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве фильтра основной селекции в профессиональных радиоприемных устройствах, а также в измерительной технике.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции сигналов. .

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

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции сигналов. .

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных узлах радиоэлектронных устройств с управляемыми параметрами. .

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных радиоэлектронных устройствах, преимущественно в микроэлектронном исполнении. .

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных радиоэлектронных устройствах, преимущественно в микроэлектронном исполнении. .

Изобретение относится к радиоэлектронике, более конкретно к частотно-избирательным средствам для использования в качестве однозвенного фильтра верхних частот второго порядка с нулем передачи или как составная часть многозвенного фильтра

Изобретение относится к радиоэлектронике для использования в радиоприемных устройствах при обработке сигналов, а также в измерительной технике

Изобретение относится к радиоэлектронике

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в каналообразующей аппаратуре для реализации фильтрового оборудования с высокими показателями избирательности, динамического и частотного диапазонов

Изобретение относится к области электроники, в частности к активным фильтрам с компенсацией для снижения увеличения значения добротности

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в каналообразующей аппаратуре для реализации фильтрового оборудования с высокими показателями: избирательности, динамического и частотного диапазонов

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в качестве контрольно-сигнального устройства для контроля квазистатических и низкочастотных параметров состояния машин в процессе эксплуатации. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, уменьшении времени готовности и обеспечении помехоустойчивости. Технический результат достигается благодаря тому, что в устройство для контроля сигналов дополнительно введены шины начального напряжения и сигнализации, пороговый элемент, аналоговый ключ с управляющим входом, третий резистор, диод, катод которого соединен с шиной питания и входом интегрирующей RC-цепи, выход которой соединен с анодом диода и входом порогового элемента, выход которого соединен с первым выводом второго резистивного делителя и управляющим входом аналогового ключа, вход которого соединен с шиной начального напряжения, а выход - с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого через третий резистор соединен с общей шиной, шина среднего значения соединена с первым входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с шиной сигнализации, второй вывод второго резистивного делителя соединен либо с шиной питания, либо с общей шиной. 5 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для выделения квазипостоянных несимметричных сигналов на фоне синфазных напряжений и электромагнитных помех. Технический результат заключается в расширении динамического диапазона частот фильтра нижних частот первого порядка для симметричного сигнала. Фильтр нижних частот содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого резистора и через второй резистор с выходом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен через третий резистор с первой входной шиной и через первый конденсатор с общей шиной, при этом дополнительно введены четвертый резистор, второй и третий конденсаторы, вторая входная шина, которая соединена со вторым выводом первого резистора и через второй конденсатор с общей шиной, которая через четвертый резистор соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен через третий конденсатор с выходом операционного усилителя. 2 ил.
Наверх