Активный фильтр верхних частот четвертого порядка

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в каналообразующей аппаратуре для реализации фильтрового оборудования с высокими показателями: избирательности, динамического и частотного диапазонов. Технический результат: уменьшение значений чувствительности передаточной функции к отклонению параметров усилителей, что приведет к увеличению динамического и частотного диапазонов фильтра. Сущность изобретения состоит в подключении первого усилителя между CR-мостом четвертого порядка и входом второго усилителя, а также в организации обратных связей: выход первого усилителя через шестой резистор, а выход второго усилителя через шестой конденсатор включен в общую точку первого и второго конденсаторов и первого резистора моста; выход первого усилителя через пятый конденсатор подключен ко второму зажиму четвертого резистора моста; точка соединения пятого конденсатора и четвертого резистора через пятый резистор подключена к выходу фильтра, к которому подключены вторые выводы первого, второго и третьего резисторов моста. 4 ил.

 

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.

Близким по сущности 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, 216 с.). Прототипом к заявляемому устройству предлагается часть фильтра (Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей в линейных ИС. М.: Мир, 1985, с.223, рис.8.24), составленного из трех каскадов, каждый из которых реализует фильтр верхних частот второго порядка. Часть фильтра, то есть последовательно подключенных два звена второго порядка, содержит четыре резистора, 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 первый усилитель, второй усилитель, выход которого является выходом фильтра, а также последовательно соединенные вход фильтра, первый и второй конденсаторы, третий и четвертый конденсаторы, при этом ко второму выводу первого, второго, третьего, четвертого конденсаторов, в соответствии с их номером, подключен одним выводом первый, второй, третий, четвертый резисторы, пятый резистор одним выводом подключен к выходу фильтра; шестой резистор общую точку соединения первого, второго конденсаторов и первого резистора соединяет с выходом первого усилителя, отличается тем, что последовательно соединены второй и третий конденсаторы, при этом первый, второй, третий, четвертый конденсаторы и первый, второй, третий, четвертый резисторы образуют RC-мост четвертого порядка, первый усилитель подключен входом к общей точке соединения четвертого резистора и четвертого конденсатора, а своим выходом - к общей точке соединения входа второго усилителя и первого вывода дополнительного пятого конденсатора, второй вывод которого подключен к общей точке соединения вторых выводов четвертого и пятого резисторов, к выходу фильтра подключены вторые выводы первого, второго и третьего резисторов, а через дополнительный шестой конденсатор - общая точка соединения первого и второго конденсаторов и первого резистора.

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 высоких частот четвертого порядка (фиг.1) может быть записана как

где: f0(p)=ΣPKΔК - сумма передач прямых путей с входа фильтра на вход первого усилителя;

f1(p)=ΣPiΔi - сумма передач путей обратной связи первого усилителя;

f2(p)=ΣPmΔm - сумма передач путей обратной связи с выхода второго усилителя на вход первого усилителя;

K1 и K2 - коэффициенты усиления первого и второго усилителей;

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

Динамический и частотный диапазоны активной RС-цепи связаны с величинами чувствительности передаточной функции к отклонениям параметров активных элементов соответственно следующими соотношениями:

где: ωp, 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; 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 K2>>K1, то вполне возможно уменьшить L1 до малой величины. Следовательно, с целью обеспечения оптимальных значений L1 целесообразно выполнить равенство

и обеспечить значение величины равной

Анализ функций активных чувствительностей в схемах аналога и прототипа (фиг.2) показал, что в них может происходить только перераспределение величин L1 и L2 между звеньями, охваченными обратной связью. Величина L в таких схемах 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 Lпротот.=

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

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

Таким образом, при включении последовательно за CR-мостом четвертого порядка двух усилителей и организации обратных связей: выходы первого и второго усилителей соединены с точкой включения первого, второго конденсаторов и первого резистора CR-моста соответственно через шестые по номеру резистор и конденсатор; выход первого усилителя через пятый конденсатор подключен ко второму зажиму четвертого резистора моста; их точка соединения (пятого конденсатора и четвертого резистора моста) через пятый резистор подключена к выходу второго усилителя, к которому подключены вторые выводы первого, второго и третьего резисторов CR-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 ее передаточной функцией

где g1, g2, g3, g4, g5, g6 и с1, 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 верхних 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 в (9) и в передаточной функции (7) при одинаковых степенях оператора p.

С учетом изложенного определены нормированные значения элементов схемы: с1=0,38, с2=0.37, с3=0.15, с4=3,2, с5=13.25, с6=0.38, g1=1.22, g2=3.22, g3=1.0, g4=0.33, g5=8.33, g6=0.5, m=3, z=4 и рассчитаны: среднеквадратичные значения чувствительности (фиг.3), а для аналога, имеющего лучше показатели чувствительности, чем у прототипа, кривые приведены в фиг.4.

На частоте среза фильтр, представляемый авторами, имеет L1≈0,5 и L2=1,1, а аналог - L1≈6,0 и L2=11,8, 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 (7) 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; С1 - первый, С2 - второй; С3 - третий; С4 - четвертый; С5 - пятый, С6 - шестой конденсаторы, R1 - первый, R2 - второй; R3 - третий; R4 - четвертый; R5 - пятый, R6 - шестой резисторы, К1 - первый и К2 - второй усилители; 2 - выход активного RC-фильтра четвертого порядка; 3 или (и) 4 - корпус.

Входом фильтра 1 относительно корпуса 3 является левый вывод последовательно соединенных CR-моста четвертого порядка (первый С1, второй С2, третий С3, четвертый С4 конденсаторы и первый R1, второй R2, третий R3, четвертый R4 резисторы), первого К1 и второго К2 усилителей, выход последнего является выходом фильтра 2 относительно корпуса 4; вторые выводы первого R1, второго R2 и третьего R3 резисторов моста соединены с выходом фильтра 2; второй вывод четвертого резистора R4 через пятый конденсатор С5 подключен к выходу первого усилителя К1, а через пятый резистор R5 - к выходу фильтра 2; выходы первого К1 и второго К2 усилителей соединены к точке включения первого С1, второго С2 конденсаторов и первого резистора R1 моста соответственно через шестой резистор R6 и шестой конденсатор С6.

Активный фильтр верхних частот четвертого порядка, содержащий первый усилитель, второй усилитель, выход которого является выходом фильтра, а также последовательно соединенные вход фильтра, первый и второй конденсаторы, третий и четвертый конденсаторы, при этом ко второму выводу первого, второго, третьего, четвертого конденсаторов в соответствии с их номером подключен одним выводом первый, второй, третий, четвертый резисторы, пятый резистор одним выводом подключен к выходу фильтра; шестой резистор общую точку соединения первого, второго конденсаторов и первого резистора соединяет с выходом первого усилителя, отличающийся тем, что последовательно соединены второй и третий конденсаторы, при этом первый, второй, третий, четвертый конденсаторы и первый, второй, третий, четвертый резисторы образуют CR-мост четвертого порядка, первый усилитель подключен входом к общей точке соединения четвертого резистора и четвертого конденсатора, а своим выходом - к общей точке соединения входа второго усилителя и первого вывода дополнительного пятого конденсатора, второй вывод которого подключен к общей точке соединения вторых выводов четвертого и пятого резисторов, к выходу фильтра подключены вторые выводы первого, второго и третьего резисторов, а через дополнительный шестой конденсатор - общая точка соединения первого и второго конденсаторов и первого резистора.



 

Похожие патенты:

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 радиоэлектронике. .

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

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 радиотехнике для реализации фильтрового оборудования с высокими показателями избирательности. .

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 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.

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

Наверх