Активный rc-фильтр нижних частот третьего порядка
Владельцы патента RU 2697612:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)
Изобретение относится к измерительной техники и может использоваться, например, в качестве ограничителей спектра, включаемых на входе аналого-цифровых преобразователей различного назначения. Технический результат заключается в увеличении гарантированного затухания амплитудно-частотной характеристики активного RC-фильтра. Активный RC-фильтр нижних частот третьего порядка содержит входной (3) и выходной (4) усилители, первый (5), второй (6), третий (7) и четвертый (8) резисторы, первый (9), второй (10) и третий (11) конденсаторы. В качестве входного (3) усилителя используется дифференциальный операционный усилитель, инвертирующий вход которого является входом входного (3) усилителя, а неинвертирующий вход соединён с общей шиной источников питания (12), первый (9) конденсатор включен между общим узлом второго (6) и третьего (7) последовательно соединённых резисторов и выходом (2) устройства, второй (10) конденсатор включен между входом и выходом входного (3) усилителя, третий (11) конденсатор включен между общим узлом первого (5) и второго (6) последовательно соединённых резисторов и общей шиной источников питания (12), причём четвертый (8) резистор включен между общим узлом первого (5) и второго (6) последовательно соединённых резисторов и выходом входного (3) усилителя, а в качестве выходного (4) усилителя используется инвертирующий усилитель. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области радиотехники, а также измерительной техники, и может использоваться, например, в качестве ограничителей спектра, включаемых на входе аналого-цифровых преобразователей различного назначения [1-4].
Активные RC-фильтры нижних частот (ФНЧ) широко используются в современной электронике [1-18] и оказывают существенное влияние на качественные показатели многих аналого-цифровых систем связи и автоматического управления [1-4].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является патент RU 2249910 («Активный ФНЧ третьего порядка с нулем передачи», МПК Н03Н 11/12, 2005г.). Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, входной 3 и выходной 4 усилители, первый 5, второй 6 и третий 7 последовательно соединённые резисторы, включенные между входом 1 устройства и входом входного 3 усилителя, четвертый 8 резистор, первый 9, второй 10 и третий 11 конденсаторы, общую шину источников питания 12, причём выход входного 3 усилителя соединён со входом выходного 4 усилителя, выход которого соединен с выходом устройства 2.
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что при третьем порядке передаточной функции он имеет пять частотозадающих конденсаторов. Кроме этого, при его реализации не обеспечивается высокое ослабление паразитных сигналов за пределами полосы частот полезного сигнала. Это отрицательно сказывается на метрологических характеристиках измерительных систем и устройств ввода аналоговой информации в ЭВМ, в которых ФНЧ определяет динамическую погрешность аналого-цифрового интерфейса [2-4].
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в увеличении гарантированного затухания амплитудно-частотной характеристики активного RC-фильтра.
Поставленная задача достигается тем, что в активном RC-фильтре, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, входной 3 и выходной 4 усилители, первый 5, второй 6 и третий 7 последовательно соединённые резисторы, включенные между входом 1 устройства и входом входного 3 усилителя, четвертый 8 резистор, первый 9, второй 10 и третий 11 конденсаторы, общую шину источников питания 12, причём выход входного 3 усилителя соединён со входом выходного 4 усилителя, выход которого соединен с выходом устройства 2, предусмотрены новые элементы и связи – в качестве входного 3 усилителя используется дифференциальный операционный усилитель, инвертирующий вход которого является входом входного 3 усилителя, а неинвертирующий вход соединён с общей шиной источников питания 12, первый 9 конденсатор включен между общим узлом второго 6 и третьего 7 последовательно соединённых резисторов и выходом 2 устройства, второй 10 конденсатор включен между входом и выходом входного 3 усилителя, третий 11 конденсатор включен между общим узлом первого 5 и второго 6 последовательно соединённых резисторов и общей шиной источников питания 12, причём четвертый 8 резистор включен между общим узлом первого 5 и второго 6 последовательно соединённых резисторов и выходом входного 3 усилителя, а в качестве выходного 4 усилителя используется инвертирующий усилитель.
На чертеже фиг. 1 показана схема фильтра-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого активного RC-фильтра нижних частот третьего порядка в соответствии с п. 1 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого АRC-фильтра в соответствии с п. 2 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 4 приведены две АЧХ заявляемого устройства. График под номером «1» показывает результаты компьютерного моделирования ФНЧ фиг. 2 с реальными операционными усилителями. График под номером «2» соответствует расчетным значениям АЧХ ФНЧ фиг. 2 с идеальными операционными усилителями.
Активный RC-фильтр нижних частот третьего порядка фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, входной 3 и выходной 4 усилители, первый 5, второй 6 и третий 7 последовательно соединённые резисторы, включенные между входом 1 устройства и входом входного 3 усилителя, четвертый 8 резистор, первый 9, второй 10 и третий 11 конденсаторы, общую шину источников питания 12, причём выход входного 3 усилителя соединён со входом выходного 4 усилителя, выход которого соединен с выходом устройства 2. В качестве входного 3 усилителя используется дифференциальный операционный усилитель, инвертирующий вход которого является входом входного 3 усилителя, а неинвертирующий вход соединён с общей шиной источников питания 12, первый 9 конденсатор включен между общим узлом второго 6 и третьего 7 последовательно соединённых резисторов и выходом 2 устройства, второй 10 конденсатор включен между входом и выходом входного 3 усилителя, третий 11 конденсатор включен между общим узлом первого 5 и второго 6 последовательно соединённых резисторов и общей шиной источников питания 12, причём четвертый 8 резистор включен между общим узлом первого 5 и второго 6 последовательно соединённых резисторов и выходом входного 3 усилителя, а в качестве выходного 4 усилителя используется инвертирующий усилитель.
Кроме этого, на чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, в качестве выходного 4 усилителя используется мультидифференциальный операционный усилитель 15 с первым и вторым входными портами, причём неинвертирующий вход 16 первого порта мультидифференциального операционного усилителя 15 связан с общей шиной источников питания 12, инвертирующий вход 17 первого порта мультидифференциального операционного усилителя 15 является входом выходного 4 усилителя и связан с выходом входного 3 усилителя, неинвертирующий вход 18 второго порта мультидифференциального операционного усилителя 15 подключен к общей шине источников питания 12, причём выход мультидифференциального операционного усилителя 15 соединён с выходом устройства 2 и связан с инвертирующим входом 19 второго порта мультидифференциального операционного усилителя 15.
Рассмотрим работу схемы фиг. 2.
Передаточные функции ФНЧ 3-го порядка в общем виде описываются выражением
|
|
(1) |
где М – коэффициент передачи фильтра на нулевой частоте, 
– коэффициенты передаточной функции, зависящие от топологии схемы и параметров её элементов.
Можно показать, что указанные выше коэффициенты передаточной функции ФНЧ фиг. 2 определяются выражениями
|
((2) |
Для сравнения на чертеже фиг. 4 представлены две АЧХ - полученная в результате компьютерного моделирования схемы фиг. 2 (на графике фиг. 4 данная АЧХ имеет номер «1») и АЧХ, рассчитанная по передаточной функции (1) с коэффициентами (2), которая на графиках имеет номер «2».
Из анализа графиков фиг. 4 видно, что в области низких частот характеристики повторяют друг друга, а в области высоких частот АЧХ, полученная в результате компьютерного моделирования ФНЧ на реальных операционных усилителях, отклоняется от её расчетного значения. Данное отклонение АЧХ реальной схемы связано с неидеальностями применяемых операционных усилителей. Причем наиболее существенный вклад в это отклонение вносит площадь усиления ОУ. Чем больше площадь усиления ОУ (частота единичного усиления), тем меньше будет наблюдаться отклонение АЧХ фильтра в области высоких частот от её расчетного значения.
Графики фиг. 4 показывают, что заявляемый ФНЧ обеспечивает высокое затухание сигнала вне полосы пропускания. Однако, в отличие от ФНЧ-прототипа, предлагаемая схема третьего порядка имеет не пять, а только три частотозадающих конденсатора. Уменьшение числа частотозадающих конденсаторов повышает технологичность ФНЧ при его практической реализации и упрощает процедуры его настройки.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с известными схемотехническими решениями.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Выбор параметров аналоговых ограничителей спектра для цифровых систем обработки сигналов с учетом допусков и температурной нестабильности пассивных компонентов / Денисенко Д.Ю., Иванов Ю.И., Прокопенко Н.Н. // Радиотехника. – 2017. - № 1. – С.148-153
2. Estimation to Efficiency of the Using of Anti-Alias Filter in the A/D Interface of Instrumentation and Control Systems / L.K. Samoylov, N.N. Prokopenko, A.V. Bugakova // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2018), Kazan, Russia, September 14 - 17, 2018, pp. 422-425
3. Selection of the Band-Pass Range of the Normalizing Signal Transducer of the Sensing Element in the Instrumentation and Control Systems / L.K. Samoylov, N.N. Prokopenko, A.V. Bugakova // 2018 14th IEEE International Conference on Solid-State and Intergated Circuit Technology (ICSICT’2018). Proceedings. Oct.31-Nov.3, 2018, Qingdao, China
4. The Function Approximation of the Signal Delay Time in the Anti-Alias Filter of the A/D Interface of the Instrumentation and Control System / L.K. Samoylov, D.Yu.Denisenko, N.N. Prokopenko // 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech-2018), October 22-23, 2018, Saint Petersburg, Russia
5. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / Букашкин С.А., Власов В.П., Змий Б.Ф. и др.; Под. ред. А.А. Ланнэ. – М.: радио и связь, 1984. – 368 с.
6. Патент US 5.371.472, 1994 г.
7. Патент US 3.787.776, 1974 г.
8. Патентная заявка US 2007/0296496, 2007 г.
9. Патент RU 2370881, 2009 г.
10. Патент RU 2370882, 2009 г.
11. Патент RU 2370880, 2009 г.
12. Патент US 3.736.517, 1973 г.
13. Патент US 6.407.627, 2002 г.
14. Патент SU 1187241, 1985 г.
15. Патент US 6.344.773, 2002 г.
16. Патент US 6.710.644, 2004 г.
17. Патент SU 1777233, 1990 г.
18. Патент RU 2019023, 1994 г.
1. Активный RC-фильтр нижних частот третьего порядка, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, входной (3) и выходной (4) усилители, первый (5), второй (6) и третий (7) последовательно соединённые резисторы, включенные между входом (1) устройства и входом входного (3) усилителя, четвертый (8) резистор, первый (9), второй (10) и третий (11) конденсаторы, общую шину источников питания (12), причём выход входного (3) усилителя соединён с входом выходного (4) усилителя, выход которого соединен с выходом устройства (2), отличающийся тем, что в качестве входного (3) усилителя используется дифференциальный операционный усилитель, инвертирующий вход которого является входом входного (3) усилителя, а неинвертирующий вход соединён с общей шиной источников питания (12), первый (9) конденсатор включен между общим узлом второго (6) и третьего (7) последовательно соединённых резисторов и выходом (2) устройства, второй (10) конденсатор включен между входом и выходом входного (3) усилителя, третий (11) конденсатор включен между общим узлом первого (5) и второго (6) последовательно соединённых резисторов и общей шиной источников питания (12), причём четвертый (8) резистор включен между общим узлом первого (5) и второго (6) последовательно соединённых резисторов и выходом входного (3) усилителя, а в качестве выходного (4) усилителя используется инвертирующий усилитель.
2. Активный RC-фильтр нижних частот третьего порядка по п.1, отличающийся тем, что в качестве выходного (4) усилителя используется мультидифференциальный операционный усилитель (15) с первым и вторым входными портами, причём неинвертирующий вход (16) первого порта мультидифференциального операционного усилителя (15) связан с общей шиной источников питания (12), инвертирующий вход (17) первого порта мультидифференциального операционного усилителя (15) является входом выходного (4) усилителя и связан с выходом входного (3) усилителя, неинвертирующий вход (18) второго порта мультидифференциального операционного усилителя (15) подключен к общей шине источников питания (12), причём выход мультидифференциального операционного усилителя (15) соединён с выходом устройства (2) и связан с инвертирующим входом (19) второго порта мультидифференциального операционного усилителя (15).
