Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров
Владельцы патента RU 2720558:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве интерфейса для выделения заданного спектра источника сигнала с аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций. Технический результат заключается в обеспечении низкой параметрической чувствительности при независимой подстройке трех основных параметров АЧХ - частоты полюса (ωs), затухания полюса (ds), а также коэффициента передачи в полосе пропускания (М). Полосовой фильтр выполнен на двух дифференциальных операционных усилителях, резисторах и конденсаторах, соединенных между собой таким образом, чтобы при настройке коэффициента передачи путем изменения первого резистора ФЧХ не изменяется, а изменяется только общий уровень АЧХ, при изменении сопротивлений второго и третьего резисторов изменяется наклон ФЧХ в области полюса, а также изменяется подъем АЧХ на этой частоте. При этом частота полюса остается неизменной, при настройке затухания полюса изменяются частоты, на которых фазовый сдвиг составляет 45° и -45°. 5 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве интерфейса для выделения заданного спектра источника сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.
Полосовые АRC-фильтры (ПФ) относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств, определяющих качественные показатели многих радиотехнических систем, в том числе для цифровой обработки сигналов [1-28]. В данном классе устройств особое место занимают фильтры с независимой подстройкой основных параметров [29-33].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является полосовой фильтр по патенту RU 2701095, фиг. 2, 2019 г. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5 и второй 6 последовательно соединенные резисторы, включенные между входом 1 устройства и выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, общий узел которых связан с инвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя, третий 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11, восьмой 12 резисторы, первый 13 и второй 14 конденсаторы, общую шину источников питания 15.
Существенный недостаток полосового фильтра-прототипа фиг. 1 состоит в том, что он не обеспечивает низкую параметрическую чувствительность при настройке добротности.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании схемы полосового фильтра с более низкой параметрической чувствительностью при независимой подстройке трех основных параметров АЧХ – частоты полюса (ωs), затухания полюса (ds), а также коэффициента передачи в полосе пропускания (М).
Поставленная задача достигается тем, что в полосовом фильтре фиг. 2, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5 и второй 6 последовательно соединенные резисторы, включенные между входом 1 устройства и выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, общий узел которых связан с инвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя, третий 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11, восьмой 12 резисторы, первый 13 и второй 14 конденсаторы, общую шину источников питания 15, предусмотрены новые элементы и связи – выход второго 4 дифференциального операционного усилителя связан с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные первый 13 конденсатор и восьмой 12 резистор, выход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания 15 через последовательно соединенные пятый 9 и шестой 10 резисторы, общий узел которых соединен с общим узлом последовательно соединенных первого 13 конденсатора и восьмого 12 резистора через седьмой 11 резистор, выход первого 3 дифференциального операционного усилителя соединен с общей шиной источников питания 15 через последовательно соединенные третий 7 и четвертый 8 резисторы, общий узел которых подключен к инвертирующему входу второго 4 дифференциального операционного усилителя, кроме этого выход первого 3 дифференциального операционного усилителя соединен с общей шиной источников питания 15 через последовательно соединенные первый 16 и второй 17 дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к неинвертирующему входу второго 4 дифференциального операционного усилителя, причем между выходом второго 3 дифференциального операционного усилителя и его инвертирующим входом включен второй 14 конденсатор, а неинвертирующий вход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания 15.
На фиг. 1 представлена схема ПФ-прототипа.
На фиг. 2 приведена схема заявляемого ПФ в соответствии с формулой изобретения.
На фиг. 3 представлены графики изменения амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) характеристик ПФ фиг. 3 при настройке частоты полюса последовательно соединенными резисторами R9 и R10.
На фиг. 4 приведены АЧХ и ФЧХ схемы ПФ фиг. 2 при настройке затухания полюса (ds) с помощью резисторов R6, R7.
На фиг. 5 показаны графики изменения АЧХ и ФЧХ схемы ПФ фиг. 2 при настройке коэффициента передач (M) с помощью резистора R5.
Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5 и второй 6 последовательно соединенные резисторы, включенные между входом 1 устройства и выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, общий узел которых связан с инвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя, третий 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11, восьмой 12 резисторы, первый 13 и второй 14 конденсаторы, общую шину источников питания 15. Выход второго 4 дифференциального операционного усилителя связан с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные первый 13 конденсатор и восьмой 12 резистор, выход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания 15 через последовательно соединенные пятый 9 и шестой 10 резисторы, общий узел которых соединен с общим узлом последовательно соединенных первого 13 конденсатора и восьмого 12 резистора через седьмой 11 резистор, выход первого 3 дифференциального операционного усилителя соединен с общей шиной источников питания 15 через последовательно соединенные третий 7 и четвертый 8 резисторы, общий узел которых подключен к инвертирующему входу второго 4 дифференциального операционного усилителя, кроме этого выход первого 3 дифференциального операционного усилителя соединен с общей шиной источников питания 15 через последовательно соединенные первый 16 и второй 17 дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к неинвертирующему входу второго 4 дифференциального операционного усилителя, причем между выходом второго 3 дифференциального операционного усилителя и его инвертирующим входом включен второй 14 конденсатор, а неинвертирующий вход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания 15.
Рассмотрим работу ПФ фиг. 2.
Свойства схемы классического полосового фильтра второго порядка, в том числе схемы фиг. 2, определяются его передаточной функцией
где М – коэффициент передачи фильтра на центральной частоте; ωp – частота полюса; dp – затухание полюса.
Коэффициенты передаточной функции предлагаемой схемы ПФ определяются по выражениям:
коэффициент передачи
,
где
, 
,
, 
- частота полюса
где 
,
- затухание полюса
Независимая настройка параметров ПФ фиг. 2 возможна тогда, когда при настройке последующего параметра схемы не потребуется изменять сопротивления резисторов, определяющие уже настроенный параметр. Из анализа полученных формул для ωp, dp, М следует, что в предлагаемом ПФ фиг. 2 такая настройка осуществима в следующей последовательности:
Первый этап: настраивается частота полюса ωs путем изменения сопротивлений пятого 9 и шестого 10 резисторов (R9 и R10). Далее номиналы этих резисторов фиксируются.
Второй этап: настраивается затухание полюса ds путем изменения сопротивлений резисторов второго 6 (R6) и третьего 7 (R7) резисторов. На втором этапе сопротивления пятого 9 и шестого 10 резисторов (R9 и R10) не изменяются.
Третий этап: настраивается коэффициент передачи М путем изменения сопротивления первого 5 резистора (R5). На этом этапе сопротивления второго 6 (R6), третьего 7 (R7), пятого 9 (R9), шестого 10 (R10) резисторов не изменяются.
Следует заметить, что другие известные схемы ПФ с низкой параметрической чувствительностью, выполненные на двух операционных усилителях, данным свойством не обладают.
Эффективность рассмотренного выше алгоритма настройки ПФ фиг. 2, подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг. 3-фиг. 5).
По виду ФЧХ фиг. 3 можно судить, что частота полюса ωs, на которой фазовый сдвиг равен 0°, изменяется за счет пятого 9 и шестого 10 резисторов (R9 и R10) в относительно широких пределах.
По виду ФЧХ фиг. 4 можно установить, что при изменении сопротивлений второго 6 и третьего 7 резисторов (R6, R7) изменяется наклон ФЧХ в области частоты полюса, а также изменяется подъем АЧХ на этой частоте. При этом частота полюса остается неизменной (ωs=const). При настройке затухания полюса изменяются частоты, на которых фазовый сдвиг составляет 45° и -45°.
При настройке коэффициента передачи путём изменения первого 5 (R5) резистора ФЧХ не изменяется, а изменяется только общий уровень АЧХ (фиг. 5).
При проектировании фильтров на основе рассмотренной схемы сопротивление седьмого 11 резистора (R11) желательно выбирать значительно больше эквивалентного сопротивления резистивного делителя напряжения, состоящего из пятого 9 и шестого 10 резисторов (R9 и R10), то есть необходимо выполнять соотношение
В сравнении с известными аналогами, заявляемая схема ПФ имеет более низкую параметрическую чувствительность при настройке равных добротностей.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент SU 296228, 1971 г.
2. Патент SU 964977, 1982 г.
3. Патент SU 1629960, 1991 г.
4. Патент SU 1755364, 1992 г.
5. Патент SU 438095, 1974 г.
6. Патент RU 2154337, 2000 г.
7.Патент RU 2150782, 2000 г.
8. Патент RU 2089998, 1997 г.
9. Патент RU 2089041, 1997 г.
10. Патент SU 1777233, 1992 г.
11. Патент SU 792557, 1980 г.
12. Патент SU 807482, 1981 г.
13. Патент SU 1788570, 1993 г.
14. Патент RU 2019023, 1994 г.
15. Патент RU 2019024, 1994 г.
16. Патент RU 2165673, 2001 г.
17. Патент SU 987800, 1983 г.
18. Патент SU 376871,1973 г.
19. Патент SU 536590, 1976 г.
20. Патент SU 587602, 1978 г.
21. Патент SU 813690, 1981 г.
22. Патент SU 813694, 1981 г.
23. Патент SU 815868, 1981 г.
24. Патент US 3,946,328, 1976 г.
25. Патент SU 785954, 1980 г.
26. Патент US 4,659,995, 1987 г.
27. Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров: Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 320 с.
28. 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.
29. Патент RU 2688237, 2019 г.
30. Патент RU 2694134, 2019 г.
31. Патент RU 2701095, 2019 г.
32. Патент RU 2697944, 2019 г.
33. Патент RU 2701038, 2019 г.
Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, первый (3) и второй (4) дифференциальные операционные усилители, первый (5) и второй (6) последовательно соединенные резисторы, включенные между входом (1) устройства и выходом второго (4) дифференциального операционного усилителя, общий узел которых связан с инвертирующим входом второго (4) дифференциального операционного усилителя, третий (7), четвертый (8), пятый (9), шестой (10), седьмой (11), восьмой (12) резисторы, первый (13) и второй (14) конденсаторы, общую шину источников питания (15), отличающийся тем, что выход второго (4) дифференциального операционного усилителя связан с инвертирующим входом первого (3) дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные первый (13) конденсатор и восьмой (12) резистор, выход первого (3) дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания (15) через последовательно соединенные пятый (9) и шестой (10) резисторы, общий узел которых соединен с общим узлом последовательно соединенных первого (13) конденсатора и восьмого (12) резистора через седьмой (11) резистор, выход первого (3) дифференциального операционного усилителя соединен с общей шиной источников питания (15) через последовательно соединенные третий (7) и четвертый (8) резисторы, общий узел которых подключен к инвертирующему входу второго (4) дифференциального операционного усилителя, кроме этого выход первого (3) дифференциального операционного усилителя соединен с общей шиной источников питания (15) через последовательно соединенные первый (16) и второй (17) дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к неинвертирующему входу второго (4) дифференциального операционного усилителя, причем между выходом второго (3) дифференциального операционного усилителя и его инвертирующим входом включен второй (14) конденсатор, а неинвертирующий вход первого (3) дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания (15).
