Универсальный полосовой фильтр, фильтр низких частот и режекторный фильтр на трех мультидифференциальных операционных усилителях
Владельцы патента RU 2737390:
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, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций. Технический результат: создание схемы универсального фильтра, обеспечивающего реализацию на его выходах функций полосового фильтра, фильтра низких частот и режекторного фильтра. Кроме этого, заявляемое устройство имеет увеличенное затухание АЧХ вне диапазона рабочих частот и расширенный частотный диапазон. Для этого предложен универсальный полосовой фильтр на трех мультидифференциальных операционных усилителях, который, в частности, содержит вход (1) устройства, первый (2) выход, реализующий функцию фильтра низких частот, второй (3) выход, реализующий функцию полосового фильтра, третий (4) выход, реализующий функцию режекторного фильтра. 4 ил.
Изобретение относится к области радиотехники и связи, и может использоваться, например, в качестве средства частотной селекции, в том числе включаемых на входе аналого-цифровых преобразователей различного назначения [1-4].
Универсальные активные RC-фильтры (УАЯСФ) широко используются в современной электронике [5-10] и оказывают существенное влияние на качественные показатели многих аналого-цифровых систем связи и автоматического управления [1-4]. Данный класс устройств частотной селекции (УЧС) особенно перспективен при создании специализированных структурных кристаллов, в которых те или иные амплитудно-частотные характеристики (фильтров низких частот (ФНЧ), фильтров высоких частот (ФВЧ), режекторных (РФ) и полосовых (ПФ) фильтров) реализуются за счет коммутации входов УЧС, к которым подключается источник сигнала, и использования разных выходов УЧС [11-16].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является универсальный фильтр, представленный в патенте RU 2702496 («Универсальный активный RC-фильтр на основе мультидифференциальных операционных усилителей», МПК Н03Н 11/00, 2019 г.). Он содержит (фиг. 1) вход (1) устройства, первый выход (2) устройства, реализующий функцию выхода фильтра низких частот, второй выход (3) устройства, реализующий функцию выхода полосового фильтра, третий выход (4) устройства, реализующий функцию выхода режекторного фильтра, первый (5) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, второй (6) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, третий (7) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, первый (8) частотозадающий конденсатор, включенный между первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, и общей шиной источников питания, второй (9) частотозадающий конденсатор, включенный между вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, и общей шиной источников питания, выход первого (5) мультидифференциального операционного усилителя связан с инвертирующим входом второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя и соединен с третьим выходом (4) устройства, реализующим функцию выхода режекторного фильтра, выход второго (6) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан со вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, через первый (10) частотозадающий резистор, выход третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан с первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, через второй (11) частотозадающий резистор, неинвертирующий вход первого порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены к первому выходу (2) устройства, реализующему функцию выхода фильтра низких частот, инвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход первого порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены ко второму выходу (3) устройства, реализующему функцию выхода полосового фильтра, инвертирующий вход второго порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя подключены к общей шине источника питания.
Существенный недостаток известного универсального фильтра состоит в том, что он не обеспечивает повышенное затухание АЧХ и не может использоваться в широком частотном диапазоне.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании универсального активного RC-фильтра, содержащего минимальное количество пассивных и активных элементов при заданном порядке передаточной функции, обладающего расширенным частотным диапазоном.
Поставленная задача решается тем, что в универсальном фильтре (фиг. 1), содержащем вход (1) устройства, первый выход (2) устройства, реализующий функцию выхода фильтра низких частот, второй выход (3) устройства, реализующий функцию выхода полосового фильтра, третий выход (4) устройства, реализующий функцию выхода режекторного фильтра, первый (5) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, второй (6) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, третий (7) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, первый (8) частотозадающий конденсатор, включенный между первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, и общей шиной источников питания, второй (9) частотозадающий конденсатор, включенный между вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, и общей шиной источников питания, выход первого (5) мультидифференциального операционного усилителя связан с инвертирующим входом второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя и соединен с третьим выходом (4) устройства, реализующим функцию выхода режекторного фильтра, выход второго (6) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан со вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, через первый (10) частотозадающий резистор, выход третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан с первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, через второй (11) частотозадающий резистор, неинвертирующий вход первого порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены к первому выходу (2) устройства, реализующему функцию выхода фильтра низких частот, инвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход первого порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены ко второму выходу (3) устройства, реализующему функцию выхода полосового фильтра, инвертирующий вход второго порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя подключены к общей шине источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - вход (1) устройства соединен с неинвертирующим входом первого порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя, инвертирующий вход первого порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя подключен к его выходу, неинвертирующий вход второго порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя соединен со вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра.
На чертеже фиг. 1 показана схема прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого УАЯСФ полосового, ФНЧ и режекторного фильтра на трех мультидифференциальных операционных усилителях в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 показаны обозначения входных портов в используемых мультидифференциальных операционных усилителях.
На чертеже фиг. 4 приведены АЧХ заявляемой схемы фильтра фиг. 2, полученные в среде Micro-Cap.
Универсальный активный RC-фильтр, обеспечивающий реализацию на его выходах полосового фильтра, фильтра низких частот и режекторного фильтра, на трех мультидифференциальных операционных усилителях (фиг. 2) содержит вход (1) устройства, первый выход (2) устройства, реализующий функцию выхода фильтра низких частот, второй выход (3) устройства, реализующий функцию выхода полосового фильтра, третий выход (4) устройства, реализующий функцию выхода режекторного фильтра, первый (5) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, второй (6) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, третий (7) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, первый (8) частотозадающий конденсатор, включенный между первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, и общей шиной источников питания, второй (9) частотозадающий конденсатор, включенный между вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, и общей шиной источников питания, выход первого (5) мультидифференциального операционного усилителя связан с инвертирующим входом второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя и соединен с третьим выходом (4) устройства, реализующим функцию выхода режекторного фильтра, выход второго (6) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан со вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, через первый (10) частотозадающий резистор, выход третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан с первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, через второй (11) частотозадающий резистор, неинвертирующий вход первого порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены к первому выходу (2) устройства, реализующему функцию выхода фильтра низких частот, инвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход первого порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены ко второму выходу (3) устройства, реализующему функцию выхода полосового фильтра, инвертирующий вход второго порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя подключены к общей шине источника питания. Вход (1) устройства соединен с неинвертирующим входом первого порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя, инвертирующий вход первого порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя подключен к его выходу, неинвертирующий вход второго порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя соединен со вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра.
В схеме фиг. 2 источник напряжения 12 является источником входного сигнала.
Рассмотрим работу предлагаемой схемы фильтра фиг. 2, используя уравнения для его основных параметров, а также результаты компьютерного моделирования, представленные на чертеже фиг. 4.
Обобщенная передаточная функция УАЯСФ второго порядка описывается выражением
где ω0, ωp - частота нуля и полюса передаточной функции, d0, dp - затухание нуля и полюса передаточной функции, М - коэффициент передачи фильтра.
Введем обозначения: R10, R11 - сопротивления первого 10 и второго 11 частотозадающих резисторов, С8, С9 - емкости первого 8, второго 9 частотозадающих конденсаторов соответственно. Поэтому предлагаемой схеме фиг. 2 со входа 1 на третий выход 4 устройства, реализующий функцию выхода режекторного фильтра, соответствует следующая передаточная функция
где τ1 = R10 С9, τ2 = R11 C8.
Коэффициент передачи РФ на нулевой и бесконечно большой частотах равен единице:
М = 1.
Со входа 1 на второй выход 3 устройства, реализующий функцию выхода полосового фильтра, соответствует передаточная функция, которая представлена ниже
При этом коэффициент передачи ПФ на частоте полюса равен единице:
М = -1.
Со входа 1 универсального активного RC-фильтра фиг. 2 на первый выход 2 устройства, реализующий функцию выхода фильтра нижних частот, соответствует передаточная функция
а его коэффициент передачи на нулевой частоте равен единице:
М = 1.
Параметры схем всех рассмотренных выше фильтров, такие как частота полюса
и затухание полюса
определяются одинаковыми математическими выражениями.
Анализ графиков фиг. 4 показывает, что УАЛСФ фиг. 2 позволяет реализовать на его выходах полосовой фильтр, фильтр низких частот и режекторный фильтр. При этом заявляемое устройство фиг. 2 содержит минимальное количество пассивных и активных элементов при заданном порядке передаточной функции, а также обладает расширенным частотным диапазоном за счет положительного влияния на данный параметр частотных характеристик МОУ.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
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 Integrated 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. Патент SU 1777233, 1990 г.
6. Патент SU 1755365, 1990 г.
7. Патент SU 1788570, 1993 г.
8. Патент RU 2019023, 1980 г.
9. Патент RU 2089998, 1992 г.
10. Патент SU 2089041, 1990 г.
11. Патент RU 2702499, 2019 г.
12. Патент RU 2702496, 2019 г.
13. Патент RU 2710292, 2019 г.
14. Патент RU 2710852, 2020 г.
15. Патент RU 2149499, 2000 г.
16. Универсальный активный RC-фильтр. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/State_variable_filter
Универсальный активный RC-фильтр, обеспечивающий реализацию на его выходах полосового фильтра, фильтра низких частот и режекторного фильтра, на трех мультидифференциальных операционных усилителях, содержащий вход (1) устройства, первый выход (2) устройства, реализующий функцию выхода фильтра низких частот, второй выход (3) устройства, реализующий функцию выхода полосового фильтра, третий выход (4) устройства, реализующий функцию выхода режекторного фильтра, первый (5) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, второй (6) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, третий (7) мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, первый (8) частотозадающий конденсатор, включенный между первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, и общей шиной источников питания, второй (9) частотозадающий конденсатор, включенный между вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, и общей шиной источников питания, выход первого (5) мультидифференциального операционного усилителя связан с инвертирующим входом второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя и соединен с третьим выходом (4) устройства, реализующим функцию выхода режекторного фильтра, выход второго (6) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан со вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра, через первый (10) частотозадающий резистор, выход третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом первого порта и связан с первым выходом (2) устройства, реализующим функцию выхода фильтра низких частот, через второй (11) частотозадающий резистор, неинвертирующий вход первого порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены к первому выходу (2) устройства, реализующему функцию выхода фильтра низких частот, инвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход первого порта второго (6) мультидифференциального операционного усилителя объединены и подключены ко второму выходу (3) устройства, реализующему функцию выхода полосового фильтра, инвертирующий вход второго порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход второго порта третьего (7) мультидифференциального операционного усилителя подключены к общей шине источника питания, отличающийся тем, что вход (1) устройства соединен с неинвертирующим входом первого порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя, инвертирующий вход первого порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя подключен к его выходу, неинвертирующий вход второго порта первого (5) мультидифференциального операционного усилителя соединен со вторым выходом (3) устройства, реализующим функцию выхода полосового фильтра.
