Широкополосный полосовой фильтр четвертого порядка с недифференциальным входом и парафазным выходом на классических операционных усилителях

Изобретение относится к радиотехнике и связи. Технический результат заключается в обеспечении расширенного диапазона частот и высокого затухания АЧХ за его пределами в полосовом фильтре четвертого порядка с недифференциальным входом и парафазным выходом на классических операционных усилителях. Фильтр содержит вход (1) устройства, связанный с источником сигнала (2), первый (3) и второй (4) выходы устройства, выходной операционный усилитель (5), последовательно соединенные первый (7) конденсатор, первый (8), второй (9) и третий (10) резисторы, общий узел первого (8) и второго (9) резисторов связан со вторым (4) выходом устройства через второй (11) конденсатор, общую шину источника питания (12), третий (13) конденсатор, четвертый (14) резистор, дополнительный конденсатор (15), дополнительный инвертирующий усилитель (16). 3 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве интерфейса для ограничения спектра источника сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.

Полосовые ARC-фильтры (ПФ) с недифференциальным входом и парафазным выходом относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств, определяющих качественные показатели многих радиотехнических систем, в том числе для цифровой обработки сигналов [1-36]. Наличие парафазного выхода является крайне важным качеством ARCФ, например, при его включении на входе АЦП с дифференциальным входом.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ARCФ, описанный в патенте RU 2697945 («Активный RC-фильтр нижних частот третьего порядка на базе операционного усилителя с парафазным выходом», МПК H03H 11/12, 2019 г.). Он содержит (фиг. 1) вход 1 устройства, связанный с источником сигнала 2, первый 3 и второй 4 выходы устройства, выходной операционный усилитель 5, причем выход 6 выходного операционного усилителя 5 соединен с первым 3 выходом устройства, выход 6 выходного операционного усилителя 5 подключен к первому 3 выходу устройства через последовательно соединенные первый 7 конденсатор, первый 8, второй 9 и третий 10 резисторы, общий узел первого 8 и второго 9 резисторов связан со вторым 4 выходом устройства через второй 11 конденсатор, источник сигнала 2 согласован с общей шиной источника питания 12, третий 13 конденсатор, четвертый 14 резистор.

Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что он не обеспечивает избирательную амплитудно-частотную характеристику полосового фильтра и не обладает расширенным диапазоном частот. Это ограничивает области использования данной схемы. Кроме этого, для построения ARCФ фиг. 1 необходимы так называемые полные операционные усилители, которые имеют более сложную схемотехнику и при прочих равных условиях характеризуются более низким уровнем обобщенных показателей качества, чем аналогичные классические ОУ при одинаковых технологиях их изготовления.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании широкополосного полосового фильтра четвертого порядка с недифференциальным входом и парафазным выходом на классических операционных усилителях, который имеет расширенный диапазон частот и обеспечивает более высокое затухание АЧХ за его пределами.

Поставленная задача достигается тем, что в активном RC-фильтре фиг. 1, содержащем вход 1 устройства, связанный с источником сигнала 2, первый 3 и второй 4 выходы устройства, выходной операционный усилитель 5, причем выход 6 выходного операционного усилителя 5 соединен с первым 3 выходом устройства, выход 6 выходного операционного усилителя 5 подключен к первому 3 выходу устройства через последовательно соединенные первый 7 конденсатор, первый 8, второй 9 и третий 10 резисторы, общий узел первого 8 и второго 9 резисторов связан со вторым 4 выходом устройства через второй 11 конденсатор, источник сигнала 2 согласован с общей шиной источника питания 12, третий 13 конденсатор, четвертый 14 резистор, предусмотрены новые элементы и связи - в схему устройства введены дополнительный конденсатор 15, дополнительный инвертирующий усилитель 16, причем вход 1 устройства связан с общим узлом второго 9 и третьего 10 резисторов через последовательно соединенные дополнительный конденсатор 15 и третий 13 конденсатор, общий узел дополнительного конденсатора 15 и третьего 13 конденсатора соединен со вторым 4 выходом устройства через четвертый 14 резистор, инвертирующий вход выходного операционного усилителя 5 подключен к общему узлу первого 7 конденсатора и первого 8 резистора, инвертирующий вход выходного операционного усилителя 5 согласован с общей шиной источника питания 12, выход 6 выходного операционного усилителя 5 связан со вторым 4 выходом устройства через дополнительный инвертирующий усилитель 16.

На фиг. 1 показана схема ARCФ-прототипа, а на фиг. 2 - схема заявляемого полосового активного фильтра четвертого порядка в соответствии с формулой изобретения.

На фиг. 3 представлены результаты компьютерного моделирования схемы ПФ фиг. 2.

Широкополосный полосовой фильтр четвертого порядка с недифференциальным входом и парафазным выходом на классических операционных усилителях фиг. 2 содержит вход 1 устройства, связанный с источником сигнала 2, первый 3 и второй 4 выходы устройства, выходной операционный усилитель 5, причем выход 6 выходного операционного усилителя 5 соединен с первым 3 выходом устройства, выход 6 выходного операционного усилителя 5 подключен к первому 3 выходу устройства через последовательно соединенные первый 7 конденсатор, первый 8, второй 9 и третий 10 резисторы, общий узел первого 8 и второго 9 резисторов связан со вторым 4 выходом устройства через второй 11 конденсатор, источник сигнала 2 согласован с общей шиной источника питания 12, третий 13 конденсатор, четвертый 14 резистор. В схему устройства введены дополнительный конденсатор 15, дополнительный инвертирующий усилитель 16, причем вход 1 устройства связан с общим узлом второго 9 и третьего 10 резисторов через последовательно соединенные дополнительный конденсатор 15 и третий 13 конденсатор, общий узел дополнительного конденсатора 15 и третьего 13 конденсатора соединен со вторым 4 выходом устройства через четвертый 14 резистор, инвертирующий вход выходного операционного усилителя 5 подключен к общему узлу первого 7 конденсатора и первого 8 резистора, инвертирующий вход выходного операционного усилителя 5 согласован с общей шиной источника питания 12, выход 6 выходного операционного усилителя 5 связан со вторым 4 выходом устройства через дополнительный инвертирующий усилитель 16.

Рассмотрим работу схемы ПФ фиг. 2.

Передаточная функция схемы полосового фильтра четвертого порядка описывается выражением

где b_i и a_i- коэффициенты числителя и знаменателя передаточной функции (1).

Характер изменения АЧХ и ФЧХ фильтра от частоты зависят от численных значений b_i и a_i передаточной функции (1). В свою очередь эти коэффициенты определяются топологией схемы и параметрами пассивных элементов - сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов. Для схемы, приведенной на фиг. 2, коэффициенты передаточной функции определяются соотношениями

где R₁, R₂, R₃, R₄ - сопротивления резисторов 14, 10, 9 и 8 соответственно, C₁, C₂, C₃, C₄ - емкости конденсаторов 15, 13, 11 и 7 соответственно.

В результате компьютерного моделирования схемы, приведенной на фиг. 2, в программе схемотехнического моделирования Micro-Cap при выбранных значениях параметров элементов R₁ = R₂ = 1 кОм, R₃ = R₄ = 10 кОм, C₁ = C₂ = 159,1 нФ и C₃ = C₄ = 1591 пФ была получена АЧХ фиг. 3 полосового фильтра фиг. 2. Это подтверждает работоспособность предлагаемого схемотехнического решения, причем передаточная функция фильтра четвертого порядка реализуется путем применения минимального количества пассивных и активных элементов в схеме ARCФ, который имеет расширенный диапазон частот и повышенное ослабление сигнала за его пределами.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. 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.

2. Патент RU 2697945, 2019 г.

3. Патентная заявка US 2007/0057732, 2007 г.

4. Патент RU 2063657, fig. 1, 1996 г.

5. Патент JP 60-254813, 1985 г.

6. Патент JP 7-283690б 1995 г.

7. Патент GB 1334019, fig. 3, 1973 г.

8. Патент SU 1187241, 1983 г.

9. Патент SU 813694, 1981 г.

10. Патент JP 63-240114, 1988 г.

11. Патент US 3736517, 1973 г.

12. Патент US 6407627, 2002 г.

13. Патент SU 510778, 1976 г.

14. Патент SU 813695, 1981 г.

15. Патент SU 849449, 1981 г.

16. Патент SU 932597, fig. 1, 1982 г.

17. Патент SU 1062850, 1983 г.

18. Патент WO 2014/062085, fig. 3, fig. 2a, fig. 5, fig. 6, 2014 г.

19. Патентная заявка US 2011/0012678, 2011 г.

20. Патент US 3.999.137, 1976 г.

21. Патент US 4.015.224, 1977 г.

22. Патентная заявка US 2017/0033759, 2017 г.

23. Патент US 8.872.586, fig. 4, 2014 г.

24. Патент RU 2694740, fig. 2, 2018 г.

25. Патент US 7.605.649, fig. 19, fig. 24, 2019 г.

26. Патентная заявка US 2014/0328440, fig. 2, fig. 5, fig. 7, 2014 г.

27. Патент US 7.276.965, fig. 18, fig. 19, fig. 24, 2007 г.

28. Патент US 7.551.024, fig. 18, fig. 19, fig. 24, fig. 39a, 2009 г.

29. Патент CN 110365308, fig. 2, fig. 3, 2019 г.

30. Патентная заявка US 2015/0318836, fig. 6f, fig.6b, fig. 7a, fig. 7b, 2015 г.

31. Патент US 6.344.773, fig. 1, fig. 3, fig. 4, 2002 г.

32. Патент CN 109.450.402, fig. 1, fig. 2, 2018 г.

33. Патентная заявка US 2010/0322440, fig. 3, 2010 г.

34. Патент US 7.202.738, fig. 1, 2007 г.

35. Патент RU 2695981, 2019 г.

36. Патентная заявка US 2017/0077903, fig. 2, fig. 5, fig. 6, fig. 7, fig. 8 , 2017 г.

Широкополосный полосовой фильтр четвертого порядка с недифференциальным входом и парафазным выходом на классических операционных усилителях, содержащий вход (1) устройства, связанный с источником сигнала (2), первый (3) и второй (4) выходы устройства, выходной операционный усилитель (5), причём выход (6) выходного операционного усилителя (5) соединён с первым (3) выходом устройства, выход (6) выходного операционного усилителя (5) подключен к первому (3) выходу устройства через последовательно соединённые первый (7) конденсатор, первый (8), второй (9) и третий (10) резисторы, общий узел первого (8) и второго (9) резисторов связан со вторым (4) выходом устройства через второй (11) конденсатор, источник сигнала (2) согласован с общей шиной источника питания (12), третий (13) конденсатор, четвертый (14) резистор, отличающийся тем, что в схему устройства введены дополнительный конденсатор (15), дополнительный инвертирующий усилитель (16), причём вход (1) устройства связан с общим узлом второго (9) и третьего (10) резисторов через последовательно соединённые дополнительный конденсатор (15) и третий (13) конденсатор, общий узел дополнительного конденсатора (15) и третьего (13) конденсатора соединён со вторым (4) выходом устройства через четвертый (14) резистор, инвертирующий вход выходного операционного усилителя (5) подключен к общему узлу первого (7) конденсатора и первого (8) резистора, инвертирующий вход выходного операционного усилителя (5) согласован с общей шиной источника питания (12), выход (6) выходного операционного усилителя (5) связан со вторым (4) выходом устройства через дополнительный инвертирующий усилитель (16).