Rlc-фильтр низких частот на повторителях напряжения

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат: создание условий, при которых реализуется RLC-фильтр низких частот на повторителях напряжения с возможностью независимой перестройки основных параметров при постоянных значениях частотозадающей индуктивности или ёмкости частотозадающего конденсатора. Для этого предложен RLC-фильтр низких частот на повторителях напряжения, который содержит вход (1) и выход (2) устройства, согласующий резистор (3), частотозадающую индуктивность (4), частотозадающий конденсатор (5). В схему введены первый (6), второй (7) и третий (8) дополнительные повторители напряжения, первый (9) дополнительный резистор, второй (10) и третий (11) дополнительные резисторы, четвертый (12) дополнительный резистор. 5 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве устройства выделения заданного спектра сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.

Классические RLC-фильтры низких частот (ФНЧ) относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств фильтрации [1-23], определяющих качественные показатели многих радиотехнических и измерительных систем. Практическому применению ARCФ данного класса посвящено более 1000 научных статей в разных странах мира, в том числе [1-23]. Сегодня в радиотехнике перестройка частоты полюса ФНЧ обеспечивается тремя известными способами – изменением емкости RLC-фильтра [8,10], изменением индуктивности [8] и одновременным изменением емкости и индуктивности RLC-фильтра [8]. Для микроэлектронных устройств, такие методы изменения параметров ФНЧ не всегда приемлемы, так как это усложняет технологический процесс изготовления ФНЧ.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является классический RLC-фильтр низких частот, описанный в книге [Современная теория фильтров и их проектирование : пер. с англ. / Ред. Г. Темеш, С. Митра . – М. : Мир, 1977 . – 560 с. (стр. 345, ФИГ. 8.6)]. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, согласующий резистор 3, частотозадающую индуктивность 4, частотозадающий конденсатор 5.

Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что в нем для перестройки основных параметров необходимо изменять численные значения частотозадающей индуктивности 4 или ёмкости частотозадающего конденсатора 5.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании фильтра низких частот, в котором предусмотрена возможность резистивной подстройки основных параметров - частоты полюса и добротности полюса разными резисторами при постоянных значениях частотозадающей индуктивности 4 и ёмкости частотозадающего конденсатора 5.

Поставленная задача достигается тем, что в фильтре низких частот фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, согласующий резистор 3, частотозадающую индуктивность 4, частотозадающий конденсатор 5, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введены первый 6, второй 7 и третий 8 дополнительные повторители напряжения, вход устройства 1 связан с выходом устройства 2 через последовательно соединенные согласующий резистор 3 и первый 9 дополнительный резистор, общий узел которых соединен со входом второго 7 дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого 6 дополнительного повторителя напряжения через частотозадающую индуктивность 4, выход устройства 2 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные второй 10 и третий 11 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом третьего 8 дополнительного повторителя напряжения, выход третьего 8 дополнительного повторителя напряжения соединен со входом перового 6 дополнительного повторителя напряжения через четвертый 12 дополнительный резистор, причем вход первого 6 дополнительного повторителя напряжения соединен с общей шиной источника питания через частотозадающий конденсатор 5.

На чертеже фиг. 1 показана схема ФНЧ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого фильтра низких частот в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг. 3 приведена схема ФНЧ фиг. 2 в среде моделирования Micro-Cap. В случае применения ФНЧ для диапазона более высоких частот численные значения параметров его пассивных элементов могут иметь другие значения.

На чертеже фиг. 4 показана амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 с настройкой частоты полюса (ω_p) резистором R3.

На чертеже фиг. 5 представлена амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 с настройкой частоты полюса (ω_p) резистором R5.

RLC-фильтр низких частот на повторителях напряжения фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, согласующий резистор 3, частотозадающую индуктивность 4, частотозадающий конденсатор 5. В схему введены первый 6, второй 7 и третий 8 дополнительные повторители напряжения, вход устройства 1 связан с выходом устройства 2 через последовательно соединенные согласующий резистор 3 и первый 9 дополнительный резистор, общий узел которых соединен со входом второго 7 дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого 6 дополнительного повторителя напряжения через частотозадающую индуктивность 4, выход устройства 2 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные второй 10 и третий 11 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом третьего 8 дополнительного повторителя напряжения, выход третьего 8 дополнительного повторителя напряжения соединен со входом перового 6 дополнительного повторителя напряжения через четвертый 12 дополнительный резистор, причем вход первого 6 дополнительного повторителя напряжения соединен с общей шиной источника питания через частотозадающий конденсатор 5.

Рассмотрим характеристики схемы ФНЧ фиг. 2, представленные на чертежах фиг. 4 и фиг. 5.

Из чертежа фиг. 4 следует, что за счет изменения сопротивления резистора R3 в схеме фиг. 3 изменяется частота полюса ω_p, причем с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса в ФНЧ увеличивается. В схеме фиг. 3 возможна также регулировка частоты полюса путем изменения сопротивления резистора R4. При этом с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса будет уменьшаться. Следует отметить, что частота полюса в схеме на графике фазо-частотной характеристики – это частота, на которой фазовый угол равен -90⁰.

Если в схеме фиг. 3 изменять сопротивление резистора R5, то изменяется добротность полюса Q (фиг. 5), а частота полюса остается неизменной, причем увеличение сопротивления резистора R5 приводит к увеличению Q. Аналогичным образом в схеме фиг. 3 можно изменять Q за счет изменения сопротивления резистора R6, причем его увеличение будет приводить к уменьшению Q. Следует отметить, что величина Q в схеме фиг. 3 определяется крутизной фазо-частотной характеристики (фиг. 5), причем чем она выше, тем больше Q, а также частотами, на которых фазовый угол равен -45° и -135°.

Работа заявляемого фильтра низких частот в тяжелых условиях эксплуатации (проникающая радиация, низкие или высокие температуры) определяется стабильностью пассивных элементов его схемы (R, L, C), а также используемых повторителей напряжения, которые рекомендуется выполнять на JFET Si, GaN, GaAs, SiC, КНИ, SiGe25VR и других технологических процессах.

В тех случаях, когда нагрузка заявляемого устройства, подключаемая к его выходу 2 – низкоомная (например, 75 Ом), предлагаемый фильтр имеет еще одно важное преимущество – его выходной повторитель напряжения 6 может проектироваться как буферный усилитель на мощных выходных транзисторах, например, как это сделано в микросхеме LT1010 [24].

Предлагаемая схема ФНЧ допускает цифровую подстройку основных параметров при постоянных значениях индуктивности частотозадающей индуктивности (L4) и ёмкости частотозадающего конденсатора (C5). Для этого необходимо использовать вместо управляемых резисторов схемы применять микросхемы цифровых потенциометров или их цифровую КМОП коммутацию.

Таким образом, заявляемый ФНЧ характеризуется подстройкой основных параметров при L4=constant, С5=constant, что является его существенным преимуществом в сравнении с прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 6.854.005, fig. 13a, fig. 13b, 2005 г.

2. Патент US 4.884.036, fig. 13, fig. 45, 1989 г.

3. Патент US 6.032.166, fig. 3, 2000 г.

4. Патент US 6.694.128, fig. 66, fig. 67, fig. 68, 2004 г.

5. Патент US 6.879.817, fig. 95, 2005 г.

6. Патент US 4.594.648, fig. 4, 1986 г.

7. Патент US 5.694.439, fig. 4, 1997 г.

8. Патент US 10.044.084, fig. 2, fig. 6, fig. 7, fig. 9, fig. 10, 2018 г.

9. Авт. св. 344563, 1972 г.

10. Заявка на патент US 2017/0026021, 2017 г.

11. Патент DE 69737805, fig. 3, 2008 г.

12. Патент EP 0393644, fig. 6, fig. 17, 1990 г.

13. Патент US 5.844.451, fig. 5, 1998 г.

14. Патент RU 2520422, fig. 1, 2012 г.

15. Патент US 6854005, fig. 12a, fig. 13a, 2005 г.

16. Современная теория фильтров и их проектирование : пер. с англ. / Ред. Г. Темеш, С. Митра . – М. : Мир, 1977 . – 560 с. (стр. 113, фиг. 3.19)

17. Chéron J. et al. Wideband harmonically matched packaged GaN HEMTs with high PAE performances at S-band frequencies //International Journal of Microwave and Wireless Technologies. – 2013. – Т. 5. – №. 4. – С. 437-445. (fig. 6)

18. AN-1364 «Differential Filter Design for a Receive Chain in Communication Systems» Analog Devices, 2015, pp.1-10 (Figure 10, Figure 13)

19. Pease R. (ed.). Analog circuits. – Newnes, 2008. (Figure 6-3, Figure 11-2, Figure 7-15)

20. Аналоговые Г. Л. цифровые фильтры: расчет и реализация. – М: Мир,1982, 592 с. (Рис. 8.26, Рис. 8.31, Рис. 8.39)

21. Assim, Ara Abdulsatar (2021): Implementation of an Inductorless 5th Order Band-Pass Filter. TechRxiv. Preprint. https://doi.org/10.36227/techrxiv.16689229.v1 (fig. 1)

22. A. S. Elwakil and B. J. Maundy, "Single Transistor Active Filters: What is Possible and What is Not," in IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 61, no. 9, pp. 2517-2524, Sept. 2014, doi: 10.1109/TCSI.2014.2332249. (table. III, IV, V)

23. Kumngern M. et al. Nanopower multiple-input DTMOS OTA and its applications to high-order filters for biomedical systems //AEU-International Journal of Electronics and Communications. – 2021. – Т. 130. – С. 153576. (fig. 5)

24.LT1010CN8 https://www.compel.ru/item-pdf/2c71acfcd46088db3d9ce391886075b9/pn/ltc~lt1010cn8.pdf .

RLC-фильтр низких частот на повторителях напряжения, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, согласующий резистор (3), частотозадающую индуктивность (4), частотозадающий конденсатор (5), отличающийся тем, что в схему введены первый (6), второй (7) и третий (8) дополнительные повторители напряжения, вход устройства (1) связан с выходом устройства (2) через последовательно соединенные согласующий резистор (3) и первый (9) дополнительный резистор, общий узел которых соединен со входом второго (7) дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого (6) дополнительного повторителя напряжения через частотозадающую индуктивность (4), выход устройства (2) связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные второй (10) и третий (11) дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом третьего (8) дополнительного повторителя напряжения, выход третьего (8) дополнительного повторителя напряжения соединен со входом первого (6) дополнительного повторителя напряжения через четвертый (12) дополнительный резистор, причем вход первого (6) дополнительного повторителя напряжения соединен с общей шиной источника питания через частотозадающий конденсатор (5).