Полосовой rlc-фильтр на повторителях напряжения
Владельцы патента RU 2788180:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)
Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат: создание условий, при которых реализуется полосовой RLC-фильтр на повторителях напряжения с возможностью независимой настройки частоты полюса и добротности полюса разными резисторами при постоянных значениях ёмкости частотозадающего конденсатора и частотозадающей индуктивности. Для этого предложен полосовой RLC-фильтр на повторителях напряжения, который содержит вход (1) и выход (2) устройства, входной повторитель напряжения (3), согласующий резистор (4), выходной повторитель напряжения (5), частотозадающую индуктивность (6), частотозадающий конденсатор (7), вспомогательный резистор (8). В схему введены первый (9) и второй (10) дополнительные повторители напряжения, первый (11) и второй (12) дополнительные резисторы, третий (13) и четвертый (14) дополнительные резисторы, пятый (15) дополнительный резистор. 5 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве устройства выделения заданного спектра сигналов, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.
Классические полосовые RLC-фильтры (ПФ), относятся к числу достаточно распространенных ВЧ и СВЧ аналоговых устройств фильтрации [1-39], определяющих качественные показатели многих радиотехнических и измерительных систем. Практическому применению RLCФ данного класса посвящено значительное количество научных статей и патентов в разных странах мира, в том числе [1-39]. Сегодня в радиотехнике перестройка частоты полюса ПФ обеспечивается тремя известными способами – изменением емкости частотозадающего конденсатора [7,10,13,23,25-27] RLC-фильтра, изменением частотозадающей индуктивности [4,24] и одновременным изменением параметров частотозадающих конденсатора и индуктивности [2] RLC-фильтра. Для микроэлектронных устройств, такие методы изменения параметров ПФ не всегда приемлемы, так как это усложняет технологический процесс изготовления ПФ.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ПФ, представленный в статье [Amin F., Raman S., Koh K. J. Integrated Synthetic Fourth-Order Q-Enhanced Bandpass Filter With High Dynamic Range, Tunable Frequency, and Fractional Bandwidth Control // IEEE Journal of Solid-State Circuits. – 2019. – Т. 54. – №. 3. – С. 768-784. (Fig. 9, a)]. ПФ-прототип содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, входной повторитель напряжения 3, согласующий резистор 4, выходной повторитель напряжения 5, выход которого соединён с выходом 2 устройства, а вход связан с общей шиной источника питания через частотозадающий конденсатор 7, частотозадающая индуктивность 6, вспомогательный резистор 8, выход входного повторителя напряжения 3 соединён со входом выходного повторителя напряжения 5 через согласующий резистор 4.
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что в нем настройка основных параметров (частоты полюса и добротности полюса) возможны только за счёт изменения параметров частотозадающего конденсатора 7 (С7) [7,10,13,23,25-27] или частотозадающей индуктивности 6 (L6) [4,24], а также одновременным изменением частотозадающей индуктивности 6 (L6) и частотозадающего конденсатора 7 (С7) [2]. Как следствие, это ограничивает использование данной схемы ПФ, не позволяет выполнять на её основе адаптивные и измерительные системы, в которых невозможно изменение L6 и С7.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании полосового RLC-фильтра, в котором предусмотрена возможность независимой настройки частоты полюса и добротности полюса разными резисторами при постоянных значениях ёмкости частотозадающего конденсатора 7 и частотозадающей индуктивности 6.
Поставленная задача достигается тем, что в полосовом фильтре, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, входной повторитель напряжения 3, согласующий резистор 4, выходной повторитель напряжения 5, выход которого соединён с выходом 2 устройства, а вход связан с общей шиной источника питания через частотозадающий конденсатор 7, частотозадающая индуктивность 6, вспомогательный резистор 8, выход входного повторителя напряжения 3 соединён со входом выходного повторителя напряжения 5 через согласующий резистор 4, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введены первый 9 и второй 10 дополнительные повторители напряжения, выход устройства 2 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные первый 11 и второй 12 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом первого 9 дополнительного повторителя напряжения, выход первого 9 дополнительного повторителя напряжения связан со входом выходного повторителя напряжения 5 через частотозадающую индуктивность 6, выход устройства 2 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные третий 13 и четвертый 14 дополнительные резисторы, общий узел которых подключён ко входу второго 10 дополнительного повторителя напряжения, выход второго 10 дополнительного повторителя напряжения соединён со входом входного 3 повторителя напряжения через вспомогательный резистор 8, причем вход устройства 1 связан со входом 3 входного повторителя напряжения через пятый 15 дополнительный резистор.
На чертеже фиг. 1 показана схема ПФ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого полосового фильтра в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 приведена схема ПФ фиг. 2 в среде моделирования Micro-Cap. В случае применения ПФ для диапазона более высоких частот численные значения параметров его пассивных элементов могут иметь другие значения.
На чертеже фиг. 4 представлена амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ПФ фиг. 3 с настройкой частоты полюса (ωp) резистором R3.
На чертеже фиг. 5 показана амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ПФ фиг. 3 с настройкой добротности фильтра (Q) резистором R5.
Полосовой RLC-фильтр на повторителях напряжения фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, входной повторитель напряжения 3, согласующий резистор 4, выходной повторитель напряжения 5, выход которого соединён с выходом 2 устройства, а вход связан с общей шиной источника питания через частотозадающий конденсатор 7, частотозадающая индуктивность 6, вспомогательный резистор 8, выход входного повторителя напряжения 3 соединён со входом выходного повторителя напряжения 5 через согласующий резистор 4. В схему введены первый 9 и второй 10 дополнительные повторители напряжения, выход устройства 2 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные первый 11 и второй 12 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом первого 9 дополнительного повторителя напряжения, выход первого 9 дополнительного повторителя напряжения связан со входом выходного повторителя напряжения 5 через частотозадающую индуктивность 6, выход устройства 2 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные третий 13 и четвертый 14 дополнительные резисторы, общий узел которых подключён ко входу второго 10 дополнительного повторителя напряжения, выход второго 10 дополнительного повторителя напряжения соединён со входом входного 3 повторителя напряжения через вспомогательный резистор 8, причем вход устройства 1 связан со входом 3 входного повторителя напряжения через пятый 15 дополнительный резистор.
Рассмотрим характеристики схемы ПФ 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 ωp, причем с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса ПФ увеличивается. В схеме также возможна регулировка частоты полюса путем изменения сопротивления резистора R4. При этом с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса будет уменьшаться. Следует отметить, что частота полюса на графиках фазо-частотной характеристики – это частота, на которой фазовый угол равен -180°.
Если в схеме фиг. 3 изменять сопротивление резистора R5, то будет изменяться добротность полюса Q, а частота полюса остается неизменной (фиг. 5). Причем увеличение сопротивления резистора R5 приводит к уменьшению Q. Аналогичным образом в схеме можно изменять Q за счет изменения сопротивления резистора R6, причем его увеличение будет приводить к увеличению 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 -135° и -225°.
Работа заявляемого полосового фильтра в тяжелых условиях эксплуатации (проникающая радиация, низкие или высокие температуры) определяется стабильностью пассивных элементов его схемы (R, 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 (напрмер, 75 Ом), предлагаемый фильтр имеет еще одно важное преимущество – его выходной повторитель напряжения 5 может проектироваться как буферный усилитель, как это сделано в микросхеме LT1010 [40], на мощных выходных транзисторах, что обеспечивает повышенные выходные токи в низкоомной нагрузке.
Предлагаемая схема ПФ допускает цифровую подстройку основных параметров. Для этого необходимо вместо управляемых резисторов ПФ применять микросхемы цифровых потенциометров или использовать их цифровую КМОП-коммутацию.
Таким образом, заявляемый RLC ПФ характеризуется независимой подстройкой основных параметров при постоянных значениях ёмкости частотозадающего конденсатора С7 и частотозадающей индуктивности L6, что является его существенным преимуществом в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 3.750.052, fig. 1, 1973 г.
2. Патент US 3.947.934, 1976 г.
3. Патент US 3.750.052, fig. 1, 1973 г.
4. Патент US 4.123.732, fig. 1, fig. 2, fig. 3, 1978 г.
5. Патент US 4.884.036, fig. 14, fig. 16a, fig. 35, fig. 46, 1989 г.
6. Патент US 4.884.036, fig. 16a, 1989 г.
7. Патент US 5.065.456, 1991 г.
8. Патент US 5.032.810, fig. 5, 1991 г.
9. Патент US 5.844.451, fig. 4, fig. 7, 1998 г.
10. Патент US 5.028.894, fig. 1, fig. 2, 1991 г.
11. Патент US 5.907.242, fig. 3, 1996 г.
12. Патент US 6.854.005, fig. 12, fig. 13, 2005 г.
13. Патент US 6.879.817, fig. 78, fig. 105, 2005 г.
14. Патент US 6.069.541, fig. 1, fig. 3, fig. 10, 2000 г.
15. Патент US 7.667.557, fig. 4, 2010 г.
16. Патент CN 113098423, fig. 1, 2006 г.
17. Патент GB 1470695, fig. 3, 1974 г.
18. Патент JPH 11330890, fig. 1, 1999 г.
19. Патент RU 2372711, фиг. 1, 2009 г.
20. Патент RU 2402159, фиг. 1, 2010 г.
21. Патент RU 2536392, фиг. 1, 2013 г.
22. Авт. св. 200637, рис. 1, 1967 г.
23. Авт. св. 125849, 1960 г.
24. Авт. св. 1062855, 1982 г.
25. Авт. св. 196194, 1967 г.
26. Авт. св. 1417178, 1978 г.
27. Авт. св. 374704, 1973 г.
28. Авт. св. 231034, 1969 г.
29. Филатов К.В. Блоки и узлы видеоаппаратуры. Принципиальные схемы. Методы расчета: Учебное пособие. Ч. 3. Таганрог. Изд-во ТРТУ, 1999, 76 с. (рис. 1.12б, рис. 1.13б)
30. Современная теория фильтров и их проектирование : пер. с англ. / Ред. Г. Темеш, С. Митра . – М. : Мир, 1977 . – 560 с. (стр. 127, стр. 156, ФИГ. 4.33)
31. Ланнэ А. А. Оптимальный синтез линейных электрических цепей. М.: "Связь", 1969. 294 c. (стр. 242, Рис. 8.8)
32. Остапенко А. Г. Анализ и синтез линейных радиоэлектронных цепей с помощью графов: Аналоговые и цифровые фильтры. –М. Радио и связь, 1985. 280 с., ил. (стр. 182, Рис. 6.10)
33. Jarjar M. et al. Design of a 0.18 μm CMOS Inductor-Based Bandpass Microwave Active Filter //Embedded Systems and Artificial Intelligence. – Springer, Singapore, 2020. – С. 15-22. (стр. 19, Fig. 4)
34. Aparin V., Katzin P. Active GaAs MMIC band-pass filters with automatic frequency tuning and insertion loss control //IEEE journal of solid-state circuits. – 1995. – Т. 30. – №. 10. – С. 1068-1073. (Fig. 1)
35. Amin F., Raman S., Koh K. J. Integrated Synthetic Fourth-Order $ Q $-Enhanced Bandpass Filter With High Dynamic Range, Tunable Frequency, and Fractional Bandwidth Control //IEEE Journal of Solid-State Circuits. – 2019. – Т. 54. – №. 3. – С. 768-784. (Fig. 2, Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6)
36. R. Duncan, K. W. Martin and A. S. Sedra, "A Q-enhanced active-RLC bandpass filter," in IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing, vol. 44, no. 5, pp. 341-347, May 1997, doi: 10.1109/82.580837. (fig. 3)
37. Assim, Ara Abdulsatar (2021): Implementation of an Inductorless 5th Order Band-Pass Filter. TechRxiv. Preprint. https://doi.org/10.36227/techrxiv.16689229.v1 (fig. 3, fig. 6)
38. 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. II, table. III, table. IV, fig. 8)
39. 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)
40.LT1010CN8 https://www.compel.ru/item-pdf/2c71acfcd46088db3d9ce391886075b9/pn/ltc~lt1010cn8.pdf .
Полосовой RLC-фильтр на повторителях напряжения, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, входной повторитель напряжения (3), согласующий резистор (4), выходной повторитель напряжения (5), выход которого соединён с выходом (2) устройства, а вход связан с общей шиной источника питания через частотозадающий конденсатор (7), частотозадающая индуктивность (6), вспомогательный резистор (8), выход входного повторителя напряжения (3) соединён с входом выходного повторителя напряжения (5) через согласующий резистор (4), отличающийся тем, что в схему введены первый (9) и второй (10) дополнительные повторители напряжения, выход устройства (2) связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные первый (11) и второй (12) дополнительные резисторы, общий узел которых соединен с входом первого (9) дополнительного повторителя напряжения, выход первого (9) дополнительного повторителя напряжения связан с входом выходного повторителя напряжения (5) через частотозадающую индуктивность (6), выход устройства (2) связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные третий (13) и четвертый (14) дополнительные резисторы, общий узел которых подключён к входу второго (10) дополнительного повторителя напряжения, выход второго (10) дополнительного повторителя напряжения соединён с входом входного (3) повторителя напряжения через вспомогательный резистор (8), причем вход устройства (1) связан с входом (3) входного повторителя напряжения через пятый (15) дополнительный резистор.
