Активный rc-фильтр высоких частот подкласса саллен-ки на основе повторителей напряжения

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат: создание фильтра высоких частот подкласса Саллен-Ки, в котором предусмотрена возможность независимой настройки разными резисторами частоты полюса, добротности полюса и коэффициента передачи. Для этого предложен активный RC-фильтр высоких частот подкласса Саллен-Ки, который содержит вход (1) и выход (2) устройства, первый (3) и второй (4) частотозадающие конденсаторы, первый (5) и второй (6) частотозадающие резисторы, выходной повторитель напряжения (7), первый (8) и второй (9) дополнительные резисторы, третий (10) и четвертый (11) дополнительные резисторы, первый (12) дополнительный повторитель напряжения, второй (13) дополнительный повторитель напряжения, третий (14) дополнительный повторитель напряжения. 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.

АRC-фильтры высоких частот (ФВЧ) подкласса Саллен-Ки (Sallen-Key) на неинвертирующих усилителях относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств фильтрации [1-18], определяющих качественные показатели многих радиотехнических и измерительных систем. Практическому применению ARCФ данного класса посвящено более 200 научных статей и патентов в разных странах мира, в т.ч. [1-18]. В сравнении с ФВЧ Саллен-Ки на операционных усилителях (ОУ) в неинвертирующем включении [15-18], фильтры на повторителях напряжения (ПН) без общей отрицательной обратной связи, схемы которых приведены в [19-23], обладают рядом важных качеств:

- имеют предельно простые схемотехнические решения активного усилительного элемента ФВЧ (т.е. ПН), и как следствие, меньшее энергопотребление;

- могут быть реализованы на однотранзисторных истоковых [19-20] или SiGe эмиттерных [21-23] повторителях напряжения, что позволяет получить предельные значения рабочего диапазона частот, которые не реализуются в схемах на ОУ [15-18]. Заявляемое устройство относится к данному подклассу ARCФ Саллен-Ки.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ФВЧ по патенту US 9.263.043, fig. 4, 2016 г. (патентообладатель - University of Mississippi, США). Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие конденсаторы, первый 5 и второй 6 частотозадающие резисторы, выходной повторитель напряжения 7, выход которого связан с выходом 2 устройства.

Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что в нем не реализуется независимая настройка основных параметров (частоты полюса, добротности полюса и коэффициента передачи) – при настройке одного параметра ФВЧ изменяется другой. Как следствие, это требует итерационных процедур настройки, что ограничивает использование данной схемы ФВЧ и не позволяет выполнять на её основе адаптивные системы обработки аналоговой информации.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании фильтра высоких частот подкласса Саллен-Ки, в котором предусмотрена возможность независимой настройки разными резисторами частоты полюса, добротности полюса и коэффициента передачи.

Поставленная задача достигается тем, что в фильтре высоких частот фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие конденсаторы, первый 5 и второй 6 частотозадающие резисторы, выходной повторитель напряжения 7, выход которого связан с выходом 2 устройства, предусмотрены новые элементы и связи - выход выходного повторителя напряжения 7 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные первый 8 и второй 9 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом выходного повторителя напряжения 7 через последовательно соединённые третий 14 дополнительный повторитель напряжения и второй 6 частотозадающий резистор, причем вход третьего 14 дополнительного повторителя напряжения соединён с общим узлом последовательного соединённых первого 8 и второго 9 дополнительных резисторов, а второй 6 частотозадающий резистор включен между выходом третьего 14 дополнительного повторителя напряжения и входом выходного повторителя напряжения 7, выход выходного повторителя напряжения 7 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные третий 10 и четвертый 11 дополнительные резисторы, вход устройства 1 соединен со входом первого 12 дополнительного повторителя напряжения через первый 3 частотозадающий конденсатор, а выход первого 12 дополнительного повторителя напряжения соединен со входом выходного повторителя напряжения 7 через второй 4 частотозадающий конденсатор, общий узел третьего 10 и четвертого 11 дополнительных резисторов подключен ко входу второго 13 дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого 12 дополнительного повторителя напряжения через первый 5 частотозадающий резистор.

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

На чертеже фиг. 3 приведена схема ФВЧ фиг. 2 в среде моделирования Micro-Cap. В случае применения ФВЧ 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 ФВЧ фиг. 3 с настройкой частоты полюса (ω_p) резистором R3.

На чертеже фиг. 5 показана амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФВЧ фиг. 3 с настройкой добротности полюса Q резистором R5.

Активный RC-фильтр высоких частот подкласса Саллен-Ки на основе повторителей напряжения фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие конденсаторы, первый 5 и второй 6 частотозадающие резисторы, выходной повторитель напряжения 7, выход которого связан с выходом 2 устройства. Выход выходного повторителя напряжения 7 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные первый 8 и второй 9 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом выходного повторителя напряжения 7 через последовательно соединённые третий 14 дополнительный повторитель напряжения и второй 6 частотозадающий резистор, причем вход третьего 14 дополнительного повторителя напряжения соединён с общим узлом последовательного соединённых первого 8 и второго 9 дополнительных резисторов, а второй 6 частотозадающий резистор включен между выходом третьего 14 дополнительного повторителя напряжения и входом выходного повторителя напряжения 7, выход выходного повторителя напряжения 7 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные третий 10 и четвертый 11 дополнительные резисторы, вход устройства 1 соединен со входом первого 12 дополнительного повторителя напряжения через первый 3 частотозадающий конденсатор, а выход первого 12 дополнительного повторителя напряжения соединен со входом выходного повторителя напряжения 7 через второй 4 частотозадающий конденсатор, общий узел третьего 10 и четвертого 11 дополнительных резисторов подключен ко входу второго 13 дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого 12 дополнительного повторителя напряжения через первый 5 частотозадающий резистор.

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

Из чертежа фиг. 4 следует, что за счет изменения резистора R3 в схеме фиг. 3 изменяется частота полюса ω_p, причем с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса в фильтре 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 уменьшается. Следует отметить, что частота полюса на графиках фазо-частотных характеристик фиг. 4 и фиг. 5 – это частота, на которой фазовый угол равен 90°.

Если в схеме фиг. 3 изменять сопротивление резистора R5, то будет изменяться добротность полюса Q, а частота полюса остается неизменной, причем увеличение сопротивления резистора R5 приводит к уменьшению Q. Аналогичным образом в схеме фиг. 3 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, причем чем она выше, тем больше Q, а также частотами, на которых фазовый угол равен 135° и 45°.

Работа заявляемого фильтра высоких частот 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, предлагаемый фильтр имеет еще одно важное преимущество – его выходной повторитель напряжения 7 может проектироваться как буферный усилитель на мощных выходных транзисторах, а в качестве применяемых повторителей 12, 13, 14 могут использоваться более маломощные или широкополосные микросхемы. Такое разделение функций и требований к параметрам между повторителями напряжения 7, 12, 14 является еще одним достоинством заявляемой схемы ФВЧ, которая позволяет в зависимости от решаемой задачи получить более высокие обобщенные показатели качества.

Предлагаемая схема ФВЧ допускает цифровую подстройку основных параметров. Для этого необходимо применять микросхемы цифровых потенциометров или использовать вместо управляемых резисторов их цифровую КМОП-коммутацию.

Таким образом, заявляемый ФВЧ на повторителях напряжения характеризуется независимой подстройкой основных параметров, что является его существенным преимуществом в сравнении с ФВЧ-прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 6.854.005, fig. 2, fig. 11, 2005 г.

2. Патент US 9.124.251, fig. 3, 2015 г.

3. Патент US 6.388.511, fig. 2, 2002 г.

4. Патент 2723673, фиг. 9, 2020 г.

5. Патент US 7.988.638, fig. 7, 2011 г.

6. Патент US 6.687.379, fig. 5b, 2004 г.

7. Патент JPH 08256035, fig. 5, 1996 г.

8. Патент US 9.263.043, fig. 4, fig. 6, 2016 г.

9. Патент RU 2723673, fig. 9, 2020 г.

10. Заявка на патент US 2012/0289766, fig. 2, fig. 4, fig. 11, 2012 г.

11. Заявка на патент US 2003/0002694, fig. 2, 2003 г.

12. Патент US 6.388.511, fig. 2, 2002 г.

13. Kugelstadt T. Active filter design techniques //Op amps for everyone. – Newnes, 2009. – С. 365-438. (Figure 16-23, Figure 16-28, Figure 16-50)

14. P. Robert,” Analog Circuits World Class Designs,” Elsevier, 2008, 461 p. (fig. 7-9)

15. Патент US 6.541.977, fig. 8, 2003 г.

16. Патент US 8.565.448, fig. 2, fig. 5, 2013 г.

17. Патент CN 103346748, fig. 4

18. SU 298059, 1971 г.

19. US 9.124.251, fig. 3, 2015 г.

20. CN 102217204, fig. 6, 2009 Г.

21. US 7.835.434, fig. 8, 2010 г.

22. US 9.614.496 fig.2, fig. 4, 2017 г.

23. US 2006/0186951, fig. 2, fig. 3, 2006 г.

Активный RC-фильтр высоких частот подкласса Саллен-Ки на основе повторителей напряжения, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, первый (3) и второй (4) частотозадающие конденсаторы, первый (5) и второй (6) частотозадающие резисторы, выходной повторитель напряжения (7), выход которого связан с выходом (2) устройства, отличающийся тем, что выход выходного повторителя напряжения (7) связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные первый (8) и второй (9) дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом выходного повторителя напряжения (7) через последовательно соединённые третий (14) дополнительный повторитель напряжения и второй (6) частотозадающий резистор, причем вход третьего (14) дополнительного повторителя напряжения соединён с общим узлом последовательного соединённых первого (8) и второго (9) дополнительных резисторов, а второй (6) частотозадающий резистор включен между выходом третьего (14) дополнительного повторителя напряжения и входом выходного повторителя напряжения (7), выход выходного повторителя напряжения (7) связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные третий (10) и четвертый (11) дополнительные резисторы, вход устройства (1) соединен со входом первого (12) дополнительного повторителя напряжения через первый (3) частотозадающий конденсатор, а выход первого (12) дополнительного повторителя напряжения соединен со входом выходного повторителя напряжения (7) через второй (4) частотозадающий конденсатор, общий узел третьего (10) и четвертого (11) дополнительных резисторов подключен ко входу второго (13) дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого (12) дополнительного повторителя напряжения через первый (5) частотозадающий резистор.