Активный рс-фильтр второго порядкаи его вариант

 

О ll H C А Н И Е ()849449

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

/ ф" (61) Дополнительное к авт. саид-ву3 (5l)M. Кл. (22) Заявлено l 5. 09. 78 (21) 2666479/ 8-09 с присоединением заявки НЙ (23) Приоритет

Н 03 Н ll/04

Гесуднрстненнмй комитет

СССР

Опубликовано 23.07.8!. Бюллетень ре 27

II0 делам изобретений и открытий (53) УДК 62! 372, .57(088.8) Дата опубликования описания 25.07.8! (72) Автор изобретения

Г. Н. Славский

j ичес1сий институт

Ленинградский ордена Ленина полите им. М. И. Калинина (71) Заявитель (54) АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР ВТОРОГО ПОРЯДКА

И ЕГО ВАРИАНТ!

Изобретение относится к радиотех.нике и может использоваться в различных радиотехнических устройствах.

Известен активный RC-фильтр второго порядка, содержащий операционный

5 усилитель, неинвертирующии вход которого соединен через первый резистор с входом фильтра, второй и третий резисторы, подключенные первыми выводами к инвертирующему входу и выходу операционного усилителя соответственно, и Т-образный RC-мост, один вывод продольного емкостного плеча которого подключен к отводу первого делителя напряжения, включенного параллельно входу фильтра, поперечное резистивное плечо Т-образного RC-моста подключено к отводу второго делителя напряжения, включенного параллельно выходу операционного усилителя, являющегося выхо- н дом фильтра (1).

Однако известное устройство имеет недостаточный частотный диапазон.

Цель изобретения — расширение частотного диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что активный RC-фильтр второго порядка, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен через первый резистор с входом фильтра, второй и третий резисторы, подключенные первыми выводами к инвертирующему входу и выходу операционного усилителя соответственно, и

T-образный RC-мост, один вывод продольного емкостного плеча которого подключен к отводу первого делителя напряжения, включенного параллельно входу фильтра, поперечное реэистивное плечб Т-образного RC-моста подключено к отводу второго делителя напряжения, включенного параллельно выходу операционного усилителя, являющегося выхо" дом фильтра, введены два дополнитель-.

I ных резистора и дополнительный делитель напряжения, включенный параллельно входу фильтра, к отводу которого

849449 конденсаторов 5 и 6 и резистора 7, первый делитель напряжения, состоящий из резисторов 8 и 9, второй делитель напряжения, состоящий из резисторов 10 и 11, первый и второй дополнительные резисторы 12 и 13, дополнительный делйтель напряжения, состоящий из резисторов 14 и !5.

Вариант активного RC-фильтра

l0 (фиг. 2) содержит операционный усилитель (ОУ) I первый, второй и третий резисторы 2-4, Т-образный RC-мост, состоящий из двух конденсаторов 5 и 6 и резистора 7, первый делитель

l5 напряжения, состоящий из двух резисторов 8 и 9, транзистор 10, три дополнительных резистора 11-13, дополнительный делитель напряжения, состоящий из резисторов 14 и 15.

20 Сопротивление резистора 3 обозначено Ry, сопротивление резистора 14—

Rg, сопротивление резистора 15 - R сопротивление резистора 4 — В„; сопротивление резистора 2 — r . сопро25 тивление резистора 12 — r сопротивр

Х ление резистора II, (фиг. I) — r ; сопротивление ревротора 10 (фнг.11 — r ; сопротивление резистора 11 (фиг.2)

R3, сопротивление резистора 7 — гф,, 30 сопротивление резистора 9 — z„; сопро" тивление резистора 8 — z, сопротивление резистора 13 — z ; емкость кон р денсаторов 5 и 6 — С.

Кроме того, амплитудный корректор

55 обозначен АК.

Устройство работает следующим образом.

Реализуемая функция в общем случае имеет вид

+ / 9+1) где М вЂ” плоское усиление фильтра;

1р — ЧаСтота ПОЛюеа;

Q — добротность полюса;

45 ао,а,.а — коэффициенты, причем подключены вторые выводы второго и третьего резисторов, при этом первый дополнительный резистор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и общей шиной, второй допол нительный резистор включен между отводом первого делителя напряжения и выходом операционного усилителя, а другой вывод продольного емкостного плеча Т-образного RC-моста подключен к инвертирующему входу операционного усилителя.

Для этого в вариант активного

RC-фильтра второго порядка, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен через первый резистор с входом фильтра, вто1рой и третий резистор11, подключенные первыми выходами к инвертирующему входу и выходу операционного усилителя, и Т-образный RC-мост, один вывод продольного емкостного плеча ко" торого подключен к отводу первого делителя напряжения, включенного параллельно входу фильтра, прн этом выход операционного усилителя является выходом фильтра, введены транзистор, три дополнительных резистора и дополнительный делитель напряжения включенный параллельно входу фильтра к отводу которого подключены вторые выводы второго и третьего резисторов при этом первый дополнительный резистор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и общей шиной, второй дополнительный резистор включен между отводом первого делителя напряжения и выходом операционного усилителя, третий дополнительный резистор включен между эмиттером транзистора и общей шиной, база транзистора подключена к выходу операционного усилителя, коллектор транзистора подключен к точке соединения продольного емкостного и поперечного резистивного плечей Т-образgoro RC-моста, а его поперечное ре.зистивное плечо подключено к шине источника питания.

На фиг. 1 приведена электрическая

50 принципиальная схема активного RCфильтра второго порядка; на фиг.2 электрическая принципиальная схема его варианта.

Активный RC-фильтр (фиг. 1) содержит операционный усилитель (ОУ) 1, первый, второй и третий резисторы 2-4, Т-образный RC-мост, состоящий из двух и

II o(d+ä) ь, - 1н - R=R+R liR ц а= +2 Ъ о о фр (1 цР ),(R IIR R7 а =g-cc о о.

Надлежащим выбором соотношения коэффициентов передачи с6,46 и X делио телей напряжения обеспечивается не849449 6

ro усилителя I (сверху вниз направо на фиг. 1) обеспечивает сдвиг нуля

400 в сторону более высоких частот по сравнению с частотой полюсам реализуемой функции.

Он же повторно используется в направлении обратной передачи с выхода операционного усилителя l íà его вход (снизу вверх направо) для сдвига частоты полюсаЮР реализуемой функции в сторону более низких частот по срав-. нению с частотой настройки о) RC-цепи.

Делитель напряжения на резисторах 4, 14 и 15 в направлении прямой передаl5 чи (снизу вверх направо) сдвигаетС00 вниз по отношению ко .

Он же повторно .используется в цепи обратной связи (сверху вниз направо) сдвигаЮ в сторону более высоких частот по сравнению сЮ

Делитель напряжения на резисторах 2 и 12 служит для дозирования на- пряжений на входах операционного усилителя 1 с целью организации нуля функции передачи. При конечном значении коэффициента передачи А=„ этот делитель обеспечивает ноль функции передачи на конечных частотах (дробные функции).

Рассмотрим теперь назначение делителя напряжения на резисторах 10 и

l1 (для фиг. 1). обходимый вид передаточной функции (т.е. заданная величина коэффициентов а ). Например, для реализации дроб Я ных функций низких частот (ФНЧ-Д) и фильтра высоких частот (ФВЧ-Д), а так- 5 же симметричного режектора режекторного фильтра (РФ) выполняется условие баланса

2" о о d+2

t0

Для реализации ФНЧ, кроме того, обес-. печивается и т.д. 20

Величина — сдвиг частоты полюса fp по отношению к частоте настройки f< RC-цепи задается соотношением усиления по петлям обратной связи, т.е. соотношением коэффициентов пере- 5 дачи j3 и 02 делителей напряжения.

Величинуф/г желательно принимать по40 рядка единицы (можно показать, что оптимальные значения ГР/г в зависимости . от свойств ОУ 1 лежат в пределах Г2

vg

Задавшись величиной 0., и й/ на45 ходим

А=1

Если реализуется схема с Q gC g величина „ близка к единице. В схемах, где Яъ Я, величина близка к нулю (или даже обращается в ноль); В схемах, где Q)7$ при реализации их по

55 фиг. 1 потребуется положить ф = О и

lO принять ФЯ/Г )7 1, что очень нежелательно.

Выходом из этого положения является схизма на фиг. 2, в которой р„

0i =g о 2Щ„с1 Д вЂ” „!

= ld т

4 =с о дъ .р 2 f ЯВЩЯг

В случае реализации ФВЧ

2 +3, Ф/а

О о d+ 2 (Я, щ )/(Я,11Я +Р ) / ЪОЩ 1фэ=(2 112 )/(2 НЕ + 2„Ь);

Для реализации всех перечисленных функций в схемах принципиально сохраняются все элементы делителей напряжения на резисторах 9, 8-, 13,, 15, 14, 4 и 2, 12, (т.е. они не обрашаются в разрыв цепи или короткое замыкание), причем для реализации функций ФНЧ-Д, ФВЧ-g,pÔ,ÔH× 1,имеющих а, =О) их вели-. чины удовлетворяют условия баланса.

При реализации полосового фильтра (ЛФ) выбирают соотношение А = Яо = о . Для

:реализации фазового контура (ФК) требуется

Частота настройки Т-RC-цепиц >

1 — — неизменна во всех

С 122Г случаях.

Делитель напряжения на резисторах 8, 9 и 13 в направлении прямой передачи сигнала на вход операционном,о= .(—,, -"„- и „" ) О6(Ь,.с 2

849449

Функция ФНЧ-Д ФВЧ-Д ФНЧ-П„ ПФ ФК АК ф 0 4 О Ф 0

Ф 0 4 О (О 0

О О О

1 0 ФО О

О 0 0 а2

2ct

Условие баланса Xg .р-р с"о оЩ о

Ж =Г2(eeo57GI3a ) В (0 ( — коэффициент усиления дополнительного каскада на транзисторе), т.е. по петле р„ действует положиi" 4 тельная обратная связь (две инверсии фазы: в ОУ l и в дополнительном каскаде). При этом, даже при фцо}= I B 0,2 легко реализуются функции с

Q ))g . Требования к этому дополнительному усилительному каскаду при этом получаются очень невысокими. 10

При проектировании схем задаются частотой 1 настройки Rc-цепи, котот рая выбирается, обычно, некоторой средней частотой диапазона частот, переКрываемых проектируемой гребенкой фильтров. По частоте f> и частоте f данного фильтра /находят.g

Г /fl) и соотношение коэффициентов передачи делителей напряжения в цепях обратной связи .20 р р = p =(г„11 )!(Л„11 .7 );

p;(1 2) 4 2

Поскольку всегда 1) )О, а кроме тоI го величины !5, p связаны с коэфУ о 2 фициентами передачи с6 и g, тех же делителей напряжения в направлении прямой передачи сигнала, фактически (выражения Ф, а и я через элемен-, 45 о 2 о ты схемы) .

Таким образом в схемах (фиг. 1 и 2у реализуются все варианты биквадратной функции, кроме ФВЧ квазиполиномиального. вида (при а4 = а, = 0 а = 1).

Воэможность реализации частоты

fp (fp(v.å. f> 1) позволяет эффективно использовать их в диапазоне низких и инфранизких частот при ограниченной величине R и С частотноизбирательной

RC-цепи, так как здесь реализуется эффект умножения постоянной времени (C =RC) пассивной RC-цепи. остается свободньм только один пара. метр, который и выбирается конструктивно, например задаемся величиной

Также принимается величина отношения d = 1й7г. По принятым значениям ро, d и заданным $ и Q вычисляется параметр

8 = .(-, - —,,)

Если величина В 1 О, принимается, схема фиг. 1, в этом случае В характеризует коэффициент передачи делителя напряжения на резисторах 10 и Il:

8 = гамп/(г + г" ); если величина И ) О принимается схема фиг, 2, в этом случае В характеризует коэффициент усиления добавочного транзистора

8=hr/R св

Если величина В = О, обратная связь через резистор 7 не вводится.

Далее, в зависимости от вида реализуемой функции (в зависимости от значения коэффициентов а числителя о ид. функции) выбираются параметры дели.телей напряжения, состоящих из резисторов 9, 8, 13, 14, !5, 4, 2 и 12 и их элементов:

Возможность реализации частоты тр> 6т (т.е. ) (1) позволяет эффективно использовать в диапазоне относительно высоких частот при достаточно

t большой, конструктивно рациональной величине Й и С частотоизбирательной

RC-цепи (с тем,чтобы .минимизировать влияние паразитных,параметров схемы), опять же используя эффект трансформации постоянной времени RC-цепи.

Переход на другую частоту реализуемой функции (изменения частоты полюсов передаточной функции при одновременном согласованном изменении час849449 тоты нуля), а также переход от одного вида реализуемой функции к другому (дополнительное изменение добротности полюсов и независимое изменение часToTbl нуля передаточной функции) до- 5 стигается только изменением соотношения сопротивлений низкоомных резис" торов без изменения элементов частотоиэбирательной RC-цепи. Все выше сказанное особенно важно с точки зрения технологичности схемы, так как позволяет производить серию приборов на диапазон частот с одинаковыми частотноизбирательными цепями, которые являются наиболее громоздкой и дорогой 15 частью фильтра, а на стройку на вид заданной функции и на заданные частоты выполнять путем регулировки низкоомных цепей, которые конструктивно могут быть вынесены в отдельный суб- 20 блок управления, что особенно эффек- . тивно для микроэлектронного исполнения.

В предлагаемом устройстве- возможна

25 электронная перестройка частоты; схемы универсальны, так как реализуют набор функций второго порядка; схемы упрощены эа счет двойного использования делителей в цепи сигнала и обрат30 ной связи одновременно.

Формула изобретения

1. Активный RC-фильтр второго по35 рядка, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен через первый резистор с входом фильтра второй и третий резистоЭ

40 ры, подключенные первыми выводами к инвертирующему входу и выходу операционного усилителя соответственно, и Т-образный RC-мост, один вывод продольного емкостного плеча которого

45 подключен к отводу первого делителя напряжения, включенного параллельно входу фильтра, поперечное резистивное плечо T-образного RC-моста подключено к отводу второго делителя напряжения, 50 включенного параллельно выходу операционного усилителя, являющегося выходом фильтра, отличающийся тем, что, с целью расширения .частотного диапазона, введены два дополни55 тельных резистора и дополнительный делитель напряжения, включенный па.,раллельно входу фильтра, к отводу которого подключены вторые выводы второго и.третьего резисторов, при этом первый дополнительный резистор вклюI .чен между неинвертирующим входом операционного усилителя и обшей шиной, второй дополнительный резистор включен между отводом первого делителя напряжения и выходом операционного усилителя, а другой вывод продольного емкостного плеча Т-образного RC-моста подключен к инвертирующему входу операционного усилителя.

2. Активный RC-фильтр второго порядка, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен через первый резистор с входом фильтра, второй и третий резисторы, подключенные первыми выходами к инвертирующему входу и выходу операционного усилителя соответственно, и T-образный RG-мост, один вывод продольного емкостного плеча которого подключен к отводу первого делителя напряжения, включенного параллельно входу фильтра, при этом вьход операционного усилителя является выходом фильтра, отличающийся тем, что введены транзистор, три дополнительных резистора и дополнительный делитель напряжения, включенный параллельно входу фильтра, к отводу которого. подключены вторые выводы второго и третьего резисторов, при этом первый дополнительный резистор включен между неинвертирующим входом операционного усилителя и общей шиной, второй дополнительный резистор включен между отводом первого делителя напряжения и выходом операционного усилителя, третий дополнительный резистор включен между эмиттером транзистора и общей шиной, база транзистора подключена к выходу операционного усилителя, коллектор транзистора подключен к точке соединения продольного емкостного и поперечного резистивного плечей Т-образного RC-моста, à его поперечное резистивное плечо подключено к шине источника питания.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Гришин Е.В., Куфлевский Е.И. и Телик В.П. Высокоселективный фильтр нижних частот. — Сб. "Избирательные системы с обратной связью", Таганрог, 1976, вып, III с. 171 (прототип).