Полосовой активный фильтр

Предлагаемая полезная модель относится к радиоэлектронике и может быть использована в качестве входной перестраиваемой полосовой цепи профессиональных радиоприемных устройств. Задачей полезной модели является увеличение рабочего затухания фильтра в полосе задерживания и расширение функциональных возможностей - обеспечение возможности перестройки средней частоты фильтра. Полосовой активный фильтр содержит алгебраический сумматор, выполненный на дифференциальном операционном усилителе, к инвертирующему входу которого подключены первый и второй резисторы, к неинвертирующему входу подключены третий и четвертый резисторы, второй вывод первого резистора подключен к выходу операционного усилителя и выходной потенциальной клемме устройства, второй вывод третьего резистора соединен с общей шиной, второй вывод второго резистора является первым входом сумматора, второй вывод четвертого резистора является вторым входом сумматора, к первому входу сумматора подключены пятый резистор и первая катушка индуктивности, ко второму выводу которой подключен первый конденсатор, ко второму входу сумматора подключены шестой резистор и вторая катушка индуктивности, второй вывод которой соединен со вторым конденсатором. В устройство дополнительно введены третья, четвертая, пятая и шестая катушки индуктивности, третий и четвертый конденсаторы, а также четыре конденсатора переменной емкости, при этом вторые выводы пятого и шестого резисторов подключены к входной потенциальной клемме устройства, вторые выводы первого, второго, третьего и четвертого конденсаторов, а также вторые выводы пятой и шестой катушек индуктивности соединены с общей шиной, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы переменной емкости подключены параллельно первому, второму, третьему и четвертому конденсаторам соответственно.

Предлагаемая полезная модель относится к радиоэлектронике и может быть использована в качестве входной перестраиваемой полосовой цепи профессиональных радиоприемных устройств.

В радиоприемных устройствах находит применение полосовой пьезоэлектрический фильтр, в котором используется алгебраический сумматор, выполненный с применением дифференциального операционного усилителя и четырех резисторов, к которому подключены две секции, каждая из которых содержит резистор и пьезоэлектрический резонатор, эквивалентная электрическая схема которого представляет собой последовательный контур с параллельно подключенной к нему емкостью [1].

Эквивалентная электрическая схема этого фильтра близка к схеме предлагаемой полезной модели и выбрана нами в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является недостаточно высокий уровень затухания в полосе задерживания, поскольку схема реализует фильтр второго класса по затуханию, и невозможность его перестройки по частоте.

Задачей полезной модели является увеличение рабочего затухания фильтра в полосе задерживания и расширение функциональных возможностей - обеспечение возможности перестройки средней частоты фильтра.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее алгебраический сумматор, выполненный на дифференциальном операционном усилителе, к инвертирующему входу которого подключены первый и второй резисторы, к неинвертирующему входу подключены третий и четвертый резисторы, второй вывод первого резистора подключен к выходу операционного усилителя и выходной потенциальной клемме устройства, второй вывод третьего резистора соединен с общей шиной, второй вывод второго резистора является первым входом сумматора, второй вывод четвертого резистора является вторым входом сумматора, к первому входу сумматора подключены пятый резистор и первая катушка индуктивности, ко второму выводу которой подключен первый конденсатор, ко второму входу сумматора подключены шестой резистор и вторая катушка индуктивности, второй вывод которой соединен со вторым конденсатором, согласно предложению дополнительно введены третья, четвертая, пятая и шестая катушки индуктивности, третий и четвертый конденсаторы, а также четыре конденсатора переменной емкости, при этом вторые выводы пятого и шестого резисторов подключены к входной потенциальной клемме устройства, вторые выводы первого, второго, третьего и четвертого конденсаторов, а также вторые выводы пятой и шестой катушек индуктивности соединены с общей шиной, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы переменной емкости подключены параллельно первому, второму, третьему и четвертому конденсаторам соответственно.

Сопоставительный анализ показывает, что предлагаемая полезная модель отличается от прототипа тем, что в устройство дополнительно введены третья, четвертая, пятая и шестая катушки индуктивности, третий и четвертый конденсаторы, а также четыре конденсатора переменной емкости, при этом вторые выводы пятого и шестого резисторов подключены к входной потенциальной клемме устройства, вторые выводы первого, второго, третьего и четвертого конденсаторов, а также вторые выводы пятой и шестой катушек индуктивности соединены с общей шиной, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы переменной емкости подключены параллельно первому, второму, третьему и четвертому конденсаторам соответственно.

При сравнении заявляемой полезной модели не только с прототипом, но и с другими техническими решениями, известными в науке и технике, не обнаружены решения, обладающие сходными признаками.

На фиг.1 приведена электрическая схема предлагаемой полезной модели.

Схема содержит сумматор 1, выполненный на операционном усилителе 2, с подключенными к нему первым 3, вторым 4, третьим 5 и четвертым 6 резисторами. К первому входу сумматора подключены пятый резистор 7, первая катушка индуктивности 8, соединенная с первым конденсатором 9, по второму входу сумматора подключены шестой резистор 10 и вторая катушка индуктивности 11, соединенная со вторым конденсатором 12, кроме того, к первому входу сумматора подключены дополнительно третья катушка индуктивности 13, четвертая катушка индуктивности 14 с подключенным к ней третьим конденсатором 15, ко второму входу сумматора дополнительно подключены пятая катушка индуктивности 16 и шестая катушка индуктивности 17, с подключенным к ней четвертым конденсатором 18, дополнительные конденсаторы переменной емкости 19, 20, 21 и 22 подключены параллельно соответствующим конденсаторам 9, 12, 15 и 18. При этом вторые выводы пятого 7 и шестого 10 резисторов соединены с входной потенциальной клеммой фильтра, вторые выводы катушек индуктивности 13 и 16, а также вторые выводы конденсаторов 9, 12, 15 и 18 соединены с общей шиной.

Устройство работает следующим образом.

Первая секция фильтра, состоящая из резистора 7 и реактивных элементов 8, 9, 13, 14, 15, 19 и 21, реализует передаточную функцию от входа фильтра до первого входа сумматора

где

R - сопротивление резистора 7;

Z_а - сопротивление реактивного двухполюсника, содержащего индуктивности 8, 13, 14 и конденсаторы 9, 15, 19, 21.

Вторая группа реализует передаточную функцию от входа фильтра до второго входа сумматора

где

R - сопротивление резистора 10, равное сопротивлению резистора 7;

Z - реактивное сопротивление, составленное из реактивных элементов 11, 12, 16, 17, 18, 20, 21.

При условии, что резисторы сумматора 3, 4, 5, 6 равны между собой и значительно (в 3-4 раза) превышают величину резисторов 7 и 10, равную R, сумматор обеспечивает вычитание передаточных функций T₁ и T₂

Общая передаточная функция устройства соответствует передаточной функции симметричного мостового четырехполюсника, нагруженного на сопротивление R, в продольных ветвях которого включено реактивное сопротивление Z_а, а в диагональных - сопротивление Z_в.

Частотные зависимости реактивных сопротивлений предложенной схемы выбраны в соответствии с фиг.2.

При выбранном характере расположения резонансных частот сопротивлений Z_а и Z_в получаем передаточную функцию полосового фильтра четвертого класса по затуханию, полоса пропускания которого расположена между частотами _] и _2.

Вводя обозначения элементов двухполюсников Z_а и Z_в, как это показано на фиг.3, по методике, изложенной в работе [2], можно получить следующие формулы для расчета элементов этой схемы:

A=m₁+m₂+m ₃=m₄

B=m₁m₂ +m₁m₃+m₁m₄+m ₂m₃+m₂m₄+m₃ m₄

C=m₁m₂m ₃+m₁m₂m₄+m₂ m₃m₄+m₁m₃m₄

D=m₁m₂m₃m ₄

(i=1, 2, 3, 4)

Используя промежуточные обозначения в формулах для вычисления L_i

для вычисления L₅ и L ₆ из предыдущих соотношений получим

где

Данный фильтр является симметричным и имеет четвертый класс по затуханию, его входное сопротивление W определяется выражением [3]:

где

Z_с - характеристическое сопротивление фильтра,

R_н - сопротивление нагрузки на его входе,

- характеристическая фаза.

Так как на средней частоте фильтра кратна 180°, его входное сопротивление на этой частоте не зависит от величины Z_с и равно R_н. При одновременном и пропорциональном изменении емкости конденсаторов средняя частота фильтра будет изменяться, относительная ширина полосы пропускания будет постоянной, характеристическое сопротивление увеличивается пропорционально увеличению средней частоты. Входное сопротивление на средней частоте и на частотах близких к ней будет неизменным при перестройке средней частоты и рабочее затухание на этих частотах также не изменится.

Таким образом, введение переменных конденсаторов позволяет изменять среднюю частоту фильтра, выбранное схемное решение обеспечивает незначительное изменение вносимого затухания на средней частоте при перестройке фильтра и реализацию четырех полюсов затухания на любых заданных конечных частотах, что позволяет увеличить по сравнению с прототипом уровень затухания в полосе задерживания и крутизну скатов амплитудно-частотной характеристики.

Источники информации:

1. Патент 1579418. Активный пьезоэлектрический фильтр.

2. Великин Я.И., Гельмонт З.Я., Зелях Э.В. Пьезоэлектрические фильтры. Изд. «Связь», М., 1966.

3. Яковлев А.Н., Ясинский И.М. Анализ входных сопротивлений электрических фильтров. Техника радиосвязи, вып 14, 2009.

Полосовой активный фильтр, содержащий алгебраический сумматор, выполненный на дифференциальном операционном усилителе, к инвертирующему входу которого подключены первый и второй резисторы, к неинвертирующему входу подключены третий и четвертый резисторы, второй вывод первого резистора подключен к выходу операционного усилителя и выходной потенциальной клемме устройства, второй вывод третьего резистора соединен с общей шиной, второй вывод второго резистора является первым входом сумматора, второй вывод четвертого резистора является вторым входом сумматора, к первому входу сумматора подключены пятый резистор и первая катушка индуктивности, ко второму выводу которой подключен первый конденсатор, ко второму входу сумматора подключены шестой резистор и вторая катушка индуктивности, второй вывод которой соединен со вторым конденсатором, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены третья, четвертая, пятая и шестая катушки индуктивности, третий и четвертый конденсаторы, а также четыре конденсатора переменной емкости, при этом вторые выводы пятого и шестого резисторов подключены к входной потенциальной клемме устройства, вторые выводы первого, второго, третьего и четвертого конденсаторов, а также вторые выводы пятой и шестой катушек индуктивности соединены с общей шиной, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы переменной емкости подключены параллельно первому, второму, третьему и четвертому конденсаторам соответственно.