Полосовой фильтр n-го порядка

 

Использование: в различных селективных узлах радиоэлектронных устройств. Сущность изобретения: в полосовом фильтре N-го порядка, содержащем при N/2-четном последовательно соединенных М, где М = N/4+l, активных RC (ARC) секций 1-4, каждая из которых включает по крайней мере один обобщенный конвертор сопротивления (OK) 7, 16, 21, 30, для повышения верхней границы диапазона ARC-секции, кроме первой и М-ой, выполнены идентичными и каждая содержит OK 16,21, операционный усилитель (ОУ) 14, резисторы 10-13, 15, 17-20, 22-24, первая ARC-секция 1 выполнена на первом OK 7, резисторах 5, 6, 9, конденсаторе 8, М-ая ARC-секция 4 содержит ОУ 28, OK 30, резисторы 25-27, 29, 31, конденсатор 32. Перераспределяя петлевое усилие между коэффициентами передачи звеньев н ветвей обратной связи, не меняя при этом величины петлевого усиления, можно устранить перегрузку на выходах ОУ и тем самым повысить верхнюю границу динамического диапазона. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в различных селективных узлах радиоэлектронных устройств.

Известен активный полосовой фильтр (ПФ) восьмого порядка (Капустян В.И. Активные RC-фильтры высокого порядка. М: "Радио и связь", 1985, с.116, рис. 4.24. в), содержащий четыре звена ПФ второго порядка, построенные на трех операционных усилителях (ОУ), и три согласующих ОУ, объединяющих звенья.

Недостатком аналога является большое количество активных элементов.

Известен активный ПФ восьмого порядка (Капустян В.И. Активные RC-фильтры высокого порядка. М: "Радио и связь", 1985, с.118, рис.4.26), состоящий из четырех звеньев второго порядка на одном ОУ, двух интеграторов и одного согласующего ОУ.

Недостатком аналога является высокая чувствительность его передаточной функции к изменению параметров элементов. Из известных устройств наиболее близким решением прототипом является активный полосовой лестничный фильтр восьмого порядка (Справочник по расчету и проектированию ARC-схем /Букашкин С. А. и др. Под ред. А.А.Ланна. М: "Радио и связь", 1984, с.261, рис.5.28), содержащий три последовательно соединенные ARC-секции (АС), каждая из которых построена на основе обобщенного конвертора (OK) сопротивления (там же, стр.252, рис.5.23).

Недостатком прототипа является наличие значительных перегрузок на выходах ОУ, что существенно снижает верхнюю границу динамического диапазона.

Целью изобретения является повышение верхней границы динамического диапазона.

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема полосового фильтра N-го порядка; на фиг.2 принципиальная электрическая схема обобщенного конвертора сопротивления; на фиг.3 принципиальная электрическая схема полосового фильтра 8-го порядка.

Полосовой фильтр N-го порядка, причем N/2 четно, содержит M N/4+l ARC-секций 1-4 (фиг. 1). Первая ARC-секция 1 содержит первый 5, второй 6 и третий 9 резисторы, обобщенный конвертор сопротивления 7 и конденсатор 8. Каждая из ARC-секций, начиная со второй 2 и заканчивая (М-1)-й 3, содержит первый 10, второй 11, третий 12, четвертый 13, пятый 15, шестой 17, седьмой 18, восьмой 19, девятый 20, десятый 22, одиннадцатый 23 и двенадцатый 24 резисторы, операционный усилитель 14, первый 16 и второй 21 обобщенные конверторы сопротивления. М-ая ARC-секция 4 содержит первый 25, второй 26, третий 27, четвертый 29 и пятый 31 резисторы, операционный усилитель 28, обобщенный конвертор сопротивления 30 и конденсатор 32.

Обобщенный конвертор сопротивления (фиг.2) содержит первый 33 и второй 37 конденсаторы, первый 34 и второй 36 операционные усилители, первый 35 и второй 38 резисторы.

Полосовой фильтр N-го порядка работает следующим образом.

Входной сигнал подается на первый вывод первой ARC-секции, обрабатывается в соответствии с заданной функцией преобразования и снимается с третьего вывода М-й ARC-секции. При этом передаточная функция имеет вид где L число обобщенных конверторов сопротивления в схеме; A_[i-1]i элемент матрицы функций передачи схемы; определитель матрицы функций передачи схемы.

Верхнюю границу динамического диапазона многопетлевого фильтра можно повышать, перераспределяя петлевое усиление между коэффициентами передачи звеньев и коэффициентами передачи ветвей обратной связи, не меняя при этом величины петлевого усиления.

Матрица функций передачи полосового фильтра 8-го порядка (фиг.3) имеет вид где H_O1 C_1O/T; H₂₁ -C₁₂/T₁; H₁₂ (1/L₂₁ + p²D₂C₂₁)/T₂; H₃₂ (1/L₂₃ + p²D₂C₂₃)/T₂; Н₂₃= (-С₃₂-1/p²D₃L₃₂)/Т_З; Н₄₃ (-С_З4-1/p²D₃L₃₄)/Т_З; H₃₄ (1/L₄₃)/T₄; T₁ C_r/PD₁ + C₁₁ + 1/p²D₁L₁₁; T₂ 1/L₂₂ + p²D₂C₂₂; T₃ C₃₃ + 1/p²D₃L₃₃;
T₄ PC_н + 1/L₄₄ + P²D₄C₄₄;
C₁₁ G₂ + G₅ + G₁ + G₄; L₁₁ 1/G₃;
C₂₂ G₉ + G₇; L₂₂ 1 / G₈;
C₃₃ (G₁₆ + G₁₂ + G₁₇) (1+ (G₁₃ + G₁₄) / (G_1O + G₁₁)) + G₁₃;
1/L₃₃ (1+ (G₁₃ + G₁₄) / (G_1O + G₁₁)) G₁₅ + G₁₄;
C₄₄ G₂₀; L₄₄ 1/G₁₉; C₁₂ G₅; C_1O G₂;
C₂₁ G₇G₄/G₆; 1/L₂₁ G₈(1+G₉/G⁽₄²⁾/ G₄/G₆;
C₃₂ G_I3G_1O/G_1O + G₁₁); 1/L₃₂ G₁₄G_1O/(G_1O + G₁₁);
C₃₄ G₁₃G₁₁/(G_1O + G₁₁); 1/L₃₄ G₁₄G₁₁/(G_1O + G₁₁);
C₂₃ G₇G₁₂/G₆; 1/L₂₃ G₈(1+G₉/G⁽₄²⁾ G₁₂/G₆;
1/L₄₃ G₁₉G₁₇(1+G₂₀/G⁽₄⁴⁾ /G₁₈;
D_i G⁽₂ⁱ⁾G⁽₄ⁱ⁾/C⁽₁ⁱ⁾C⁽₃ⁱ⁾ коэффициент преобразования i-гo обобщенного конвертора сопротивления;
G⁽₂ⁱ⁾,G⁽₄ⁱ⁾ проводимость соответственно первого и второго резисторов i-го обобщенного конвертора сопротивления;
C⁽₁ⁱ⁾,C⁽₃ⁱ⁾ емкость соответственно первого и второго конденсаторов i-го обобщенного конвертора сопротивления;
G₁, G₂, С₃ проводимость соответственно первого, второго и третьего резисторов первой ARC-секции;
G₄, G₅, G₆, G₇, G₈, G₉, G₁₀, G₁₂, G₁₃, G₁₄, G₁₅, G₁₆ проводимость соответственно первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого, десятого, одиннадцатого и двенадцатого резисторов второй ARC-секции;
G₁₇, G₁₁, G₁₈, G₁₉, G₂₀ проводимость соответственно первого, второго, третьего, четвертого и пятого резисторов третьей ARC-секции;
С_r емкость конденсатора первой ARC-секции; С_н емкость конденсатора третьей ARC-секции; p jw оператор Лапласа.

Из выражений для Н_ij видно, что величины их числителей взаимонезависимы. Следовательно, перераспределяя усиление между Н₀₁, Н₁₂ и Н₂₁, Н₂₃ и Н₃₂, Н₃₄ и Н₄₃ и сохраняя неизменными попарные произведения H₁₂H₂₁,H₂₃H₃₂,H₃₄H₄₃, можно устранить перегрузки на выходах операционных усилителей и тем самым повысить верхнюю границу динамического диапазона.

Формула изобретения

Полосовой фильтр N-го порядка, содержащий при N/2-четном, последовательно соединенных М, где M N/4 + 1, активных RC (АRC)-секций, каждая из которых включает по крайней мере один обобщенный конвертор сопротивления, выполненный в виде первого и второго операционных усилителей, первого и второго резисторов, первого и второго конденсаторов, причем первый конденсатор, первый резистор, второй конденсатор и второй резистор соединены последовательно, первый вывод первого конденсатора соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя и является первым выводом обобщенного конвертора сопротивления, точка соединения первого конденсатора и первого резистора подключена к выходу второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и подключен к точке соединения первого резистора и второго конденсатора, при этом неинвертирующий вход второго операционного усилителя является вторым выводом обобщенного конвертора сопротивления и соединен со вторым выводом второго резистора, первый вывод которого подключен к выходу первого операционного усилителя и является третьим выводом обобщенного конвертора сопротивления, отличающийся тем, что АRC-секции, кроме первой и М-ой, выполнены идентичными с первым и вторым входами и с первым и вторым выходами, при этом первый выход каждой предыдущей АRC-секции соединен с первым входом последующей АRC-секции, а второй выход каждой предыдущей АRC-секции со вторым входом последующей АRС-секции, причем вход первой АRC-секции является входом полосового фильтра N-го порядка, выходом которого является выход М-ой АRC-секции, первый и второй входы которой соединены с первым и вторым выходами (M-1)-ой АRC-секции, выход первой АRC-секции подключен к первому и второму входам второй ARС-секции, при этом первая АRC-секция выполнена на первом обобщенном конверторе сопротивления и введенных третьем, четвертом, пятом резисторах и третьем конденсаторе, причем первый и второй выводы третьего резистора являются соответственно входом и выходом первой АRC-секции, второй вывод третьего резистора соединен с вторым выводом первого обобщенного конвертора сопротивления и через четвертый резистор с общей шиной, первый вывод первого обобщенного конвертора сопротивления соединен с общей шиной через параллельно соединенный пятый резистор и третий конденсатор, каждая из последующих АRC-секций, кроме М-ой, выполнены на втором и третьем обобщенных конверторах сопротивления и введенных третьем операционном усилителе и с шестого по семнадцатый резисторах, при этом первые выводы шестого и седьмого резисторов являются соответственно первым и вторым входами, а вторые выводы тринадцатого и двенадцатого резисторов являются соответственно первым и вторым выходами этих АRC-секций, причем неинвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с общей шиной, а его инвертирующей вход со вторым выводом шестого резистора и первыми выводами восьмого и тринадцатого резисторов, выход третьего операционного усилителя подключен ко второму выводу восьмого резистора и через десятый и девятый резисторы соответственно к первому и второму выводам обобщенного конвертора сопротивления, второй вывод которого через одиннадцатый резистор соединен с общей шиной, а третий его вывод со вторым выводом седьмого резистора и с первым выводом двенадцатого резистора, второй вывод которого через четырнадцатый и пятнадцатый резисторы подключен соответственно ко второму и первому выводам третьего обобщенного конвертора сопротивления, первый вывод которого через шестнадцатый резистор соединен с общей шиной, а второй его вывод подключен ко второму выводу тринадцатого резистора и через семнадцатый резистор к общей шине, М-ая АRC- секция выполнена на четвертом обобщенном конверторе сопротивления и введенных четвертом конденсаторе, четвертом операционном усилителе и с восемнадцатого по двадцать второй резисторах, при этом первые выводы восемнадцатого и девятнадцатого резисторов являются, соответственно первым и вторым входами, а второй вывод девятнадцатого резистора выходом М-ой АRC-секции, причем неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен с общей шиной, его инвертирующий вход соединен с вторым выводом восемнадцатого резистора и через двенадцатый резистор с выходом четвертого операционного усилителя, первый вывод четвертого обобщенного конвертора сопротивления через двадцать первый резистор соединен с выходом четвертого операционного усилителя, а через четвертый конденсатор с общей шиной, второй вывод обобщенного конвертора сопротивления через двадцать второй резистор соединен с общей шиной, третий вывод обобщенного конвертора сопротивления подключен ко второму выводу девятнадцатого резистора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3