Активный rc-фильтр
Владельцы патента RU 2677362:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)
Изобретение относится к области аналоговой микросхемотехники и может быть использовано в качестве устройства частотной селекции в современных системах связи и телекоммуникации. Технический результат заключается в уменьшение влияния площади усиления применяемых операционных усилителей (ОУ) на амплитудно-частотную характеристику полосового активного RC-фильтра и позволяет расширить диапазон рабочих частот фильтра, в том числе при использовании микромощных ОУ. Активный RC-фильтр содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3, второй 4 и третий 5 дифференциальные операционные усилители, первый 6 резистор, включенный между входом устройства 1 и неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, второй 7 резистор, включенный между неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и общей шиной 8, третий 9 резистор, включенный между неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и выходом устройства 2, четвертый 10 резистор, включенный между инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и общей шиной 8, пятый 11 резистор, включенный между выходом первого 3 операционного усилителя и инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, шестой 12 резистор, включенный между выходом первого 3 операционного усилителя и инвертирующим входом второго 4 операционного усилителя, седьмой 13 резистор, включенный между выходом второго 4 операционного усилителя и инвертирующим входом третьего 5 операционного усилителя, восьмой 14 резистор, включенный между выходом третьего 5 операционного усилителя и инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, первый 15 конденсатор, включенный между выходом второго 4 операционного усилителя и инвертирующим входом второго 4 операционного усилителя, второй 16 конденсатор, включенный между выходом третьего 5 операционного усилителя и инвертирующим входом третьего 5 операционного усилителя, причем неинвертирующий вход второго 4 операционного усилителя связан с общей шиной 8. При этом инвертирующий вход второго 4 операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом третьего 5 операционного усилителя. 3 ил.
Изобретение относится к области аналоговой микросхемотехники и может быть использовано в качестве устройства частотной селекции в современных системах связи и телекоммуникации.
Известно значительное количество схем активных полосовых RC-фильтров второго порядка, обеспечивающих выделение заданного спектра входных сигналов [1-8]. К числу их важнейших параметров относится добротность и коэффициент передачи на частоте резонанса [2].
Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является так называемый KHN полосовой фильтр (Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1984. – 384 с. Рис. 5.3-1 на стр. 208) [1]. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3, второй 4 и третий 5 дифференциальные операционные усилители, первый 6 резистор, включенный между входом устройства 1 и неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, второй 7 резистор, включенный между неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и общей шиной 8, третий 9 резистор, включенный между неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и выходом устройства 2, четвертый 10 резистор, включенный между инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и общей шиной 8, пятый 11 резистор, включенный между выходом первого 3 операционного усилителя и инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, шестой 12 резистор, включенный между выходом первого 3 операционного усилителя и инвертирующим входом второго 4 операционного усилителя, седьмой 13 резистор, включенный между выходом второго 4 операционного усилителя и инвертирующем входом третьего 5 операционного усилителя, восьмой 14 резистор, включенный между выходом третьего 5 операционного усилителя и инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, первый 15 конденсатор, включенный между выходом второго 4 операционного усилителя и инвертирующим входом второго 4 операционного усилителя, второй 16 конденсатор, включенный между выходом третьего 5 операционного усилителя и инвертирующим входом третьего 5 операционного усилителя, причем, неинвертирующий вход второго 4 операционного усилителя связан с общей шиной 8.
Существенный недостаток известного активного полосового
RC-фильтра второго порядка состоит в том, что с повышением частоты квазирезинанса на его амплитудно-частотную характеристику начинают оказывать существенное влияние площади усиления (GB) применяемых операционных усилителей (ОУ). Как следствие, при использовании в его структуре микромощных ОУ с «плохими» значениями GB диапазон рабочих частот фильтра-прототипа получается небольшим.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в уменьшении влияния GB применяемых операционных усилителей на амплитудно-частотную характеристику фильтра. Это позволяет расширить диапазон рабочих частот фильтра, в том числе при использовании микромощных операционных усилителей.
Поставленная задача достигается тем, что в активном полосовом RC-фильтре второго порядка содержащего вход 1 и выход 2 устройства, первый 3, второй 4 и третий 5 дифференциальные операционные усилители, первый 6 резистор, включенный между входом устройства 1 и неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, второй 7 резистор, включенный между неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и общей шиной 8, третий 9 резистор, включенный между неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и выходом устройства 2, четвертый 10 резистор, включенный между инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и общей шиной 8, пятый 11 резистор, включенный между выходом первого 3 операционного усилителя и инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, шестой 12 резистор, включенный между выходом первого 3 операционного усилителя и инвертирующим входом второго 4 операционного усилителя, седьмой 13 резистор, включенный между выходом второго 4 операционного усилителя и инвертирующем входом третьего 5 операционного усилителя, восьмой 14 резистор, включенный между выходом третьего 5 операционного усилителя и инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, первый 15 конденсатор, включенный между выходом второго 4 операционного усилителя и инвертирующим входом второго 4 операционного усилителя, второй 16 конденсатор, включенный между выходом третьего 5 операционного усилителя и инвертирующим входом третьего 5 операционного усилителя, причем, неинвертирующий вход второго 4 операционного усилителя связан с общей шиной 8, предусмотрены новые связи между элементами схемы – инвертирующий вход второго 4 операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом третьего 5 операционного усилителя.
На чертеже фиг. 1 показана схема полосового фильтра-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого устройства с уменьшенным влиянием GB на добротность и коэффициент передачи фильтра.
На чертеже фиг. 3 приведены результаты компьютерного моделирования амплитудно-частотных характеристик схемы заявляемого активного RC-фильтра (семейство графиков 1) и схемы KHN фильтра-прототипа (семейство графиков 2) в среде MicroCap на моделях операционных усилителей LF155.
Активный RC-фильтр фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3, второй 4 и третий 5 дифференциальные операционные усилители, первый 6 резистор, включенный между входом устройства 1 и неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, второй 7 резистор, включенный между неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и общей шиной 8, третий 9 резистор, включенный между неинвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и выходом устройства 2, четвертый 10 резистор, включенный между инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя и общей шиной 8, пятый 11 резистор, включенный между выходом первого 3 операционного усилителя и инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, шестой 12 резистор, включенный между выходом первого 3 операционного усилителя и инвертирующим входом второго 4 операционного усилителя, седьмой 13 резистор, включенный между выходом второго 4 операционного усилителя и инвертирующем входом третьего 5 операционного усилителя, восьмой 14 резистор, включенный между выходом третьего 5 операционного усилителя и инвертирующим входом первого 3 операционного усилителя, первый 15 конденсатор, включенный между выходом второго 4 операционного усилителя и инвертирующим входом второго 4 операционного усилителя, второй 16 конденсатор, включенный между выходом третьего 5 операционного усилителя и инвертирующим входом третьего 5 операционного усилителя, причем, неинвертирующий вход второго 4 операционного усилителя связан с общей шиной 8. Для достижения заявляемого положительного эффекта инвертирующий вход второго 4 операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом третьего 5 операционного усилителя.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг. 2. Свойства активного RC-фильтра второго порядка определяются коэффициентами его передаточной функции
где ωp – частота полюса, М – коэффициент передачи фильтра на частоте полюса, dp – затухание полюса,
Основные параметры (М, ωp и dp) полосового фильтра-прототипа (фиг.1) и предлагаемого полосового фильтра (фиг. 2) для случая применения ОУ с частотонезависимыми коэффициентами усиления (идеальных ОУ с GB=∞) определяются следующими одинаковыми формулами:
- коэффициент передачи на частоте полюса
- частота полюса
- затухание полюса
где
Коэффициент усиления реального ОУ зависит от частоты. Скорректированный ОУ можно представить передаточной функцией первого порядка
где
Коэффициенты передаточной функции (1) фильтра-прототипа фиг. 1 находятся по формулам
В заявляемом фильтре фиг. 2 под воздействием частотной зависимости коэффициента усиления ОУ и конечного значения GB аналогичные коэффициенты формулы (1) определяются уравнениями:
В формулах (6) - (9) приняты следующие обозначения:
Сравнение формул (6)-(9), определяющих коэффициенты передаточных функций заявляемого устройства и устройства-прототипа, показывает, что благодаря введению новой связи инвертирующего входа второго 4 операционного усилителя с неинвертирующим входом третьего 5 операционного усилителя в заявляемом устройстве в формулах (8) и (9) появляются дополнительные коэффициенты, зависящие от площадей усиления ОУ, которые и позволяют уменьшить влияние частотных свойств ОУ на параметры полосового фильтра.
Следует также заметить, что из формул (6)-(9) при
Результаты компьютерного моделирования фильтра-прототипа и заявляемого устройства приведены на чертеже фиг. 3. Анализ этих графиков показывает, что схемы заявляемого полосового фильтра и фильтра-прототипа при идентичных параметрах пассивных и активных элементов имеют разное отклонение АЧХ от расчетного значения, которое в наибольшей степени проявляется в области высоких частот. Причем у заявляемого полосового фильтра это отклонение значительно ниже. В зависимости от реализуемой добротности фильтром и частотных свойств усилителей в заявляемом полосовом фильтре частотный диапазон его работы оказывается примерно в 1,5 раза больше, чем в фильтре-прототипе. Причем этот эффект достигается за счет введения единственной новой связи между элементами схемы-прототипа.
Таким образом, предлагаемая схема полосового активного RC-фильтра второго порядка обладает существенными преимуществами в сравнении с известным схемотехническим решением.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1984. – 384 с.
2. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / С. А. Букашкин и др.; под ред. А. А. Ланнэ. М.: Радио и связь, 1984. – 366 с.
3. Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров: Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 320 с.
4. Капустян В.И. Активные RC-фильтры высокого порядка. – М.: Радио и связь, 1985. – 248 с.
5. Г. Лэм. Аналоговые и цифровые фильтры. Расчет и реализация: Пер. с англ. – М.: Мир, 1982. – 592 с.
6. P.V. Ananda Mohan. VLSI Analog Filters: Active RC, OTA-C, and SC / Birkhäuser, 2013. – 620 pp.
7. Schubert Thomas F., Kim Ernest M. Fundamentals of Electronics, Book 3. Active Filters and Amplifier Frequency Response / Morgan & Claypool Publishers, 2014. – 924 pp.
8. Hercules G. Dimopoulos. Analog Electronic Filters: Theory, Design and Synthesis / Springer Science+Business Media New York, 2015. – 577 pp.
Активный RC-фильтр, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, первый (3), второй (4) и третий (5) дифференциальные операционные усилители, первый (6) резистор, включенный между входом устройства (1) и неинвертирующим входом первого (3) операционного усилителя, второй (7) резистор, включенный между неинвертирующим входом первого (3) операционного усилителя и общей шиной (8), третий (9) резистор, включенный между неинвертирующим входом первого (3) операционного усилителя и выходом устройства (2), четвертый (10) резистор, включенный между инвертирующим входом первого (3) операционного усилителя и общей шиной (8), пятый (11) резистор, включенный между выходом первого (3) операционного усилителя и инвертирующим входом первого (3) операционного усилителя, шестой (12) резистор, включенный между выходом первого (3) операционного усилителя и инвертирующим входом второго (4) операционного усилителя, седьмой (13) резистор, включенный между выходом второго (4) операционного усилителя и инвертирующем входом третьего (5) операционного усилителя, восьмой (14) резистор, включенный между выходом третьего (5) операционного усилителя и инвертирующим входом первого (3) операционного усилителя, первый (15) конденсатор, включенный между выходом второго (4) операционного усилителя и инвертирующим входом второго (4) операционного усилителя, второй (16) конденсатор, включенный между выходом третьего (5) операционного усилителя и инвертирующим входом третьего (5) операционного усилителя, причем неинвертирующий вход второго (4) операционного усилителя связан с общей шиной (8), отличающийся тем, что инвертирующий вход второго (4) операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом третьего (5) операционного усилителя.