Патент на изобретение №2293436

(54) АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиоэлектронике, более конкретно к частотно-избирательным средствам для использования в качестве однозвенного фильтра верхних частот второго порядка с нулем передачи или как составная часть многозвенного фильтра. Технический результат заключается в использовании минимально возможного количества операционных усилителей и частотозадающих конденсаторов при минимизации напряжения собственных электрических шумов. Активный RC-фильтр (Ф) содержит операционный усилитель (ОУ) (1), резисторы (Р) (2-4, 6, 9, 10) конденсаторы (5, 7), общую шину (8). При заданном соотношении сопротивлений Р (2, 3 и 10), адекватных требуемым параметрам передаточной функции (частота и добротность полюсов, частота нуля передачи), появляется возможность снижения собственных электрических шумов Ф путем пропорционального уменьшения сопротивлений всех Р, подключенных к инвертирующему входу ОУ (1). Предельное уменьшение сопротивлений указанных Р ограничивается допустимым уменьшением входного сопротивления Ф. Однако при этом минимально достижимое напряжение собственных электрических шумов Ф всегда меньше, чем у известных аналогов при реализации той же передаточной функции. 1 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике, более конкретно к частотно-избирательным средствам, и может использоваться в качестве однозвенного фильтра верхних частот второго порядка с нулем передачи или как составная часть многозвенного фильтра в различных устройствах формирования и обработки радиоэлектронных сигналов, в частности в измерительной технике.

Для минимизации габаритов, веса и потребляемой энергии активных RC-фильтров предпочтение при их разработке отдается схемам, стабильно реализующим требуемую передаточную функцию с использованием минимально возможного количества активных элементов и частотозадающих конденсаторов. В случае фильтров второго порядка (в том числе фильтров с нулем передачи, в частности – фильтров верхних частот), содержащих в качестве активных элементов операционные усилители и предназначенных для реализации передаточных функций с полюсами средней добротности, минимально возможное количество операционных усилителей – один, частотозадающих конденсаторов – два. Сравнение таких фильтров целесообразно производить по дополнительным критериям качества, один из которых – напряжение собственных электрических шумов при использовании в сравниваемых фильтрах однотипных активных и пассивных элементов.

Известен активный RC-фильтр верхних частот второго порядка с нулем передачи по патенту [1], приведенный также в монографии [2]. Этот фильтр содержит операционный усилитель, охваченный петлями обратной связи по инвертирующему и неинвертирующему входам, причем первая из этих петель выполнена в виде RC-цепи, вторая – чисто резистивная. Фильтр построен с использованием минимально возможного количества операционных усилителей (один) и частотозадающих конденсаторов (два) и включен в классификацию, данную в [2], как рекомендуемый для реализации среднедобротных полюсов (добротность q_p20). Однако, в связи с указанной организацией обратных связей, этому фильтру присуще относительно высокое напряжение собственных электрических шумов.

Известен также активный RC-фильтр верхних частот второго порядка с нулем передачи, описанный в книге [3] и являющийся по технической реализации наиболее близким к предлагаемому. Этот фильтр, как и активный RC-фильтр по патенту [1], построен с использованием минимально возможного количества операционных усилителей и частотозадающих конденсаторов. Он содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого посредством первого и второго резисторов подключен соответственно к выходу операционного усилителя, соединенному с выходом активного RC-фильтра, и к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя и к первому выводу первого конденсатора, второй вывод первого конденсатора соединен с первыми выводами четвертого резистора и второго конденсатора, при этом второй вывод последнего является входом активного RC-фильтра. Между входом активного RC-фильтра и общей шиной, а также между выходом активного RC-фильтра и общей шиной включены резистивные делители напряжения, причем точка соединения второго и третьего резисторов подключена к отводу первого из этих делителей, а второй вывод четвертого резистора соединен с отводом второго делителя.

Как известно, по мере совершенствования методов борьбы с помехами все более существенным для малосигнальных трактов радиоэлектронной аппаратуры различного назначения становится непрерывное снижение напряжения собственных электрических шумов аналоговых устройств, особенно – частотно-избирательных; при этом ведется борьба за каждый децибел уменьшения собственных шумов. По сравнению с активным RC-фильтром по патенту [1] фильтр по источнику [3] характеризуется значительно более низким напряжением собственных шумов. Однако наличие в этом активном RC-фильтре упомянутого выше делителя напряжения, включенного между входом фильтра и общей шиной, ограничивает возможность минимизации напряжения собственных электрических шумов. Такое ограничение обусловлено тем, что, с одной стороны, данный делитель должен быть достаточно высокоомным для обеспечения требуемого входного сопротивления фильтра, с другой – иметь выходное сопротивление, значительно меньшее, чем сопротивление нагрузки делителя; последнее приводит к необходимости использования сравнительно высокоомных резисторов, подключенных к инвертирующему входу операционного усилителя, что препятствует снижению напряжения собственных шумов фильтра.

Предлагаемым изобретением решается задача уменьшения напряжения собственных электрических шумов активного RC-фильтра верхних частот второго порядка с нулем передачи, реализующего среднедобротные полюсы с использованием минимально возможного количества активных и емкостных элементов – одного операционного усилителя и двух частотозадающих конденсаторов.

Для достижения этого технического результата в активный RC-фильтр, содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого посредством первого и второго резисторов подключен соответственно к выходу операционного усилителя, соединенному с выходом активного RC-фильтра, и к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя и к первому выводу первого конденсатора, второй вывод первого конденсатора соединен с первыми выводами четвертого резистора и второго конденсатора, причем второй вывод последнего является входом активного RC-фильтра, введено по дополнительному резистору между общей шиной и каждым из входов операционного усилителя, точка соединения второго и третьего резисторов подключена к входу активного RC-фильтра, а второй вывод четвертого резистора подключен к выходу активного RC-фильтра.

Признаки, отличающие предлагаемый активный RC-фильтр от наиболее близкого к нему известного по [3] (прототип), характеризуются тем, что между общей шиной и каждым из входов операционного усилителя включено по дополнительному резистору, точка соединения второго и третьего резисторов подключена непосредственно к входу активного RC-фильтра, а второй вывод четвертого резистора подключен непосредственно к выходу активного RC-фильтра. В результате совместного действия перечисленных отличительных признаков появляется возможность снижения (по сравнению с прототипом) собственных электрических шумов – за счет одновременного пропорционального уменьшения сопротивлений всех резисторов, подключенных к инвертирующему входу операционного усилителя. Последнее, в свою очередь, становится возможным благодаря отсутствию в предлагаемом активном RC-фильтре присущего прототипу делителя напряжения, включенного между входом фильтра и общей шиной и ограничивающего, как отмечалось выше, возможность уменьшения собственных шумов.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого активного RC-фильтра – вариант конкретного выполнения. Как явствует из этой схемы, предлагаемый активный RC-фильтр содержит операционный усилитель 1, инвертирующий вход которого посредством первого резистора 2 подключен к выходу операционного усилителя 1, соединенному с выходом активного RC-фильтра, а посредством второго резистора 3 – к первому выводу третьего резистора 4; второй вывод последнего подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 1 и к первому выводу первого конденсатора 5, второй вывод которого соединен с первыми выводами четвертого резистора 6 и второго конденсатора 7, причем второй вывод конденсатора 7 является входом активного RC-фильтра. Между общей шиной 8 и каждым из входов операционного усилителя 1 включены дополнительные резисторы 9 и 10, точка соединения второго 3 и третьего 4 резисторов подключена к входу активного RC-фильтра, а второй вывод четвертого резистора 6 – к его выходу.

В других вариантах конкретного выполнения предлагаемого активного RC-фильтра соединение выхода операционного усилителя 1 с выходом активного RC-фильтра может осуществляться посредством резистора, предназначенного, например, для развязки от емкостной нагрузки фильтра с целью повышения устойчивости последнего.

Работа предлагаемого активного RC-фильтра осуществляется следующим образом. На вход активного RC-фильтра подается (относительно общей шины 8) сигнал от внешнего источника напряжения. Далее входной сигнал проходит по двум каналам;

через мостовую Т-образную цепь, образованную конденсаторами 7 и 5, резисторами 4 и 6, на неинвертирующий вход операционного усилителя 1;

через делитель напряжения, образованный резистором 3 и параллельным соединением резисторов 10 и 2, на инвертирующий вход операционного усилителя 1.

В результате взаимодействия сигналов, передаваемых по указанным каналам, и сигналов обратных связей, вводимых через резисторы 6 и 2, на выходе активного RC-фильтра при соответствующем выборе параметров пассивных элементов схемы реализуется передаточная функция фильтра верхних частот второго порядка с нулем передачи. При этом частота полюсов функции определяется произведением двух постоянных времени – конденсатора 7 и резистора 6, конденсатора 5 и параллельного соединения резисторов 4 и 9; добротность полюсов – отношением этих же постоянных времени, а также отношением сопротивлений резистора 2 и параллельного соединения резисторов 3 и 10; частота нуля передачи – соотношением коэффициентов передачи указанных каналов прохождения сигнала, причем коэффициент передачи первого из этих каналов управляется отношением сопротивлений резисторов 4 и 9, второго – отношением сопротивлений резисторов 2 и 3.

Из изложенного следует, что при выборе сопротивлений резисторов 2, 3 и 10 (то есть всех резисторов, подключенных к инвертирующему входу операционного усилителя 1), влияющих на добротность полюсов и частоту нуля передачи, важны не конкретные значения сопротивлений, а лишь отношения этих значений. Именно поэтому при заданных конкретных значениях параметров всех остальных пассивных элементов схемы и заданном соотношении сопротивлений резисторов 2, 3 и 10, адекватных требуемым параметрам передаточной функции (частота и добротность полюсов, частота нуля передачи), появляется возможность снижения собственных электрических шумов предлагаемого активного RC-фильтра путем одновременного пропорционального уменьшения сопротивлений всех резисторов, подключенных к инвертирующему входу операционного усилителя. Предельное уменьшение указанных сопротивлений ограничивается допустимым (по условиям конкретной задачи) уменьшением входного сопротивления фильтра. Однако при этом, в силу рассмотренных выше причин, минимально достижимое напряжение собственных электрических шумов предлагаемого активного RC-фильтра всегда меньше, чем в случае известных аналогов последнего – при реализации одной и той же передаточной функции, при одинаковом значении входного сопротивления и при использовании однотипных элементов схемы (в том числе – операционных усилителей).

Дополнительное преимущество предлагаемого активного RC-фильтра – уменьшение (по сравнению с прототипом) необходимого количества резисторов с восьми до шести.

Использованные источники

1. Патент Великобритании №1347127, кл. Н 03 Н 7/02, опубл. 1974.

2. Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров (пер. с англ.). М.: Мир, 1984, с.66, рис.5.14.

3. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / Под ред. проф. А.А.Ланнэ. М.: Радио и связь, 1984, с.172, табл.4.6, схема 5.

Формула изобретения

Активный RC-фильтр, содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого посредством первого и второго резисторов подключен соответственно к выходу операционного усилителя, соединенному с выходом активного RC-фильтра, и к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя и к первому выводу первого конденсатора, второй вывод первого конденсатора соединен с первыми выводами четвертого резистора и второго конденсатора, причем второй вывод последнего является входом активного RC-фильтра, отличающийся тем, что между общей шиной и каждым из входов операционного усилителя включено по дополнительному резистору, точка соединения второго и третьего резисторов подключена непосредственно к входу активного RC-фильтра, а второй вывод четвертого резистора подключен непосредственно к выходу активного RC-фильтра.

РИСУНКИ