Патент на изобретение №2296418

(54) ШИРОКОПОЛОСНОЕ МНОГОКАНАЛЬНОЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ФИЛЬТРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиоэлектронике для использования в радиоприемных устройствах при обработке сигналов, а также в измерительной технике. Технический результат заключается в расширении полосы пропускания и построении фильтров в многоканальном исполнении «один вход – N+1 выход». Устройство (фиг.2) содержит алгебраический сумматор на операционном усилителе (ОУ) (1) с резистивной (2) отрицательной обратной связью (ООС), с подключенными к его инвертирующему и неинвертирующему входам резисторами (Р) (3, 4), Р (5) включен между неинвертирующим входом ОУ (1) и общей шиной, пьезорезонаторы (ПР) (6, 7), первые выводы которых подключены к входной потенциальной клемме устройства, а вторые выводы ПР (6, 7) через Р (8, 9) с входами инвертирующих ОУ (10, 11), каждый из которых охвачен резистивной (12, 13) ООС, выходы ОУ (10, 11) подключены к вторым выводам Р (3, 4) соответственно. Введен последовательный LC (15, 16) колебательный контур (14), подключенный к выходу ОУ (1), второй вывод LC контура соединен с выходной потенциальной клеммой устройства и через Р (17) с общей шиной. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано в радиоприемных устройствах при обработке сигналов, а также в измерительной технике в качестве многоканального фильтра.

Известен ряд фильтрующих устройств, в частности одно из них представлено на фиг.1 [1]. Устройство содержит алгебраический сумматор, выполненный на дифференциальном операционном усилителе с резистивной отрицательной обратной связью, выход которого является выходом устройства, при этом к инвертирующему входу операционного усилителя подключен первый резистор, второй вывод которого является первым входом сумматора, к неинвертирующему входу операционного усилителя подключены второй и третий резисторы, второй вывод второго резистора является вторым входом сумматора, второй вывод третьего резистора соединен с общей шиной, кроме того устройство содержит второй и третий инвертирующие операционные усилители с резистивными отрицательными обратными связями, выходы которых подключены к первому и второму входам упомянутого сумматора соответственно, между входом устройства и входом второго операционного усилителя, а также между входом устройства и входом третьего операционного усилителя включаются один или более двухполюсников, состоящих из последовательно включенных пьезорезонатора и резистора.

Данное устройство позволяет реализовать многоканальный фильтр с достаточно высокими требованиями по затуханию в полосе задерживания и динамическому диапазону. Оно является наиболее близким к предлагаемому устройству и выбрано в качестве прототипа. Недостатком этого устройства является то, что оно позволяет реализовать только узкополосные фильтры и не обеспечивает разделения каналов по выходу (имеет только одну общую потенциальную выходную клемму).

Задача изобретения – расширение функциональных возможностей устройства, в частности по построению широкополосных пьезоэлектрических фильтров в многоканальном исполнении, имеющих структуру «один вход – N+1 выход».

Поставленная задача решается тем, что в широкополосное многоканальное пьезоэлектрическое фильтрующее устройство, содержащее алгебраический сумматор, выполненный на первом операционном усилителе с резистивной отрицательной обратной связью, с подключенными к его инвертирующему и неинвертирующему входам первым и вторым резисторами, третий резистор включен между неинвертирующим входом первого операционного усилителя и общей шиной, первый и второй пьезорезонаторы, первые выводы которых подключены к входной потенциальной клемме устройства, а вторые выводы пьезорезонаторов через четвертый и пятый резисторы соединены с входами второго и третьего инвертирующих операционных усилителей, каждый из которых охвачен резистивной отрицательной обратной связью, при этом выходы второго и третьего операционных усилителей подключены к вторым выводам первого и второго резисторов соответственно, вводится последовательный колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, подключенный к выходу первого операционного усилителя, второй вывод последовательного контура соединен с выходной потенциальной клеммой устройства и через шестой резистор с общей шиной.

Кроме того в устройство, согласно предмета изобретения, дополнительно вводится N каналов, где N=1, 2, 3…, по структуре идентичных основному устройству, при этом первые выводы первого и второго резонаторов у дополнительно введенных каналов соединены с входной потенциальной клеммой устройства, а вторые выводы последовательных контуров в каждом канале соединены с дополнительно введенными выходными потенциальными клеммами устройства.

Сущность изобретения состоит в построении широкополосного фильтрующего устройства, допускающего объединение по входу N+1 – независимых каналов и имеющего N+1 отдельных выходов.

На фиг.2 приведена электрическая схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из алгебраического сумматора, выполненного на операционном усилителе 1 с резистивной отрицательной обратной связью 2, с подключенными к его инвертирующему и неинвертирующему входам резисторами 3 и 4, резистор 5 включен между неинвертирующим входом операционного усилителя 1 и общей шиной, пьезорезонаторы 6 и 7, первые выводы которых подключены к входной потенциальной клемме устройства, а вторые выводы пьезорезонаторов 6 и 7 через резисторы 8 и 9 соединены с входами инвертирующих операционных усилителей 10 и 11, каждый из которых охвачен резистивной отрицательной обратной связью 12, 13 соответственно, при этом выходы операционных усилителей 10, 11 подключены к вторым выводам резисторов 3 и 4 соответственно, к выходу операционного усилителя 1 подключен последовательный колебательный контур 14, состоящий из катушки индуктивности 15 и конденсатора 16, второй вывод последовательного контура 14 соединен с выходной потенциальной клеммой устройства и через резистор 17 с общей шиной.

Кроме того устройство выполнено многоканальным, содержащим дополнительно N каналов, по структуре идентичных основному устройству, при этом первые выводы резонаторов 6 и 7 у дополнительно введенных каналов соединены с входной потенциальной клеммой устройства, а вторые выводы последовательных контуров 14 в каждом дополнительном канале соединены с дополнительно введенными выходными потенциальными клеммами устройства.

Устройство работает следующим образом. Часть схемы устройства от входа ( первые выводы пьезорезонаторов 6 и 7) до выхода алгебраического сумматора (выход операционного усилителя 1) представляет собой полосовой фильтр, передаточная функция которого может быть представлена в виде:

где Y₁ и Y₂ – проводимости пьезорезонаторов 6 и 7;

g_H – проводимость нагрузки, определяемая резисторами 8 и 9 (будем считать, что резисторы 8 и 9 равны по величине).

При соответствующем выборе параметров пьезорезонаторов, эта схема реализует полосовой фильтр, ширина полосы пропускания которого не превышает двойного частотного промежутка пьезорезонатора F=f_p-f_q (здесь f_p – частота параллельного резонанса, f_q – частота последовательного резонанса пьезорезонатора) [2].

Подключение к выходу данной схемы цепочки, образованной последовательным колебательным контуром 14 и резистором 17, приводит к результирующей передаточной функции вида:

,

где L, С – индуктивность и емкость последовательного контура 14,

R – сопротивление резистора 17.

Решение уравнения р²LC+pRC+1=0, показывает, что результирующая передаточная функция имеет дополнительный комплексный полюс

,

где – резонансная частота контура 14.

Можно показать, что на ширину полосы пропускания фильтра влияют действительные части полюсов передаточной функции. Чем более широкополосный фильтр требуется получить, тем большее абсолютное значение должна иметь действительная часть комплексного полюса передаточной функции. В данном случае действительная часть полюса определяется отношением R к L и может варьироваться в достаточно широких пределах.

В работе [3] показано, что решение уравнения Y₁+g_H=0 приводит к выражению вида:

,

где L_q – динамическая индуктивность пьезорезонатора;

w₁ – частота последовательного резонанса пьезорезонатора;

С₀ – статическая емкость пьезорезонатора;

w₀ – средняя частота фильтра;

р – комплексная частота.

Это соотношение позволяет оценить возможность реализации полюса передаточной функции при использовании пьезорезонатора с имеющимися реальными параметрами (L_q, C_q, С₀, F).

Как правило (см., например, в [4]), передаточные функции полосовых цепей третьего порядка (относительно р²) содержат две пары комплексно-сопряженных полюсов с действительными частями ₁ и ₂ и одну пару полюсов с действительной частью ₀, причем ₁₂<₀. Поэтому возможно первые две пары полюсов реализовать на пьезорезонаторах 6 и 7, входящих в первое звено фильтра, а вторую пару полюсов можно реализовать вторым звеном, состоящим из последовательного LC контура 14 и резистора 17, что позволяет получить в 3-4 раза более широкую полосу пропускания по сравнению с фильтром-прототипом.

Таким образом, в предлагаемом устройстве введение дополнительного каскадно-развязанного LC звена дает возможность получить более широкие полосы пропускания сравнительно простым способом. Подключение дополнительных идентичных по структуре фильтров, которые допускают параллельное соединение по входу, поскольку их нагрузочное сопротивление (определяемое проводимостью g_H) практически всегда значительно превышает внутреннее сопротивление источника сигнала, и следовательно, предлагаемое устройство реализует многоканальное фильтрующее устройство в соответствии с поставленной задачей – расширением функциональных возможностей.

Источники информации

1. Патент РФ №2171009, кл. 7 Н 03 Н 9/54, 7/01. Активный пьзоэлектрический фильтр, опубл. 20.07.2001 г., БИ №20.

2. Великин Я.И., Гельмонт З.Я., Зелях, Э.В. “Пьезоэлектрические фильтры” – М., Связь, 1966.

3. Болотюк А.А. Активные кварцевые фильтры на операционных усилителях, – Радиоприборостроение и микроэлектроника. Вып.4, 1975.

4. Зааль Р. Справочник по расчету фильтров, – М.: Радио и связь, 1983.

Формула изобретения

1. Широкополосное многоканальное пьезоэлектрическое фильтрующее устройство, содержащее алгебраический сумматор, выполненный на первом операционном усилителе с резистивной отрицательной обратной связью, с подключенными к его инвертирующему и неинвертирующему входам первым и вторым резисторами, третий резистор включен между неинвертирующим входом первого операционного усилителя и общей шиной, первый и второй пьезорезонаторы, первые выводы которых подключены к входной потенциальной клемме устройства, а вторые выводы пьезорезонаторов через четвертый и пятый резисторы соединены с входами второго и третьего инвертирующих операционных усилителей, каждый из которых охвачен резистивной отрицательной обратной связью, при этом выходы второго и третьего операционных усилителей подключены к вторым выводам первого и второго резисторов соответственно, отличающееся тем, что к выходу первого операционного усилителя подключен последовательный колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, второй вывод последовательного контура соединен с выходной потенциальной клеммой устройства и через шестой резистор с общей шиной.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в схему вводится дополнительно N каналов, где N=1, 2, 3…, по структуре идентичных устройству по п.1, при этом первые выводы первого и второго резонаторов у дополнительно введенных каналов соединены с входной потенциальной клеммой устройства, а вторые выводы последовательных контуров в каждом канале соединены с дополнительно введенными выходными потенциальными клеммами устройства.

РИСУНКИ