Патент на изобретение №2388140
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР ВЕРХНИХ ЧАСТОТ ЧЕТВЕРТОГО ПОРЯДКА
(57) Реферат:
Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в каналообразующей аппаратуре для реализации фильтрового оборудования с высокими показателями: избирательности, динамического и частотного диапазонов. Технический результат: уменьшение значений чувствительности передаточной функции к отклонению параметров усилителей, что приведет к увеличению динамического и частотного диапазонов фильтра. Сущность изобретения состоит в подключении первого усилителя между CR-мостом четвертого порядка и входом второго усилителя, а также в организации обратных связей: выход первого усилителя через шестой резистор, а выход второго усилителя через шестой конденсатор включен в общую точку первого и второго конденсаторов и первого резистора моста; выход первого усилителя через пятый конденсатор подключен ко второму зажиму четвертого резистора моста; точка соединения пятого конденсатора и четвертого резистора через пятый резистор подключена к выходу фильтра, к которому подключены вторые выводы первого, второго и третьего резисторов моста. 4 ил.
Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в электрических фильтрах высоких порядков, реализующих высокую крутизну ската частотной характеристики и имеющих большой динамический и частотный диапазоны. Близким по сущности является устройство (Демин А.А., Маркин В.В, Масленников В.В., Сироткин А.П. Активные избирательные устройства радиоаппаратуры. / Под ред. Масленникова В.В. М., Радио и связь, 1987, 216 с.). Прототипом к заявляемому устройству предлагается часть фильтра (Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей в линейных ИС. М.: Мир, 1985, с.223, рис.8.24), составленного из трех каскадов, каждый из которых реализует фильтр верхних частот второго порядка. Часть фильтра, то есть последовательно подключенных два звена второго порядка, содержит четыре резистора, четыре конденсатора и два усилителя. Недостаток прототипа: низкий динамический диапазон из-за большого уровня шумов, а также нелинейных искажений в фильтре четвертого порядка из-за высокой чувствительности характеристик фильтра к отклонению параметров активных элементов. Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в увеличении динамического и частотного диапазонов активных RC-фильтров. Технический результат достигается тем, что устройство, содержащее первый усилитель, второй усилитель, выход которого является выходом фильтра, а также последовательно соединенные вход фильтра, первый и второй конденсаторы, третий и четвертый конденсаторы, при этом ко второму выводу первого, второго, третьего, четвертого конденсаторов, в соответствии с их номером, подключен одним выводом первый, второй, третий, четвертый резисторы, пятый резистор одним выводом подключен к выходу фильтра; шестой резистор общую точку соединения первого, второго конденсаторов и первого резистора соединяет с выходом первого усилителя, отличается тем, что последовательно соединены второй и третий конденсаторы, при этом первый, второй, третий, четвертый конденсаторы и первый, второй, третий, четвертый резисторы образуют RC-мост четвертого порядка, первый усилитель подключен входом к общей точке соединения четвертого резистора и четвертого конденсатора, а своим выходом – к общей точке соединения входа второго усилителя и первого вывода дополнительного пятого конденсатора, второй вывод которого подключен к общей точке соединения вторых выводов четвертого и пятого резисторов, к выходу фильтра подключены вторые выводы первого, второго и третьего резисторов, а через дополнительный шестой конденсатор – общая точка соединения первого и второго конденсаторов и первого резистора. Сущность изобретения состоит в том, что за счет распределения усиления в схеме и требуемой организации обратных связей обеспечивается снижение чувствительностей передаточной функции активного RC-фильтра четвертого порядка к отклонениям параметра активных элементов. Что позволяет, по сравнению с прототипом, реализовать фильтры, имеющие большой динамический и частотный диапазоны при высокой крутизне ската частотной характеристики. Передаточная функция предлагаемого фильтра – фильтра высоких частот четвертого порядка (фиг.1) может быть записана как
где: f0(p)= f1(p)= f2(p)= K1 и K2 – коэффициенты усиления первого и второго усилителей;
Динамический и частотный диапазоны активной RС-цепи связаны с величинами чувствительности передаточной функции к отклонениям параметров активных элементов соответственно следующими соотношениями:
где: Модули величин L1 и L2 для предлагаемого фильтра определяются на основе передаточной функции (1) как
В числитель выражения (5) входят два слагаемых с различными знаками, что позволяет уменьшить числитель до сколь угодно малой величины, а следовательно, уменьшить L2. Уменьшение величины L1 связано с распределением усиления. Так, если обеспечить K2>>K1, то вполне возможно уменьшить L1 до малой величины. Следовательно, с целью обеспечения оптимальных значений L1 целесообразно выполнить равенство
и обеспечить значение величины Анализ функций активных чувствительностей в схемах аналога и прототипа (фиг.2) показал, что в них может происходить только перераспределение величин L1 и L2 между звеньями, охваченными обратной связью. Величина L в таких схемах становится меньше, чем у каскадной реализации на оптимальных звеньях второго порядка, но превышает Q (Li>Q) и в случае предельного значения затухания (q) в схеме, равного 1/3, примет значения L1=L2 При использовании операционного усилителя типа 544УД2 (с динамическим диапазоном в 120 дБ) динамический диапазон заявляемого фильтра будет равен Частотной диапазон заявляемого фильтра (2) будет больше, чем у аналога и прототипа, в Таким образом, при включении последовательно за CR-мостом четвертого порядка двух усилителей и организации обратных связей: выходы первого и второго усилителей соединены с точкой включения первого, второго конденсаторов и первого резистора CR-моста соответственно через шестые по номеру резистор и конденсатор; выход первого усилителя через пятый конденсатор подключен ко второму зажиму четвертого резистора моста; их точка соединения (пятого конденсатора и четвертого резистора моста) через пятый резистор подключена к выходу второго усилителя, к которому подключены вторые выводы первого, второго и третьего резисторов CR-моста, происходит увеличение динамического и частотного диапазонов фильтра. Положительным дополнительным эффектом является повышение стабильности частотных характеристик, технологичности массового производства активных RC-фильтров за счет снижения чувствительности передаточной функции к отклонению параметров активных элементов. Работа устройства описывается ее передаточной функцией
где g1, g2, g3, g4, g5, g6 и с1, c2, c3, c4, c5, c6 – нормированные значения проводимости резисторов R1, R2, R3, R4, R5, R6 и конденсаторов С1, С2, С3, С4, С5, С6 соответственно, при выполнении условий:
Пусть необходимо реализовать фильтр верхних частот четвертого порядка с аппроксимацией по Чебышеву и неравномерностью АЧХ в полосе пропускания 1 дБ. В этом случае необходимо, чтобы знаменатель передаточной функции такого фильтра был равен следующему полиному:
(коэффициенты полинома рассчитываются по табличным значениям полюсов соответствующего полинома Чебышева). Обеспечение высоких качественных показателей звена возможно только при условии баланса моста (8) четвертого порядка в схеме и выполнения условия (6), учет которых необходим для разрешения относительно неизвестных системы уравнений, получаемой из равенств коэффициентов полинома в (9) и в передаточной функции (7) при одинаковых степенях оператора p. С учетом изложенного определены нормированные значения элементов схемы: с1=0,38, с2=0.37, с3=0.15, с4=3,2, с5=13.25, с6=0.38, g1=1.22, g2=3.22, g3=1.0, g4=0.33, g5=8.33, g6=0.5, m=3, z=4 и рассчитаны: среднеквадратичные значения чувствительности На частоте среза фильтр, представляемый авторами, имеет L1 Полученный фильтр отличается тем, что значения коэффициентов полинома знаменателя передаточной функции (7) определяются параметрами почти всех элементов схемы, поэтому изменение любого параметра элемента ведет к одновременному изменению всех коэффициентов передаточной функции. Следовательно, схема отличается простотой и доступностью к оптимизации. Возможность достижения положительного эффекта от использования данного изобретения состоит в повышении технологичности массового производства фильтров с высокой избирательностью характеристик с увеличенными динамическим и частотным диапазонами в ARC-базисе. На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства, где обозначено: 1 – вход активного фильтра четвертого порядка; С1 – первый, С2 – второй; С3 – третий; С4 – четвертый; С5 – пятый, С6 – шестой конденсаторы, R1 – первый, R2 – второй; R3 – третий; R4 – четвертый; R5 – пятый, R6 – шестой резисторы, К1 – первый и К2 – второй усилители; 2 – выход активного RC-фильтра четвертого порядка; 3 или (и) 4 – корпус. Входом фильтра 1 относительно корпуса 3 является левый вывод последовательно соединенных CR-моста четвертого порядка (первый С1, второй С2, третий С3, четвертый С4 конденсаторы и первый R1, второй R2, третий R3, четвертый R4 резисторы), первого К1 и второго К2 усилителей, выход последнего является выходом фильтра 2 относительно корпуса 4; вторые выводы первого R1, второго R2 и третьего R3 резисторов моста соединены с выходом фильтра 2; второй вывод четвертого резистора R4 через пятый конденсатор С5 подключен к выходу первого усилителя К1, а через пятый резистор R5 – к выходу фильтра 2; выходы первого К1 и второго К2 усилителей соединены к точке включения первого С1, второго С2 конденсаторов и первого резистора R1 моста соответственно через шестой резистор R6 и шестой конденсатор С6.
Формула изобретения
Активный фильтр верхних частот четвертого порядка, содержащий первый усилитель, второй усилитель, выход которого является выходом фильтра, а также последовательно соединенные вход фильтра, первый и второй конденсаторы, третий и четвертый конденсаторы, при этом ко второму выводу первого, второго, третьего, четвертого конденсаторов в соответствии с их номером подключен одним выводом первый, второй, третий, четвертый резисторы, пятый резистор одним выводом подключен к выходу фильтра; шестой резистор общую точку соединения первого, второго конденсаторов и первого резистора соединяет с выходом первого усилителя, отличающийся тем, что последовательно соединены второй и третий конденсаторы, при этом первый, второй, третий, четвертый конденсаторы и первый, второй, третий, четвертый резисторы образуют CR-мост четвертого порядка, первый усилитель подключен входом к общей точке соединения четвертого резистора и четвертого конденсатора, а своим выходом – к общей точке соединения входа второго усилителя и первого вывода дополнительного пятого конденсатора, второй вывод которого подключен к общей точке соединения вторых выводов четвертого и пятого резисторов, к выходу фильтра подключены вторые выводы первого, второго и третьего резисторов, а через дополнительный шестой конденсатор – общая точка соединения первого и второго конденсаторов и первого резистора.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
PK
К – сумма передач прямых путей с входа фильтра на вход первого усилителя;
p, Q, П, 
в свою очередь, – 
есть чувствительность комплексной передаточной функции к отклонению коэффициента усиления i-го усилителя, а Ki – коэффициент усиления i-го усилителя.
равной 
Q/q=3·Q, тогда Lпротот.= 
а аналога и прототипа – 
и при добротности полюса Q=2,3 будет на 40 дБ меньше.
(фиг.3), а для аналога, имеющего лучше показатели чувствительности, чем у прототипа, кривые приведены в фиг.4.
примерно в 13 раз больше у прототипа. Частотный диапазон в 13 раз, а динамический диапазон более чем на 40 дБ будет меньше, чем у заявляемого фильтра.
