CS201551B1

CS201551B1 - Active band filter

Info

Publication number: CS201551B1
Application number: CS692478A
Authority: CS
Inventors: Jiri Pomichalek; Josef Trnka; Jaroslav Hruby
Original assignee: Jiri Pomichalek; Josef Trnka; Jaroslav Hruby
Priority date: 1978-10-25
Filing date: 1978-10-25
Publication date: 1980-11-28

Description

Dosud známé pásmové propusti jsou tvořeny klasickými prvky a to buď LC nebo RC nebo RC s rozprostřenými parametry. Tyto pásmové propusti splňují velmi dobře a jednoduše svou funkci, ale jen potud, pokud na ně nejsou kladeny zvýšené požadavky zejména na vysoký činitel jakosti Q a na stabilitu. Jsou rovněž známy pásmové propusti, které používají krystalových rezonátorů ve spojení s pasivními LC prvky. Tyto pásmové propusti vyhovují sice vysokým požadavkům na činitel jakosti Q a na stabilitu, obsahují však zpravidla vinuté části, například složité a pracné diferenciální transformátory. Krystalové rezonátory, i když mají vynikající teplotní a časové charakteristiky a vysoký činitel jakosti Q, jsou rozměrné a velmi drahé, zejména pro malá množství a atypické kmitočty. Jejich další nevýhodou je poměrně malá mechanická odolnost. Těchto rezonátorů se využívá všude tam, kde časová nebo teplotní stabilita nebo činitel jakosti klasických elektrických prvků LC, RC a RC nesplňují na ně kladené požadavky.Previously known band-pass filters consist of classical elements, either LC or RC or RC with spread parameters. These band-pass filters perform very well and simply their function, but only in so far as they are not subject to increased requirements, in particular for a high quality factor Q and stability. Band-pass filters are also known which use crystal resonators in conjunction with passive LC elements. Although these band-pass filters meet high requirements for quality factor Q and stability, they usually contain wound parts, for example complex and laborious differential transformers. Crystal resonators, although having excellent temperature and time characteristics and a high Q quality factor, are bulky and very expensive, especially for small amounts and atypical frequencies. Their further disadvantage is the relatively low mechanical resistance. These resonators are used wherever time or temperature stability or quality factor of classical electrical elements LC, RC and RC do not meet their requirements.

Fřitoin však nebývají někdy vlastnosti krystalových rezonátorů v plné míře využity, často je nutno je dokonce zhoršovat například zatlumením přídavným odporem pro dosažení žádaného průběhu útlumové charakteristiky filtru.Fritin, however, is sometimes not fully utilized properties of crystal resonators, often it is necessary to even deteriorate, for example, by damping additional resistance to achieve the desired attenuation characteristics of the filter.

Účelem vynálezu je zajistit dobrou funkci pásmových propustí v případech, kdy parametry klasických elektrických prvků LC, RC a RC již nevyhovují a parametry krystalických rezonátorů jsou zbytečně kvalitní a tudíž neekonomické.The purpose of the invention is to ensure good band-pass performance in cases where the parameters of the classical electrical elements LC, RC and RC are no longer satisfactory and the parameters of crystalline resonators are of unnecessary quality and therefore uneconomical.

Podstata aktivní pásmové propusti podle vynálezu spočívá v tom, že k výstupu alespoň jednoho napěťového řízeného zdroje napětí je připojen složený piezokeramický měnič.The essence of the active band-pass filter according to the invention is that a compound piezoceramic converter is connected to the output of at least one voltage-controlled voltage source.

Výhodou aktivní pásmové propusti podle vynálezu je především to, že umožňuje realizaci pólů přenosové funkce v blízkosti imaginární osy s vysokou teplotní a časovou stabilitou. Přitom pracné a složité vinuté prvky jsou s výhodou nahrazeny napěťově řízenými zdroji napětí. Ve srovnání s propustmi s krystalovými rezonátory jsou mechanicky odolnější, méně náročné na prostor a levnější. Přitom složené piezokeramické rezonátory lze velmi snadno doladit na požadovaný kmitočet broušením.The advantage of the active band-pass filter according to the invention is, in particular, that it enables the realization of the poles of the transfer function near the imaginary axis with high temperature and time stability. The laborious and complex winding elements are preferably replaced by voltage-controlled voltage sources. Compared to culverts with crystal resonators, they are more mechanically resistant, less space consuming and cheaper. Composite piezoceramic resonators can be easily tuned to the desired frequency by grinding.

Vynález bude dále blíže vysvětlen na příkladových zapojeních podle přiloženého výkresu, kde na obr. 1 je znázorněno jedno z možných konstrukčních řešení složeného piezokeramického měniče, na obr. 2 je náhradní elektrické schéiňa složeného piezoelektrického měniče, na obr. 3 je příklad zapojení aktivní pásmové propusti realizující póly přenosové funkce druhého stupně v blízkosti imaginární osy, na obr. 4 je jiný příklad zapojení aktivní pásmové propusti realizující póly přenosové funkce čtvrtého stupně v blízkosti imaginární osy a obr. 5 představuje konkrétní realizaci obvodu podle obr. 3.The invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawing, in which FIG. 1 shows one of the possible designs of a compound piezoelectric transducer, FIG. 2 shows a spare electrical schematic of a compound piezoelectric transducer; Fig. 4 is another example of an active band-pass filter realizing poles of a fourth-degree transfer function near an imaginary axis; and Fig. 5 represents a particular embodiment of the circuit of Fig. 3.

K piezokeramické destičce 1 na obr. 1 jsou připojeny dva kovové válečky 2, 3. K těmto válečkům jsou připojeny elektrické vývody 4, 5. Připojením elektrického signálu na vývody 4, 5 se piezokeramická destička 1 rozkmitá, její kmitočtová, časová a teplotní stabilita by však nebyla dostačující. Připojené kovové válečky 2, 3 vyrobené ze speciální slitiny s minimalizovanou teplotní závislostí Youngova modulu pružnosti parametry celého měniče podstatně zlepšují. Následkem toho se soustava podle obr. 1 chová jako velmi kvalitní elektromechanický rezonátor, který lze z elektrického hlediska s dostatečnou přesností modelovat náhradním schématem podle obr. 2. Náhradní schéma se skládá z paralelního spojení dvou větví, z nichž jedna obsahuje statickou kapacitu CO a druhá sériový rezonanční obvod složený z dynamického odporu R dynamické indukčnosti LI a dynamické kapapacity Cl. Vliv statické kapacity CO je obvykle nežádoucí a v obvodech se ho snažíme vhodným zapojením vyloučit. Vstupní signálové napětí U1 na obr. 3 je přiváděno na vstup invertu jícího, zesilovače Z1 s negativním zesílením — K a dále: na vstup neinvertujícího zesilovače Z2 spozitivním ze^ sílením +K. K výstupu invertu jícího zesilovače Z1 je připojena první svorka piezokeramického měniče X, jehož druhá svorka je spojena s první svorkou kondenzátoru C a s jednou svorkou impedance jejíž druhá svorka je uzemněna. Druhá svorka kondenzátoru C je spojena s výstupem neinvertujícího zesilovače Z2. Výstupní signálové naP Ř E D M 0TTwo metal rollers 2, 3 are connected to the piezoceramic plate 1 in FIG. 1. To these rollers are connected electrical outlets 4, 5. By connecting an electrical signal to the outlets 4, 5, the piezoceramic plate 1 oscillates, its frequency, time and temperature stability would be however, it was not sufficient. The connected metal rollers 2, 3 made of a special alloy with a minimized temperature dependence of Young's modulus of elasticity significantly improve the parameters of the whole converter. Consequently, the system of Fig. 1 behaves as a high-quality electromechanical resonator, which can be modeled with sufficient accuracy from the electrical point of view by the substitution scheme of Fig. 2. The substitution scheme consists of a parallel connection of two branches, a series resonant circuit consisting of the dynamic resistance R of the dynamic inductance L1 and the dynamic capacitance C1. The influence of static capacity of CO is usually undesirable and in circuits we try to eliminate it by suitable wiring. The input signal voltage U1 in Fig. 3 is applied to the input of the inverting amplifier Z1 with negative amplification - K and further: to the input of the non-inverting amplifier Z2 with positive amplification + K. The output of the inverting amplifier Z1 is connected to the first terminal of the piezo inverter X, the second terminal of which is connected to the first terminal of capacitor C and to one terminal of the impedance whose second terminal is grounded. The other terminal of capacitor C is connected to the output of the non-inverting amplifier Z2. Output signal to ONE D M 0T

Aktivní pásmová propust realizující póly přenosové funkce v blízkosti imaginární osy, vyznačená tím, že k výstupu alespoň jednopětí U2 se odebírá z impedance Z. Větev s kondenzátorem C je napájena napětím Ub, jehož fáze je posunuta o 180° oproti napětí Ua napájecímu piezokeramický měnič X. Proud II tekoucí piezokeramickým měničem X a proud 12 tekoucí kondenzátorem C se sčítají v impedanci Z. Fázový posuv mezi těmito proudy II, 12 umožňuje vzájemně vykompenzovat kapacitu kondenzátoru C a statickou kapacitu CO piezokeramického měniče X. Pro výsledný napěťový přenos se pak uplatní pouze sériová rezonanční větev piezokeramického měniče X, to je Cl, LI, R z obr. 2. Napěťový přenos pak skutečně odpovídá přenosu pásmové propusti 2. řádu.Active band-pass filter realizing transmission function poles in the vicinity of an imaginary axis, characterized in that at least one voltage U2 is outputted from impedance Z to output. The branch with capacitor C is fed by voltage Ub, whose phase is shifted 180 ° from voltage Ua to supply piezoceramic converter X The current II flowing through the piezo-ceramic transducer X and the current 12 flowing through the capacitor C add up in impedance Z. The phase shift between these currents II, 12 allows the capacitor C and the static CO capacitance of the piezo-changer X to be mutually compensated. the resonant branch of the piezo-ceramic transducer X, i.e., Cl, LI, R of FIG. 2. The voltage transfer then actually corresponds to the second order band-pass filter transmission.

Příklad zapojení pásmové propusti 4. řádu je uveden na obr. 4. Zapojení se' shoduje se zapojením podle obr. 3 až na to, že místo kondenzátoru C je zapojen další piezokeramický měnič XI. Přenosová admitance obvodu, tj. poměr proudu I tekoucího do impedance Z ke vstupnímu napětí U1 je dán rozdílem admitancí obou měničů X, XI. Tato přenosová admitance a tudíž také napěťový přenos je 4. řádu.An example of a fourth-order band-pass filter is shown in FIG. 4. The wiring is identical to that shown in FIG. 3 except that another piezoceramic transducer XI is connected instead of capacitor C. The transmission admittance of the circuit, ie the ratio of the current I flowing to the impedance Z to the input voltage U1 is given by the difference of the admittances of the two converters X, XI. This transmission admittance and hence the voltage transmission is of the 4th order.

Příklad praktické realizace obvodu podle obr. 3 je znázorněn na obr. 5. Invertující zesilovač Z1 i neinvertující zesilovač Z2 z obr. 3 popřípadě zobr. 4 jsou realizovány jediným parafázovým zesilovačem s tranzistorem TI. Vstupní signálové napětí U1 je přiváděno do báze tranzistoru TI, jehož emitor a zem je připojen k prvému odporu R1 a mezi jehož kolektor a zdrojové napětí UZ je připojen druhý odpor R2. Ke kolektoru tranzistoru TI, je připojen dále kondenzátor C a k emitóru tranzistoru TI je připojen piezokeramický měnič X, Zbývající svorky kondenzátoru C a měniče X jsou navzájem propojeny a spojeny s impedancí Z, jejíž druhá svorka je uzemněna. Napětí na prvním, odporu R1 je v protifázi k napětí na druhém odporu R2. Tato napětí napájejí větev s piezokeramickým měničem X a kondenzátorem C. Proudy II, 12 tekoucí těmito větvemi se sečítají na impedanci Z, ze které je odebíráno výstupní napětí U2.An example of a practical embodiment of the circuit of FIG. 3 is shown in FIG. 5. The inverting amplifier Z1 and the non-inverting amplifier Z2 of FIG. 3 or FIG. 4 are implemented by a single paraphase amplifier with a transistor T1. The input signal voltage U1 is supplied to the base of transistor T1, whose emitter and ground is connected to a first resistor R1 and a second resistor R2 is connected between the collector and the source voltage UZ. A capacitor C is connected to the collector of transistor T1, and a piezoceramic transducer X is connected to the emitter of transistor T1. The remaining terminals of capacitor C and transducer X are connected to each other and connected to an impedance Z, the other terminal being grounded. The voltage at the first resistor R1 is in opposition to the voltage at the second resistor R2. These voltages supply a branch with a piezo-ceramic transducer X and a capacitor C. The currents II, 12 flowing through these branches add up to the impedance Z, from which the output voltage U2 is drawn.

VYNÁLEZUOF THE INVENTION

Claims

BACKGROUND OF THE INVENTION A voltage-controlled voltage source (1, 2) is coupled to a compound piezoceramic converter (X).

5 drawings