RU2019022C1

RU2019022C1 - Active rc filter

Info

Publication number: RU2019022C1
Authority: RU
Inventors: А.Е. Курочкин
Original assignee: Минский радиотехнический институт
Priority date: 1989-03-17
Filing date: 1989-03-17
Publication date: 1994-08-30

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: active RC filter has main RC circuit, noninverting amplifier and main phase-shifting element connected in series. RC circuit is two-element low-pass filter. Main phase-shifting element is manufactured in the form of differentiation circuit and differential amplifier coupled in series. Integrating circuit is placed between input of differentiation circuit and noninverting input of differential amplifier. N additional RC circuits are connected between input of active RC filter and main RC circuit coupled in series where N is bigger than 1. N additional phase-shifting circuits are connected to output of main phase-shifting element. EFFECT: improved operational characteristics. 4 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в приемно-усилительной аппаратуре. The invention relates to radio engineering and can be used in reception and amplification equipment.

Известно устройство, представляющее собой пассивный RC-фильтр и содержащее последовательно соединенные звенья фильтра нижних частот (ФНЧ) 1-го порядка (Хейнлейн В.Е., Холмс В.Х. Активные фильтры для интегральных схем. Основы и методы проектирования. М. : Связь, 1980, рис.2.4). Устройство обеспечивает фильтрацию сигналов в заданной полосе частот и не вносит нелинейных искажений. Недостаток устройства - большое вносимое затухание в полосе прозрачности. A device is known which is a passive RC filter and contains series-connected links of a low-pass filter (LPF) of the 1st order (Heinlein V.E., Holmes V.Kh. Active filters for integrated circuits. Fundamentals and design methods. M.: Communication, 1980, Fig. 2.4). The device provides signal filtering in a given frequency band and does not introduce non-linear distortions. The disadvantage of this device is the large insertion loss in the transparency band.

Известно также устройство, представляющее собой активный RC-фильтр и содержащее пассивную RC-цепь, первый вход которой является входом устройства, и неинвертирующий усилитель, выход которого является выходом устройства и подключен к второму входу пассивной RC-цепи, при этом RC-цепь представляет собой пассивный ФНЧ лестничного типа (Синтез активных RC-цепей. Современное состояние и проблемы./ Под ред А.А.Ланнэ. М.: Связь, 1975, рис. 3.12). Устройство обеспечивает получение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) с заданной неравномерностью в полосе прозрачности. Недостаток - наличие нелинейных искажений сигнала, обусловленных высокими значениями добротности комплексно-сопряженных полюсов (КСП) передаточной функции (ПФ). A device is also known, which is an active RC filter and contains a passive RC circuit, the first input of which is the input of the device, and a non-inverting amplifier, the output of which is the output of the device and connected to the second input of the passive RC circuit, while the RC circuit is passive low-pass filter of ladder type (Synthesis of active RC circuits. Current state and problems. / Ed. by A.A. Lanne. M.: Communication, 1975, Fig. 3.12). The device provides an amplitude-frequency characteristic (AFC) with a given unevenness in the transparency band. The disadvantage is the presence of nonlinear distortion of the signal due to the high values of the quality factor of complex conjugate poles (PCP) of the transfer function (PF).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, содержащее последовательно соединенные пассивную RC-цепь, неинвертирующий усилитель и фазосдвигающее звено (ФЗ), выход которого подключен к второму входу пассивной RC-цепи - ФНЧ лестничного типа (Авторское свидетельство СССР N 1552353, кл. Н 03 Н 11/12 от 30.10.87). Устройство позволяет реализовывать ПФ с ограниченной добротностью КСП за счет чего происходит уменьшение нелинейных искажений. Однако при применении ФЗ 2-го и более высоких порядков устройство обладает волнообразной АЧХ в полосе задержания, что связано с появлением КСП, проявляющих себя в полосе задержания. Это уменьшает величину затухания в полосе задержания, что является недостатком устройства. Closest to the invention in technical essence is a device containing a passive RC circuit connected in series, a non-inverting amplifier and a phase-shifting link (FZ), the output of which is connected to the second input of the passive RC circuit - a low-pass filter of the ladder type (USSR Author's Certificate N 1552353, cl. H 03 H 11/12 from 10.30.87). The device allows you to implement PF with a limited Q factor of the PCB due to which there is a decrease in non-linear distortion. However, when applying the FZ of the 2nd and higher orders, the device has a wave-like frequency response in the detention band, which is associated with the appearance of PCBs that manifest themselves in the detention band. This reduces the amount of attenuation in the delay band, which is a disadvantage of the device.

Цель изобретения - увеличение затухания в полосе задержания за счет уменьшения величины добротности полюсов ПФ, формирующих полосу задержания. The purpose of the invention is to increase the attenuation in the detention band by reducing the quality factor of the PF poles forming the detention band.

Это достигается тем, что в устройстве, содержащем последовательно соединенные основную RC-цепь, неинвертирующий усилитель и основное фазосдвигающее звено, выход которого подключен к второму входу RC-цепи, при этом RC-цепь представляет собой двухзвенный фильтр нижних частот, содержащий последовательно соединенные первый и второй резисторы, свободные выводы которых являются входом и выходом RC-цепи, а первый и второй выводы второго резистора соединены соответственно с первыми выводами первого и второго конденсаторов, второй вывод первого из которых является вторым входом RC-цепи, а второго - соединен с общей шиной, и основное фазосдвигающее звено содержит последовательно соединенные дифференцирующую цепь и усилитель, выход которого является выходом основного фазосдвигающего звена, в основном фазосдвигающем звене усилитель выполнен дифференциальным, а между входом дифференцирующей цепи и неинвертирующим входом дифференциального усилителя включена интегрирующая цепь, также введено N (где N > 1) последовательно соединенных дополнительных RC-цепей, идентичных основной, выход N-й цепи соединен с входом основной и N последовательно соединенных дополнительных фазосдвигающих цепей, идентичных основной и подключенных к ее входу, при этом выходы дополнительных фазосдвигающих цепей подключены к вторым входам соответствующих из N дополнительных RC-цепей. This is achieved by the fact that in a device containing a series-connected main RC circuit, a non-inverting amplifier and a main phase-shifting link, the output of which is connected to the second input of the RC circuit, the RC circuit is a two-link low-pass filter containing the first and the second resistors, the free terminals of which are the input and output of the RC circuit, and the first and second terminals of the second resistor are connected respectively to the first terminals of the first and second capacitors, the second terminal of the first of which is the second input of the RC circuit, and the second is connected to a common bus, and the main phase-shifting link contains a series-differentiating circuit and an amplifier, the output of which is the output of the main phase-shifting link, the main phase-shifting link is made differential, and between the input of the differentiating circuit and the non-inverting input of the differential amplifier includes an integrating circuit, N (where N> 1) series-connected additional RC-circuits identical to the main one, output N- The first circuit is connected to the input of the main and N series-connected additional phase-shifting circuits, identical to the main one and connected to its input, while the outputs of the additional phase-shifting circuits are connected to the second inputs of the corresponding additional N RC circuits.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается наличием новых элементов, а именно: дополнительными фазосдвигающими звеньями и их связями с остальными элементами схемы. Таким образом, предложенное устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Comparative analysis with the prototype shows that the proposed device is characterized by the presence of new elements, namely: additional phase-shifting links and their relationships with other elements of the circuit. Thus, the proposed device meets the criteria of the invention of "novelty."

Сравнение предложенного решения с известными показывает, что увеличение числа ФЗ, что соответствует увеличению дополнительного фазового сдвига, приводит, как и в прототипе, к изменению добротности КСП, формирующих полосу прозрачности, что позволяет судить об известности такого применения дополнительных ФЗ. Однако при их введении в предложенное устройства в указанной связи с остальными элементами схемы они проявляют новое свойств, которое приводит к уменьшению добротности полюсов, формирующих полосу задержания, что позволяет увеличить затухание. На основании этого можно сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия". Comparison of the proposed solution with the known ones shows that an increase in the number of Federal Laws, which corresponds to an increase in the additional phase shift, leads, as in the prototype, to a change in the Q factor of the PCBs forming a transparency band, which allows us to judge the popularity of such an application of additional Federal Laws. However, when they are introduced into the proposed device in this connection with the other elements of the circuit, they exhibit new properties, which leads to a decrease in the quality factor of the poles forming the delay band, which allows to increase the attenuation. Based on this, we can conclude that the technical solution meets the criterion of "significant differences".

Сущность изобретения заключается в следующем. Величина добротности полюсов, формирующих полосу задержания и только в ней себя проявляющих, в неизвестном устройстве определяется глубиной положительной обратной связи (ПОС) с выхода устройства на вход неинвертирующего усилителя. Применение ФЗ n-го порядка в этом случае означает, что фаза сигнала по цепи ПОС изменяется на n 180^о. При четных n это означает, что сигнал ПОС складывается с входным, что и приводит к появлению волн АЧХ в полосе задержания, так как именно в этой полосе происходит максимальный набег фазы, осуществляемый ФЗ. Включение дополнительных ФЗ в предложенное устройство в указанной связи с остальными элементами схемы позволяет устранить указанное явление при сохранении равных возможностей по изменению добротности КСП, формирующих полосу прозрачности.The invention consists in the following. The value of the quality factor of the poles that form the detention band and only manifest themselves in it, in an unknown device is determined by the depth of positive feedback (POS) from the output of the device to the input of a non-inverting amplifier. The use of an n-th order FD in this case means that the phase of the signal along the PIC circuit changes by n 180 ^° . For even n, this means that the POS signal is added to the input signal, which leads to the appearance of frequency response waves in the delay band, since it is in this band that the maximum phase incursion occurs, which is carried out by the FS. The inclusion of additional Federal Laws in the proposed device in this connection with the other elements of the circuit allows us to eliminate this phenomenon while maintaining equal opportunities for changing the quality factor of the PCBs forming the transparency band.

На фиг. 1 приведена схема предложенного устройства; на фиг. 2 приведен вариант предложенного устройства с двумя RC-цепями и ФЗ; на фиг. 3 - вариант прототипа с двумя RC-цепями и ФЗ; на фиг. 4 - логарифмические АЧХ предложенного устройства (кривая 1) и прототипа (кривая 2). In FIG. 1 shows a diagram of the proposed device; in FIG. 2 shows a variant of the proposed device with two RC circuits and FZ; in FIG. 3 - a variant of the prototype with two RC circuits and FZ; in FIG. 4 - logarithmic frequency response of the proposed device (curve 1) and prototype (curve 2).

Устройство (см. фиг. 1) содержит N дополнительных RC-цепей 1, основную RC-цепь 2, неинвертирующий усилитель 3, N дополнительных ФЗ 4 и основное ФЗ 14. RC-цепь 2 содержит резисторы 5 и 7, конденсаторы 6 и 8. ФЗ 14 содержит дифференциальный усилитель 10, резисторы 11 и 13, конденсаторы 9 и 12. The device (see Fig. 1) contains N additional RC circuits 1, the main RC circuit 2, a non-inverting amplifier 3, N additional FZ 4 and the main FD 14. The RC circuit 2 contains resistors 5 and 7, capacitors 6 and 8. FZ 14 contains a differential amplifier 10, resistors 11 and 13, capacitors 9 and 12.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Рассмотрим случай, когда предложенное устройство и прототип содержат по две RC-цепи и ФЗ (см.фиг.2 и 3). Передаточные функции предложенного устройства Т(р) и прототипа Т_п(р) в этом случае имеют вид:

(

(1)

(2)
При выводе выражений принято, что ПФ ФЗ
T_ф3=

, (3) где τ_фз - постоянная времени ФЗ;
ПФ RC-цепи имеет вид
T_RC=

, (4) где τ - постоянная времени звеньев RC-цепи.Consider the case when the proposed device and prototype contain two RC circuits and a Federal Law (see Fig. 2 and 3). The transfer functions of the proposed device T (p) and prototype T _p (p) in this case are:

(

(1)

(2)
In the derivation of the expressions it is accepted that the PF Federal Law
T _f3 =

, (3) where τ _fz is the time constant of the Federal Law;
PF RC circuit has the form
T _RC =

, (4) where τ is the time constant of the links of the RC circuit.

Сравнение произведем для одинаковой неравномерности в полосе прозрачности 4 дБ и равных частот среза при τ = 1, что обеспечивается в случае предложенного устройства при К = 2,6 и τ_фз= 6,2, а для прототипа при К=2 и τ_фз= 4. Анализ выражений (1) и (2) в этом случае дает следующие значения полюсов функций для предложенного устройства:
Х₁ = -4,303; Х₂=-2,219; q = 0,5;
Х_3,4 = -0,1582±j 0,4955; q = 1,64;
X_5,6 = -4,696˙10^-2±j 8,868˙10^-2;
q = 1,07; для прототипа:
X_1,2 = -0,1101± j1,364; q = 6,22;
X_3,4 = -1,093± j1,128; q = 0,72;
X_5,6 = -4,732˙10^-2 ±j0,106; q = 1,23.Comparison will be made for the same unevenness in the transparency band of 4 dB and equal cutoff frequencies at τ = 1, which is ensured in the case of the proposed device at K = 2.6 and τ _fz = 6.2, and for the prototype at K = 2 and τ _fz = 4. The analysis of expressions (1) and (2) in this case gives the following values of the poles of the functions for the proposed device:
X ₁ = -4.303; X ₂ = -2.219; q = 0.5;
X _3.4 = -0.1582 ± j 0.4955; q = 1.64;
X _5.6 = -4.696˙10 ^-2 ± j 8.868˙10 ^-2 ;
q = 1.07; for prototype:
X _1.2 = -0.1101 ± j1.364; q = 6.22;
X _3.4 = -1.093 ± j1.128; q = 0.72;
X _5.6 = -4.732˙10 ^-2 ± j0.106; q = 1.23.

На фиг. 4 приведены АЧХ для рассматриваемого случая. Как видно из зависимостей, предложенное устройство обладает лучшей формой АЧХ в полосе задержания и большим затуханием по сравнению с прототипом. Анализ полученных параметров КСП и их добротностей показывает, что недостаток прототипа заключается в наличии высокодобротной пары КСП Х_1,2 с q=6,22, которая, не участвуя в формировании полосы прозрачности, оказывает воздействие на полосу задержания. У предложенного устройства эта пара полюсов (Х₁ и Х₂) имеет минимально возможное значение q = 0,5, что позволяет увеличить затухание в полосе прозрачности. Физический смысл этого явления довольно прост. У прототипа в петле ПОС с выхода устройства на вход неинвертирующего усилителя обеспечивается фазовый сдвиг от 0 до 450^о, в связи с чем на частотах, где фазовый сдвиг равен 360^о, наблюдается всплеск АЧХ, ухудшающих показатели в полосе задержания. У предложенного устройства за счет перераспределения фазового сдвига между звеньями максимальный фазовый сдвиг в петле обратной связи с выхода устройства на вход неинвертирующего усилителя составляет 270^о, что и является гарантией устранения нежелательного всплеска АЧХ в полосе прозрачности.In FIG. Figure 4 shows the frequency response for the case under consideration. As can be seen from the dependencies, the proposed device has a better frequency response in the detention band and a large attenuation compared to the prototype. Analysis of the obtained parameters of the PCB and their quality factors shows that the prototype has the disadvantage of having a high-quality pair of PCB X _1.2 with q = 6.22, which, without participating in the formation of the transparency band, affects the delay band. For the proposed device, this pair of poles (X ₁ and X ₂ ) has the minimum possible value q = 0.5, which allows to increase the attenuation in the transparency band. The physical meaning of this phenomenon is quite simple. The prototype in the PIC loop from the output of the device to the input of a non-inverting amplifier provides a phase shift from 0 to 450 ^about , therefore, at frequencies where the phase shift is 360 ^about , there is a surge in frequency response, worsening performance in the detention band. The proposed device due to the redistribution of the phase shift between the links, the maximum phase shift in the feedback loop from the output of the device to the input of a non-inverting amplifier is 270 ^about , which is a guarantee of eliminating an undesirable surge in frequency response in the transparency band.

Claims

ACTIVE RC-FILTER, containing a series-connected main RC circuit, a non-inverting amplifier and a main phase-shifting link, the output of which is connected to the second input of the RC circuit, the RC circuit is a two-link low-pass filter containing series-connected first and second resistors, free leads which are the input and output of the RC circuit, the first and second terminals of the second resistor are connected respectively to the first terminals of the first and second capacitors, the second terminal of the first of which is the second input m of the RC circuit, and the second is connected to a common bus, the main phase-shifting link contains a differentiating circuit and an amplifier connected in series, the output of which is the output of the main phase-shifting link, characterized in that, in order to increase the attenuation in the delay band, mainly the phase-shifting link, the amplifier is made differential, and between the input of the differentiating circuit and the non-inverting input of the differential amplifier, an integrating circuit is turned on, N (where N> 1) additional RC-connected in series circuits identical to the main one, the output of the Nth circuit is connected to the input of the main, as well as N series-connected additional phase-shifting circuits identical to the main and connected to its output, while the outputs of the additional phase-shifting circuits are connected to the second inputs of the corresponding additional N RC circuits.