RU2019025C1 - Активный rc-фильтр - Google Patents

Активный rc-фильтр Download PDF

Info

Publication number
RU2019025C1
RU2019025C1 SU4892773A RU2019025C1 RU 2019025 C1 RU2019025 C1 RU 2019025C1 SU 4892773 A SU4892773 A SU 4892773A RU 2019025 C1 RU2019025 C1 RU 2019025C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
operational amplifier
frequency
capacitor
inverting input
Prior art date
Application number
Other languages
English (en)
Inventor
С.В. Гришин
С.Г. Крутчинский
Original Assignee
Таганрогский радиотехнический институт им.В.Д.Калмыкова
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Таганрогский радиотехнический институт им.В.Д.Калмыкова filed Critical Таганрогский радиотехнический институт им.В.Д.Калмыкова
Priority to SU4892773 priority Critical patent/RU2019025C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2019025C1 publication Critical patent/RU2019025C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)
  • Networks Using Active Elements (AREA)

Abstract

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных узлах радиоэлектронных устройств. Цель - повышение частоты и затухания полюса, а также повышение точности установки частоты полюса. Устройство содержит первый, второй, третий операционные усилители 1, 8, 10, первый - шестой резисторы 2, 3, 4, 6, 9, 11, первый, второй, третий конденсаторы 5, 7, 12. 1 ил.

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в селективных узлах различных радиоэлектронных устройствах, в которых производится выделение и анализ определенных спектральных составляющих сигнала.
Известными устройствами, на основе которых можно построить анализаторы спектра сложных сигналов, являются активный RC-фильтр (Капустян В.Н. Проектирование активных RС-фильтров высокого порядка. М.: Радио и связь, 1982, с. 140, рис.5.9, а также патент ФРГ N 3213513, кл. Н 03 Н 11/04, 1983), содержащий последовательно соединенные масштабный усилитель, имеющий инвертирующий и неинвертирующий входы, и два интегратора, выполненных на операционных усилителях с заземленными неинвертирующими входами, а также делитель напряжения из двух резисторов, включенный между входом фильтра и выходом первого интегратора, причем средняя точка делителя подключена к неинвертирующему входу масштабного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с выходом второго интегратора. Схема проста в настройке, реализует три различные передаточные функции (ФНЧ, ПФ и ФВЧ). Однако на параметры фильтра (частота и добротность полюса) оказывают сильное влияние частотные свойства операционных усилителей, поэтому схема работает в сравнительно узком частотном диапазоне, что является ее недостатком.
Активный RC-фильтр (авт. св. СССР N 510778, кл. Н 03 Н 7/10, опублик. 15.04.76; Справочник по расчету и проектированию АRC-схемы/ Под ред.А.А. Ланнэ. М. : Радио и связь, 1984, с.208, табл. 4.22), содержащий масштабный усилитель и два RC-звена, интегрирующее и дифференцирующее выполнены на операционных усилителях, неинвертирующие входы которых соединены с общей шиной, при этом входы RC-звеньев подключены к выходу масштабного усилителя, а выходы через соответствующие плечи делителя напряжения, состоящие из трех резисторов, соединены с выходом устройства и с неинвертирующим входом масштабного усилителя.
Данная схема обладает более широким частотным диапазоном, чем предыдущая благодаря взаимной компенсации влияния частотных свойств операционных усилителей на затухание полюса, но сильнее влияние частотных свойств используемых усилителей на частоту полюса существенно ограничивает частотный диапазон устройства или снижает стабильность его параметров на высоких частотах.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является активный RC-фильтр (Капустян В.И. Проектирование активных RC-фильтров высокого порядка. М.: Радио и связь, 1982, с.146, рис.5.11), содержащий первый операционный усилитель, к неинвертирующему входу которого подсоединены первыми выводами первый, второй, третий резисторы и первый конденсатор, выход первого операционного усилителя соединен с вторыми выводами второго резистора и первого конденсатора и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу второго конденсатора и к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом третьего резистора и первым выводом пятого резистора, третий операционный усилитель, выход которого соединен с вторым выводом второго конденсатора и первым выводом шестого резистора, вторые выводы пятого и шестого резисторов подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, при этом неинвертирующие входы операционных усилителей соединены с общей шиной, второй вывод первого резистора является входом, а выходы первого и второго операционных усилителей - выходами полосового фильтра и фильтра нижних частот.
Преимуществом прототипа является широкий диапазон рабочих частот, а недостатком - невысокая стабильность параметров из-за влияния частотных свойств операционных усилителей на стабильность частоты и затухание полюса.
Целью изобретения является повышение точности установки частоты полюса и стабильности основных параметров фильтра (АХЧ и ФЧХ) за счет уменьшения влияния частотных свойств (площади усиления) операционных усилителей на частоту и затухание полюса.
Это достигается тем, что в устройстве, содержащем первый операционный усилитель, к инвертирующему входу которого подсоединены первыми выводами первый, второй, третий резисторы и первый конденсатор, выход первого операционного усилителя соединен с вторыми выводами второго резистора и первого конденсатора и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу второго конденсатора и к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом второго конденсатора и первым выводом шестого резистора, вторые выводы пятого и шестого резисторов подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, при этом второй вывод первого резистора является входом, а выходы первого и второго операционных усилителей - выходами полосового фильтра и фильтра нижних частот, введены дополнительные связи между инвертирующим входом первого и неинвертирующим входом третьего операционных усилителей и между инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителя, а также третий конденсатор, включенный между выходом первого операционного усилителя и инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителя.
Наличие отличительных признаков, а именно: введение новых связей между инвертирующим входом первого и неинвертирующим входом третьего операционных усилителей, а также между инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна". Оно соответствует также критерию "Существенные отличия", поскольку не обнаружено решений с признаками, сходными с признаками, отличающими его от прототипа.
При введении новых связей между инвертирующим входом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя и между инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей, а также третьего конденсатора, возникают дополнительные корректирующие контуры обратных связей, что приводит к снижению влияния площади усиления операционных усилителей на частоту или на затухание полюса и, следовательно, к повышению стабильности АЧХ и ФЧХ.
На чертеже приведена принципиальная электрическая схема предложенного активного RC-фильтра.
Активный RC-фильтр содержит первый операционный усилитель 1, первый, второй и третий 2,3 и 4 резисторы, первый конденсатор 5, четвертый резистор 6, второй конденсатор 7, второй операционный усилитель 8, пятый резистор 9, третий операционный усилитель 10, шестой резистор 11, третий конденсатор 12.
Активный RC-фильтр содержит первый операционный усилитель 1, к инвертирующему входу которого подсоединены первыми выводами первый, второй, третий резисторы 2,3,4 и первый конденсатор 5, выход первого операционного усилителя 1 соединен с вторыми выводами второго резистора 3 и первого конденсатора 5, выход первого операционного усилителя 1 соединен с вторыми выводами второго резистора 3 и первого конденсатора 5 и первым выводом четвертого резистора 6, второй вывод которого подключен к первому выводу второго конденсатора 7 и к неинвертирующему входу второго операционного усилителя 8, выход которого соединен с вторым выводом третьего резистора 4 и первым выводом пятого резистора 9, третий операционный усилитель 10, выход которого соединен с вторым выводом шестого резистора 11, вторые выводы пятого 9 и шестого 11 резисторов подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя 10, при этом неинвертирующий вход первого операционного усилителя 1 соединен с общей шиной, второй вывод первого резистора 2 является входом, а выходы первого 1 и второго 2 операционных усилителей - выходами полосового фильтра и фильтра нижних частот, причем инвертирующий вход первого операционного усилителя 1 соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя 10, инвертирующие входы второго 8 и третьего 10 операционных усилителей объединены между собой, а третий конденсатор 12 включен между выходом первого операционного усилителя 1 и инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей 8 и 10.
Работает активный RC-фильтр следующим образом.
Входной гармонический сигнал подается на второй вывод первого резистора 2, при этом на выходе первого операционного усилителя 1 формируется передаточная функция полосового фильтра, а на выходе второго операционного усилителя 8 - передаточная функция фильтра нижних частот, которые при идеальных операционных усилителях имеют вид
FПФ(P)=MПФ
Figure 00000002
(1)
FФНЧ(P)= MНЧ
Figure 00000003
(2) где МПФ = MПФ=
Figure 00000004
;; MНЧ=
Figure 00000005
Figure 00000006
- масштабные множители полосового фильтра и фильтра нижних частот
ωp=
Figure 00000007
Figure 00000008
- частота полюса (3)
dp=
Figure 00000009
=
Figure 00000010
Figure 00000011
Figure 00000012
- затухание полюса (4) где Qp - добротность полюса;
τ1 = R3C1; τ2 = R4C2 - постоянные времени;
R1,R2,R3,R4,R5,R6 - сопротивления резисторов 2,3,4,6,9 и 11
С1 и С2 - емкость конденсаторов 5 и 7.
При использовании реальных операционных усилителей имеющих конечную площадь усиления, основные параметры фильтра ωp и dp будут зависеть не только от резистивных и емкостных элементов схемы, но и от параметров операционных усилителей.
При аппроксимации АЧХ операционных усилителей функций первого порядка μ(P) =
Figure 00000013
,где П=μoωгр - площадь усиления, а μo и ωгр - коэффициент усиления и граничная частота по уровню 3дБ, выражения для частоты (3) и затухания (4) полюса, как следует из анализа схемы, в которой инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, приобретают вид
ωp=
Figure 00000014
Figure 00000015
Figure 00000016
1-
Figure 00000017
Figure 00000018
Figure 00000019
Figure 00000020
-
Figure 00000021
Figure 00000022
(5)
dp=
Figure 00000023
Figure 00000024
Figure 00000025
Figure 00000026
1-ωpQ
Figure 00000027
Figure 00000028
+
Figure 00000029
Figure 00000030
-
Figure 00000031
Figure 00000032
1+
Figure 00000033
Figure 00000034
+ δωp(П), (6) где П1, П2 и П3 - площади усиления первого 1, второго 8 и третьего 10 операционных усилителей.
Из формулы (5) и (6) находятся относительные изменения частоты и затухания полюса
δωp(П)= -
Figure 00000035
Figure 00000036
Figure 00000037
Figure 00000038
-
Figure 00000039
Figure 00000040
(7)
δdp(П)=ωpQ
Figure 00000041
Figure 00000042
+
Figure 00000043
Figure 00000044
-
Figure 00000045
1+
Figure 00000046
+δωp(П) (8)
При τ1=τ2; П1=П2=П3=П, R5 = R6 и Qp>>1 (9) относительное изменение частоты полюса (7) благодаря разности в круглых скобках равно нулю, т.е. δωp(П)=0 (10)
Относительные изменения параметров полюсов, полученные из анализа схемы устройства - прототипа имеют вид
δωp(П)= -
Figure 00000047
Figure 00000048
Figure 00000049
Figure 00000050
Figure 00000051
Figure 00000052
+
Figure 00000053
(11)
δdp(П)=ωpQ
Figure 00000054
Figure 00000055
+
Figure 00000056
Figure 00000057
-
Figure 00000058
1+
Figure 00000059
+δωp(П) (12)
При тех же условиях (9) относительное изменение частоты полюса (11) устройства-прототипа принимает значение
δωp(П)= -
Figure 00000060
(13)
Из сопоставления соотношений (10) и (13) следует, что введение связи между инвертирующим входом первого и неинвертирующим входом третьего операционных усилителей устраняется влияние площади усиления операционных усилителей на частоту полюса и, следовательно, повышается стабильность АЧХ и ФЧХ фильтра.
При введении связей между инвертирующим входом первого и неинвертирующим входом третьего, а также между инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей относительные изменения частоты и затухания полюса равны
δωp(П)= -
Figure 00000061
Figure 00000062
Figure 00000063
Figure 00000064
+
Figure 00000065
Figure 00000066
(14)
δdp(П)=-ωpQ
Figure 00000067
Figure 00000068
-
Figure 00000069
Figure 00000070
+
Figure 00000071
Figure 00000072
+
Figure 00000073
+
Figure 00000074
Figure 00000075
+ δωp(П) (15)
При τ1= τ2 и R5 = R6 полученные из выражений (12) и (15) чувствительности затухания полюса предлагаемого устройства и прототипа, приведены в таблице.
Как следует из выражений (11) и (14) чувствительности частоты полюса к площади усиления у прототипа и предлагаемого устройства в данном случае одинаковы, а чувствительности затухания полюса, разные.
Для сравнения предлагаемого устройства с прототипом по стабильности затухания воспользуемся среднеквадратической чувствительностью, характеризующей влияние неидентичности изменения площадей усиления операционных усилителей на затухание полюса
S
Figure 00000076
=
Figure 00000077
, где n - число ОУ
Как следует из таблицы, при П1=П2=П3=П
S
Figure 00000078
Figure 00000079
Figure 00000080
≈
Figure 00000081
Figure 00000082
(16) для прототипа, и
S
Figure 00000083
Figure 00000084
Figure 00000085
≈
Figure 00000086
Figure 00000087
(17) для предлагаемого решения.
Из выражений (16) и (17) видно, что у предлагаемого устройства среднеквадратическая чувствительность в 1,7 раза меньше, чем у прототипа и, следовательно, во столько же раз выше стабильность затухания полюса, что приводит к повышению стабильности параметров фильтра.
Для компенсации смещения частоты полюса (14), возникающего за счет влияния площади усиления операционных усилителей, в схему введен третий конденсатор 12. После введения конденсатора 12 частота полюса получит приращение и примет значение
ω 1 p ≈
Figure 00000088
Figure 00000089
Figure 00000090
1+
Figure 00000091
Figure 00000092
,, (18) где τ3=R6C3; C3 - емкость конденсатора 12 Приτ1=τ2 R5 = R6; П1 = П2 = П3 = П и Qp >> 1,
приравнивая к нулю сумму приращения частоты за счет емкости С3 и площади усиления операционных усилителей, найдем значение емкости, при которой происходит компенсация смещения частоты полюса
C3=2
Figure 00000093
Figure 00000094
(19)
Контроль за выполнением условия компенсации осуществляется на верхней рабочей частоте фильтра и сводится к получению с помощью изменения емкости конденсатора С3 расчетного значения частоты полюса, которое вычисляется по формуле (3).
При изменении частоты полюса с помощью постоянных времениτ1 и τ2условия компенсации не нарушаются благодаря пропорциональному изменению степени влияния площади усиления и емкости конденсатора С3 на параметры устройства.
Таким образом, в результате введения связи между инвертирующим входом первого и неинвертирующим входом третьего операционных усилителей устраняется влияние площади усиления операционных усилителей на частоту полюса, а при введении связей между инвертирующим входом первого и неинвертирующим входом третьего, а также между инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей уменьшается среднеквадратическая чувствительность затухания полюса к площади усиления, кроме того, введение третьего конденсатора между выходом первого и инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей уменьшает смещение частоты полюса, в результате повышается точность установки частоты полюса.

Claims (2)

1. АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР, содержащий первый операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, инвертирующий вход - с первыми выводами первого, второго и третьего резисторов и первого конденсатора, а выход - с вторыми выводами первого конденсатора, второго резистора и через четвертый резистор - с первым выводом второго конденсатора и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом третьего резистора и через пятый резистор подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя и первому выводу шестого резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом второго конденсатора и выходом третьего операционного усилителя, при этом второй вывод первого резистора является входом активного RC-фильтра, а выходы первого и второго операционных усилителей являются соответственно выходами полосового фильтра и фильтра нижних частот, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности частоты и затухания полюса, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя.
2. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности установки частоты полюса, введен третий конденсатор, включенный между выходом первого операционного усилителя и инвертирующим входом третьего операционного усилителя.
SU4892773 1990-12-19 1990-12-19 Активный rc-фильтр RU2019025C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4892773 RU2019025C1 (ru) 1990-12-19 1990-12-19 Активный rc-фильтр

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4892773 RU2019025C1 (ru) 1990-12-19 1990-12-19 Активный rc-фильтр

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2019025C1 true RU2019025C1 (ru) 1994-08-30

Family

ID=21551089

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4892773 RU2019025C1 (ru) 1990-12-19 1990-12-19 Активный rc-фильтр

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2019025C1 (ru)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2656728C1 (ru) * 2017-06-27 2018-06-06 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Arc-фильтр нижних частот с независимой настройкой основных параметров
RU2707706C1 (ru) * 2019-05-24 2019-11-28 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Универсальный активный rc-фильтр второго порядка на основе мультидифференциальных операционных усилителей
RU2724917C1 (ru) * 2020-03-13 2020-06-26 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Универсальный активный rc-фильтр второго порядка на мультидифференциальных операционных усилителях с минимальным количеством пассивных и активных элементов
RU2771979C1 (ru) * 2021-11-19 2022-05-16 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Полосовой фильтр класса саллена-ки с независимой подстройкой основных параметров

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Капустян В.И. Проектирование активных RC-фильтров высокого порядка. М.: Радио и связь, 1982, с.146, рис.5.11. *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2656728C1 (ru) * 2017-06-27 2018-06-06 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Arc-фильтр нижних частот с независимой настройкой основных параметров
RU2707706C1 (ru) * 2019-05-24 2019-11-28 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Универсальный активный rc-фильтр второго порядка на основе мультидифференциальных операционных усилителей
RU2724917C1 (ru) * 2020-03-13 2020-06-26 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Универсальный активный rc-фильтр второго порядка на мультидифференциальных операционных усилителях с минимальным количеством пассивных и активных элементов
RU2771979C1 (ru) * 2021-11-19 2022-05-16 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Полосовой фильтр класса саллена-ки с независимой подстройкой основных параметров
RU2774806C1 (ru) * 2021-11-22 2022-06-23 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Полосовой фильтр семейства саллена-ки
RU2772316C1 (ru) * 2021-11-23 2022-05-18 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Полосовой фильтр семейства саллена - ки с независимой подстройкой основных параметров

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Thomas The biquad: Part I-Some practical design considerations
US3946328A (en) Functionally tunable active filter
US4253069A (en) Filter circuit having a biquadratic transfer function
JPS60500395A (ja) 同調可能なアクテイブ・フイルタ
US4383230A (en) Voltage tuned active filter and circuitry simulating a capacitance and an inductance
RU2019025C1 (ru) Активный rc-фильтр
Koukiou et al. Modular filter structures using current feedback operational amplifiers
Hou et al. Universal cascadable current-mode biquad using only four CCIIs
RU2019024C1 (ru) Активный rc-фильтр
RU2154337C1 (ru) Полосовой arc-фильтр с повышением частоты полюса
RU2797040C1 (ru) Фильтр низких частот на основе мультидифференциального операционного усилителя
RU2800970C1 (ru) Фильтр низких частот
SU1788570A1 (ru) Aktиbhый r c-фильtp
SU815868A2 (ru) Полосовой активный -фильтр
SU807483A1 (ru) Активный -фильтр
SU813694A1 (ru) Активный полосовой рс-фильтр
RU2058058C1 (ru) Активный широкополосный пьезоэлектрический фильтр
RU2019023C1 (ru) Активный rc-фильтр
RU2720558C1 (ru) Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров
RU2333592C2 (ru) Способ обеспечения допустимой величины частотных искажений усилителя и устройство для его осуществления
KR20180134157A (ko) 고조파를 이용한 저항형 및 용량형 센서의 출력을 주파수로 변환하는 장치
Sotner et al. Voltage Tunable Building Blocks Using Compact Active Device in Design of Filtering Applications
RU2019904C1 (ru) Программируемый arc-фильтр
Sotner et al. Fractional-Order Asymptotical Phase Shifter with Flat Magnitude Response
SU1777233A1 (ru) Активный вс-фильтр