RU2058663C1

RU2058663C1 - Active rc-filter

Info

Publication number: RU2058663C1
Authority: RU
Inventors: А.П. Чернышов
Original assignee: Чернышов Алексей Петрович; Чернышова Валентина Петровна
Priority date: 1991-07-22
Filing date: 1991-07-22
Publication date: 1996-04-20

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: active RC-filter has preliminary amplifier 1, which has capacitors 2 and 3, resistors 4 and 5 and transistor 6, amplitude clipper 7, which has diodes 8 and 9 and capacitor 10, operational amplifier 11, pulse amplifier 19, which has transistors 20, 26 and 27, resistors 21, 22, 25, capacitors 23, 28 and diode 24. In addition device has by-pass channel 29, which has emitter repeater 30 and phase-inverting amplifier 27. EFFECT: non-distorted transmission of sine-shaped signal in band width and its suppression with rate more than 120 dB for each octave after trailing edge. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве фильтра нижних, верхних частот, а также полосового и режекторного фильтров в приемоусилительных устройствах. The invention relates to radio engineering and can be used as a low-pass, high-pass filter, as well as band-pass and notch filters in receiving-amplifying devices.

Известны активные RC-фильтры Бесселя, Баттерворта, Чебышева и другие, содержащие частотоопределяющие RC-элементы и операционный усилитель. Недостатками известных устройств являются неравномерность частотной характеристики в полосе пропускания, пологий спад характеристики за частотой среза и нелинейные искажения, возрастающие с увеличением порядка фильтра. Active RC filters of Bessel, Butterworth, Chebyshev and others are known, containing frequency-determining RC elements and an operational amplifier. The disadvantages of the known devices are the unevenness of the frequency response in the passband, a gentle slope of the response beyond the cutoff frequency and non-linear distortions that increase with increasing filter order.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является активный RC-фильтр, содержащий операционные усилители, RC-элементы и обходной канал с сумматором. Недостаток устройства заключается в том, что он не обеспечивает равномерной характеристики в полосе пропускания и крутого спада за частотой среза, что отражается на недостаточном качестве обработки сигнала. The closest in technical essence to the present invention is an active RC filter containing operational amplifiers, RC elements and a bypass channel with an adder. The disadvantage of this device is that it does not provide uniform characteristics in the passband and a steep decline behind the cutoff frequency, which affects the insufficient quality of signal processing.

Целью изобретения является улучшение качества обработки сигнала путем формирования прямоугольной характеристики. The aim of the invention is to improve the quality of signal processing by forming a rectangular characteristic.

Достигается это тем, что в известный RC-фильтр, содержащий RC-элементы, обходной канал с эмиттерным повторителем и фазоинверсным усилителем, дополнительно введены предварительный усилитель, амплитудный ограничитель и усилитель импульсов с регулируемым порогом срабатывания, предварительный усилитель, амплитудный ограничитель и усилитель импульсов с регулируемым порогом срабатывания. This is achieved by the fact that in the well-known RC filter containing RC elements, a bypass channel with an emitter follower and a phase inverter, an additional preamplifier, an amplitude limiter and a pulse amplifier with an adjustable threshold, a preliminary amplifier, an amplitude limiter and an pulse amplifier with an adjustable trigger threshold.

Предварительное преобразование частоты в последовательность импульсов с их дальнейшим воздействием на усиление эмиттерного повторителя и фазоинверсного усилителя обходного канала обеспечивает их ключевой режим работы и тем самым достижение цели изобретения. Preliminary conversion of the frequency into a sequence of pulses with their further effect on the amplification of the emitter follower and the phase-inverse amplifier of the bypass channel ensures their key mode of operation and thereby achieving the objective of the invention.

На фиг.1 приведена электрическая схема устройства; на фиг.2а и 2б формы сигнала на амплитудном ограничителе и выходе операционного усилителя соответственно; на фиг.2в амплитудно-частотная характеристика всего устройства. Figure 1 shows the electrical circuit of the device; on figa and 2b of the waveform at the amplitude limiter and the output of the operational amplifier, respectively; on figv amplitude-frequency characteristic of the entire device.

Устройство содержит предварительный усилитель 1, состоящий из первого конденсатора 2, второго конденсатора 3, первого резистора 4, второго резистора 5 и первого n-p-n-транзистора 6; амплитудный ограничитель 7, состоящий из первого диода 8, второго диода 9 и третьего конденсатора 10; RC-фильтр 11, состоящий из третьего резистора 12, четвертого резистора 13, пятого резистора 14, шестого резистора 15, четвертого конденсатора 16, пятого конденсатора 17 и операционного усилителя 18; импульсный усилитель 19, состоящий из второго n-p-n-транзистора 20, седьмого резистора 21, восьмого подстроечного резистора 22, шестого конденсатора 23, третьего диода 24, девятого резистора 25, третьего n-p-n-транзистора 26, четвертого p-n-p-транзистора 27 и седьмого конденсатора 28; обходной канал 29, включающий в себя эмиттерный повторитель 30, состоящий из восьмого конденсатора 31, десятого резистора 32, одиннадцатого резистора 33, двенадцатого резистора 34, тринадцатого резистора 35 и пятого n-p-n-транзистора 36; фазоинверсный усилитель 37, состоящий из девятого конденсатора 38, четырнадцатого резистора 39, пятнадцатого резистора 40, шестнадцатого резистора 41, cемнадцатого резиcтора 42 и шестого n-p-n-транзистора 43. The device comprises a pre-amplifier 1, consisting of a first capacitor 2, a second capacitor 3, a first resistor 4, a second resistor 5, and a first n-p-n-transistor 6; an amplitude limiter 7, consisting of a first diode 8, a second diode 9 and a third capacitor 10; RC filter 11, consisting of a third resistor 12, a fourth resistor 13, a fifth resistor 14, a sixth resistor 15, a fourth capacitor 16, a fifth capacitor 17, and an operational amplifier 18; a pulse amplifier 19, consisting of a second npn transistor 20, a seventh resistor 21, an eighth trim resistor 22, a sixth capacitor 23, a third diode 24, a ninth resistor 25, a third npn transistor 26, a fourth pnpn transistor 27, and a seventh capacitor 28; a bypass channel 29, including an emitter follower 30, consisting of an eighth capacitor 31, a tenth resistor 32, an eleventh resistor 33, a twelfth resistor 34, a thirteenth resistor 35, and a fifth n-pn transistor 36; a phase inverse amplifier 37, consisting of a ninth capacitor 38, a fourteenth resistor 39, a fifteenth resistor 40, a sixteenth resistor 41, a seventeenth resistor 42, and a sixth npn transistor 43.

Устройство работает следующим образом. Поступающий на вход сигнал усиливается n-p-n-транзистором 6, работающим в режиме класса А, затем стабилизируется по уровню 0,5 В на амплитудном ограничителе 7 для уменьшения влияния амплитуды сигнала на характеристику всего устройства. На выходе сигнал имеет вид, показанный на фиг.2,а. Далее сигнал проходит через RC-элементы фильтра 11, формирующих требуемую амплитудно-частотную характеристику. Коэффициент усиления операционного усилителя 18 выбирается таким, чтобы обеспечить его работу в режиме максимального усиления и ограничения сигнала. На выходе усилителя 18 сигнал представляет собой последовательность импульсов с частотой входного сигнала и амплитудой, равной в полосе пропускания уровням ограниченного сигнала (см. фиг.2,б). Выход усилителя 18 непосредственно связан с базой n-p-n-транзистора 20 усилителя импульсов 19. Эмиттер транзистора 20 соединен со средним выводом подстроечного резистора 22, позволяющего регулировать порог срабатывания транзистора 20 и тем самым изменять частоту среза амплитудно-частотной характеристики всего устройства. Таким образом транзистор 20 пропускает импульсы до тех пор, пока амплитуда импульсов на базе превосходит напряжение на эмиттере. The device operates as follows. The input signal is amplified by an n-p-n-transistor 6 operating in class A mode, then stabilized at a level of 0.5 V at the amplitude limiter 7 to reduce the influence of the signal amplitude on the characteristics of the entire device. The output signal has the form shown in figure 2, a. Next, the signal passes through the RC elements of the filter 11, forming the desired amplitude-frequency characteristic. The gain of the operational amplifier 18 is selected so as to ensure its operation in the mode of maximum gain and signal limitation. At the output of amplifier 18, the signal is a sequence of pulses with the frequency of the input signal and amplitude equal to the passband levels of the limited signal (see figure 2, b). The output of the amplifier 18 is directly connected to the base of the npn transistor 20 of the pulse amplifier 19. The emitter of the transistor 20 is connected to the middle output of the tuning resistor 22, which allows you to adjust the threshold of the transistor 20 and thereby change the cutoff frequency of the amplitude-frequency characteristic of the entire device. Thus, the transistor 20 transmits pulses until the amplitude of the pulses at the base exceeds the voltage at the emitter.

На выходе усилителя импульсов 19 импульсы сглаживаются конденсатором 28 и получившееся постоянное напряжение высокого уровня используется для управления через резисторы 32 и 39 транзисторами 36 и 43 соответственно. При спаде характеристики и уменьшении амплитуды импульсов транзистор 20 закрывается, напряжение на выходе усилителя 19 снижается до нуля и транзисторы 36 и 43 закрываются. Характеристика имеет вид показанный на фиг.2,в. At the output of the pulse amplifier 19, the pulses are smoothed by the capacitor 28 and the resulting high-level constant voltage is used to control transistors 36 and 43, respectively, through the resistors 32 and 39. When the characteristics decrease and the pulse amplitude decreases, the transistor 20 closes, the voltage at the output of the amplifier 19 decreases to zero, and the transistors 36 and 43 are closed. The characteristic has the form shown in figure 2, c.

База транзистора 36 через конденсатор 31 соединена с входом всего устройства. Эмиттер и коллектор транзистора 43 являются выходами устройства и позволяют получить два сигнала, равные по амплитуде входному сигналу, но сдвинутые один относительно другого на 180^о, что позволяет расширить область применения устройства. Для обеспечения коэффициента усиления устройства равным единице сопротивления резисторов 33, 35, 40, 42 должны быть одинаковыми. Подавление сигнала за частотой среза составляет более 120 дБ и определяется как отношение амплитуды входного сигнала к амплитуде выходного при закрытых транзисторах 36 и 43. Коэффициент прямоугольности по этим уровням составляет 1.05 при использовании RC-фильтра 11 второго порядка. Коэффициент передачи устройства в полосе пропускания равен единице.The base of the transistor 36 through a capacitor 31 is connected to the input of the entire device. The emitter and collector of the transistor 43 are the outputs of the device and allow you to get two signals equal in amplitude to the input signal, but shifted one relative to the other by 180 ^about , which allows you to expand the scope of the device. To ensure the gain of the device equal to the unit of resistance of the resistors 33, 35, 40, 42 must be the same. The signal suppression beyond the cutoff frequency is more than 120 dB and is defined as the ratio of the amplitude of the input signal to the amplitude of the output with closed transistors 36 and 43. The squareness coefficient at these levels is 1.05 when using a second-order RC filter 11. The transmission coefficient of the device in the passband is equal to one.

При выполнении устройства в виде фильтра верхних частот, полосового или режекторного амплитудно-частотная характеристика изменяется в соответствии c выполненным фильтром. В устройстве использованы диоды типа КД503, транзисторы КТ342, КТ347, операционный усилитель К140УД7. When the device is implemented in the form of a high-pass filter, a band-pass or notch, the amplitude-frequency characteristic changes in accordance with the performed filter. The device used diodes type KD503, transistors KT342, KT347, operational amplifier K140UD7.

Экспериментальная проверка предполагаемого устройства, проведенная в лаборатории моделирования Воронежского ОКБА, показала, что характеристика устройства соответствует прямоугольной, обеспечивая неискаженную передачу синусоидального сигнала в полосе пропускания и подавление с крутизной более 120 дБ на октаву за частотой среза. An experimental verification of the proposed device, conducted at the Voronezh OKBA modeling laboratory, showed that the device characteristics are rectangular, providing undistorted transmission of a sinusoidal signal in the passband and suppression with a slope of more than 120 dB per octave behind the cutoff frequency.

Claims

1. An ACTIVE RC FILTER containing an RC filter consisting of an operational amplifier, a third sixth resistor, and a bypass channel, characterized in that, in order to improve the quality of signal processing, a terminal for connecting a power source, a preliminary amplifier consisting of from the first and second capacitors, the first and second resistors and the first transistor, an amplitude limiter consisting of the first and second diodes and the third capacitor, a pulse amplifier consisting of the second fourth transistors, seventh about the ninth resistor, the sixth and seventh capacitors and the third diode, the anode of which is connected to a common bus, the input of the active RC filter is connected to the first input of the bypass channel and the first output of the first capacitor, the second output of which is connected to the base of the first transistor and the first output of the second resistor, the second terminal of which is connected to the collector of the first transistor, the second terminals of the first resistor and second capacitor, the first terminal of which is connected to the cathode of the first diode, the anode of the second diode and through a third capacitor and a third resistor are connected with the first terminal of the fourth capacitor and the second terminals of the fourth and fifth resistors, the first terminals of which are connected respectively to the first and second terminals of the fifth capacitor and, respectively, with the output and the first input of the operational amplifier, the second input of which is connected through a sixth resistor to a common bus, and the output with the base of the second transistor, the collector of which is connected to the second output of the seventh resistor and through the sixth capacitor with the cathode of the third diode and the base of the third a transistor whose collector is connected to the base of the fourth transistor and through the ninth resistor to the first output of the eighth resistor, the emitter of the fourth transistor, the first outputs of the fourth and seventh resistors, the third and fifth inputs of the bypass channel and the terminal for connecting the power source, the collector of the fourth transistor is connected to the second and the fourth inputs of the bypass channel and through the seventh capacitor with a common bus, the emitter of the second transistor is connected to the middle terminal of the eighth resistor, the second terminal of which is Inonii common bus, the emitters of the first and third transistors, the anodes of the first and third diodes, the cathode of the second diode and a second terminal of the fourth capacitor connected to the common bus, the first and second outputs of the bypass channel are appropriate active RC-filter outputs.

2. The RC filter according to claim 1, characterized in that the bypass channel contains an emitter follower consisting of an eighth capacitor, a tenth to thirteenth resistors and a fifth transistor, and a phase inversion amplifier consisting of a ninth capacitor, fourteenth seventeenth resistors and a sixth transistor, a collector and the emitter of which are respectively the first and second outputs of the bypass channel, the first input of which is connected through the eighth capacitor to the first terminals of the tenth and twelfth resistors and the base of the fifth transistor , the emitter of which is connected to the first terminals of the thirteenth, fourteenth and sixteenth resistors and the base of the sixth transistor, the collector and emitter of which, respectively, through the fifteenth and seventeenth resistors are connected to the fifth input of the bypass channel and the common bus, the collector of the fifth transistor through the eleventh resistor is connected to the third input of the bypass channel , the second and fourth inputs of which are connected respectively to the second terminals of the tenth and fourteenth resistors, the second terminals of the twelfth, thirteenth and w The eleventh resistors are connected to a common bus.