RU2701038C1 - Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров - Google Patents
Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров Download PDFInfo
- Publication number
- RU2701038C1 RU2701038C1 RU2019105489A RU2019105489A RU2701038C1 RU 2701038 C1 RU2701038 C1 RU 2701038C1 RU 2019105489 A RU2019105489 A RU 2019105489A RU 2019105489 A RU2019105489 A RU 2019105489A RU 2701038 C1 RU2701038 C1 RU 2701038C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resistors
- frequency
- pole
- operational amplifier
- differential operational
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H11/00—Networks using active elements
- H03H11/02—Multiple-port networks
- H03H11/04—Frequency selective two-port networks
- H03H11/12—Frequency selective two-port networks using amplifiers with feedback
- H03H11/1217—Frequency selective two-port networks using amplifiers with feedback using a plurality of operational amplifiers
- H03H11/123—Modifications to reduce sensitivity
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H11/00—Networks using active elements
- H03H11/02—Multiple-port networks
- H03H11/04—Frequency selective two-port networks
- H03H11/12—Frequency selective two-port networks using amplifiers with feedback
- H03H11/126—Frequency selective two-port networks using amplifiers with feedback using a single operational amplifier
Landscapes
- Networks Using Active Elements (AREA)
Abstract
Изобретение относится к средствам выделения заданного спектра источника сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций. Технический результат заключается в обеспечении независимой подстройки трех основных параметров АЧХ – частоты полюса (ωp), затухания полюса (dp), а также коэффициента передачи в полосе пропускания (М). Полосовой фильтр содержит два дифференциальных операционных усилителя, резисторы и конденсаторы. Причем частота полюса ωp, на которой фазовый сдвиг равен -180°, изменяется за счет второго 5 и третьего 6 резисторов (R5 и R6) в относительно широких пределах, при изменении сопротивлений первого 4 (R4), пятого 9 (R9) и восьмого 12 (R12) резисторов изменяется наклон ФЧХ в области частоты полюса и изменяется подъем АЧХ на этой частоте. При этом частота полюса остается неизменной (ωp=const). При настройке затухания полюса изменяются частоты, на которых фазовый сдвиг составляет -135° и -225°. Для получения заданного коэффициента передачи М на центральной частоте изменяется сопротивление четвертого 8 (R8) резистора. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Description
Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве интерфейса для выделения заданного спектра источника сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.
Полосовые АRC-фильтры (ПФ) относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств, определяющих качественные показатели многих радиотехнических систем, в том числе для цифровой обработки сигналов [1-28].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является полосовой АRC-фильтр по патенту RU 2150782 «Полосовой ARC-фильтр с понижением частоты полюса», опубл.: 10.06.2000. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 дифференциальный операционный усилитель, выход которого соединен с выходом 2 устройства, первый 4, второй 5 и третий 6 последовательно соединённые резисторы, которые включены между выходом устройства 2 и общей шиной источников питания 7, четвёртый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11 и восьмой 12 резисторы, а также первый 13 и второй 14 конденсаторы, каждый из которых содержит первый и второй выводы, причём общий узел первого 4 и второго 5 последовательно соединенных резисторов связан с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя.
Существенный недостаток ARC-фильтра-прототипа фиг. 1, а также других известных фильтров рассматриваемого класса [1-28], состоит в том, что в процессе подстройки его одного параметра, например, затухания или частоты полюса, изменяется третий важный параметр амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) – коэффициент передачи в полосе пропускания. Это значительно усложняет производство и настройку (например, с помощью микросхем цифровых потенциометров [29] или лазерной подгонки) ARC-фильтров данного класса.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании схемы полосового АRC-фильтра, которая обеспечивает независимую подстройку трех основных параметров АЧХ – частоты полюса (ωp), затухания полюса (dp), а также коэффициента передачи в полосе пропускания (М).
Поставленная задача достигается тем, что в полосовом ARC-фильтре фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 дифференциальный операционный усилитель, выход которого соединен с выходом 2 устройства, первый 4, второй 5 и третий 6 последовательно соединённые резисторы, которые включены между выходом устройства 2 и общей шиной источников питания 7, четвёртый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11 и восьмой 12 резисторы, а также первый 13 и второй 14 конденсаторы, каждый из которых содержит первый и второй выводы, причём общий узел первого 4 и второго 5 последовательно соединенных резисторов связан с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введён дополнительный дифференциальный операционный усилитель 15, выход которого соединён с неинвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные седьмой 11 резистор и первый 13 конденсатор, общий узел которых связан с выходом первого 3 дифференциального операционного усилителя через дополнительный резистор 16, причем общий узел последовательно соединенных второго 5 и третьего 6 резисторов соединен с первым выводом второго 14 конденсатора, второй вывод которого соединен с общим узлом последовательно соединенных седьмого 11 резистора и первого 13 конденсатора, между входом 1 устройства и выходом дополнительного дифференциального операционного усилителя 15 включены последовательно соединенные четвертый 8 и пятый 9 резисторы, причем общий узел последовательно соединенных четвёртого 8 и пятого 9 резисторов соединён с инвертирующим входом дополнительного дифференциального операционного усилителя 15 и через восьмой 12 резистор связан с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя, причём неинвертирующий вход дополнительного дифференциального операционного усилителя 15 подключён к общей шине источников питания 7, а неинвертирущий вход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания через шестой 10 резистор.
На чертеже фиг. 1 показана схема ПФ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого ПФ в соответствии с п. 2 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 4 приведены амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики заявляемого полосового фильтра при подстройке частоты полюса ωp.
На чертеже фиг. 5 показаны амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики заявляемого полосового фильтра при подстройке затухания полюса dp.
На чертеже фиг. 6 представлены амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики заявляемого полосового фильтра при подстройке коэффициента передачи M.
Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 дифференциальный операционный усилитель, выход которого соединен с выходом 2 устройства, первый 4, второй 5 и третий 6 последовательно соединённые резисторы, которые включены между выходом устройства 2 и общей шиной источников питания 7, четвёртый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11 и восьмой 12 резисторы, а также первый 13 и второй 14 конденсаторы, каждый из которых содержит первый и второй выводы, причём общий узел первого 4 и второго 5 последовательно соединенных резисторов связан с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя. В схему введён дополнительный дифференциальный операционный усилитель 15, выход которого соединён с неинвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные седьмой 11 резистор и первый 13 конденсатор, общий узел которых связан с выходом первого 3 дифференциального операционного усилителя через дополнительный резистор 16, причем общий узел последовательно соединенных второго 5 и третьего 6 резисторов соединен с первым выводом второго 14 конденсатора, второй вывод которого соединен с общим узлом последовательно соединенных седьмого 11 резистора и первого 13 конденсатора, между входом 1 устройства и выходом дополнительного дифференциального операционного усилителя 15 включены последовательно соединенные четвертый 8 и пятый 9 резисторы, причем общий узел последовательно соединенных четвёртого 8 и пятого 9 резисторов соединён с инвертирующим входом дополнительного дифференциального операционного усилителя 15 и через восьмой 12 резистор связан с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя, причём неинвертирующий вход дополнительного дифференциального операционного усилителя 15 подключён к общей шине источников питания 7, а неинвертирущий вход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания через шестой 10 резистор.
На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, общий узел последовательно соединенных второго 5 и третьего 6 резисторов соединен с первым выводом второго 14 конденсатора через дополнительный повторитель напряжения 17 с высоким входным и низким выходным сопротивлением.
Рассмотрим работу схемы фиг. 2.
Свойства схемы классического полосового фильтра второго порядка, в том числе схемы фиг. 2, определяются его передаточной функцией [28]
где М – коэффициент передачи фильтра на центральной частоте; ωp – частота полюса; dp – затухание полюса.
Коэффициенты передаточной функции предлагаемой схемы полосового фильтра определяются по выражениям:
- коэффициент передачи
- частота полюса
- затухание полюса
где 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
- сопротивления первого 4, второго 5, третьего 6, четвертого 8, пятого 9, шестого 10, седьмого 11, восьмого 12, и дополнительного 16 резисторов соответственно, 
, 
- емкости первого 13 и второго 14 конденсаторов соответственно.
Независимая настройка параметров ПФ фиг. 2 возможна тогда, когда при настройке последующего параметра схемы не потребуется изменять сопротивления резисторов, определяющие уже настроенный параметр. Из анализа полученных выше формул (1)-(3) для ωp, dp, М следует, что в предлагаемом ПФ фиг. 2 такая настройка осуществима в следующей последовательности:
Первый этап: настраивается частота полюса ωp путем изменения сопротивлений второго 5 и третьего 6 резисторов (R5 и R6). Далее номиналы этих резисторов фиксируются.
Второй этап: настраивается затухание полюса dp путем изменения сопротивлений первого 4 (R4), пятого 9 (R9) и восьмого 12 (R12) резисторов. На втором этапе сопротивления второго 5 и третьего 6 резисторов (R5 и R6) не изменяются.
Третий этап: настраивается коэффициент передачи М путем изменения сопротивления четвертого 8 (R8) резистора. На этом этапе сопротивления других резисторов не изменяются.
Следует заметить, что другие известные схемы ПФ [1-28], выполненные на двух операционных усилителях, данным свойством не обладают.
Эффективность рассмотренного выше алгоритма настройки ПФ фиг. 2 подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг. 4-фиг. 6).
При моделировании схемы фиг. 2 собственная частота полюса RC-цепи
была выбрана равной 1000 Гц. В рассматриваемой схеме ПФ при любом соотношении второго 5 и третьего 6 резисторов (R5 и R6) частота полюса фильтра будет всегда ниже частоты полюса RC-цепи.
По виду ФЧХ фиг. 4 можно судить, что частота полюса ωp, на которой фазовый сдвиг равен -1800, изменяется за счет второго 5 и третьего 6 резисторов (R5 и R6) в относительно широких пределах.
По виду ФЧХ фиг. 5 можно установить, что при изменении сопротивлений первого 4 (R4), пятого 9 (R9) и восьмого 12 (R12) резисторов изменяется наклон ФЧХ в области частоты полюса и изменяется подъем АЧХ на этой частоте. При этом частота полюса остается неизменной (ωp=const). При настройке затухания полюса изменяются частоты, на которых фазовый сдвиг составляет -1350 и -2250.
Для получения заданного коэффициента передачи М на центральной частоте изменяется сопротивление четвертого 8 (R8) резистора. При этом влияние R8 на АЧХ и ФЧХ показано на чертеже фиг. 6.
Формулы (1) - (3) справедливы при выборе параметров сопротивлений резисторов таким образом, чтобы в схеме выполнялось условие
Если по каким-либо причинам при проектировании схемы фильтра фиг. 2 это условие не удается выполнить, то для устранения влияния на параметры АЧХ выходного сопротивления делителя напряжения, состоящего из второго 5 и третьего 6 резисторов, необходимо включить повторитель напряжения 17 (или усилитель с единичным коэффициентом усиления) – фиг. 3. Это обеспечивает более высокое ослабление сигнала в диапазоне высоких частот.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом – обеспечивает независимую подстройку основных параметров.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент SU 296228, 1971 г.
2. Патент SU 964977, 1982 г.
3. Патент SU 1629960, 1991 г.
4. Патент SU 1755364, 1992 г.
5. Патент SU 438095, 1974 г.
6. Патент RU 2154337, 2000 г.
7. Патент RU 2150782, 2000 г.
8. Патент RU 2089998, 1997 г.
9. Патент RU 2089041, 1997 г.
10. Патент SU 1777233, 1992 г.
11. Патент SU 792557, 1980 г.
12. Патент SU 807482, 1981 г.
13. Патент SU 1788570, 1993 г.
14. Патент RU 2019023, 1994 г.
15. Патент RU 2019024, 1994 г.
16. Патент RU 2165673, 2001 г.
17. Патент SU 987800, 1983 г.
18. Патент SU 376871,1973 г.
19. Патент SU 536590, 1976 г.
20. Патент SU 587602, 1978 г.
21. Патент SU 813690, 1981 г.
22. Патент SU 813694, 1981 г.
23. Патент SU 815868, 1981 г.
24. Патент US 3,946,328, 1976 г.
25. Патент SU 785954, 1980 г.
26. Патент US 4,659,995, 1987 г.
27. Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров: Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 320 с.
28. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / Букашкин С.А., Власов В.П., Змий Б.Ф. и др.; Под ред. А.А. Ланнэ. – М.: Радио и связь, 1984. – 368 с.
29. Digital Potentiometers in the Tasks of Settings Precision Analog RC-filters Taking into Account the Tolerances for Passive Components / D.Yu. Denisenko, Y.I. Ivanov, N.N. Prokopenko, N.A. Dmitrienko // 18th IEEE International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM'2017) proceedings in. June 29 - July 3, 2017. – Pp. 205-210 DOI: 10.1109/EDM.2017.7981741
Claims (2)
1. Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров, содержащий вход (1) и выход (2) устройства, первый (3) дифференциальный операционный усилитель, выход которого соединен с выходом (2) устройства, первый (4), второй (5) и третий (6) последовательно соединённые резисторы, которые включены между выходом устройства (2) и общей шиной источников питания (7), четвёртый (8), пятый (9), шестой (10), седьмой (11) и восьмой (12) резисторы, а также первый (13) и второй (14) конденсаторы, каждый из которых содержит первый и второй выводы, причём общий узел первого (4) и второго (5) последовательно соединенных резисторов связан с инвертирующим входом первого (3) дифференциального операционного усилителя, отличающийся тем, что в схему введён дополнительный дифференциальный операционный усилитель (15), выход которого соединён с неинвертирующим входом первого (3) дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные седьмой (11) резистор и первый (13) конденсатор, общий узел которых связан с выходом первого (3) дифференциального операционного усилителя через дополнительный резистор (16), причем общий узел последовательно соединенных второго (5) и третьего (6) резисторов соединен с первым выводом второго (14) конденсатора, второй вывод которого соединен с общим узлом последовательно соединенных седьмого (11) резистора и первого (13) конденсатора, между входом (1) устройства и выходом дополнительного дифференциального операционного усилителя (15) включены последовательно соединенные четвертый (8) и пятый (9) резисторы, причем общий узел последовательно соединенных четвёртого (8) и пятого (9) резисторов соединён с инвертирующим входом дополнительного дифференциального операционного усилителя (15) и через восьмой (12) резистор связан с инвертирующим входом первого (3) дифференциального операционного усилителя, причём неинвертирующий вход дополнительного дифференциального операционного усилителя (15) подключён к общей шине источников питания (7), а неинвертирущий вход первого (3) дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источников питания через шестой (10) резистор.
2. Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров по п.1, отличающийся тем, что общий узел последовательно соединенных второго (5) и третьего (6) резисторов соединен с первым выводом второго (14) конденсатора через дополнительный повторитель напряжения (17) с высоким входным и низким выходным сопротивлением.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019105489A RU2701038C1 (ru) | 2019-02-27 | 2019-02-27 | Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019105489A RU2701038C1 (ru) | 2019-02-27 | 2019-02-27 | Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2701038C1 true RU2701038C1 (ru) | 2019-09-24 |
Family
ID=68063483
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019105489A RU2701038C1 (ru) | 2019-02-27 | 2019-02-27 | Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2701038C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2758448C1 (ru) * | 2021-03-01 | 2021-10-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) | Полосовой фильтр с управляемой полосой пропускания |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1347127A (en) * | 1970-09-25 | 1974-02-27 | Western Electric Co | Filter circuits |
| US5594677A (en) * | 1993-01-29 | 1997-01-14 | Sgs-Thomson Microelectronics S.R.L. | Method and apparatus for filtering high resolution digital signals |
| RU2110140C1 (ru) * | 1995-06-05 | 1998-04-27 | Таганрогский государственный радиотехнический университет | Перестраиваемый arc-фильтр |
| RU2150782C1 (ru) * | 1999-07-13 | 2000-06-10 | Таганрогский государственный радиотехнический университет | Полосовой arc-фильтр с понижением частоты полюса |
| RU2249910C2 (ru) * | 2003-06-16 | 2005-04-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военный институт радиоэлектроники | Активный фнч третьего порядка с нулем передачи |
| EP1675263A1 (en) * | 2004-12-23 | 2006-06-28 | Lucent Technologies Inc. | Controlling Q-factor of filters |
-
2019
- 2019-02-27 RU RU2019105489A patent/RU2701038C1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1347127A (en) * | 1970-09-25 | 1974-02-27 | Western Electric Co | Filter circuits |
| US5594677A (en) * | 1993-01-29 | 1997-01-14 | Sgs-Thomson Microelectronics S.R.L. | Method and apparatus for filtering high resolution digital signals |
| RU2110140C1 (ru) * | 1995-06-05 | 1998-04-27 | Таганрогский государственный радиотехнический университет | Перестраиваемый arc-фильтр |
| RU2150782C1 (ru) * | 1999-07-13 | 2000-06-10 | Таганрогский государственный радиотехнический университет | Полосовой arc-фильтр с понижением частоты полюса |
| RU2249910C2 (ru) * | 2003-06-16 | 2005-04-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военный институт радиоэлектроники | Активный фнч третьего порядка с нулем передачи |
| EP1675263A1 (en) * | 2004-12-23 | 2006-06-28 | Lucent Technologies Inc. | Controlling Q-factor of filters |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2758448C1 (ru) * | 2021-03-01 | 2021-10-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) | Полосовой фильтр с управляемой полосой пропускания |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2704530C1 (ru) | Широкополосный полосовой фильтр с независимой подстройкой частоты полюса, затухания полюса и коэффициента передачи | |
| RU2701095C1 (ru) | Низкочувствительный полосовой фильтр с независимой подстройкой основных параметров | |
| US6344773B1 (en) | Flexible monolithic continuous-time analog low-pass filter with minimal circuitry | |
| RU2677362C1 (ru) | Активный rc-фильтр | |
| US6268766B1 (en) | Band pass filter from two notch filters | |
| RU2697944C1 (ru) | Полосовой фильтр второго порядка с независимой подстройкой основных параметров | |
| RU2701038C1 (ru) | Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров | |
| RU2656728C1 (ru) | Arc-фильтр нижних частот с независимой настройкой основных параметров | |
| RU2694135C1 (ru) | Arc-фильтр верхних частот с независимой подстройкой основных параметров | |
| RU2694134C1 (ru) | Полосовой arc-фильтр на двух операционных усилителях с повышением частоты полюса и независимой подстройкой основных параметров | |
| RU2718709C1 (ru) | Полосовой фильтр с независимой подстройкой основных параметров | |
| RU2748609C1 (ru) | Фильтр низких частот четвертого порядка | |
| RU2720558C1 (ru) | Полосовой фильтр на двух операционных усилителях с независимой подстройкой основных параметров | |
| RU2722752C1 (ru) | Полосовой фильтр с независимой подстройкой частоты полюса, затухания полюса и коэффициента передачи | |
| RU2721404C1 (ru) | Активный RC-фильтр с независимой подстройкой основных параметров | |
| RU2722602C1 (ru) | Активный полосовой фильтр второго порядка с независимой подстройкой основных параметров | |
| RU199745U1 (ru) | Перестраиваемый режекторный активный RC-фильтр | |
| RU2718830C1 (ru) | Полосовой фильтр второго порядка с независимой подстройкой основных параметров | |
| RU2736239C1 (ru) | Универсальный полосовой и режекторный фильтр с регулируемой полосой пропускания | |
| RU156095U1 (ru) | Полосовой перестраиваемый фильтр | |
| RU2718212C1 (ru) | Универсальный программируемый arc-фильтр | |
| RU2721405C1 (ru) | Универсальный программируемый ARC- фильтр на основе матриц R-2R | |
| Nikolić et al. | A tunable bandwidth 6th-order active low-pass filter in 0.18 um CMOS technology | |
| RU2752254C1 (ru) | Полосовой фильтр четвертого порядка | |
| RU2754924C1 (ru) | Режекторный фильтр четвертого порядка |