Активный rc-фильтр

(51)5 Н 03 Н 11/12 ЕТЕНИЯ ческии инсти и С.Г.Крутчин СССР 1989. радиотехнике в частотно-сеГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(57) Изобретение относитсяи может быть использовано.,Ы 1777233 А 1 лективных блоках радиоэлектронных устройств, Цель изобретения - повышение стабильности амплитудно-частотной характеристики. Активный ВС-фильтр содержит первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 операционные усилители, первый 3 и второй 6 конденсаторы, резисторы 7 - 19. Работа активного ВС-фильтра основана на снижении чувствительности затухания полюсов АЧХ к площади усиления ОУ за счет введения дополнительных цепей ООС, 1 ил.(авт. св, СССР В 1381689, кл, Н 03 Н 11/12),содержащий первый сумматор, выхьд кото-рого через последовательно соединенные 35 40 50 55 Изобретение относится к радиотехникеи может использоваться в селективных радиоэлектронных устройствах,Известны устройства, которые реализуют различные типа характеристик (в томчисле фильтры верхних и нижних частот,режекторные и полосовые фильтры) и могутбыть использованы для построения селективных радиоэлектронных устройств,Известен универсальный активныйфильтр (Патент ФРГ М 3213513, кл. Н 03Н 11/04), содержащий суммирующий блок ипервый интегрирующий блок, охваченныеотрицательной частотно-независимой обратной связью через аттенюатор, второй интегрирующий блок, охваченный через. суммирующий блок и первый интегрирующий блок отрицательной частотно-зависимой обратной связью через аттенюатор,причем входной сигнал подается на неинвертирующий вход суммирующего блока, авыходом фильтра является выход суммирующего блока или выход первого интегрирующего блока или выход второгоинтегрирующего блока.Недостатком устройства является сильная зависимость его параметров от частотных свойств операционных усилителей, чтосужает частотный диапазон его применения. Известен также активный ВС-фильтр первый и второй интеграторы и первый аттенюатор подключен к первому неинвертирующему входу второго сумматора, а через второй аттенюатор подключен к второму неинвертирующему входу второго сумматора, выход второго интегратора через третий аттенюатор подключен к первому инвертирующему входу первого сумматора, выход первого интегратора через четвертый аттенюатор подключен к инвертирующему входу второго сумматора, пятый аттенюатор подключен к второму неинвертирующему входу первого сумматора, причем первый неинвертирующий вход первого сумматора является входом, а выход второго сумматора выходом устройства, между выходом первого сумматора и его вторым инвертирующим входом, а также между выходом первого интегратора и входом пятого аттенюаторы включены корректирующие элементы с передаточной функцией апериодического звена первого порядка,Достоинством активного ВС-фильтраявляется широкий диапазон рабочих частот благодаря взаимной компенсации влияния 5 10 15 20 25 30 площади усиления ОУ на частоту и затухание полюса.К недостатку фильтра относится низкая температурная стабильность параметров вследствие сильной зависимости условий компенсации от температуры окружающей среды и высокой чувствительности частоты и затухания полюса к площади усиления ОУ.Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является активный ЯС-фильтр (1), содержащий первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, выходы второго и третьего операционных усилителей соединены соответственно с первыми выводами первого и второго конденсаторов, вторые выводы которых соединены соответственно с инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей, выход четвертого операционного усилителя соединены с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с его инвертирующим входом и с первыми выводами второго и третьего резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с общей шиной и выходом первого операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя. неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, первый вывод пятого резистора соединен с вторым выводом первого конденсатора, первый вывод шестого резистора соединен с вторым выводом второго конденсатора, а второй вывод шестого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, с инвертирующим входом которого соединен первый вывод седьмого резистора, первый вывод восьмого резистора соединен с выходом третьего операционного усилителя, а входом активного ВС-фильтра является первый вывод девятого резистора, первый вывод десятого резистора и неинвертирующие входы второго и третьего операционных усилителей соединены с общей шиной, второй вывод седьмого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, а второй вывод девятого резистора - с инвертирующим входом второго и неинвертирующим входом четвертого операционных усилителей, вторые выводы восьмого и десятого резисторов соединены с инвертирующим входом первого операционного усилителя, к выходу которого подключен второй вывод пятого резистора.Достоинством этого активного ВС- фильтра является широкий частотный диапазон, а недостатком - низкая стабильность параметров при изменении температуры из-за высокой чувствительности затухания полюса к площади усиления ОУ.Целью изобретения является повышение стабильности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра эа счет снижения чувствительности затухания полюса к площади усиления ОЧ,Для достижения поставленной цели в активный ВС-фильтр, содержащий первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, выходы второго и третьего операционных усилителей соединены соответственно с первыми выводами первого и второго конденсаторов, вторые выводы которых соединены соответственно с инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей, выход четвертого операционного усилителя соединены с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с его инвертирующим входом и с первыми выводами второго и третьего резисторов, вторые выводы которого соединены соответственно с общей шиной и выходом первого операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, первый вывод пятого резистора соединен с вторым выводом первого конденсатора, первыйвывод шестого резистора соединен с вторым выводом второго конденсатора, а второй вь 1 вод шестого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, с инвертирующим входом которою соединен первый вывод седьмого резистора, первый вывод восьмого резистора соединен с выходом третьего операционного усилителя, а входом активного ВС-фильтра является первый выводдевятого резистора, первый вывод десятого резистора и неинвертирующие входы второго и третьего операционных усилителей соединены с общей шиной, введены одиннадцатый, двенадцатый и тринадцатый резисторы, первые выводы одиннадцатого и двенадцатого резисторов соединены с вторыми выводами девятого и десятого резисторов, а вторые выводы одиннадцатого и двенадцатого резисторов соединены соответственно с выходом второго и инвертирующим входом первого операционных усилителей, первый и второй выводы тринадцатого резистора соединены соответст 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 венно с инвертирующими входами первого и третьего операционных усилителей, а вторые выводы седьмого и восьмого резисторов соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами первого операционного усилителя, причем второй вывод пятого резистора соединен с выходом четвертого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине.Наличие отличительных признаков, а именно, введение новых связей и одиннадцатого, двенадцатого и тринадцатого резисторов обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "Новизна". Заявляемое техническое решение соответствует также критерию "Существенные отличия", поскольку не обнаружено решений с признаками, сходными с признаками, отличающими заявляемое рещение от прототипа,При введении новых связей возникают дополнительные корректирующие контуры обратных связей, передачи по которым зависят от площади усиления операционных усилителей, что приводит к снижению чувствительности затухания полюса к изменению площадей усиления, а следовательно, к повышению стабильности АЧХ,На чертеже представлена принципиальная электрическая схема активного ВС- фильтра,Активный ВС-фильтр содержит первый, второй, третий и четвертый операционные усилители 1,2,3 и 4, первый и второй конденсаторы 5 и 6, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый, двенадцатый и тринадцатый резисторы 7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 и 19,Активные ВС-фильтр содержит первый, второй, третий и четвертый операционные усилители 1,2,3 и 4, выходы второго 2 и третьего 3 операционных усилителей соединены соответственно с первыми выводами первого 5 и второго 6 конденсаторов, вторые выводы которых соединены соответственно с инвертирующими входами второго 2 и третьего 3 операционных усилителей, выход четвертого операционного усилителя 4 соединен с первым выводом первого резистора 7, второй вывод которого с его инвертирующим входом и с первыми выводами второго 8 и третьего 9 резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с общей шиной и выходом первого операционного усилителя 1, выход которого соединен с первым выводом четвертого резистора 10, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого опе 1777233рационного усилителя 1, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя 4, первый вывод пятого резистора 11 соединен с вторым выводом первого конденсатора 5, первый вывод шестого резистора 12 соединен с вторым выводом второго конденсатора 6, а второй вывод шестого резистора 12 соединен с выходом второго операционного усилителя 2, с инвертирующим входом которого соединен первый вывод седьмого резистора 13, первый вывод восьмого резистора 14 соединен с выходом третьего операционного усилителя 3, а входом активного ЙС-фильтра является первый вывод девятого резистора 15, первый вывод десятого резистора 16 и неинвертирующие входы второго 2 и третьего 3 операционных усилителей соединены с общей шиной, первые выводы одиннадцатого 17 и двенадцатого 18 резисторов соединены с вторыми выводами девятого 15 и десятого 16 резисторов, а вторые выводы одиннадцатого 17 и двенадцатого 18 резисторов соединены соответственно с выходом второго. 2 и инвертирующим входом первого 1 операционных усилителей, первый и второй выводы тринадцатого резистора 19 соединены соответственно с инвертирующими входами первого 1 и третьего 3 операционных усилителей, а вторые выводы седьмого 13 и восьмого 14 резисторов соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами первого 1 операционного усилителя, причем второй вывод пятого резистора 11 соединен с выходом четвертого операционного усилителя 4, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине.Активный ЯС-фильтр работает следующим образом.Входной сигнал через девятый 15 и одиннадцатый 17 резисторь 1 поступает на инвертирующий вход первого операционного усилителя 1, при этом на вь 1 ходах четвертого 4, второго 2 и третьего 3 операционных усилителей реализуются передаточные функции фильтра верхних частот, полосового фильтра и фильтра нижних частот, которые при идеальных операционных усилителях имеют видРфвч(Р)=Мвч (1) Р г+, + Г.ф(РМ. Рдрвр (2)р +рбрвр+в+ - + - ) - затухание полюса (5)Ор - добротность полюса,й 1 и тг- постоянные времени первогои второго интеграторов на операционныхусилителях 2 и 3,25 ЯУ 89 810 811 812 814 815 816 817 и818 - сопротивления резисторов 7,9,10,11,12,14,15,16,17 и 18;С 5 и С 6 - емкости конденсаторов 5 и 6.При использовании реальных операци 30 онных усилителей; имеющих ограниченныйкоэффициент усиления и, следовательно,конечную площадь усиления, основные параметры фильтра вр и бр будут зависеть нетолько от резистивных и емкостных элемен 35 тов, но и от параметров операционных усилителей.При аппроксимации АЧХ операционного усилителя функцией первого порядкаи40,и (р)= - , где П=,ио вгр - площадь усиления,а,ио и вгр - коэффициент усиления операционного усилителя и граничная частота поуровню Здб, выражения для частоты (4) изатухания (5) полюса приобретает вид451 487 Г йБ 2 1/814Я 814 1 2 Т 1 8750 х Пг 1-8 8 +П т (6)Х гг Г%н ггг в 1 оВ 1 г + Т 1 87 89 818 815В 7 810 Я А 2 Ж 4 1 У 189 819) 2 т 1 87 П 2 где П 2, Пз и П 4- площади усиления второго 2, третьего 3 и четвертого 4 операционных усилителей,88, 81 з и 819 - сопротивление резисторов 8,13 и 19,Выражения (6) и (7) получены из анализа предложенной схемы АВС-фильтра методом графов с использованием формулы Мезона и справедливы при 81 з 87, 81988, 8188151) 817 11 816Из формул (6) и (7) находятся относительные изменения частоты и затухания полюсаУ Т 2l В 14Р 2 г 1 87 дСИП) = Ъ П " +8., + й,87 810 + 810 + 810 1 1 189 813 819 818 ) П 2 ПЗ г г + 9 9 ) +) ггр(П) (9) Из выражЕния (8) при т 1= т 2; П 2=ПЗ-П 4;87=88=89=814 находится соотношение между резисторами 81 и 81 з, при котором При 81/81 з=2 из (9) определяются соотношения между 81, 818 и 819. при которых д Ор(П)=0 При выполнении условий (10) и (11) относительные изменения дшр (П)=0 и д бр(П)=0, т,е. устраняется влияние площади усиления на параметры фильтра и расширяется диапазон его рабочих частот.Соотношения (8) и (9), как известно, являются соответствующими чувствительными, взятыми с обратным знаком, т,е,Яр:шрОр - 1 + +1 ) Я 7 87П 4 814 88- + +87 810 810 810 1 1(13)89 819 При выполнении условий (10) и (11) и 15 выборе х 1= т 2 ят=й 8=89=814 чувствительности (1 2) и (13) принимают значения 1 "Р (14) 2 ПЗ П 2 У, =щ О --- + 31 П (15) П 2 П 1Чувствительности (14) и (15) обращаются в нуль при П 2=Пз=П 4. Выбором соотношений между 810,81 з,819 и й 18 чувствительности (12) и (13) можно сделать равными нулю и при П 2 Пз П . Однако в любом случае точные.30равенства яп"р =0 и ЯПФ=О возможны только при постоянных величинах площадей усиления или соотношений между ними, У реальных усилителей площади усиления и соотношения между. ними под действием различных дестабилизирующих факторов (температуры, старения, измерения напряжения питания и других) меняются, что приводит к нарушению условий компенсации и росту чувствительности (14) и (15). Влиянием на чувствительности (12) и (1 3) нестабильности пассивных элементов, по сравнению с изменением площади усиления, можно пренебречь (разница в нестабильности примерно на два порядка, так как темпе Ратурный коэффициент сопротивления резисторов типа С 2-29 ай= 510 1/град температурный коэффициент площади усиления ап=(3-5) 10 1/град, а неидентичность температурных коэффициентов площади усиления Лап=(0.3-0,5) ап).Из выражений (6) и(7) заявки ЬВ 463616/09(003418), принятой за прототип, при т 1 = г 2; М=1; 87=814; 810=81 з 814, 814 555 81 о=2+ й, 88 =С 1 значения соответствующих чувствительностей равны(18) 40 М 8 -вр 0 Р 2 - + - + -1Пч Пз Пг Из соотношений (14), (15) и (16), (17) видно, что чувствительности частоты полюса к площади усиления в обоих фильтрах примерно одинаковые, а чувствительность затухания полюса в предлагаемом активном ВС-фильтре в 4 раза меньше, чем у прототипа, так как реализуется вычитанием чисел в 4 раза меньших.Чувствительности затухания полюса прототипа и предлагаемого решения приведены в таблице.Для сравнения предлагаемого решения с прототипом воспользуемся среднеквадратичной чувствительностью, характеризующей влияние неидентичности изменения площадей усиления операционных усилителей на затухание поглоса я = 2 (54) Как следуетиз таблицы- для прототипа, иЯФ скз " 1 +1 г = 1,41- - О О П П(19)- для предлагаемого решения,Иэ выражений (18) и (19) видно, что у предлагаемого решения среднеквадратичная чувствительность в 3,3 раза меньше и, следовательно, во столько же раза выше стабильность затухания полюса, что приводит к лучшей стабильности параметров фильтра,Таким образом, в предлагаемом техническом решении в 3,3 раза меньше, чем у прототипа чувствительность затухания полюса к площади усиления, что позволяет повысить стабильность параметров или при той же стабильности использовать усилители с меньшей площадью усиления, т,е, более экономичные и дешевые.Ф о рмула изобретен ия Активный ВС-фильтр, содержащий первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, выходы второго и третьего операционных усилителей соединены соответственно с первыми выводами первого и второго конденсаторов, вторые выводы которых соединены соответственно с инвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей, выход четвертого операционного усилителя соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с его инвертирующим входом и с первыми выводами второго и третьего резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с общей шиной и выходом первого операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, первый вывод пятого резистора соединен с вторым выводом первого конденсатора, первый вывод шестого резистора соединен с вторым выводом второго конденсатора, а второй вывод шестого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, с инвертирующим входом которого соединен первый вывод седьмого резистора, первый вывод восьмо 30. го резистора соединен с выходом третьего операционного, а входом активного ВСфильтра является первый вывод девятого резистора, первый вывод десятого резистора соединен с общей шиной и с неинвертирующими входами второго и третьего операционных усилителей, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения стабильности амплитудно-частотной характеристики, в него введены одиннадцатый,двенадцатый и тринадцатый резисторы, первые выводы одиннадцатого и двенадцатого резисторов соединены с вторыми вывадами девятого и десятого резисторов, а вторые выводы одиннадцатого и двенадца 45 того резисторов соединень 1 соответственно с выходом второго и инвертирующим входом первого операционного усилителей,первый и второй тринадцатого резистора соединены соответственно с инвертирующими входами первого и третьего операционных усилителей, а вторые выводы седьмого и восьмого резисторов соединены соответственно с инвертирующим и неин верти рующим входами первого операционного усилителя, причем второй вывод пятого резистора соединен с выходом четвертого операционного усилителя,неинвертирующий вход которого соединенс общей шиной.13 1777233 14 Составитель С. ГришинРедактор Т. Куркова Техред М,Моргентэл Корректор Н. Бучок Заказ 4127 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101