активный rc-фильтр

Формула изобретения

Аналоговый RC-фильтр, содержащий операционные усилители, резисторы и конденсаторы, причем первый резистор первым выводом подключен к входу устройства, а его второй вывод - к первым выводам второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора подключен к первому выводу четвертого и пятого резисторов, второй вывод пятого резистора подключен к первому выводу шестого резистора и к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод шестого резистора подключен к выходу первого операционного усилителя, второй вывод третьего резистора подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, первый конденсатор подключен между инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя, второй конденсатор подключен между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, а седьмой резистор - между выходом второго операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, к выходу третьего операционного усилителя, являющегося выходом устройства, подключены вторые выводы четвертого и восьмого резисторов, первый вывод восьмого резистора подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя и к первому выводу девятого резистора, неинвертирующий вход первого операционного усилителя и второй вывод девятого резистора подключены к общей шине, отличающийся тем, что неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя.

Описание изобретения к патенту

Предполагаемое изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в различных устройствах радиотехники, автоматики и телемеханики.

Известно среднедобротное звено активного RC-фильтра (Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров: Пер. с англ.- М.: Мир, 1984, с. 66, рис. 5.14), содержащее операционный усилитель, конденсаторы и резисторы, причем первые выводы первого, второго и третьего резисторов подключены к входу устройства, второй вывод первого резистора подключен к первым выводам четвертого резистора и первым выводам первого и второго конденсаторов, вторые выводы первого и второго конденсаторов подключены к выходу и инвертирующему входу операционного усилителя соответственно, между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя подключен пятый резистор, второй вывод третьего резистора подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, а к его неинвертирующему входу подключены вторые выводы второго, шестого и седьмого резисторов, первый вывод шестого резистора подключен к выходу операционного усилителя и к выходу устройства, первый вывод седьмого резистора и второй вывод четвертого резистора подключены к общей шине.

Признаками этого устройства, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются операционный усилитель, резисторы и конденсаторы.

Причины, препятствующие достижению технического результата, заключаются в высокой чувствительности основных параметров устройства к элементам, а также значительном влиянии площади усиления операционного усилителя на реализуемые устройством характеристики в области высоких частот.

Известно высокодобротное звено активного RC-фильтра (Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров: Пер. с англ.- М.: Мир, 1984, с. 74, рис. 5.21), содержащее операционные усилители, резисторы и конденсаторы, причем инвертирующие входы операционных усилителей объединены и подключены к первым выводам первого и второго резисторов, вторые выводы которых подключены к выходу второго и первого операционных усилителей соответственно, между выходом второго операционного усилителя и неинвертирующим входом первого операционного усилителя подключен первый конденсатор, третий резистор и второй конденсатор первыми выводами подключены к входу устройства, а вторыми - к неинвертирующим входам первого и второго операционного усилителей соответственно, четвертый резистор подключен между выходом первого и неинвертирующим входом второго операционных усилителей, а пятый резистор - между неинвертирующим входом второго операционного усилителя и общей шиной, при этом выходом устройства является выход второго операционного усилителя.

Признаками этого устройства, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются операционные усилители, резисторы и конденсаторы.

Причины, препятствующие достижению технического результата, заключаются в ограниченном частотном диапазоне его работы из-за влияния площадей усиления операционных усилителей.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является "Активный RC-фильтр второго порядка" (авт. св. СССР N 510776 опубл. 15.04.1976, бюл. N 14), содержащий три операционных усилителя, девять резисторов и два конденсатора, причем первый резистор первым выводом подключен к входу устройства, а его второй вывод - к первым выводам второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора подключен к первым выводам четвертого и пятого резисторов, второй вывод пятого резистора подключен к первому выводу шестого резистора и к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод шестого резистора подключен к выходу первого операционного усилителя, второй вывод третьего резистора подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, первый конденсатор подключен между инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя, второй конденсатор подключен между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, а седьмой резистор - между выходом второго операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, к выходу третьего операционного усилителя, являющегося выходом устройства, подключены вторые выводы четвертого и восьмого резисторов, первый вывод восьмого резистора подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя и к первому выводу девятого резистора, второй вывод девятого резистора, а также неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей подключены к общей шине.

Признаками устройства-прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются операционные усилители, резисторы и конденсаторы, причем первый резистор первым выводом подключен к входу устройства, а его второй вывод - к первым выводам второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора подключен к первым выводам четвертого и пятого резисторов, второй вывод пятого резистора подключен к первому выводу шестого резистора и к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод шестого резистора подключен к выходу первого операционного усилителя, второй вывод третьего резистора подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, первый конденсатор подключен между инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя, второй конденсатор подключен между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, а седьмой резистор - между выходом второго операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, к выходу третьего операционного усилителя, являющегося выходом устройства, подключены вторые выводы четвертого и восьмого резисторов, первый вывод восьмого резистора подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя и к первому выводу девятого резистора, неинвертирующий вход первого операционного усилителя и второй вывод девятого резистора подключены к общей шине.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является большое влияние площадей усиления операционного усиления операционных усилителей на затухания нуля реализуемой устройством передаточной функции.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение - увеличение подавления сигнала на частоте нуля и (или) увеличение частотного диапазона работы устройства.

Для достижения технического результата в аналоговом RC-фильтре, содержащем операционные усилители, конденсаторы и резисторы, причем первый резистор первым выводом подключен к входу устройства, а его второй вывод - к первым выводам второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора подключен к первым выводам четвертого и пятого резисторов, второй вывод пятого резистора подключен к первому выводу шестого резистора и к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй вывод шестого резистора подключен к выходу первого операционного усилителя, второй вывод третьего резистора подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, первый конденсатор подключен между инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя, второй конденсатор подключен между выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, а седьмой резистор - между выходом второго операционного усилителя и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, к выходу третьего операционного усилителя, являющегося выходом устройства, подключены вторые выводы четвертого и восьмого резисторов, первый вывод восьмого резистора подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя и к первому выводу девятого резистора, неинвертирующий вход первого операционного усилителя и второй вывод девятого резистора подключены к общей шине, причем неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя.

Изобретение поясняется чертежом, где функциональная схема предлагаемого аналогового RC - фильтра приведена на фиг.1.

Устройство содержит первый резистор 1, первый вывод которого подключен к входу устройства, а его второй вывод - к первым выводам второго 2 и третьего 3 резисторов, второй вывод второго резистора 2 подключен к первым выводам четвертого 4 и пятого 5 резисторов, второй вывод пятого резистора 5 подключен к первому выводу шестого резистора 6 и к инвертирующему входу первого операционного усилителя 7, второй вывод шестого резистора 6 подключен к выходу первого операционного усилителя 7, второй вывод третьего резистора 3 подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя 8, первый конденсатор 9 подключен между инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя 8, второй конденсатор 10 подключен между выходом первого операционного усилителя 7 и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя 11, а седьмой резистор 12 - между выходом второго операционного усилителя 8 и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя 11, к выходу третьего операционного усилителя 11, являющегося выходом устройства, подключены вторые выводы четвертого 4 и восьмого 13 резисторов, первый вывод восьмого резистора 13 подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя 11 и к первому выводу девятого резистора 14, неинвертирующий вход первого операционного усилителя 8 и второй вывод девятого резистора 14 подключены к общей шине, неинвертирующий вход второго операционного усилителя 7 подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя 8.

Аналоговый фильтр работает следующим образом.

Входной гармонический сигнал подается на входной резистивный делитель напряжения, состоящий из первого, второго и четвертого резисторов 1, 2 и 4, а с его выводов - на вход первого масштабного усилителя, состоящего из пятого 5, шестого 6 резисторов и первого операционного усилителя 7, а также на вход интегрирующего усилителя, состоящего из третьего резистора 3, первого конденсатора 9 и второго операционного усилителя 8, с выходов первого масштабирующего усилителя и интегрирующего усилителя сигналы подаются на входы емкостной и резистивной ветви RC-цепи, состоящей из второго конденсатора 10 и седьмого резистора 12, с выхода RC-цепи сигнал подается на вход второго масштабирующего усилителя, состоящего из восьмого, девятого, десятого резисторов и третьего операционного усилителя 11, а с выхода второго масштабирующего усилителя сигнал поступает на выход устройства. Таким образом, образуются три пути прохождения сигнала на выход - через первый масштабирующий усилитель и интегрирующий усилитель, а также через первый масштабирующий усилитель и интегрирующий усилитель.

В результате введения обратных связей с выхода второго масштабирующего усилителя на входы первого масштабирующего усилителя и интегрирующего усилителя устройством реализуется передаточная функция, которая может быть записана в следующем виде



где



R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R₇, R₈, R₉ - сопротивления первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого и девятого резисторов 1, 2, 3, 4, 5, 6, 12, 13, 14 соответственно;

C₁, C₂ - емкости первого и второго конденсаторов 9, 10 соответственно;

- коэффициент, показывающий появление соответствующих коэффициентов в передаточной функции за счет действия новой связи (при =1 получаем передаточную функцию для рассматриваемого устройства, а =0 - для устройства-прототипа);

₁,₂,₃ - площади усилителя первого, второго и третьего операционных усилителей 7, 8 и 11 соответственно.

В общем виде передаточная функция звена второго порядка с нулем передачи может быть представлена в виде (см. например, Справочник по расчету и проектированию ARC-схем. Под ред. А.А. Ланнэ.-М.:Радио и связь. 1984)



где

M - коэффициент передачи на высокой частоте,

₀ - частота нуля,

_p - частота полюса,

d_p - затухание полюса.

Сравнивая выражения (1) и (2), обнаруживаем, что в передаточной функции (1) имеется дополнительный коэффициент при p из-за влияния конечности площадей усиления операционных усилителей.

Выполнив условие равенства нулю этого коэффициента,



можно при прочих равных условиях расширить частотный диапазон работы устройства или увеличить подавление сигнала на частоте нуля.

В случае применения в устройстве однотипных операционных усилителей (₁= ₂) выражение (3) можно упростить (=1)

(1+k₃₄)₁₂= 2₁₃k₃₄, (4)

или



Для фильтра-прототипа это же условие имеет вид



Из сравнения выражений (5) и (6) следует, что выигрыш в увеличении подавления затухания зависит от отношения ₁₂/₁₃, т.е. от отношения частоты нуля и частоты полюса.

Чем ближе находится частота нуля к частоте полюса, тем заметнее выигрыш, при этом его минимальное значение равно 2.