УНИВЕРСАЛЬНЫЙ АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР ВТОРОГО ПОРЯДКА НА МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ С МИНИМАЛЬНЫМ КОЛИЧЕСТВОМ ПАССИВНЫХ И АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
UNIVERSAL ACTIVE RC-FILTER OF THE SECOND ORDER ON MULTI-DIFFERENTIAL OPERATIONAL AMPLIFIERS WITH MINIMUM QUANTITY OF PASSIVE AND ACTIVE ELEMENTS

Изобретение относится к области радиотехники и связи, и может использоваться, например, в качестве средства частотной селекции, в том числе включаемых на входе аналого-цифровых преобразователей различного назначения [1-4].
Универсальные активные RC-фильтры (УАRCФ) широко используются в современной электронике [5-10] и оказывают существенное влияние на качественные показатели многих аналого-цифровых систем связи и автоматического управления [1-4]. Данный класс устройств частотной селекции (УЧС) особенно перспективен при создании специализированных структурных кристаллов, в которых те или иные амплитудно-частотные характеристики (фильтров низких частот (ФНЧ), фильтров высоких частот (ФВЧ), режекторных (РФ) и полосовых (ПФ) фильтров) реализуются за счёт коммутации входов УЧС, к которым подключается источник сигнала, и использования разных выходов УЧС [11-17].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является универсальный фильтр, представленный в патенте RU 2707706 («Универсальный активный RC-фильтр второго порядка на основе мультидифференциальных операционных усилителей», МПК H03H 11/12, H03H 7/12, 2019 г.). Он содержит (фиг. 1) вход 1 устройства, первый 2 выход фильтра низких частот, второй 3 выход фильтра высоких частот, третий 4 выход полосового фильтра, первый 5 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, второй 6 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, третий 7 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, первый 8 частотозадающий конденсатор, включённый между первым 2 выходом фильтра низких частот и общей шиной источников питания, второй 9 частотозадающий конденсатор, включённый между третьим 4 выходом полосового фильтра и общей шиной источников питания, инвертирующий вход второго порта первого 5 мультидифференциального операционного усилителя и его выход соединены и подключены ко второму 3 выходу фильтра высоких частот, выход второго 6 мультидифференциального операционного усилителя соединён с его инвертирующим входом второго порта, выход третьего 7 мультидифференциального операционного усилителя соединён с инветирующим входом его второго порта, первый 10 и второй 11 частотозадающие резисторы.
Существенный недостаток известного универсального фильтра состоит в том, что в нём не реализуется произвольное значение добротности полюса. Кроме этого у ARCФ-прототипа содержится сравнительно большое количество пассивных и активных элементов.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании универсального активного RC-фильтра, содержащего минимальное количество пассивных и активных элементов при заданном порядке передаточной функции, обладающего расширенным частотным диапазоном.
Поставленная задача решается тем, что в универсальном фильтре (фиг.1), содержащем вход 1 устройства, первый 2 выход фильтра низких частот, второй 3 выход фильтра высоких частот, третий 4 выход полосового фильтра, первый 5 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, второй 6 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, третий 7 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, первый 8 частотозадающий конденсатор, включённый между первым 2 выходом фильтра низких частот и общей шиной источников питания, второй 9 частотозадающий конденсатор, включённый между третьим 4 выходом полосового фильтра и общей шиной источников питания, инвертирующий вход второго порта первого 5 мультидифференциального операционного усилителя и его выход соединены и подключены ко второму 3 выходу фильтра высоких частот, выход второго 6 мультидифференциального операционного усилителя соединён с его инвертирующим входом второго порта, выход третьего 7 мультидифференциального операционного усилителя соединён с инветирующим входом его второго порта, первый 10 и второй 11 частотозадающие резисторы, предусмотрены новые элементы и связи – вход 1 устройства соединён с неинвертирующим входом второго порта первого 5 мультидифференциального операционного усилителя, инвертирующий вход первого порта первого 5 мультидифференциального операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом второго порта третьего 7 мультидифференциального операционного усилителя и связан с первым 2 выходом фильтра низких частот, выход третьего 7 мультидифференциального операционного усилителя соединён с первым 2 выходом фильтра низких частот через первый 10 частотозадающий резистор, выход второго 6 мультидифференциального операционного усилителя связан с третьим 4 выходом полосового фильтра через второй 11 частотозадающий резистор,  третий 4 выход полосового фильтра соединён с неинвертирующим входом второго порта второго 6 мультидифференциального операционного усилителя, а также подключен к инвертирующему входу первого порта третьего 7 мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующим входом первого порта первого 5 мультидифференциального операционного усилителя, выход первого 5 мультидифференциального операционного усилителя подключен к инвертирующему входу первого порта второго 6 мультидифференциального операционного усилителя, неинвертирующий вход первого порта второго 6 мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход первого порта третьего 7 мультидифференциального операционного усилителя соединены с общей шиной источников питания.
На чертеже фиг. 1 показана схема прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого УARCФ второго порядка на мультидифференциальных операционных усилителях с минимальным количеством пассивных и активных элементов, соответствующая формуле изобретения
На чертеже фиг. 3 показаны обозначения входных портов, используемых мульдифференциальных операционных усилителях.
На чертеже фиг. 4 приведены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) заявляемой схемы фильтра фиг. 2, полученные в среде Micro-Cap.
Универсальный активный RC-фильтр второго порядка на мультидифференциальных операционных усилителях с минимальным количеством пассивных и активных элементов (фиг.2), содержит вход 1 устройства, первый 2 выход фильтра низких частот, второй 3 выход фильтра высоких частот, третий 4 выход полосового фильтра, первый 5 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, второй 6 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, третий 7 мультидифференциальный операционный усилитель с двумя входными портами, каждый из которых имеет инвертирующий и неинвертирующий входы, первый 8 частотозадающий конденсатор, включённый между первым 2 выходом фильтра низких частот и общей шиной источников питания, второй 9 частотозадающий конденсатор, включённый между третьим 4 выходом полосового фильтра и общей шиной источников питания, инвертирующий вход второго порта первого 5 мультидифференциального операционного усилителя и его выход соединены и подключены ко второму 3 выходу фильтра высоких частот, выход второго 6 мультидифференциального операционного усилителя соединён с его инвертирующим входом второго порта, выход третьего 7 мультидифференциального операционного усилителя соединён с инветирующим входом его второго порта, первый 10 и второй 11 частотозадающие резисторы. Вход 1 устройства соединён с неинвертирующим входом второго порта первого 5 мультидифференциального операционного усилителя, инвертирующий вход первого порта первого 5 мультидифференциального операционного усилителя соединён с неинвертирующим входом второго порта третьего 7 мультидифференциального операционного усилителя и связан с первым 2 выходом фильтра низких частот, выход третьего 7 мультидифференциального операционного усилителя соединён с первым 2 выходом фильтра низких частот через первый 10 частотозадающий резистор, выход второго 6 мультидифференциального операционного усилителя связан с третьим 4 выходом полосового фильтра через второй 11 частотозадающий резистор,  третий 4 выход полосового фильтра соединён с неинвертирующим входом второго порта второго 6 мультидифференциального операционного усилителя, а также подключен к инвертирующему входу первого порта третьего 7 мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующим входом первого порта первого 5 мультидифференциального операционного усилителя, выход первого 5 мультидифференциального операционного усилителя подключен к инвертирующему входу первого порта второго 6 мультидифференциального операционного усилителя, неинвертирующий вход первого порта второго 6 мультидифференциального операционного усилителя и неинвертирующий вход первого порта третьего 7 мультидифференциального операционного усилителя соединены с общей шиной источников питания.
В схеме фиг. 2 источник напряжения 12 является источником входного сигнала.
Рассмотрим работу предлагаемой схемы фильтра фиг. 2, используя уравнения для его основных параметров, а также результаты компьютерного моделирования, представленные на чертеже фиг.4.
Обобщенная передаточная функция УАRCФ второго порядка описывается уравнением
где  –  частота нуля и полюса передаточной функции, затухание нуля и полюса передаточной функции,коэффициент передачи фильтра.
Введем обозначения:  – сопротивления первого 10 и второго 11 частотозадающих  резисторов,  – емкости первого 8, второго 9 частотозадающих конденсаторов соответственно. Поэтому в предлагаемой схеме фиг. 2 со входа 1 устройства на второй 3 выход фильтра верхних частот реализуется следующая передаточная функция
где , .
Коэффициент передачи ФВЧ на большой частоте равен единице:
.
Со входа 1 на третий 4 выход полосового фильтра схемой фиг. 2 реализуется передаточная функция, которая представлена ниже
При этом коэффициент передачи ПФ на частоте полюса равен единице:
.
Со входа 1 устройства универсального активного RC-фильтра фиг. 2 на первый 2 выход фильтра нижних частот реализуется передаточная функция
а его коэффициент передачи на нулевой частоте равен единице:
.
Параметры схем всех рассмотренных выше фильтров, такие как частота полюса
и затухание полюса
,
определяются одинаковыми математическими выражениями.
Анализ графиков фиг. 4 показывает, что фильтр фиг. 2 позволяет реализовать на его выходах фильтра высоких частот, полосового фильтра и фильтра низких частот. При этом заявляемое устройство фиг.2 содержит минимальное количество пассивных и активных элементов при заданном порядке передаточной функции, а также обладает расширенным частотным диапазоном за счёт положительного влияния на данный параметр частотных характеристик МОУ.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Выбор параметров аналоговых ограничителей спектра для цифровых систем обработки сигналов с учетом допусков и температурной нестабильности пассивных компонентов / Денисенко Д.Ю., Иванов Ю.И., Прокопенко Н.Н. // Радиотехника. – 2017. - № 1. – С.148-153
2. Estimation to Efficiency of the Using of Anti-Alias Filter in the A/D Interface of Instrumentation and Control Systems / L.K. Samoylov, N.N. Prokopenko, A.V. Bugakova // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2018), Kazan, Russia, September 14 - 17, 2018, pp. 422-425
th
3. Selection of the Band-Pass Range of the Normalizing Signal Transducer of the Sensing Element in the Instrumentation and Control Systems / L.K. Samoylov, N.N. Prokopenko, A.V. Bugakova // 2018 14 IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT’2018). Proceedings. Oct.31-Nov.3, 2018, Qingdao, China
4. The Function Approximation of the Signal Delay Time in the Anti-Alias Filter of the A/D Interface of the Instrumentation and Control System / L.K. Samoylov, D.Yu.Denisenko, N.N. Prokopenko // 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech-2018), October 22-23, 2018, Saint Petersburg, Russia
5. Патент SU 1777233, 1990 г.
6. Патент SU 1755365, 1990 г.
7. Патент SU 1788570, 1993 г.
8. Патент RU 2019023, 1980 г.
9. Патент RU 2089998, 1992 г.
10. Патент SU 2089041, 1990 г.
11. Патент RU 2702499, 2019 г.
12. Патент RU 2702496, 2019 г.
13. Патент RU 2710292, 2019 г.
14. Патент RU 2710852, 2020 г.
15. Патент RU 2149499, 2000 г.
16. Универсальный активный RC-фильтр. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/State_variable_filter
17. Патент RU 2707706, 2019 г.