Полосовой фильтр с независимой подстройкой частоты полюса, затухания полюса и коэффициента передачи
BAND-PASS FILTER WITH INDEPENDENT ADJUSTMENT OF POLE FREQUENCY, POLE ATTENUATION AND TRANSMISSION COEFFICIENT

Изобретение относится к радиотехнике 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]. В данном классе устройств особое место занимают фильтры с независимой подстройкой основных параметров [29-33].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является полосовой фильтр по патенту RU 2694134, фиг. 2, 2019 г. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5 и второй 6 последовательно соединенные резисторы, включенные между входом 1 устройства и выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, общий узел которых связан с инвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине источников питания 7, третий 8, четвертый 9, пятый 10, шестой 11, седьмой 12, восьмой 13 резисторы, первый 14 и второй 15 конденсаторы, причем восьмой 13 резистор включен между неинвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя и общей шиной источников питания 7, а выход первого 3 дифференциального операционного усилителя соединен с выходом 2 устройства.
Существенный недостаток полосового фильтра-прототипа фиг. 1 состоит в том, что он не  обеспечивает низкую параметрическую чувствительность при настройке добротности.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании схемы полосового фильтра с более низкой параметрической чувствительностью при независимой подстройке трех основных параметров АЧХ – частоты полюса (ωs), затухания полюса (ds), а также коэффициента передачи в полосе пропускания (М).
Поставленная задача достигается тем, что в полосовом фильтре фиг. 2, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5 и второй 6 последовательно соединенные резисторы, включенные между входом 1 устройства и выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, общий узел которых связан с инвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине источников питания 7, третий 8, четвертый 9, пятый 10, шестой 11, седьмой 12, восьмой 13 резисторы, первый 14 и второй 15 конденсаторы, причем восьмой 13 резистор включен между неинвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя и общей шиной источников питания 7, а выход первого 3 дифференциального операционного усилителя соединен с выходом 2 устройства, предусмотрены новые связи – выход второго 4 дифференциального операционного усилителя связан с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные первый 14 конденсатор и четвертый 9 резистор, выход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с неинвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные шестой 11 и седьмой 12 резисторы, общий узел которых связан с общим узлом последовательно соединенных первого 14 конденсатора и четвертого 9 резистора через пятый 10 резистор, выход 2 устройства соединен с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через второй 15 конденсатор и подключен к инвертирующему входу второго 4 дифференциального операционного усилителя через третий 8 резистор.
На чертеже фиг. 1 представлена схема ПФ-прототипа.
На чертеже фиг. 2 приведена схема заявляемого ПФ в соответствии с  формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 представлены графики изменения амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) характеристик ПФ фиг. 3 при настройке частоты полюса последовательно соединенными резисторами R11 и R12.
На чертеже фиг. 4 приведены АЧХ и ФЧХ схемы ПФ фиг. 2 при настройке затухания полюса (ds) с помощью резисторов R6, R8, R13.
На чертеже фиг. 5 показаны графики изменения АЧХ и ФЧХ схемы ПФ фиг. 2 при настройке коэффициента передач (M) с помощью резистора R5.
Полосовой фильтр с независимой подстройкой частоты полюса, затухания полюса и коэффициента передачи фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5 и второй 6 последовательно соединенные резисторы, включенные между входом 1 устройства и выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, общий узел которых связан с инвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине источников питания 7, третий 8, четвертый 9, пятый 10, шестой 11, седьмой 12, восьмой 13 резисторы, первый 14 и второй 15 конденсаторы, причем восьмой 13 резистор включен между неинвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя и общей шиной источников питания 7, а выход первого 3 дифференциального операционного усилителя соединен с выходом 2 устройства. Выход второго 4 дифференциального операционного усилителя связан с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные первый 14 конденсатор и четвертый 9 резистор, выход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с неинвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные шестой 11 и седьмой 12 резисторы, общий узел которых связан с общим узлом последовательно соединенных первого 14 конденсатора и четвертого 9 резистора через пятый 10 резистор, выход 2 устройства соединен с инвертирующим входом первого 3 дифференциального операционного усилителя через второй 15 конденсатор и подключен к инвертирующему входу второго 4 дифференциального операционного усилителя через третий 8 резистор.
Рассмотрим работу ПФ фиг. 2.
Свойства схемы классического полосового фильтра второго порядка, в том числе схемы фиг. 2, определяются его передаточной функцией
p
p
где М – коэффициент передачи фильтра на центральной частоте; ω – частота полюса; d – затухание полюса.
Коэффициенты передаточной функции предлагаемой схемы ПФ определяются по выражениям:
- коэффициент передачи
,
Где  ,
- частота полюса
- затухание полюса
p
p
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 формул для ω, d, М следует, что в предлагаемом ПФ фиг. 2 такая настройка осуществима в следующей последовательности:
s
Первый этап: настраивается частота полюса ω путем изменения сопротивлений шестого 11 и седьмого 12 резисторов (R11и R12). Далее номиналы этих резисторов фиксируются.
s
Второй этап: настраивается затухание полюса d путем изменения сопротивлений резисторов второго 6 (R6), третьего 8 (R8) и восьмого 13 (R13) резисторов. На втором этапе сопротивления шестого 11 и седьмого 12 резисторов (R11и R12) не изменяются.
Третий этап: настраивается коэффициент передачи М путем изменения сопротивления первого 5 резистора (R5). На этом этапе сопротивления второго 6 (R6), третьего 8 (R8), шестого 11 (R11), седьмого 12 (R12), восьмого 13 (R13) резисторов не изменяются.
Следует заметить, что другие известные схемы ПФ с низкой параметрической чувствительностью, выполненные на двух операционных усилителях, данным свойством не обладают.
Эффективность рассмотренного выше алгоритма настройки ПФ фиг. 2, подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг. 3-фиг. 5).
s
По виду ФЧХ фиг. 3 можно судить, что частота полюса ω, на которой фазовый сдвиг равен 0°, изменяется за счет шестого 11 и седьмого 12 резисторов (R11и R12) в относительно широких пределах.
s
По виду ФЧХ фиг. 4 можно установить, что при изменении сопротивлений второго 6, третьего 8, восьмого 13 резисторов (R6, R8, R13) изменяется наклон ФЧХ в области частоты полюса, а также изменяется подъем АЧХ на этой частоте. При этом частота полюса остается неизменной (ω=const). При настройке затухания полюса изменяются частоты, на которых фазовый сдвиг составляет -45° и 45°.
При настройке коэффициента передачи путём изменения первого 5 (R5) резистора ФЧХ не изменяется, а изменяется только общий уровень АЧХ (фиг. 5).
При проектировании фильтров на основе рассмотренной схемы сопротивление пятого 10 резистора (R10) желательно выбирать значительно больше эквивалентного сопротивления резистивного делителя напряжения, состоящего из шестого 11 и седьмого 12 резисторов (R11 и R12), то есть необходимо выполнять соотношение
В сравнении с известными ПФ, заявляемая схема ПФ имеет более низкую параметрическую чувствительность при настройке равных добротностей.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
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. Патент RU 2688237, 2019 г.
30. Патент RU 2694134, 2019 г.
31. Патент RU 2701095, 2019 г.
32. Патент RU 2697944, 2019 г.
33. Патент RU 2701038, 2019 г.