АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР

Предлагаемая полезная модель относится к радиоэлектронике и может быть использована в качестве перестраиваемой входной цепи профессионального радиоприемника.
В аппаратуре связи широкое применение находят различные типы активных фильтров, используемые в качестве фильтров нижних частот, полосовых, корректирующих устройств. Во многих случаях эти фильтры выполняются с применением операционных усилителей.
Так в работе [1] рассмотрена схема фильтра корректора; выполненная на одном дифференциальном операционном усилителе с резистивной отрицательной обратной связью, выход которого является выходом устройства. К инвертирующему входу операционного усилителя подключен первый резистор, второй вывод которого соединен с первым конденсатором и вторым резистором, второй вывод которого соединен с входной потенциальной клеммой фильтра, к неинвертирующему входу операционного усилителя подключен третий резистор, второй вывод которого подключен ко второму конденсатору и четвертому резистору, второй вывод которого соединен с входной потенциальной клеммой фильтра.
Данное звено фильтра по структуре является наиболее близким к предлагаемой полезной модели и выбрано в качестве прототипа. Это звено является простым и удобным в настройке и может выполнять функции фильтра нижних частот и амплитудного корректора.
К недостаткам прототипа следует отнести потенциальную неустойчивость схемы и возможность самовозбуждения операционного усилителя, поскольку он содержит положительную обратную связь. При настройке фильтра-прототипа на одну фиксированную частоту возможно создать некоторый запас устойчивости, однако, при перестройке схемы по частоте во время эксплуатации обеспечить устойчивость схемы невозможно, так как требуется замена и подстройка практически всех элементов схемы на каждой вновь выбранной частоте.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей прототипа, а именно, получение полосовой, перестраиваемой по частоте цепи, и обеспечение надежной работы устройства при эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что в фильтр, содержащий операционный усилитель с резистивной отрицательной обратной связью, выход операционного усилителя является выходом фильтра, к инвертирующему входу операционного усилителя подключен первый резистор, второй вывод которого соединен с первым конденсатором и вторым резистором, второй вывод которого подключен к входной потенциальной клемме фильтра, к неинвертирующему входу операционного усилителя подключен третий резистор, второй вывод которого соединен со вторым конденсатором и четвертым резистором, второй вывод которого подключен к входной потенциальной клемме фильтра, дополнительно введены пятый резистор, а также первая и вторая катушка индуктивности, при этом пятый резистор подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, а второй вывод пятого резистора соединен с общей шиной, первая катушка индуктивности подключена ко второму выводу первого конденсатора, вторая катушка индуктивности подключена ко второму выводу второго конденсатора, вторые выводы первой и второй катушки индуктивности соединены с общей шиной, кроме того параллельно первому конденсатору подключен первый дискретный конденсатор переменной емкости, а параллельно второму конденсатору подключен второй конденсатор переменной емкости.
Сопоставительный анализ показывает, что предлагаемое устройство отличатся от прототипа тем, что в устройство дополнительно введены пятый резистор, а также первая и вторая катушка индуктивности, при этом пятый резистор подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, а второй вывод пятого резистора соединен с общей шиной, первая катушка индуктивности подключена ко второму выводу первого конденсатора, вторая катушка индуктивности подключена ко второму выводу второго конденсатора, вторые выводы первой и второй катушки индуктивности соединены с общей шиной, кроме того параллельно первому конденсатору подключен первый дискретный конденсатор переменной емкости, а параллельно второму конденсатору подключен второй конденсатор переменной емкости.
При сравнении заявленного решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в науке и технике, не обнаружены решения обладающие сходными признаками.
На фиг.1 приведена электрическая схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит операционный усилитель 1; первый резистор 2, подключенный к инвертирующему входу операционного усилителя, второй вывод первого резистора соединен с первым конденсатором 3 и вторым резистором 4, к неинвертирующему входу операционного усилителя подключен третий резистор 5 и пятый резистор 6, ко второму выводу третьего резистора подключены второй конденсатор 7 и четвертый резистор 8, вторые выводы второго резистора 4 и четвертого резистора 8 соединены с входной потенциальной клеммой фильтра, второй вывод первого конденсатора 3 через первую катушку индуктивности 9, соединен с общей шиной, второй вывод второго конденсатора 7 через вторую катушку индуктивности 10 соединен с общей шиной, параллельно первому конденсатору 3 подключен первый дискретный конденсатор переменной емкости (ДКПЕ-1) 11, параллельно второму конденсатору подключен второй конденсатор переменной емкости (ДКПЕ-2) 12. Выход операционного устройства является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом.
0
0
1
2
0
При условии, когда сопротивления резисторов 4 и 8 будут равны R, сопротивления резисторов 2, 5, 6 и резистора в цепи отрицательной обратной связи будут равны R>>R, данная схема будет эквивалентна симметричной мостовой, ветви которой являются реактивными двухполюсниками Z и Z, нагруженной на сопротивление R (см. фиг.2).
1
2
Операционный усилитель выполняет роль вычитателя двух передаточных функций T и T от входа фильтра к первому входу вычитателя (второй вывод резистора 2) и второму входу вычитателя (второй вывод резистора 5 соответственно.
1
1
1
2
2
2
1
2
Если сопротивление последовательного контура, образованного индуктивностью L (индуктивность катушки 9) и емкостью C, равной сумме емкостей конденсаторов 3 и 4, обозначим Z, а сопротивление двухполюсника, состоящего из катушки 10 с индуктивностью L и конденсаторов 7 и 12 с суммарной емкостью C через Z, то передаточные функции T и T можно записать в следующем виде:
Передаточная функция устройства будет равна:
1
2
Передаточная функция фильтра соответствует передаточной функции симметричного мостового четырехполюсника, у которого сопротивление ветвей Z и Z определяются из соотношений:
1
2
1
2
Частотные зависимости реактивных сопротивлений Z и Z мостового эквивалента показаны на фиг.3. Частоты ω и ω будут соответствовать краям полосы пропускания фильтра, который имеет второй класс по характеристическому сопротивлению, номинальное значение этого сопротивления определяется выражением
1
0
0
Выбирая L=L=L для номинального характеристического сопротивления. получим приближенное равенство:
2
1
Δω=ω-ω
0
1
2
Из соотношений (3), (5) получим формулы для определения величин L, C и C.
1
2
m
0
1
2
m
Из приведенного следует, что изменяя значения емкостей C и C. при неизменных значениях Z и L, мы изменяем частоты ω и ω и, следовательно, среднюю частоту фильтра. При этом, чтобы сохранить Z постоянным; необходимо абсолютную ширину полосы пропускания также выбирать равной при смене частоты настройки.
В самом деле, рабочее затухание в полосе пропускания симметричного фильтра определяется выражением [2]:
c
где Z - характеристическое сопротивление фильтра,
0
R - сопротивление нагрузки,
α - характеристическая фаза фильтра.
На средней частоте , sin α=1 и
m
0
0
Выбирая Z равным R и Δω=const, при перестройке фильтра на частоте ω и близких к ней, получим рабочее затухание близкое к нулю.
Таким образом, выбирая алгоритм перестройки ДКПЕ-1 и ДКПЕ-2 можно обеспечить в предложенном устройстве перестройку средней частоты фильтра, постоянную абсолютную полосу пропускания при малом вносимом затухании в полосе пропускания.
Источники информации:
1. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем, Букашкин С.А., Власов В.П., Змий Б.Ф. и др. под редакцией Ланнэ А.А., «Радио и связь», 1984, (стр.175 схема №8).
2. Теоретические основы электропроводной связи, ч.III. Белецкий А.Ф. «Радио и связь», М., 1959, (стр.194).