ПОЛОСОВОЙ АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР

Полезная модель относится к радиотехнике, приборостроению, системам связи и может использоваться в микроэлектронных селективных узлах радиоэлектронных устройств, измерительной и биомедицинской аппаратурах для частотной фильтрации электрических сигналов от помех на различных частотах, в системах связи для соответствующей обработки сигналов.
Известна схема активного RC-фильтра [С.В. Гришин, С.Г. Крутчинский, С.В. Сердюков "Активный RC-фильтр" / Авторское свидетельство №1688387/Н03Н 11/12, 30.10.91. Бюл. №40], содержащая четыре операционных усилителя, десять резисторов и два конденсатора, первый вывод первого резистора соединен со входом активного RC-фильтра, а второй вывод подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, выход которого соединен с первыми выводами второго и третьего резисторов и с первым выводом первого конденсатора, вторые выводы второго резистора и первого конденсатора соединены с вторым выводом первого резистора и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом пятого резистора, второй вывод которого через шестой резистор соединен с первым выводом второго конденсатора и с выходом второго операционного усилителя, с инвертирующим входом которого соединен второй вывод третьего резистора и второй вывод второго конденсатора, а первый и второй выводы пятого резистора соединены соответственно с инвертирующим входом и выходом третьего операционного усилителя, неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей соединены с общей шиной, инвертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен с первыми выводами седьмого, восьмого и девятого резисторов и неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, инвертирующий вход которого через десятый резистор соединен с общей шиной, а выход соединен с вторым выводом седьмого резистора, второй вывод восьмого резистора соединен с выходом четвертого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с вторым выводом первого резистора, а второй вывод девятого резистора соединен с общей шиной.
Недостатком данного технического решения является невысокая стабильность параметров из-за влияния частотных свойств операционных усилителей и невозможность независимой перестройки добротности и коэффициента передачи устройства.
Также известен "Универсальный активный фильтр" (В кн.: Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров: Пер. с англ. - М: Радио и связь, 1984: с. 208, рис. 5.3-1), содержащий три операционных усилителя, восемь резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого, второго и третьего резисторов подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а их вторые выводы - к первому входу устройства, к выходу третьего и выходу первого операционных усилителей соответственно, первые выводы четвертого, пятого и шестого резисторов подключены к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, а их вторые выводы - к второму входу устройства, общей шине и к выходу второго операционного усилителя соответственно, первые выводы первого конденсатора и седьмого резистора подключены к выходам второго и первого операционных усилителей соответственно, первые выводы второго конденсатора и восьмого резисторов подключены к выходам третьего и второго операционных усилителей соответственно, а их вторые выводы - к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, неинвертирующие входы второго и третьего операционных усилителей подключены к общей шине, вторые выводы первого конденсатора и седьмого резистора подключены к инвертирующему входу второго операционного усилителя, выходом устройства является один из выходов операционных усилителей.
Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является узкий частотный диапазон работы устройства из-за влияния частотного ограничения усиления операционных усилителей.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является "Полосовой активный RC-фильтр" (СССР. А.с. №1385260, Н03Н 11/12, опубл. 30.03.88, бюл. N 12), содержащий два операционных усилителя, пять резисторов и два конденсатора, причем между выходом и инвертирующим входом первого операционного усилителя включен первый конденсатор, выход первого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя через второй резистор, неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с первыми выводами первого резистора и второго конденсатора, вторые выводы которых - со входом фильтра и общей шиной, соответственно, между выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя включен третий резистор, инвертирующие выводы первого и второго операционных усилителей соединены между собой, неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен со вторыми выводами четвертого и пятого резисторов, первый вывод пятого резистора соединен с общей шиной, выход второго операционного усилителя соединен с первым выводом четвертого резистора и выходом фильтра.
Передаточная функция полосового активного RC-фильтра имеет вид
m
4
5
где h=1+(R/R) - коэффициент передачи фильтра на резонансной частоте;
- резонансная круговая частота фильтра;
- полюсная добротность фильтра.
1
0
Из анализа полученных выражений следует, что в описанном устройстве можно регулировать добротность Q изменением величины сопротивления резистора R при сохранении значения резонансной частоты ω. Недостатком данного технического решения является невозможность перестройки коэффициента передачи без изменения добротности и резонансной частоты устройства.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей фильтра, позволяющих получить технический результат, заключающийся в обеспечении независимой перестройки добротности и коэффициента передачи, расширение диапазона рабочих частот и (или) повышение стабильности параметров устройства.
Для достижения указанного технического результата в заявляемой полезной модели, содержащей три операционных усилителя, восемь резисторов, два переменных резистора и два конденсатора, причем между выходом и инвертирующим входом первого операционного усилителя включен первый конденсатор, выход первого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя через второй резистор, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого подключен к общей шине, между выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя включен третий резистор, выход второго операционного усилителя соединен с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя и первым выводом второго переменного резистора, второй вывод второго переменного резистора подключен ко входу фильтра, первые выводы шестого и седьмого резисторов подключены к первому выводу второго конденсатора, а их вторые выводы - к первому и второму выводам первого конденсатора соответственно, второй вывод второго конденсатора подключен к общей шине, первые выводы первого переменного резистора и пятого резистора подключены к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, а второй вывод пятого резистора - к выходу первого операционного усилителя, второй вывод первого переменного резистора подключен к выходу и инвертирующему входу третьего операционного усилителя, инвертирующий вход второго операционного усилителя и выход третьего операционного усилителя соединены через восьмой резистор, выход второго операционного усилителя подключен к выходу фильтра.
Возможность достижения технического результата обусловлена следующими выводами: достигается расширение функциональных возможностей, расширение диапазона перестройки добротности и коэффициент передачи фильтра на резонансной частоте и стабильности добротности устройства за счет введения новых элементов и связей между ними, благодаря этому предлагаемое устройство реализует полосовой фильтр с независимой перестройкой добротности и коэффициента передачи, что необходимо для перестраиваемых полосовых фильтров.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема полосового активного RC-фильтра; на фиг. 2 - АЧХ полосового активного RC-фильтра с перестраиваемоей добротностью; на фиг. 3 - АЧХ полосового активного RC-фильтра с перестраиваемым коэффициентом передачи на резонансной частоте.
Полосовой активный RC-фильтр (фиг. 1) содержит первый 1, второй 2, третий 3 операционные усилители, между выходом и инвертирующим входом первого 1 операционного усилителя включен первый 6 конденсатор, выход первого 1 операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом второго 2 операционного усилителя через второй 5 резистор, неинвертирующий вход второго 2 операционного усилителя соединен с первым выводом первого 4 резистора, второй вывод которого подключен к общей шине, между выходом и инвертирующим входом второго 2 операционного усилителя включен третий 13 резистор, выход второго 2 операционного усилителя соединен с первым выводом четвертого 11 резистора, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом третьего 3 операционного усилителя и первым выводом второго 15 переменного резистора, второй вывод второго 15 переменного резистора подключен ко входу 16 фильтра, первые выводы шестого 8 и седьмого 9 резисторов подключены к первому выводу второго 10 конденсатора, а их вторые выводы - к первому и второму выводам первого 6 конденсатора соответственно, второй вывод второго 10 конденсатора подключен к общей шине, первые выводы первого 14 переменного резистора и пятого 7 резистора подключены к неинвертирующему входу первого 1 операционного усилителя, а второй вывод пятого 7 резистора - к выходу первого 1 операционного усилителя, второй вывод первого 14 переменного резистора подключен к выходу и инвертирующему входу третьего 3 операционного усилителя, неинвертирующий вход второго 2 операционного усилителя и выход третьего 3 операционного усилителя соединены через восьмой 12 резистор, выход второго 2 операционного усилителя подключен к выходу 17 фильтра.
При этом полосовой активный RC-фильтр имеет передаточную функцию второго порядка вида
1
8
1
2
где R=(R÷R); С=С=С;
- резонансная частота;
- полюсная добротность;
9
β=R/R - коэффициент перестройки передачи фильтра;
10
α=R/R - коэффициент перестройки полюсной добротности;
0
Коэффициент передачи полосового фильтра на резонансной частоте ω
Из выражения следует, что при значении параметра β=0,5 коэффициент передачи фильтра на резонансной частоте равен  и не зависит от коэффициента перестройки полюсной добротности α.
Полосовой активный RC-фильтр работает следующим образом. Фильтр состоит из корректирующего активного RC-фильтра, дифференциального второго 2 усилителя, повторителя напряжения на основе третьего 3 операционного усилителя и входного делителя напряжения, собранного из второго 15 переменного резистора и четвертого 11 резистора. Корректирующий активный RC-фильтр собран на основе операционного первого 1 усилителя, в отрицательную обратную связь которого включен Т-образный RC-мост, состоящий из шестого 8, седьмого 9 резисторов и из первого 6 и второго 10 конденсаторов; в положительную обратную связь усилителя включен делитель напряжения, состоящий из пятого 7 резистора и первого 14 переменного резистора. Корректирующий активный RC-фильтр обеспечивает фильтрующие свойства полосового активного RC-фильтра и имеет передаточную функцию биквадратного типа при условии выбора одинаковых сопротивлений шестого 8 и седьмого 9 резисторов и выбора одинаковых емкостей первого 6 и второго 10 конденсаторов
n
где Q=0.333 - добротность комплексных нулей;
p
Q=1/(2-β) - добротность комплексных полюсов корректирующего активного RC-фильтра;
p
Изменение сопротивления первого 14 переменного резистора обеспечивает регулирование добротности комплексных полюсов Q корректирующего активного RC-фильтра.
Дифференциальный усилитель содержит второй 2 операционный усилитель, к неинвертирующему входу которого включен делитель напряжения, состоящий из второго 5 и первого 4 резисторов. В отрицательную обратную цепь второго 2 операционного усилителя, подключен третий 13 резистор, к его неивертирующему входу-восьмой 12 резистор. При одинаковых сопротивлениях первого 4, второго 5, восьмого 12 и третьего 13 резисторов коэффициент передачи по неинвертирующему входу равен плюс 1, а по инвертирующему - минус 1, что обеспечивает на выходе второго 2 операционного усилителя алгебраическое сложение напряжений от корректирующего активного RC-фильтра и с выхода третьего 3 операционного усилителя.
1
2
На неивертирующий вход третьего 3 операционного усилителя подается напряжение со входа 16 полосового фильтра через делитель напряжения состоящего из десятого 15 переменного резистора и четвертого 11 резистора с коэффициентом передачи K=1/(1+α), а также с выхода 17 полосового фильтра через упомянутый делитель напряжения с коэффициентом передачи K=α/(1+α).
Изменение добротности полосового фильтра при неизменном коэффициенте передачи равном единице на резонансной частоте при коэффициенте β=0,5 осуществляется с помощью второго 15 переменного резистора. При увеличении сопротивления второго 15 переменного резистора коэффициент α увеличивается, что обеспечивает увеличение добротности полосового фильтра.
Регулирование коэффициента передачи полосового фильтра на резонансной частоте производится с помощью первого 14 переменного резистора, который определяет глубину положительной обратной связи первого 1 операционного усилителя. При увеличении сопротивления первого 14 переменного резистора коэффициент передачи β в цепи положительной обратной связи операционного усилителя увеличивается, что обеспечивает увеличение коэффициента передачи полосового фильтра.
min
max
10
На фиг. 2 представлены амплитудно-частотные характеристики предлагаемого полосового активного. RC-фильтра с регулируемой добротностью при постоянном коэффициенте передаче  на резонансной частоте Регулирование добротности в пределах от Q=0,74 до Q=3,3 осуществлялось (при значении параметра β=0,5) с помощью второго 15 переменного резистора R, сопротивление которого изменялось в пределах от 20 кОм до 400 кОм.
9
На фиг. 3 представлены амплитудно-частотные характеристики предлагаемого полосового активного RC-фильтра с регулируемым коэффициентом передачи на резонансной частоте  Регулирование коэффициента передачи в пределах от  до  осуществлялось (при значении параметра α=0,5) изменением сопротивления первого 14 переменного резистора R в пределах от 20 кОм до 100 кОм.
Предлагаемая схема полосового активного. RC-фильтра дает возможность при достаточно простом элементном исполнении независимо регулировать как добротность фильтра в широких пределах, так и коэффициент передачи фильтра на резонансной частоте, что позволяет обеспечить высокую технологичность и удобство настройки в процессе изготовления фильтра и его эксплуатации. Применение заявленного технического решения возможно в микроэлектронных селективных узлах радиоэлектронных устройств, измерительной и биомедицинской аппаратуре для выделения электрических сигналов в требуемых диапазонах частот и электроакустической аппаратуре (например, электрофоны высших классов и высококачественные звуковоспроизводящие системы, эквалайзерах).