АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР

Полезная модель относится к микроэлектронике и может быть использована для создания частотно-избирательных четырехполюсников с использованием активных элементов и RC-элементов с распределенными параметрами.
Известен фильтр на основе RC-элемента с распределенными параметрами, состоящего из последовательно чередующихся диэлектрических и резистивных/проводящих слоев с выводами от резистивных слоев, причем, количество выводов пропорционально количеству резистивных слоев и составляет не менее двух от каждого резистивного слоя, входной вывод среднего резистивного слоя, входной и выходной выводы нижнего резистивного слоя электрически соединены с нулевым потенциалом, входной вывод верхнего резистивного слоя соединен с источником электрических сигналов, а выходной вывод верхнего резистивного слоя соединен с измерителем электрических сигналов [RU 2408977, С1, Н03Н 1/02, 10.11.2011].
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно не является активным и может быть использовано только в качестве режекторного фильтра.
Известен также активный RC-фильтр, содержащий операционный усилитель, два конденсатора и пять резисторов, причем, первый вывод первого резистора подключен к общей шине, а его второй вывод - к второму выводу второго резистора, первый вывод второго резистора подключен к первому выводу третьего резистора и к инвертирующему входу операционного усилителя, второй вывод третьего резистора подключен к выходу операционного усилителя, первый вывод четвертого резистора подключен к первому выводу первого конденсатора, вторые выводы пятого резистора и второго конденсатора подключены к неинвертирующему входу операционного усилителя, при этом, дополнительно имеется шестой резистор, который подключен между общей шиной и инвертирующим входом операционного усилителя, первые выводы первого конденсатора и четвертого резистора подключены к первому выводу второго конденсатора, первый вывод пятого резистора подключен к вторым выводам первого и второго резисторов, вторые выводы первого конденсатора и четвертого резистора подключены к входу устройства и выходу операционного усилителя соответственно [RU 2149500, С1, Н03Н 11/14, 20.05.2000].
Это устройство является активным фильтром, однако обладает относительно узкими функциональными возможностями, поскольку может быть использовано только в качестве фильтра верхних частот.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, содержащее операционный усилитель, частотозадающий блок корректирующий элемент и весовой сумматор, причем первый вход частотозадающего блока является входом устройства, выходы частотозадающего блока и весового сумматора подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя, вход весового сумматора подключен к выходу операционного усилителя, вход корректирующего элемента подключен к выходу операционного усилителя, а выход корректирующего элемента, являющийся выходом устройства, подключен к второму входу частотозадающего блока [RU 2108660, С1, Н03Н 11/10, 10.04.1998].
Это устройство является активным фильтром, однако также обладает относительно узкими функциональными возможностями, поскольку может быть использовано только в качестве полосового фильтра и различные варианты схемотехнических решений элементов устройства приводят лишь к вариациям частотного диапазона.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей.
Требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее операционный усилитель и частотозадающий блок, причем, первый вход частотозадающего блока является входом устройства, а выход частотозадающего блока соединен со входом операционного усилителя, выход которого подключен ко второму входу частотозадающего блока и является выходом устройства, введен резистор, первый вывод которого соединен с входом операционного усилителя, а второй вывод резистора соединен с общей шиной устройства, при этом, частотозадающий блок выполнен в виде RC-элемента с распределенными параметрами типа «первый резистор-диэлектрик-второй резистор».
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, для выполнения функции фильтра верхних частот в частотозадающем блоке первый вывод первого резистора является первым входом частотозадающего блока, второй вывод первого резистора является выходом частотозадающего блока, а первый и второй выводы второго резистора объединены и являются вторым входом частотозадающего блока.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, для выполнения функции полосно-заграждающего фильтра в частотозадающем блоке первый вывод первого резистора является выходом частотозадающего блока, второй вывод первого резистора является вторым входом частотозадающего блока, а первый и второй выводы второго резистора объединены и являются первым входом частотозадающего блока.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в для выполнения функции фильтра нижних частот с нулем передачи в частотозадающем блоке первый вывод первого резистора является вторым входом частотозадающего блока, второй вывод первого резистора соединен с общей шиной устройства, а первый и второй выводы второго резистора являются первым входом и выходом частотозадающего блока, соответственно.
На чертеже представлены:
на фиг.1 - схема активного RC-фильтра;
на фиг.2 - схема активного RC-фильтра с функцией фильтра верхних частот;
на фиг.3 - схема активного RC-фильтра с функцией полосно-заграждающего фильтра;
на фиг.4 - схема активного RC-фильтра с функцией фильтра нижних частот с нулем передачи.
фиг.5 - АЧХ фильтра верхних частот (фиг.5, а) и результаты его синтеза (фиг.5, б, в) фиг.6 - АЧХ полосно-заграждающего фильтра (фиг.6, а) и результаты его синтеза (фиг.6, б, в)
фиг.7 - АЧХ фильтра нижних частот с нулем передачи (фиг.7, а) и результаты его синтеза (фиг.7, б, в)
Активный RC-фильтр (фиг.1) содержит операционный усилитель 1 и частотозадающий блок 2.
В активном RC-фильтре (фиг.1) первый вход частотозадающего блока 2 является входом активного RC-фильтра, а выход частотозадающего блока 2 соединен с входом операционного усилителя 1, выход которого подключен ко второму входу частотозадающего блока 2 и является выходом активного RC-фильтра.
Кроме того, активный RC-фильтр (фиг.1) содержит резистор 3 первый вывод которого соединен со входом операционного усилителя 1, а второй вывод резистора 3 соединен с общей шиной активного RC-фильтра, при этом, частотозадающий блок 2 выполнен в виде RC-элемента с распределенными параметрами типа «первый резистор-диэлектрик-второй резистор».
В варианте активного RC-фильтра (фиг.2), выполняющего функции фильтра верхних частот, в частотозадающем блоке 2 первый вывод первого резистора 4 является первым входом частотозадающего блока 2, второй вывод первого резистора 4 является выходом частотозадающего блока 2, а первый и второй выводы второго резистора 5 объединены и являются вторым входом частотозадающего блока 2.
В варианте активного RC-фильтра (фиг.3), для выполнения функции полосно-заграждающего фильтра в частотозадающем блоке 2 первый вывод первого резистора 4 является выходом частотозадающего блока 2, второй вывод первого резистора 4 является вторым входом частотозадающего блока 2, а первый и второй выводы второго резистора 5 объединены и являются первым входом частотозадающего блока 2.
В варианте активного RC-фильтра (фиг.4), для выполнения функции фильтра нижних частот с нулем передачи в частотозадающем блоке первый вывод первого резистора 4 является вторым входом частотозадающего блока 2, второй вывод первого резистора 4 соединен с общей шиной активного RC-фильтра, а первый и второй выводы второго резистора 5 являются первым входом и выходом частотозадающего блока 2, соответственно.
Работает активный RC-фильтр следующим образом.
Выражение для передаточной функции в варианте активного RC-фильтра (фиг.2), выполняющего функции фильтра верхних частот, имеет вид
ij
3
5
3
5
где y - y-параметры двумерного RC-элемента с распределенными параметрами типа «первый резистор-диэлектрик-второй резистор», α=R/R, где R, R - значения сопротивлений резистора 3 и второго резистора 5.
Результаты синтеза фильтра верхних частот показаны на фиг.5. Выполнение требований к характеристике затухания подтверждается графиком АЧХ фильтра верхних частот, изображенным на фиг.5, а.
Конструкция двумерного RC-элемента с распределенными параметрами типа «первый резистор-диэлектрик-второй резистор», получившаяся в результате синтеза, изображена в виде рисунков резистивных слоев и контактных площадок к ним на фиг.5, б и фиг.5, в. Слой второго резистора 5 разделен на три участка, два из которых имеют контактные площадки, включенные в схему, а третий участок взаимодействует с остальными элементами структуры через емкостные связи между слоями первого 4 и второго 5 резисторов.
Выражение для передаточной функции в варианте активного RC-фильтра, выполняющего функции полосно-заграждающего фильтра (фиг.3), имеет вид
На рис.6 показаны график АЧХ такого фильтра и результаты его синтеза.
Выражение для передаточной функции в варианте активного RC-фильтра, выполняющего функции фильтра нижних частот с нулем передачи (фиг.4), имеет вид
Результаты синтеза звена по заданным требованиям к характеристике затухания изображены на фиг.7.
Следует отметить, что y-параметры, входящие в формулы (1) - (3) для передаточных функций рассмотренных вариантов активного RC-фильтра вычисляются не по аналитическим выражениям, а численно, в процессе анализа на каждом цикле, например, методом генетического алгоритма. Таким образом, эти выражения справедливы для любых рисунков слоев и контактных площадок двумерного RC-элемента с распределенными параметрами типа «первый резистор-диэлектрик-второй резистор».
Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональны возможностей, поскольку выполнение частотозадающего блока в виде RC-элемента с распределенными параметрами типа «первый резистор-диэлектрик-второй резистор» и введение резистора с соответствующими связями позволяет реализовать различные варианты частотных характеристик активного фильтра.