ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПОЛОСОВОЙ АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР ЧЕТВЕРТОГО ПОРЯДКА С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ВХОДОМ И ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ
FOURTH-ORDER WIDEBAND BANDPASS ACTIVE RC FILTER WITH DIFFERENTIAL INPUT AND PARAPHASE OUTPUT

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве интерфейса для ограничения спектра источника сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.
Полосовые ARC-фильтры (ПФ) с дифференциальным входом и парафазным выходом относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств, определяющих качественные показатели многих радиотехнических систем, в том числе для цифровой обработки сигналов [1-18]. Наличие дифференциального входа и парафазного выхода является крайне важным качеством ARCФ, например, при его включении на входе АЦП с дифференциальным входом для обработки сигналов датчиков с дифференциальным выходом.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является фильтр, описанный в патенте US 8.872.586 («Folded-cascode amplifier», МПК H03F 3/45, 2014 г.). Он содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 входы устройства, первый 3 и второй 4 выходы устройства, выходной операционный усилитель 5, первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 конденсаторы, первый 10, второй 11, третий 12, четвертый 13, пятый 14 и шестой 15 резисторы, причём первый 10, второй 11 резисторы и второй 7 конденсатор соединены последовательно и подключены к  первому 3 выходу устройства, четвертый 13, пятый 14 резисторы и четвертый 9 конденсатор соединены последовательно и связаны со вторым 4 выходом устройства.
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что он не обладает расширенным диапазоном частот. Это ограничивает области использования данной схемы.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании полосового активного фильтра четвертого порядка с дифференциальным входом и парафазным выходом, который имеет расширенный диапазон частот.
предусмотрены новые элементы и связи
Поставленная задача достигается тем, что в активном RC-фильтре фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 входы устройства, первый 3 и второй 4 выходы устройства, выходной операционный усилитель 5, первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 конденсаторы, первый 10, второй 11, третий 12, четвертый 13, пятый 14 и шестой 15 резисторы, причём первый 10, второй 11 резисторы и второй 7 конденсатор соединены последовательно и подключены к  первому 3 выходу устройства, четвертый 13, пятый 14 резисторы и четвертый 9 конденсатор соединены последовательно и связаны со вторым 4 выходом устройства,  - в схему устройства введены первый 16, второй 17, третий 18 и четвертый 19 дополнительные конденсаторы, первый 20 и второй 21 дополнительные резисторы, причём первый 1 вход устройства связан с неинвертирующим входом выходного операционного усилителя 5 через последовательно соединённые первый 16 и второй 17 дополнительные конденсаторы и первый 10 и второй 11 резисторы, второй 2 вход устройства соединён с инвертирующим входом выходного операционного усилителя 5 через последовательно соединённые третий 18 и четвертый 19 дополнительные конденсаторы и четвертый 13 и пятый 14 резисторы, общий узел первого 16 и второго 17 дополнительных конденсаторов связан со вторым 4 выходом устройства через первый 20 дополнительный резистор, общий узел первого 10 и второго 11 резисторов подключен ко второму 4 выходу устройства через первый 6 конденсатор, общий узел второго 17 дополнительного конденсатора и первого 10 резистора связан с первым 3 выходом устройства через третий 12 резистор, общий узел третьего 18 и четвертого 19 дополнительных конденсаторов соединён с первым 3 выходом устройства через второй 21 дополнительный резистор, общий узел четвертого 13 и пятого 14 резисторов связан с первым 3 выходом устройства через третий 8 конденсатор, общий узел четвертого 19 дополнительного конденсатора и четвертого 13 резистора соединён со вторым 4 выходом устройства через шестой 15 резистор, инвертирующий выход выходного операционного усилителя 5 подключен к первому 3 выходу устройства, неинвертирующий выход выходного операционного усилителя 5 соединён со вторым 4 выходом устройства.
На чертеже фиг. 1 показана схема ПФ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого полосового активного фильтра четвертого порядка в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 представлены результаты компьютерного моделирования схемы ПФ фиг. 2.
Широкополосный полосовой активный RC-фильтр четвертого порядка с дифференциальным входом и парафазным выходом фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входы устройства, первый 3 и второй 4 выходы устройства, выходной операционный усилитель 5, первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 конденсаторы, первый 10, второй 11, третий 12, четвертый 13, пятый 14 и шестой 15 резисторы, причём первый 10, второй 11 резисторы и второй 7 конденсатор соединены последовательно и подключены к  первому 3 выходу устройства, четвертый 13, пятый 14 резисторы и четвертый 9 конденсатор соединены последовательно и связаны со вторым 4 выходом устройства. В схему устройства введены первый 16, второй 17, третий 18 и четвертый 19 дополнительные конденсаторы, первый 20 и второй 21 дополнительные резисторы, причём первый 1 вход  устройства связан с неинвертирующим входом выходного операционного усилителя 5 через последовательно соединённые первый 16 и второй 17 дополнительные конденсаторы и первый 10 и второй 11 резисторы, второй 2 вход устройства соединён с инвертирующим входом выходного операционного усилителя 5 через последовательно соединённые третий 18 и четвертый 19 дополнительные конденсаторы и четвертый 13 и пятый 14 резисторы, общий узел первого 16 и второго 17 дополнительных конденсаторов связан со вторым 4 выходом устройства через первый 20 дополнительный резистор, общий узел первого 10 и второго 11 резисторов подключен ко второму 4 выходу устройства через первый 6 конденсатор, общий узел второго 17 дополнительного конденсатора и первого 10 резистора связан с первым 3 выходом устройства через третий 12 резистор, общий узел третьего 18 и четвертого 19 дополнительных конденсаторов соединён с первым 3 выходом устройства через второй 21 дополнительный резистор, общий узел четвертого 13 и пятого 14 резисторов связан с первым 3 выходом устройства через третий 8 конденсатор, общий узел четвертого 19 дополнительного конденсатора и четвертого 13 резистора соединён со вторым 4 выходом устройства через шестой 15 резистор, инвертирующий выход выходного операционного усилителя 5 подключен к первому 3 выходу устройства, неинвертирующий выход выходного операционного усилителя 5 соединён со вторым 4 выходом устройства.
Рассмотрим работу схемы ПФ фиг. 2.
Передаточная функция схемы полосового фильтра четвертого порядка описывается выражением
(1)
где  и  - коэффициенты числителя и знаменателя передаточной функции (1).
Характер изменения АЧХ и ФЧХ фильтра от частоты зависят от численных значений  и  передаточной функции (1). В свою очередь эти коэффициенты определяются топологией схемы и параметрами пассивных элементов – сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов. Введем обозначения элементов в схеме  - сопротивления резисторов 20, 12, 10, 11, 21, 15, 13 и 14 соответственно,  - емкости конденсаторов 16, 17, 6, 7, 18, 19, 8 и 9 соответственно.
Для обеспечения симметричной работы каналов схемы фильтра фиг. 2 в ней необходимо выполнить равенства номиналов элементов  и .
С учетом принятых обозначений и равенства номиналов элементов для схемы, приведенной на фиг. 2, коэффициенты передаточной функции определяются соотношениями
(2)
В результате компьютерного моделирования схемы, приведенной на фиг. 2, в программе схемотехнического моделирования Micro-Cap при выбранных значениях параметров элементов , ,  и  была получена АЧХ фильтра (фиг. 3). Это подтверждает работоспособность предложенного решения, причем передаточная функция полосового фильтра четвертого порядка с дифференциальными входом и выходом реализуется путём применения минимального количества пассивных и активных элементов в схеме ARCФ, который имеет расширенный диапазон частот и повышенное ослабление сигнала за его пределами.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. 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.
2. Патент US 8.872.586, fig. 4, 2014 г.
3. Патентная заявка US 2015/0214925, fig. 5, fig. 6, fig. 10, 2015 г.
4. Патент US 6.344.773, fig. 3, fig. 4, 2002 г.
5. Патент CN 103618515, fig. 3, 2013 г.
6. Патент RU 2694740, fig. 2, 2018 г.
7. Патент US 7.605.649, fig. 19, fig. 24, 2019 г.
8. Патентная заявка US  2014/0328440, fig. 2, fig. 5, fig. 7, 2014 г.
9. Патент US 7.276.965, fig. 18, fig. 19, fig. 24, 2007 г.
10. Патент US 7.551.024, fig. 18, fig. 19, fig. 24, fig. 39a, 2009 г.
11. Патент CN 110365308, fig. 2, fig. 3, 2019 г.
12. Патентная заявка US  2015/0318836, fig. 6f, fig. 6b, fig. 7a, fig. 7b, 2015 г.
13. Патент US 6.344.773, fig. 3, fig. 4, 2002 г.
14. Патент CN 109.450.402, fig. 1, fig. 2, 2018 г.
15. Патентная заявка US 2010/0322440, fig. 3, 2010 г.
16. Патент US 7.202.738, fig. 1, 2007 г.
17. Патент RU 2695981, 2019 г.
18. Патентная заявка US 2017/0077903, fig. 2, fig. 5, fig. 6, fig. 7, fig. 8, 2017.