Перестраиваемый активный амплитудный RC-корректор

Перестраиваемый активный амплитудный RC-корректор относится к радиотехнике, приборостроению, системам связи и может использоваться в микроэлектронных селективных узлах радиоэлектронных устройств, измерительной и биомедицинской аппаратурах для усиления и ослабления электрических сигналов на различных частотах.
В литературе описаны различные перестраиваемые активные амплитудные RC-корректоры. Как правило, схемы этих корректоров отличаются большой сложностью, т.к. содержат большое число усилителей и RC-элементов.
Известна схема амплитудного корректора (А.Ю. Демин. ARC-корректор амплитудно-частотных искажений / Авторское свидетельство №1837382, опубл. 30.08.93. Бюл. №32), содержащая операционный усилитель, шесть резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого, второго и третьего резисторов подключены к инвертирующему входу операционного усилителя, а их вторые выводы ко входу корректора, выходу операционного усилителя и общей шине, соответственно, первые выводы четвертого и пятого резисторов подключены ко второму выводу первого конденсатора, а их вторые выводы ко входу корректора и к выходу операционного усилителя, соответственно, первые выводы шестого резистора и второго конденсаторов подключены к неинвертирующему входу операционного усилителя и второму выводу первого конденсатора, а их вторые выводы к общей шине, выходом фильтра является вывод операционного усилителя. Недостатком данного технического решения является невозможность независимой перестройки резонансной частоты без изменения добротности и коэффициента передачи устройства.
Известна схема активного амплитудного RC-корректора (US №3743957, опубл. 03.07.1973), содержащая первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, потенциометр, девять резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого, второго резисторов и первого конденсатора подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а их вторые выводы - ко входу схемы, к выходам первого и третьего операционных усилителей и, соответственно, первые выводы пятого резистора, второго конденсатора и шестого резистора подключены к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а их вторые выводы - к выходам первого и второго операционных усилителей и к отводу потенциометра, соответственно, первые выводы третьего, седьмого и четвертого резисторов подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, а их вторые выводы - к выходам второго и третьего операционных усилителей и ко входу схемы, соответственно, выводы потенциометра подключены ко входу схемы и выходу четвертого операционного усилителя, первые выводы восьмого, девятого резисторов подключены к инвертирующему входу четвертого операционного усилителя, а их вторые выводы - к выходам третьего и четвертого операционных усилителей, соответственно, неинвертирующие входы первого, второго, третьего и четвертого операционных усилителей подключены к общей шине. Недостатком данного технического решения является невозможность осуществления фильтрации сигналов от помех на резонансных частотах, т.е. обеспечения коэффициента передачи корректора на этих частотах равного нулю.
Наиболее близким по технической сущности прототипом перестраиваемого активного амплитудного RC-корректора является схема амплитудного корректора (Ю.М. Иншаков, А.В. Белов Перестраиваемый активный амплитудный RC-корректор / Патент №168065, опубл. 17.01.2017), содержащая первый, второй и третий операционные усилители, потенциометр, пять резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого резистора и первого конденсатора подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а их вторые выводы - к выходам третьего и первого операционных усилителей соответственно, первые выводы второго резистора и второго конденсатора подключены к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а их вторые выводы - к выходам первого и второго операционных усилителей соответственно, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, а их вторые выводы - к выходам второго и третьего операционных усилителей соответственно, первый вывод пятого резистора подключен к отводу потенциометра, а его второй вывод - к инвертирующему входу второго операционного усилителя выводы потенциометра подключены к общей базе и выходу второго операционного усилителя, выход корректора подключен к выходу второго операционного усилителя, неинвертирующие входы первого, второго и третьего операционных усилителей подключены ко входу корректора.
Передаточная функция активного амплитудного RC-корректора имеет вид:
где
- резонансные частоты нулей и полюсов;
- добротность комплексных нулей;
- полюсная добротность;
- резонансные частоты нулей и полюсов;
3
6
δ=(R/R) - коэффициент перестройки корректора по частоте;
6
a
b
R=(R+R) - полное сопротивление потенциометра;
a
6
b
6
R=βR, R=(1-β)R - отдельные сопротивления потенциометра;
β - коэффициент перестройки затухания корректора;
5
6
λ=R/R - коэффициент перестройки полюсной добротности.
Максимальное значение амплитудно-частотной характеристики корректора на резонансной частоте определяется выражением
Параметр β может независимо регулироваться в широком диапазоне при изменении положения движка потенциометра, что позволяет в широких пределах перестраивать затухание рассматриваемого амплитудного корректора.
1
1
1
Перестраиваемый активный амплитудный RC-корректор работает следующим образом. При подаче на вход корректора постоянного напряжения емкостные сопротивления пятого и седьмого конденсаторов оказываются бесконечно большими. В этом режиме работы при подаче на неинвертирующие входы первого, второго и третьего операционных усилителей постоянного входного напряжение U на инвертирующих входах первого и второго усилителей напряжения также оказываются равными входному напряжению U, так как входные токи этих усилителей будут иметь очень малые значения. При таком режиме работы коэффициент усиления второго операционного усилителя будет иметь единичное значение, т.е. выходное напряжение корректора окажется равным входному напряжению U. Следовательно, коэффициент усиления корректора будет иметь также единичное значение. При увеличении частоты входного сигнала реактивные сопротивления пятого и седьмого конденсаторов уменьшаются, при этом коэффициенты усиления первого и второго усилителей будут увеличиваться. Напряжение на выходе корректора будет достигать максимального значения на резонансной частоте. При этом максимальное значение выходного напряжения зависит от положения движка потенциометра. При перемещении движка к общей базе корректора сопротивление первой части потенциометра между движком и выходом второго усилителя увеличивается, при этом шунтирование седьмого конденсатора уменьшается, что обеспечивает больший коэффициент усиления второго операционного усилителя. При подаче на вход корректора напряжения высоких частот, реактивные сопротивления пятого и седьмого конденсаторов становятся почти равными нулевым и, следовательно, шунтируют инвертирующие входы и выходы первого и второго усилителей, что обеспечивает единичный коэффициент усиления этих усилителей и всей схемы корректора.
Отметим, что величину усиления корректора можно независимо регулировать с помощью потенциометра при обеспечении постоянного значения коэффициента передачи корректора на резонансной частоте; перестройку корректора по частоте можно независимо осуществлять с помощью переменного третьего резистора; полюсную добротность корректора можно независимо регулировать с помощью переменного пятого резистора.
Недостатком рассмотренной схемы является невозможность осуществления регулирования в широких пределах ослабления коэффициента передачи амплитудного корректора. Такой режим работы перестраиваемых амплитудных корректоров требуется при использовании их в параметрических эквалайзерах звуковых воспроизводящих систем, в биомедицинской аппаратуре и в микроэлектронных селективных узлах радиоэлектронных устройств с управляемыми параметрами, в измерительной и биомедицинской аппаратурах.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей перестраиваемого амплитудного корректора, позволяющих получить технический результат, заключающийся в обеспечении регулирования в широких пределах ослабления коэффициента передачи на резонансной частоте амплитудного корректора при сохранении возможности независимого регулирования полюсной добротности и перестройки схемы по частоте.
Для достижения указанного технического результата в заявляемой полезной модели, содержащей первый, второй и третий операционные усилители, первый потенциометр, пять резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого резистора и первого конденсатора соединены с инвертирующим входом первого операционного усилителя, а их вторые выводы - с выходами третьего и первого операционных усилителей, соответственно, первые выводы второго резистора и второго конденсатора соединены с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а их вторые выводы - с выходами первого и второго операционных усилителей, соответственно, первый вывод третьего резистора соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, дополнительно введены четвертый и пятый операционные усилители, второй потенциометр, шесть резисторов, причем первый вывод первого потенциометра подключен к выходу третьего операционного усилителя, а второй вывод - к выходу второго операционного усилителя, отвод первого потенциометра соединен с инвертирующем входом третьего операционного усилителя, второй вывод третьего резистора и неинвертирующие входы первого, второго, четвертого и пятого операционных усилителей подключены к общей базе корректора, первые выводы четвертого, пятого и шестого резисторов соединены с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, а их вторые выводы - с общей базой корректора и выходами четвертого и первого операционных усилителей, соответственно, первые выводы седьмого и восьмого резисторов соединены с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, а их вторые выводы - с выходами четвертого и первого операционных усилителей, соответственно, первые выводы девятого, десятого и одиннадцатого резисторов соединены с неинвертирующим входом пятого операционного усилителя, а их вторые выводы - с выходами первого, пятого, четвертого и входом корректора, соответственно, второй потенциометр подключен ко входу корректора и выходу пятого операционного усилителя, а отвод второго потенциометра соединен с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя, выход пятого операционного усилителя подключен к выходу корректора. Возможность достижения технического результата обусловлена следующими выводами: достигается расширение функциональных возможностей, обеспечение независимой перестройки затухания, полюсной добротности и частоты корректора за счет введения новых элементов и связей между ними, благодаря этому у предлагаемого корректора реализуется перестраиваемый активный амплитудный RC-корректор с регулируемым усилением и ослаблением коэффициента передачи на резонансной частоте, также с возможностью независимого регулирования частот нулей, полюсов и полюсной добротности, что необходимо для реализации перестраиваемых активных амплитудных RC-корректоров.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 - схема перестраиваемого активного амплитудного RC-корректора; на фиг. 2 - график изменения затухания активного амплитудного RC-корректора; на фиг. 3 - АЧХ перестраиваемого по частоте активного амплитудного RC-корректора; на фиг. 4 - АЧХ с изменяемой добротностью активного амплитудного RC-корректора.
Перестраиваемый активный амплитудный RC-корректор содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4 и пятый 5 операционные усилители, первые выводы первого резистора 6 и первого конденсатора 7 соединены с инвертирующим входом первого операционного усилителя 1, а их вторые выводы - с выходами третьего 3 и первого 1 операционных усилителей, соответственно, первые выводы второго резистора 8 второго конденсатора 9 соединены с инвертирующим входом второго операционного усилителя 2, их вторые выводы - с выходами первого 1 и второго 2 операционных усилителей, соответственно, первый потенциометр 10 подключен к выходам третьего 1 и второго 2 операционных усилителей, а отвод первого потенциометра 10 соединен с инвертирующем входом третьего операционного усилителя 3, первый вывод третьего резистора 11 соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя 3, а его второй вывод и неинвертирующие входы первого 1, второго 2, четвертого 4 и пятого 5 операционных усилителей подключены к общей базе корректора, первые выводы четвертого 12, пятого 13 и шестого 14 резисторов соединены с неинвертирующим входом третьего 3 операционного усилителя, а их вторые выводы - с общей базой корректора и выходами четвертого 4 и первого 1 операционных усилителей, соответственно, первые выводы седьмого 15 и восьмого 16 резисторов соединены с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя 4, а их вторые выводы - с выходами четвертого 4 и первого 1 операционных усилителей, соответственно, первые выводы девятого 17, десятого 18 и одиннадцатого 19 резисторов соединены с неинвертирующим входом пятого операционного усилителя 5, а их вторые выводы - с выходами первого 1 и пятого 5 операционных усилителей и входом корректора 20, соответственно, второй потенциометр 21 подключен ко входу корректора 20 и выходу пятого операционного усилителя 5, а отвод второго потенциометра 21 соединен с инвертирующем входом четвертого операционного усилителя 4, выход пятого операционного усилителя 5 подключен к выходу 22 корректора.
Рассмотрим передаточную функцию заявляемого перестраиваемого активного амплитудного RC-корректора (фиг. 1). В схему корректора включены две интегрирующие активные RC-цепи, реализованные на первом 1 и втором 2 операционных усилителях, которые вместе с третьим резистивным операционным усилителем 3 охвачены глубокой отрицательной связью между выходом второго операционного усилителя 2 и инвертирующим входом третьего операционного усилителя 3. Дополнительно введенные в схему корректора четвертый 4, пятый 5 операционные усилители, а также второй потенциометр и шесть резисторов образуют вторую обратную связь, в которую включены четвертый 4, пятый 5 операционные усилители, второй потенциометр 21, а также пятый 13 и шестой 14 резисторы.
Передаточная функция активного амплитудного RC-корректора имеет вид:
где
- резонансные частоты нулей и полюсов корректора;
1
2
1
2
R=R=R; C=C=C;
- добротность комплексных нулей;
- полюсная добротность;
a
nom1
β=(R/R) - коэффициент перестройки корректора по частоте;
a
nom1
b
nom1
R=βR; R=(1-β)R - отдельные сопротивления первого потенциометра 10;
nom1
a
b
R=(R+R) - полное сопротивление первого потенциометра 10;
4
nom1
γ=(R/R) - коэффициент перестройки полюсной добротности и добротности комплексных нулей;
3
nom1
λ=(R/R) - коэффициент изменения диапазона перестройки полюсной добротности γ;
c
nom2
α=(R/R) - коэффициент перестройки затухания корректора;
c
nom2
d
nom2
R=αR; R=(1-α)R - отдельные сопротивления второго потенциометра 22;
nom2
c
d
R=(R+R) - полное сопротивление первого потенциометра 10;
Относительные значения сопротивлений резисторов в схеме корректора:
5
5
nom1
6
6
nom1
7
7
nom2
9
9
nom2
10
11
11
nom2
μ=R/R; μ=R/R; μ=R/R; μ=R/R; μ=μ=R/R.
Максимальное значение коэффициента передачи корректора на резонансной частоте определяется выражением
огр
nom
5
6
9
7
10
11
Коэффициент β изменяется с помощью первого потенциометра 10, что позволяет в широких пределах независимо перестраивать резонансную частоту амплитудного корректора. Коэффициент γ регулируется переменным четвертым резистором 12, с помощью которого изменяется полюсная добротность амплитудного корректора. Параметр α изменяется с помощью второго потенциометра 21, что позволяет в широких пределах независимо перестраивать затухание корректора на резонансной частоте. Следует отметить, что в схеме корректора необходимо ограничить диапазоны перестройки резонансной частоты и коэффициента передачи. Для этого последовательно с выводами обоих потенциометров следует включить ограничительные резисторы, сопротивления которых определяются выражением R=0.1R. Оптимальные значения относительных сопротивлений резисторов в схеме корректора могут быть выбраны следующими: λ=(4÷6); μ=(0.9÷1.0); μ=μ=(1.6÷1.8); μ=(0.1÷0.3); μ=μ=(0.9÷1).
На фиг. 2 представлены графики амплитудно-частотных характеристик активного амплитудного RC-корректора, коэффициент перестройки затухания которого в широких пределах изменяется с помощью второго потенциометра 21. Вид графика подтверждает, что при изменении коэффициента перестройки затухания в пределах α=(0÷0,5) затухание корректора усиливается и равномерно регулируются в пределах от 13 дБ до 0 дБ. Это регулирование обеспечивается перемещением движка второго потенциометра 21 от первого крайнего положения (α=0), т.е., от вывода, соединенного со входом 20 корректора, до среднего положения движка (α=0,5). При изменении коэффициента перестройки затухания в пределах α=(0,5÷1) затухание корректора ослабляется и равномерно регулируется в пределах от 0 дБ до (-13 дБ). Это регулирование обеспечивается перемещением движка второго 21 потенциометра от среднего положения движка (α=0,5) до второго крайнего положения движка (α=1), т.е., до вывода, соединенного с выходом пятого операционного усилителя 5. Следует отметить, что при указанном регулировании затухания корректора резонансная частота сохраняется неизменной.
На фиг. 3 представлены графики амплитудно-частотных характеристик активного амплитудного RC-корректора, регулируемого в десять раз по частоте с помощью первого потенциометра 10. Вид графиков подтверждает, что при перестройке по частоте форма частотных характеристик сохраняется неизменной, т.к. полюсная добротность корректора и коэффициент передачи на резонансной частоте сохраняются неизменными. Важно отметить, что амплитудно-частотные характеристики реализованы с широкой полосой пропускания и пологими скатами характеристик в диапазонах задерживания.
p
На фиг. 4 представлены графики амплитудно-частотных характеристик активного амплитудного RC-корректора с регулируемой в шесть раз полюсной добротностью в пределах Q=(0,6÷3,6) с помощью переменного четвертого резистора 12. Вид графиков подтверждает, что при перестройке полюсной добротности резонансная частота корректора и коэффициент передачи на резонансной частоте сохраняются неизменными.
Предлагаемая схема перестраиваемого активного амплитудного RC-корректора дает возможность при достаточно простом элементном исполнении независимо регулировать усиление и ослабление затухания, а также резонансную частоту и полюсную добротность корректора в широких пределах. Это обстоятельство позволяет обеспечивать высокую технологичность и удобство настройки в процессе изготовления корректора и его эксплуатацию. Применение заявленного решения возможно в медицинской и электроакустической аппаратурах (например, электрофоны высших классов и высококачественные звуковоспроизводящие системы и эквалайзеры).