АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ С ОДНОЭЛЕМЕНТНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ ПОЛЮСА НА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОМ И ДВУХ МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
ACTIVE RC-LOW-PASS FILTER WITH SINGLE-ELEMENT FREQUENCY TUNING OF THE POLE ON THE DIFFERENTIAL AND TWO MULTI-DIFFERENTIAL OPERATIONAL AMPLIFIERS

Изобретение относится к области радиотехники, а также измерительной техники, и может использоваться, например, в качестве ограничителей спектра, включаемых на входе аналого-цифровых преобразователей различного назначения [1-4].
Активные RC-фильтры нижних частот (ФНЧ) широко используются в современной электронике [1-21] и оказывают существенное влияние на качественные показатели многих аналого-цифровых систем связи и автоматического управления [1-4].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ФНЧ фиг. 1, описанный в статье «Hussain Alzaher and Mohammed Ismail, “A CMOS Fully Balanced Differential Difference Amplifier and Its Applications”, IEEE Transactions on Circuits And Systems—Ii: Analog And Digital Signal Processing, Vol. 48, No. 6, June 2001, pp. 614-620, fig.8f). Он содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 противофазные входы устройства, а также первый 3 и второй 4 противофазные выходы устройства, первый 5 и второй 6 операционные усилители с противофазными выходами, а также первый 7 мультидифференциальный операционный усилитель с противофазными выходами, причем мультидифференциальный операционный усилитель 7 содержит первый входной порт с основными неинвертирующим 8 и инвертирующим 9 входами, второй входной порт с основными неинвертирующим 10 и инвертирующим 11 входами, первый 12 конденсатор, включенный между неинвертирующим входом и инвертирующим выходом первого 5 операционного усилителя, связанным с первым 3 выходом устройства, второй 13 конденсатор, включенный между инвертирующим входом и неинвертирующим выходом первого 5 операционного усилителя, связанным со вторым 4 выходом устройства, первый 14 частотозадающий резистор, включенный между инвертирующим выходом второго 6 операционного усилителя и неинвертирующим входом первого 5 операционного усилителя, второй 15 частотозадающий резистор, включенный между неинвертирующим выходом второго 6 операционного усилителя и инвертирующим входом первого 5 операционного усилителя, первый 16 и второй 17 согласующие резисторы, третий 18 частотозадающий резистор.
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что при перестройке частоты среза изменяется коэффициент передачи ФНЧ на нулевой частоте. Это ограничивает области использования данной схемы.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых в заявляемой схеме при перестройке частоты среза коэффициент передачи ФНЧ на нулевой частоте остается без изменений.
Поставленная задача достигается тем, что в активном RC-фильтре фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 противофазные входы устройства, а также первый 3 и второй 4 противофазные выходы устройства, первый 5 и второй 6 операционные усилители с противофазными выходами, а также первый 7 мультидифференциальный операционный усилитель с противофазными выходами, причем мультидифференциальный операционный усилитель 7 содержит первый входной порт с основными неинвертирующим 8 и инвертирующим 9 входами, второй входной порт с основными неинвертирующим 10 и инвертирующим 11 входами, первый 12 конденсатор, включенный между неинвертирующим входом и инвертирующим выходом первого 5 операционного усилителя, связанным с первым 3 выходом устройства, второй 13 конденсатор, включенный между инвертирующим входом и неинвертирующим выходом первого 5 операционного усилителя, связанным со вторым 4 выходом устройства, первый 14 частотозадающий резистор, включенный между инвертирующим выходом второго 6 операционного усилителя и неинвертирующим входом первого 5 операционного усилителя, второй 15 частотозадающий резистор, включенный между неинвертирующим выходом второго 6 операционного усилителя и инвертирующим входом первого 5 операционного усилителя, первый 16 и второй 17 согласующие резисторы, третий 18 частотозадающий резистор, предусмотрены новые элементы и связи – в качестве операционного усилителя 6 используется мультидифференциальный операционный усилитель (МОУ) с первым и вторым входными портами, причем первый порт содержит неинвертирующий 19 и инвертирующий 20 входы, а второй порт содержит неинвертирующий 21 и инвертирующий 22 входы,  первый порт мультидифференциального операционного усилителя 7 содержит дополнительные неинвертирующий 23 и инвертирующий 24 входы, второй порт мультидифференциального операционного усилителя 7 содержит дополнительные неинвертирующий 25 и инвертирующий 26 входы, неивертирующий вход 8 МОУ 7 соединен с инвертирующим выходом МОУ 7 и через первый 16 согласующий резистор подключен к неинвертирующему входу 21 МОУ 6, инвертирующий вход 26 МОУ 7 соединен с неинвертирующим выходом МОУ 7 и через второй 17 согласующий резистор соединен с инвертирующим входом 20 МОУ 6, инвертирующий вход 9 МОУ 7 соединен со первым 1 входом устройства, неинвертирующий вход 23 МОУ 7 подключен к первому 3 выходу устройства, инвертирующий вход 24 МОУ 7 соединен с неинвертирующим входом 10 МОУ 7 и связан с общей шиной источников питания 27, инвертирующий вход 11 МОУ 7 соединен со вторым 4 выходом устройства, между инвертирующим 20 и неинвертирующим 21 входами МОУ 6 включен третий 18 частотозадающий резистор, инвертирующий выход МОУ 6 соединен с неинвертирующим входом 19 МОУ 6 и через первый 14 частотозадающий резистор подключен к неинвертирующему входу первого 5 операционного усилителя, неинвертирующий выход МОУ 6 соединен с инвертирующим входом 22 МОУ 6 и через второй 15 частотозадающий  резистор связан с инвертирующим входом первого 5 операционного усилителя.
На чертеже фиг. 1 показана схема ФНЧ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого активного RC-фильтра нижних частот в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 приведена структура входов по первому и второму портам мультидифференциального операционного усилителя 7.
На чертеже фиг. 4 представлены результаты компьютерного моделирования схемы ФНЧ фиг. 2.
Активный RC-фильтр нижних частот с одноэлементной перестройкой частоты полюса на дифференциальном и двух мультидифференциальных операционных усилителях фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 противофазные входы устройства, а также первый 3 и второй 4 противофазные выходы устройства, первый 5 и второй 6 операционные усилители с противофазными выходами, а также первый 7 мультидифференциальный операционный усилитель с противофазными выходами, причем мультидифференциальный операционный усилитель 7 содержит первый входной порт с основными неинвертирующим 8 и инвертирующим 9 входами, второй входной порт с основными неинвертирующим 10 и инвертирующим 11 входами, первый 12 конденсатор, включенный между неинвертирующим входом и инвертирующим выходом первого 5 операционного усилителя, связанным с первым 3 выходом устройства, второй 13 конденсатор, включенный между инвертирующим входом и неинвертирующим выходом первого 5 операционного усилителя, связанным со вторым 4 выходом устройства, первый 14 частотозадающий резистор, включенный между инвертирующим выходом второго 6 операционного усилителя и неинвертирующим входом первого 5 операционного усилителя, второй 15 частотозадающий резистор, включенный между неинвертирующим выходом второго 6 операционного усилителя и инвертирующим входом первого 5 операционного усилителя, первый 16 и второй 17 согласующие резисторы, третий 18 частотозадающий резистор. В качестве операционного усилителя 6 используется мультидифференциальный операционный усилитель (МОУ) с первым и вторым входными портами, причем первый порт содержит неинвертирующий 19 и инвертирующий 20 входы, а второй порт содержит неинвертирующий 21 и инвертирующий 22 входы,  первый порт мультидифференциального операционного усилителя 7 содержит дополнительные неинвертирующий 23 и инвертирующий 24 входы, второй порт мультидифференциального операционного усилителя 7 содержит дополнительные неинвертирующий 25 и инвертирующий 26 входы, неивертирующий вход 8 МОУ 7 соединен с инвертирующим выходом МОУ 7 и через первый 16 согласующий резистор подключен к неинвертирующему входу 21 МОУ 6, инвертирующий вход 26 МОУ 7 соединен с неинвертирующим выходом МОУ 7 и через второй 17 согласующий резистор соединен с инвертирующим входом 20 МОУ 6, инвертирующий вход 9 МОУ 7 соединен со первым 1 входом устройства, неинвертирующий вход 23 МОУ 7 подключен к первому 3 выходу устройства, инвертирующий вход 24 МОУ 7 соединен с неинвертирующим входом 10 МОУ 7 и связан с общей шиной источников питания 27, инвертирующий вход 11 МОУ 7 соединен со вторым 4 выходом устройства, между инвертирующим 20 и неинвертирующим 21 входами МОУ 6 включен третий 18 частотозадающий резистор, инвертирующий выход МОУ 6 соединен с неинвертирующим входом 19 МОУ 6 и через первый 14 частотозадающий резистор подключен к неинвертирующему входу первого 5 операционного усилителя, неинвертирующий выход МОУ 6 соединен с инвертирующим входом 22 МОУ 6 и через второй 15 частотозадающий  резистор связан с инвертирующим входом первого 5 операционного усилителя.
Рассмотрим работу ФНЧ фиг. 2. Предлагаемая схема фиг. 2 обеспечивает одноэлементную перестройку частоты полюса при неизменном коэффициенте передачи на нулевой частоте.
На чертеже фиг. 4 приведены результаты моделирования схемы фиг. 2. На верхнем графике показана перестройка формы АЧХ при изменении сопротивления единственного переменного резистора 18, а на нижнем графике – соответствующая ФЧХ.
Передаточная функция схемы ФНЧ фиг. 2 в общем виде описывается выражением
<img file="00000001.jpg" he="14" wi="55" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(1)
где  – частота полюса.
Введем обозначения:  – сопротивления первого частотозадающего 14, второго частотозадающего 15, первого согласующего 16, второго согласующего 17 и третьего частотозадающего 18 резисторов соответственно, – емкости первого 12 и второго 13 конденсаторов соответственно.
При выполнении ряда условий  которые в схеме необходимо обеспечить для симметричной работы каналов ФНЧ, коэффициенты передаточной функции (1) находятся с помощью выражений
Последние выражения позволяют оценить изменения параметров ФНЧ от сопротивления резистора 18.
Анализ графиков фиг. 4 показывает, что в схеме фиг. 2 обеспечивается перестройка амплитудно-частотной характеристики ФНЧ в широком диапазоне частот без изменения коэффициента передачи на нулевой частоте.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Выбор параметров аналоговых ограничителей спектра для цифровых систем обработки сигналов с учетом допусков и температурной нестабильности пассивных компонентов / Денисенко Д.Ю., Иванов Ю.И., Прокопенко Н.Н. // Радиотехника. – 2017. - № 1. – С.148-153
2. Estimation to Efficiency of the Using of Anti-Alias Filter in the A/D Interface of Instrumentation and Control Systems / L.K. Samoylov, N.N. Prokopenko, A.V. Bugakova // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2018), Kazan, Russia, September 14 - 17, 2018, pp. 422-425
th
3. Selection of the Band-Pass Range of the Normalizing Signal Transducer of the Sensing Element in the Instrumentation and Control Systems / L.K. Samoylov, N.N. Prokopenko, A.V. Bugakova // 2018 14 IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT’2018). Proceedings. Oct.31-Nov.3, 2018, Qingdao, China
4. The Function Approximation of the Signal Delay Time in the Anti-Alias Filter of the A/D Interface of the Instrumentation and Control System / L.K. Samoylov, D.Yu.Denisenko, N.N. Prokopenko // 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech-2018), October 22-23, 2018, Saint Petersburg, Russia
5. 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.
6. Патент US 5.371.472, 1994 г.
7. Патент US 3.787.776, 1974 г.
8. Патентная заявка US 2007/0296496, 2007 г.
9. Патент RU 2370881, 2009 г.
10. Патент RU 2370882, 2009 г.
11. Патент RU 2370880, 2009 г.
12. Патент US 3.736.517, 1973 г.
13. Патент US 6.407.627, 2002 г.
14. Патент SU 1187241, 1985 г.
15. Патент US 6.344.773, 2002 г.
16. Патент US 6.710.644, 2004 г.
17. Патент SU 1777233, 1990 г.
18. Патент RU 2019023, 1994 г.
19. Патент SU 443459, 1974 г.
20. Патент SU 1417178, 1988 г.
21. Патент SU 1758833, 1992 г.