ФИЛЬТР НИЗКИХ ЧАСТОТ ПОДКЛАССА САЛЛЕН-КИ С НЕЗАВИСИМОЙ ПОДСТРОЙКОЙ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
SALLEN-KEY SUBCLASS LOW-PASS FILTER WITH INDEPENDENT TUNING OF MAIN PARAMETERS

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве устройства выделения заданного спектра сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.
Активные RC-фильтры (ARCФ) низких частот (ФНЧ) семейства Саллен-Ки (Sallen-Key), благодаря простоте, относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств фильтрации [1-9], определяющих качественные показатели многих радиотехнических и измерительных систем. Практическому применению ARCФ данного класса посвящено более 1000 научных статей и патентов в разных странах мира, в то числе [1-9].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является фильтр низких частот, описанный в патенте EP 0241383, fig. 1. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие конденсаторы, первый 5 и второй 6 частотозадающие резисторы, выходной повторитель напряжения 7, выход которого соединён с выходом 2 устройства.
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что в нем не реализуется независимая настройка основных параметров (частоты полюса, добротности полюса и коэффициента передачи) – при настройке одного параметра ФНЧ изменяется другой. Как следствие, это требует итерационных процедур настройки, что ограничивает использование данной схемы ФНЧ, создает проблемы с ее применением в адаптивных системах.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании фильтра низких частот семейства Саллен-Ки, в котором предусмотрена независимая настройка разными резисторами частоты полюса, добротности полюса и коэффициента передачи.
Поставленная задача достигается тем, что в фильтре низких частот фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие конденсаторы, первый 5 и второй 6 частотозадающие резисторы, выходной повторитель напряжения 7, выход которого соединён с выходом 2 устройства, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введены первый 8, второй 9 и третий 10 дополнительные повторители напряжения, выход 2 устройства связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные первый 11 и второй 12 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом первого 8 дополнительного повторителя напряжения, выход первого 8 дополнительного повторителя напряжения связан со входом выходного повторителя напряжения 7 через второй 4 частотозадающий конденсатор, выход 2 устройства подключен к общей шиной источника питания через последовательно соединённые третий 13 и четвёртый 14 дополнительные резисторы, общий узел третьего 13 и четвёртого 14 дополнительных резисторов подключён ко входу второго 9 дополнительного повторителя напряжения, выход второго 9 дополнительного повторителя напряжения связан со входом третьего 10 дополнительного повторителя напряжения через первый 3 частотозадающий конденсатор, причём вход 1 устройства соединён с третьим 10 дополнительным повторителем напряжения через первый 5 частотозадающий резистор, а выход третьего 10 дополнительного повторителя напряжения соединён со входом выходного повторителя напряжения 7 через второй 6 частотозадающий резистор.
На чертеже фиг. 1 показана схема ФНЧ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого фильтра низких частот в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 приведена схема ФНЧ фиг. 2 в среде моделирования Micro-Cap. В случае применения ФНЧ для диапазона более высоких частот численные значения параметров его пассивных элементов могут иметь другие  (меньшие) значения.
р
На чертеже фиг. 4 показаны амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 (Настройка частоты полюса W с помощью резистора R4).
р
На чертеже фиг. 5 представлены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 (Настройка частоты полюса W с помощью резистора R3).
На чертеже фиг. 6 приведены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 (Настройка добротности Q полюса с помощью резистора R5).
Фильтр низких частот подкласса Саллен-Ки с независимой подстройкой основных параметров фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие конденсаторы, первый 5 и второй 6 частотозадающие резисторы, выходной повторитель напряжения 7, выход которого соединён с выходом 2 устройства. В схему введены первый 8, второй 9 и третий 10 дополнительные повторители напряжения, выход 2 устройства связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные первый 11 и второй 12 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом первого 8 дополнительного повторителя напряжения, выход первого 8 дополнительного повторителя напряжения связан со входом выходного повторителя напряжения 7 через второй 4 частотозадающий конденсатор, выход 2 устройства подключен к общей шиной источника питания через последовательно соединённые третий 13 и четвёртый 14 дополнительные резисторы, общий узел третьего 13 и четвёртого 14 дополнительных резисторов подключён ко входу второго 9 дополнительного повторителя напряжения, выход второго 9 дополнительного повторителя напряжения связан со входом третьего 10 дополнительного повторителя напряжения через первый 3 частотозадающий конденсатор, причём вход 1 устройства соединён с третьим 10 дополнительным повторителем напряжения через первый 5 частотозадающий резистор, а выход третьего 10 дополнительного повторителя напряжения соединён со входом выходного повторителя напряжения 7 через второй 6 частотозадающий резистор.
Рассмотрим характеристики схемы ФНЧ фиг. 2, представленные на чертежах фиг. 4 и фиг. 5.
р
0
Из чертежа фиг. 4 следует, что за счет изменения сопротивления второго 12 дополнительного резистора (R4) в схеме фиг. 3 изменяется частота полюса W, причем с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса увеличивается. В схеме фиг. 3 возможна также регулировка частоты полюса путем изменения сопротивления первого 11 дополнительного резистора (R3). При этом, как показано на фиг. 5, с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса будет уменьшаться. Следует отметить, что частота полюса в схеме фиг. 3 на графике фазо-частотной характеристики (фиг. 4, фиг. 5) – это частота, на которой фазовый угол равен -90.
0
0
Если в схеме фиг. 3 изменять сопротивление третьего 13 дополнительного резистора (R5), то изменяется добротность полюса Q, а частота полюса остается неизменной, причем увеличение сопротивления этого резистора приводит к уменьшению Q. Аналогичным образом в схеме фиг. 3 можно изменять Q за счет изменения сопротивления четвертого 14 дополнительного резистора (R6), причем его увеличение будет приводить к увеличению Q. Следует отметить, что величина Q в схеме фиг. 3 определяется крутизной фазочастотной характеристики (см. фиг. 6), причем чем она выше, тем больше Q, а также частотами, на которых фазовый угол равен -45 и -135.
Работа заявляемого фильтра низких частот в тяжелых условиях эксплуатации (проникающая радиация, низкие или высокие температуры) определяется стабильностью пассивных элементов его схемы (R, C), а также используемых повторителей напряжения, которые рекомендуется выполнять на JFET Si, GaN, GaAs, SiC, КНИ, SiGe25VR и других технологических процессах.
Для ряда вариантов построения ФНЧ фиг. 2 необходимо иметь малый статический уровень напряжения смещения нуля используемых активных элементов (выходного повторителя напряжения 7, первого 8, второго 9 и третьего 10 дополнительных повторителей напряжения). Это можно обеспечить прецизионными операционными усилителями со 100% отрицательной обратной связью.
Предлагаемая схема ФНЧ допускает цифровую подстройку основных параметров. Для этого необходимо применять микросхемы цифровых потенциометров или использовать вместо частотозадающих резисторов их цифровую КМОП-коммутацию.
Таким образом, заявляемый ФНЧ характеризуется независимой подстройкой основных параметров, что является его существенным преимуществом в сравнении с ФНЧ-прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 5.963.112 fig. 8b, fig. 13, 1999 г.
2. Патент EP 0241383 fig. 1, fig. 2, 1987 г.
3. Патент US 6.967.606 fig. 5, 2005 г.
4. Патент US 7.835.434 fig. 7, 2010 г.
5. Патентная заявка US 2006/0186951 fig. 2, 2006 г.
Патент CN 102217204 fig. 6, 2009 г.
6. Патент US 9.614.496 fig. 1, fig. 2 2017 г.
7. Патент US 10.243.519, fig. 1, 2019 г.
8. Патент US 9.716.477, fig. 1, 2017 г.
9. Moschytz, George S. Analog Circuit Theory and Filter Design in the Digital World: With an Introduction to the Morphological Method for Creative Solutions and Design. Springer, 2019, 551 p. doi: 10.1007/978-3-030-00096-7  Slide 7.24 (стр. 163), Slide 8.8 (стр. 172), Slide 8.17 (стр. 177), Slide 8.34 (стр. 186).