ФИЛЬТР НИЗКИХ ЧАСТОТ СЕМЕЙСТВА САЛЛЕНА-КИ С НЕЗАВИСИМОЙ ПОДСТРОЙКОЙ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
LOW-PASS FILTER OF THE SALLEN-KEY FAMILY 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.
АRC-фильтры низких частот (ФНЧ) семейства Саллен-Ки (Sallen-Key), благодаря простоте, относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств фильтрации [1-24], определяющих качественные показатели многих радиотехнических и измерительных систем. Практическому применению ARCФ данного класса посвящено более 1000 научных статей и патентов в разных странах мира.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является фильтр низких частот, описанный в патенте US 5.963.112, fig. 8 В, 1999 г. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, дифференциальный операционный усилитель 3, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, а также первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через четвертый 9 резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через третий 8 резистор, вход 1 устройства связан с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные первый 6 и второй 7 резисторы, общий узел которых подключен к выходу дифференциального операционного усилителя 3 через второй 5 частотозадающий конденсатор.
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.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании фильтра низких частот семейства Саллен-Ки, в котором предусмотрена возможность независимой настройки разными резисторами частоты полюса, добротности полюса и коэффициента передачи.
предусмотрены новые элементы и связи
Поставленная задача достигается тем, что в фильтре низких частот фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, дифференциальный операционный усилитель 3, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, а также первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через четвертый 9 резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через третий 8 резистор, вход 1 устройства связан с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные первый 6 и второй 7 резисторы, общий узел которых подключен к выходу дифференциального операционного усилителя 3 через второй 5 частотозадающий конденсатор,  - неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан со входом первого 10 дополнительного буферного усилителя, выход которого связан с выходом 2 устройства и через последовательно соединенные первый 11 и второй 12 дополнительные резисторы связан с общей шиной источников питания, причем общий узел первого 11 и второго 12 дополнительных резисторов соединен со входом второго 13 дополнительного буферного усилителя, выход которого связан со входом первого 10 дополнительного буферного усилителя через первый 4 частотозадающий конденсатор.
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 значения.
На чертеже фиг. 4 показана амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 с настройкой частоты полюса (W) резистором R3.
На чертеже фиг. 5 представлена амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 с настройкой добротности полюса (Q) резистором R5.
Фильтр низких частот семейства Саллен-Ки с независимой подстройкой основных параметров фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, дифференциальный операционный усилитель 3, первый 4 и второй 5 частотозадающие конденсаторы, а также первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 резисторы, причем инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан с общей шиной источников питания через четвертый 9 резистор и соединен с выходом дифференциального операционного усилителя 3 через третий 8 резистор, вход 1 устройства связан с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя 3 через последовательно соединенные первый 6 и второй 7 резисторы, общий узел которых подключен к выходу дифференциального операционного усилителя 3 через второй 5 частотозадающий конденсатор. Неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 3 связан со входом первого 10 дополнительного буферного усилителя, выход которого связан с выходом 2 устройства и через последовательно соединенные первый 11 и второй 12 дополнительные резисторы связан с общей шиной источников питания, причем общий узел первого 11 и второго 12 дополнительных резисторов соединен со входом второго 13 дополнительного буферного усилителя, выход которого связан со входом первого 10 дополнительного буферного усилителя через первый 4 частотозадающий конденсатор.
Рассмотрим характеристики схемы ФНЧ фиг. 2, представленные на чертежах фиг. 4 и фиг. 5.
Из чертежа фиг. 4 следует, что за счет изменения резистора R3 в схеме фиг. 3 изменяется частота полюса W, причем с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса в фильтре увеличивается. В схеме фиг. 3 возможна также регулировка частоты полюса путем изменения сопротивления резистора R4, при этом с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса будет уменьшаться. Следует отметить, что частота полюса в схеме на графике фазо-частотной характеристики - это частота, на которой фазовый угол равен -90°.
Если в схеме фиг. 3 изменять сопротивление резистора R5, то изменяется добротность полюса Q, а частота полюса остается неизменной, причем увеличение сопротивления резистора R5 приводит к увеличению Q. Аналогичным образом в схеме фиг. 3 можно изменять Q за счет изменения сопротивления резистора R6, причем его увеличение будет приводить к уменьшению Q. Следует отметить, что величина Q в схеме фиг. 3 определяется крутизной фазочастотной характеристики, 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 операционных и буферных усилителей, которые рекомендуется выполнять на JFET Si, GaN, GaAs, SiC, КНИ, SiGe25VR и других технологических процессах.
В тех случаях, когда нагрузка заявляемого устройства, подключаемая к его выходу 2 - низкоомная, предлагаемый фильтр имеет еще одно важное преимущество - его выходной буферный усилитель 10 может проектироваться как усилитель сигнала на мощных выходных транзисторах, а в качестве применяемого ОУ 3 могут использоваться более маломощные и широкополосные микросхемы. Такое разделение функций и требований к параметрам между ОУ 3 и БУ 10 является еще одним достоинством заявляемой схемы ФНЧ, которая позволяет в зависимости от решаемой задачи получить более высокие обобщенные показатели качества.
Для ряда вариантов применения ФНЧ фиг.2 необходимо иметь малый статический уровень напряжения на выходе 2. При этом в заявляемой схеме ФНЧ требования к напряжению смещения нуля ОУ 3 и БУ 10 независимы друг от друга. Это предоставляет разработчику ARCФ дополнительную свободу выбора аналоговой ЭКБ.
Предлагаемая схема ФНЧ допускает цифровую подстройку основных параметров. Для этого необходимо применять микросхемы цифровых потенциометров или использовать вместо управляемых резисторов схемы их цифровую КМОП коммутацию.
Таким образом, заявляемый ФНЧ семейства Sallen-Key характеризуется независимой подстройкой основных параметров, что является его существенным преимуществом в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 5.963.112 fig. 8b, fig. 13, 1999 г.
2. Патент US 7.880.536 fig. 1, 2011 г.
3. Патентная заявка US 2019/0158067 fig. 2, fig. 3, 2019 г.
4. Патент EP 1294091 fig. 1, 2001 г.
5. Патент EP 0241383 fig. 2, 1987 г.
6. Патент US 6.967.606 fig. 5, 2005 г.
7. Патент US 7.835.434 fig. 7, 2010 г.
8. Патентная заявка US 2006/0186951 fig. 2, 2006 г.
9. Патент US 7.212.068 fig. 2, 2007 г.
10. Патент US 6.407.627 fig. 1а, 2002
11. Патент US 7.880.536 fig. 1, 2011 г.
12. Патент US 6.854.005 fig. 2, fig. 10, 2005 г.
13. Патент US 8.930.874 fig. 11а, fig. 11b, fig. 12b, fig. 19, 2015 г.
14. Патент US 3.805.178 fig. 1, 1974 г.
15. Патент US 3.891.938 fig. 1, 1975 г.
16. Патент US 6.388.511 fig. 1, fig. 8 2002 г.
17. Патент CN 102217204 fig. 6, 2009 г.
18. Патент US 9.614.496 fig. 1, fig. 2 2017 г.
19. Патент US 8.487.695 fig. 1 с, 2013 г.
20. Патентная заявка US 2019/0158067 fig. 3, 2019 г.
21. Патент US 8.803.596 fig. 1 с, 2014 г.
22. Патент СN 103777228 fig. 2, 2014 г.
23. Патент СN 102790845 fig. 3, 2012 г.
24. Патент СN 103675891 fig. 2, 2013 г.