ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР ВТОРОГО ПОРЯДКА С НЕЗАВИСИМОЙ ПОДСТРОЙКОЙ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
BAND-PASS FILTER OF THE SECOND ORDER WITH INDEPENDENT ADJUSTMENT OF MAIN PARAMETERS

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве интерфейса для выделения заданного спектра источника сигнала, например, при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.
Полосовые АRC-фильтры (ПФ) относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств, определяющих качественные показатели многих радиотехнических систем, в том числе для цифровой обработки сигналов [1-36]. В данном классе устройств особое место занимают фильтры с независимой подстройкой основных параметров [37-41].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является полосовой фильтр по патенту RU 2694134, фиг. 2, 2019 г. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5, второй 6 и третий 7 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, связанного с выходом 2 устройства, и общей шиной источника питания 8, причем общий узел первого 5 и второго 6 последовательно соединенных резисторов подключен к инвертирующему входу второго 4 дифференциального операционного усилителя, а общей узел второго 6 и третьего 7 последовательно соединенных резисторов связан с неинвертирующем входом второго 4 дифференциального операционного усилителя через первый 9 конденсатор, четвертый 10 и пятый 11 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом первого 3 дифференциального операционного усилителя и входом 1 устройства, причем неинвертирующий вход первого 3 дифференциального операционного усилителя соединен с инвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя через шестой 12 резистор, а неинвертирующий вход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источника питания 8, седьмой 13 и восьмой 14 резисторы, а также второй 15 конденсатор.
Существенный недостаток полосового фильтра-прототипа фиг. 1 состоит в том, что он не  обеспечивает низкую параметрическую чувствительность при настройке добротности.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании схемы полосового фильтра с более низкой параметрической чувствительностью при независимой подстройке трех основных параметров АЧХ – частоты полюса (ωs), затухания полюса (ds), а также коэффициента передачи в полосе пропускания (М).
Поставленная задача достигается тем, что в полосовом фильтре фиг. 2, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5, второй 6 и третий 7 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, связанного с выходом 2 устройства, и общей шиной источника питания 8, причем общий узел первого 5 и второго 6 последовательно соединенных резисторов подключен к инвертирующему входу второго 4 дифференциального операционного усилителя, а общей узел второго 6 и третьего 7 последовательно соединенных резисторов связан с неинвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя через первый 9 конденсатор, четвертый 10 и пятый 11 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом первого 3 дифференциального операционного усилителя и входом 1 устройства, причем неинвертирующий вход первого 3 дифференциального операционного усилителя соединен с инвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя через шестой 12 резистор, а неинвертирующий вход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источника питания 8, седьмой 13 и восьмой 14 резисторы, а также второй 15 конденсатор, предусмотрены новые элементы и связи –  выход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с неинвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные дополнительный конденсатор 16 и седьмой 13 резистор, причем общий узел последовательно соединенных дополнительного конденсатора 16 и седьмого 13 резистора подключен к общей шиной источника питания 8 через восьмой 14 резистор и связан с выходом 2 устройства через второй 15 конденсатор.
На чертеже фиг. 1 представлена схема ПФ-прототипа.
На чертеже фиг. 2 приведена схема заявляемого ПФ в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 3 показана схема заявляемого ПФ в соответствии с п.2 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 4 представлены графики изменения амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) характеристик ПФ фиг. 3 при настройке частоты полюса последовательно соединенными вторым 6 (R6) и третьим 7 (R7) резисторами.
На чертеже фиг. 5 приведены АЧХ и ФЧХ схемы ПФ фиг. 3 при настройке затухания полюса (ds) с помощью первого 5 (R5), четвертого 10 (R10) и шестого 12 (R12) резисторов.
На чертеже фиг. 6 показаны графики изменения АЧХ и ФЧХ схемы ПФ фиг. 3 при настройке коэффициента передач (M) с помощью пятого 11 (R11) резистора.
Полосовой фильтр второго порядка с независимой подстройкой основных параметров фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 дифференциальные операционные усилители, первый 5, второй 6 и третий 7 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом второго 4 дифференциального операционного усилителя, связанного с выходом 2 устройства, и общей шиной источника питания 8, причем общий узел первого 5 и второго 6 последовательно соединенных резисторов подключен к инвертирующему входу второго 4 дифференциального операционного усилителя, а общей узел второго 6 и третьего 7 последовательно соединенных резисторов связан с неинвертирующем входом второго 4 дифференциального операционного усилителя через первый 9 конденсатор, четвертый 10 и пятый 11 последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом первого 3 дифференциального операционного усилителя и входом 1 устройства, причем неинвертирующий вход первого 3 дифференциального операционного усилителя соединен с инвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя через шестой 12 резистор, а неинвертирующий вход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источника питания 8, седьмой 13 и восьмой 14 резисторы, а также второй 15 конденсатор. Выход первого 3 дифференциального операционного усилителя связан с неинвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные дополнительный конденсатор 16 и седьмой 13 резистор, причем общий узел последовательно соединенных дополнительного конденсатора 16 и седьмого 13 резистора подключен к общей шиной источника питания 8 через восьмой 14 резистор и связан с выходом 2 устройства через второй 15 конденсатор.
На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, общий узел второго 6 и третьего 7 последовательно соединенных резисторов связан с неинвертирующим входом второго 4 дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные дополнительный буферный усилитель 17 и первый 9 конденсатор.
Рассмотрим работу ПФ фиг. 2.
Свойства схемы классического полосового фильтра второго порядка, в том числе схем фиг. 2 и фиг. 3, определяются его передаточной функцией
p
p
где М – коэффициент передачи фильтра на центральной частоте; ω – частота полюса; d – затухание полюса.
Коэффициенты передаточной функции предлагаемой схемы полосового фильтра определяются по выражениям:
- коэффициент передачи
,
где , ,
- частота полюса
,
- затухание полюса
p
p
Независимая настройка параметров ПФ фиг. 2, фиг. 3 возможна тогда, когда при настройке последующего параметра схемы не потребуется изменять сопротивления резисторов, определяющие уже настроенный параметр. Из анализа полученных формул для ω, d, М следует, что в предлагаемом ПФ фиг. 2, фиг. 3 такая настройка осуществима в следующей последовательности:
s
Первый этап: настраивается частота полюса ω путем изменения сопротивлений второго 6 и третьего 7 резисторов (R6и R7). Далее номиналы этих резисторов фиксируются.
s
Второй этап: настраивается затухание полюса d путем изменения сопротивлений резисторов первого 5 (R5) и шестого 12 (R12) или четвертый 4 (R10) резисторов. На втором этапе сопротивления второго 6 и третьего 7 резисторов (R6и R7) не изменяются.
Третий этап: настраивается коэффициент передачи М путем изменения сопротивления пятого 11 резистора (R11). На этом этапе сопротивления первого 5 (R5), третьего 7 (R7), второго 6 (R6), шестого 12 (R12), четвертого 10 (R10) резисторов не изменяются.
Следует заметить, что другие известные схемы ПФ с низкой параметрической чувствительностью, выполненные на двух операционных усилителях, данным свойством не обладают.
Эффективность рассмотренного выше алгоритма настройки ПФ фиг. 2, фиг. 3 подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг. 4-фиг. 6).
s
0
По виду ФЧХ фиг. 4 можно судить, что частота полюса ω, на которой фазовый сдвиг равен -180, изменяется за счет второго 6 и третьего 7 резисторов (R6и R7) в относительно широких пределах.
s
По виду ФЧХ фиг. 5 можно установить, что при изменении сопротивлений первого 5 и шестого 12 (R5, R12) резисторов изменяется наклон ФЧХ в области частоты полюса, а также изменяется подъем АЧХ на этой частоте. При этом частота полюса остается неизменной (ω=const).
0
0
Аналогичные результаты получаются при изменении сопротивления четвертого 10 (R10) резистора (фиг. 6). При настройке затухания полюса изменяются частоты, на которых фазовый сдвиг составляет -135 и -225.
При проектировании фильтров на основе рассмотренной схемы сопротивление пятого 11 и восьмого 14 резисторов (R11, R14) следует выбирать значительно больше эквивалентного сопротивления резистивного делителя напряжения, состоящего из второго 6 и третьего 7 резисторов (R6 и R7), то есть выполнять соотношение
Если по условиям проектирования это обеспечить не удается, то в области высоких частот может наблюдаться ограничение наклона АЧХ. Устранить влияние на АЧХ сопротивления данного резистивного делителя позволяет включение в схему фиг. 3 неинвертирующего повторителя напряжения 17 с единичным коэффициентом усиления.
В сравнении с известными ПФ, заявляемая схема ПФ имеет более низкую параметрическую чувствительность при настройке равных добротностей.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент SU 296228, 1971 г.
2. Патент  SU 964977, 1982 г.
3. Патент  SU 1629960, 1991 г.
4. Патент SU 1755364, 1992 г.
5. Патент SU 438095, 1974 г.
6. Патент RU 2154337, 2000 г.
7. Патент RU 2150782, 2000 г.
8. Патент RU 2089998, 1997 г.
9. Патент RU 2089041, 1997 г.
10.  Патент  SU 1777233, 1992 г.
11. Патент SU 792557, 1980 г.
12.  Патент SU 807482, 1981 г.
13.  Патент SU 1788570, 1993 г.
14.  Патент RU 2019023, 1994 г.
15.  Патент RU 2019024, 1994 г.
16.  Патент RU 2165673, 2001 г.
17.  Патент SU 987800, 1983 г.
18.  Патент SU 376871,1973 г.
19.  Патент SU 536590, 1976 г.
20.  Патент SU 587602, 1978 г.
21.  Патент SU 813690, 1981 г.
22.  Патент SU 813694, 1981 г.
23.  Патент SU 815868, 1981 г.
24.  Патент US 3,946,328, 1976 г.
25.  Патент SU 785954, 1980 г.
26.  Патент US 4,659,995, 1987 г.
27. Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров: Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 320 с.
28. 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.
29. Денисенко Д.Ю., Гришко И.К, Иванов Ю.И. Система автоматической настройки аналоговых активных RC-фильтров // Информационные технологии, системный анализ и управление.  –  ИТСАУ-2016; Сборник трудов ХIV Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, 16-19 ноября 2016 г.  –  Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2016 – Т.1. - 339 с. С. 120-122.
30. Иванов Ю.И. Схемотехника микромощных ARC-фильтров в гибридно-пленочном исполнении // Электроника и информатика – ХХI век. Третья международная научно-техническая конференция: Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2000, С. 228-229.
31. Иванов Ю.И. Увеличение гарантированного затухания в полосе задерживания в ARC-фильтрах второго порядка // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Сборник материалов Международного научно-технического семинара. Шахты. Изд. ЮРГУЭС, 2001, С. 95-101.
32. Куфлевский Е.И., Гура В.Д., Иванов Ю.И., Лысенко Г.В., Макаренко Б.Ф. Опыт разработки прецизионных активных фильтров в гибридно-пленочном исполнении // Тезисы доклада на X московской НТК, поев. Дню радио. - М.: Радио и связь, 1984. - С. 81.
33. Куфлевский Е.И., Иванов Ю.И. Схемотехника и реализация микроэлектронного фильтра нижних частот // Полупроводниковая электроника в технике связи: сб. статей / Под ред. И.Ф. Николаевского. - М.: Радио и связь, 1990. - Вып. 28. - С. 63-67.
34. Иванов Ю.И. Синтез экономичных звеньев ARC-фильтров с учетом ограничений гибридно-пленочной технологии // Труды 6 Всероссийской НТК с международным участием “Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники” - 1999. Дивноморск. С. 68.
35. Гришин С.В., Крутчинский С.Г., Иванов Ю.И. Активный фильтр верхних частот // А.с. № 1732431, БИ № 17 оп. 07.05.1992.
36. Иванов Ю.И. Активный RC-фильтр верхних частот // Пат. № 2149500, БИ № 14 оп. 20.05.2000.
37. Патент RU 2688237, 2019 г.
38. Патент RU 2694134, 2019 г.
39. Патент RU 2701095, 2019 г.
40. Патент RU 2697944, 2019 г.
41. Патент RU 2701038, 2019 г.