АКТИВНЫЙ RC-ФАЗОВЫЙ КОНТУР

Заявляемая полезная модель относится к радиотехнике и предназначена для построения перестраиваемых широкополосных линий задержки и фазовых корректоров различных устройств связи, используемых при обработке спектров фаз сигналов без искажения спектра амплитуд.
Известны устройства, которые могут быть использованы для построения перестраиваемых широкополосных линий задержки, фазовых корректоров и фазовращателей.
Известен активный RC-фазовый контур (авт.св. СССР N 1584080, кл. Н03Н 11/16, опублик. 07.08.90), содержащий первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами первого резистора и первого конденсатора, второй вывод которого и первые выводы второго, третьего и четвертого резисторов соединены с выходом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине, второй вывод второго резистора соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод четвертого и первые выводы пятого и шестого резисторов соединены с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, к инвертирующему входу которого подключены первыми выводами седьмой и восьмой резисторы, вторые выводы седьмого и восьмого резисторов соединены, соответственно, с выходами второго и третьего операционных усилителей, второй вывод третьего и первые выводы девятого и десятого резисторов соединены с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, второй вывод девятого резистора подключен к выходу четвертого операционного усилителя, к неинвертирующему входу которого подключены первыми выводами одиннадцатый и двенадцатый резисторы, второй вывод двенадцатого резистора соединен с общей шиной, вторые выводы шестого и десятого резисторов являются входом, а выход четвертого операционного усилителя является выходом активного RC-фазового контура, при этом второй вывод первого резистора соединен с выходом третьего операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого конденсатора, вторые выводы второго конденсатора и одиннадцатого резистора соединены с выходом второго операционного усилителя, второй вывод пятого резистора и инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединены с общей шиной.
С помощью этого активного RC-фазового контура возможна перестройка частот нулей и полюсов двумя частотно-задающими резисторами без изменения затуханий нулей и полюсов, что позволяет использовать его в различных фазокорректирующих устройствах с переменными параметрами, которые широко используются в адаптивных системах связи.
Недостатком этого устройства является низкая стабильность основных параметров (АЧХ и ФЧХ) из-за влияния на высоких частотах частотных свойств операционных усилителей. Это приводит к возрастанию на высоких частотах неравномерности АЧХ и отклонению ФЧХ от расчетного значения.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является активный RC-фазовый контур (патент РФ N 2019027, кл. Н03Н 11/16, опублик. 30.08.94), содержащий первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами первого резистора и первого конденсатора, второй вывод которого и первые выводы второго, третьего и четвертого резисторов соединены с выходом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине, второй вывод второго резистора соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод четвертого и первые выводы пятого и шестого резисторов соединены с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, к инвертирующему входу которого подключены первые выводы седьмого и восьмого резисторов, вторые выводы которых соединены с выходами, соответственно, второго и третьего операционных усилителей, первый вывод десятого и второй вывод шестого резисторов соединены и являются входом активного RC-фазового контура, а второй вывод десятого резистора соединен с вторым выводом третьего резистора и через девятый резистор - с выходом четвертого операционного усилителя, выход которого является выходом активного RC-фазового контура, а инвертирующий вход четвертого операционного усилителя подключен через двенадцатый резистор к общей шине, а через одиннадцатый резистор к второму выводу второго конденсатора, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности фазочастотной характеристики, введены пятый операционный усилитель, тринадцатый и четырнадцатый резисторы, при этом второй вывод первого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, первый и второй выводы второго конденсатора подключены, соответственно, к инвертирующему входу и выходу третьего операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к первому выводу первого конденсатора, а инвертирующий вход - к неинвертирующему входу пятого операционного усилителя, выход которого соединен с вторым выводом пятого резистора, а с общей шиной - через последовательно соединенные тринадцатый и четырнадцатый резисторы, точка соединения которых подключена к инвертирующему входу операционного усилителя.
Недостатком фазового контура является невозможность независимой перестройки частот нулей и полюсов и добротности, которая обеспечивает требуемую крутизну фазочастотной характеристики контура.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей фазового контура, позволяющих получить технический результат, заключающийся в обеспечении независимой перестройки частот нулей и полюсов и их добротности, расширение диапазона рабочих частот и (или) повышение стабильности параметров устройства.
Указанный технический результат достигается за счет того, что активный RC-фазовый контур, содержащий первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, первый вывод третьего резистора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен со вторыми выводами четвертого резистора и пятого резистора, первый вывод которого соединен с первым выводом второго резистора, с первым выводом первого конденсатора и выходом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен со вторым выводом первого резистора и со вторым выводом первого конденсатора, вторые выводы второго резистора и второго конденсатора соединены с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом второго конденсатора, первые выводы шестого и седьмого резисторов соединены с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, выход которого соединен со вторым выводом седьмого резистора, введены потенциометр и восьмой резистор, при этом потенциометр включен к выходам первого и третьего операционных усилителей, а отвод потенциометра подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, первый и второй выводы восьмого резистора подключены к неинвертирующему входу первого операционного усилителя и выходу четвертого операционного усилителя, второй вывод третьего резистора подключен к первому выводу четвертого резистора и к неивертирующим входам второго, третьего и четвертого операционных усилителей, неивертирующий вход четвертого операционного усилителя соединен со входом активного RC-фазового контура, выход второго операционного усилителя соединен с выходом активного RC-фазового контура.
Наличие отличительных признаков, а именно введение потенциометра и восьмого резистора с соответствующими связями обусловливает соответствие предложенного технического решения критерию "Новизна". Оно соответствует также критерию "Существенные отличия", поскольку не обнаружено решений с признаками, сходными с признаками, отличающими предложенное устройство от прототипа.
За счет введения новых элементов и связей обеспечивается независимая перестройка по частоте в широких пределах фазочастотной характеристики и крутизны фазочастотной характеристики. Сохраняется незначительное влияние площади усиления операционных усилителей на ФЧХ активного RC-фазового контура, что приводит к повышению стабильности одного из основных параметров фазового контура - фазочастотной характеристики.
На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предложенного активного RC-фазового контура, на фиг. 2 - зависимость нормированных частот нулей и полюсов от коэффициента перестройки частот нулей и полюсов, на фиг. 3 - зависимость нормированной добротности нулей и полюсов от коэффициента перестройки частот нулей и полюсов при различных значениях параметра, который определяет стабильность добротности, на фиг. 4 и 5 - графики фазочастотной характеристики, перестраиваемой по частоте, при двух значениях добротности.
Активный RC-фазовый контур содержит первый, второй, третий, четвертый операционные усилители 1 - 4, первый резистор 5, первый конденсатор 6, второй резистор 7, второй конденсатор 8, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой резисторы 9 - 13, потенциометр 14 и восьмой резистор 15.
Первый вывод третьего резистора 9, соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 1, неинвертирующий вход которого соединен со вторыми выводами четвертого резистора 10 и пятого резистора 11, первый вывод которого соединен с первым выводом второго резистора 7, с первым выводом первого конденсатора 6 и выходом второго операционного усилителя 2, инвертирующий вход которого соединен со вторым выводом первого резистора 5 и со вторым выводом первого конденсатора 6, вторые выводы второго резистора 7 и второго конденсатора 8 соединены с инвертирующим входом третьего операционного усилителя 3, выход которого соединен с первым выводом второго конденсатора 8, первые выводы шестого 12 и седьмого 13 резисторов соединены с инвертирующим входом четвертого операционного усилителя 4, выход которого соединен со вторым выводом седьмого резистора 13, потенциометр 14 и восьмой резистор 15. При этом потенциометр 14 включен к выходам первого 1 и третьего 3 операционных усилителей, а отвод 14 потенциометра подключен к инвертирующему входу первого 1 операционного усилителя, первый и второй выводы восьмого резистора 15 подключены к неинвертирующему входу первого операционного усилителя 1 и выходу четвертого операционного усилителя, второй вывод третьего резистора 9 подключен к первому выводу четвертого резистора 10 и к неивертирующим входам второго, третьего и четвертого операционных усилителей 2-4, вход активного RC-фазового контура соединен с неивертирующим входом четвертого операционного усилителя 4, неивертирующий вход четвертого операционного усилителя 4 соединен со входом 16 активного RC-фазового контура, выход второго операционного усилителя 2 соединен с 17 выходом активного RC-фазового контура.
Активный RC-фазовый контур работает следующим образом.
Входной сигнал подается на неинвертирующий вход четвертого операционного усилителя 4, на выходе второго операционного усилителя 2 реализуется передаточная функция фазового контура второго порядка
где
- круговая частота нулей и полюсов;
- добротность нулей и полюсов;
- коэффициент добротности;
пот
пот2
0
β=R/R - коэффициент перестройки частот нулей и полюсов ω;
пот
пот2
R, R - сопротивление потенциометра 14 и его второй части;
пот
3
λ=R/R - параметр, величина которого определяет стабильность добротности фазового контура при изменении частот нулей и полюсов.
Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты (т.е. амплитудно-частотная характеристика) находится из выражения (1) заменой s на jω
Из выражения (2) следует, что модуль коэффициента передачи активного RC-фазового контура частотно независим и равен 1.
Фазочастотная характеристика также находится из выражения (1) и имеет значение
0
Крутизна фазочастотной характеристики на частоте нулей и полюсов ю находится из выражения (3) и имеет значение
0
Следовательно, крутизна фазочастотной характеристики на частоте нулей и полюсов контура ω линейно зависит от значения добротности Q.
0
Q
4
На фиг. 2 представлен график зависимости нормированной частоты нулей и полюсов ωT от параметра перестройки β, из которого следует, что при изменении параметра (3 в пределах 0.1…0.9 частота нулей и полюсов контура изменяется в девять раз. На фиг. 3 показаны графики изменения нормированной добротности QK от параметра перестройки β (частоты нулей и полюсов) при различных значениях параметра λ. Из представленных графиков можно сделать вывод, что при величине параметра λ=6 обеспечивается максимальный диапазон перестройки частот нулей и полюсов фазового контура в девять раз с помощью потенциометра 14 при минимальном изменении добротности нулей и полюсов. Независимая перестройка добротности может быть выполнена с помощью подстроенного резистора R.
1
2
На фиг. 4 и 5 показаны графики фазочастотной характеристики, перестраиваемые по частоте в девять раз при двух значениях добротности Q=0.7 и Q=2.6, которые определяют постоянную крутизну фазочастотной характеристики на частотах нулей и полюсов. Вид графиков фазочастотных характеристик фильтра подтверждает, что крутизна фазочастотных характеристик во всем диапазоне перестройки частот нулей и полюсов в девять раз сохраняется практически неизменной и уменьшается только на краях диапазона перестройки приблизительно на 2%.
4
Следовательно, с помощью потенциометра можно перестраивать фазочастотные характеристики активного RC-фазового контура в широком диапазоне частот при постоянной добротности нулей и полюсов, а также с помощью подстроечного резистора R независимо изменять добротность. Это позволяет использовать данный RC-фазовый контур в адаптивных и высокостабильных системах связи с переменными параметрами.