ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ФИЛЬТР НИЗКИХ ЧАСТОТ СЕМЕЙСТВА САЛЛЕН-КИ С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ ВЕРХНЕЙ ГРАНИЧНОЙ ЧАСТОТОЙ
TWO-CHANNEL SALLEN-KEY FAMILY LOW-PASS FILTER WITH TUNABLE UPPER CUT-OFF FREQUENCY

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве устройства выделения заданного спектра сигналов, например, для их дальнейшей обработки 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 [1-18], 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 [1-18].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ФНЧ по патенту EP 0241383, fig. 1. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие резисторы, включенные последовательно между входом 1 устройства и входом выходного повторителя напряжения 5, первый 6 частотозадающий конденсатор, включенный между входом выходного повторителя напряжения 5 и общей шиной источников питания 7, второй 8 частотозадающий конденсатор.
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что в нем не реализуется режим независимой подстройки верхней граничной частоты при единичном коэффициенте передачи в диапазоне полосы пропускания.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании двухканального фильтра низких частот семейства Саллен-Ки, в котором предусмотрена возможность независимой цифровой подстройки верхней граничной частоты без изменения единичного коэффициента передачи в диапазоне полосы пропускания.
предусмотрены новые элементы и связи -
Поставленная задача достигается тем, что в двухканальном фильтре низких частот семейства Саллен-Ки с перестраиваемой верхней граничной частотой, содержащий вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие резисторы, включенные последовательно между входом 1 устройства и входом выходного повторителя напряжения 5, первый 6 частотозадающий конденсатор, включенный между входом выходного повторителя напряжения 5 и общей шиной источников питания 7, второй 8 частотозадающий конденсатор, в схему введены первый 9 и второй 10 неинвертирующие усилители напряжения, вход первого 9 неинвертирующего усилителя напряжения соединен со входом выходного повторителя напряжения 5, между выходом первого 9 неинвертирующего усилителя напряжения и общей шиной источников питания 7 включены по переменному току последовательно соединенные первый 11 и второй 12 дополнительные резисторы, общий узел которых связан со входом второго 10 неинвертирующего усилителя напряжения, причем между общим узлом последовательно включенных первого 3 и второго 4 частотозадающих резисторов и выходом второго 10 неинвертирующего усилителя напряжения включен второй 8 частотозадающий конденсатор.
На чертеже фиг. 1 показана схема ФНЧ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого фильтра низких частот в соответствии с п.1 - п.4 формулы изобретения.
9
10
На чертеже фиг. 3 приведена схема ФНЧ фиг. 2 в соответствии с п.2 формулы изобретения в среде моделирования Micro-Cap. В данной схеме выходной повторитель напряжения 5, первый 9 и второй 10 неинвертирующие усилителя напряжения реализованы на основе повторителей напряжения, коэффициенты передачи которых близки к единице (K≤1, K≤1). В случае применения ФНЧ для диапазона более высоких частот численные значения параметров его пассивных элементов, показанные на схеме фиг. 3, могут иметь другие значения, а в качестве повторителей напряжения и неинвертирующих усилителей напряжения целесообразно использовать схемы СВЧ диапазона, например, классические истоковые (или эмиттерные) повторители на SiGe транзисторах.
На чертеже фиг. 4 представлена амплитудно-частотная характеристика ФНЧ фиг. 3 с перестройкой верхней граничной частоты резистором R3.
5
10
9
На чертеже фиг. 5 приведена схема ФНЧ фиг. 2 в соответствии с п.3 формулы изобретения в среде моделирования Micro-Cap. Здесь выходной повторитель напряжения 5 и второй 10 неинвертирующий усилитель напряжения имеют коэффициенты передачи по напряжению, близкие к единице (K≤1, K≤1). В частном случае в качестве выходного повторителя напряжения 5 и второго 10 неинвертирующего усилителя могут применяться классические транзисторные схемы истоковых или эмиттерных повторителей, а в качестве первого 9 неинвертирующего усилителя напряжения с коэффициентом передачи по напряжению больше единицы (K>1) рекомендуется использовать хорошо известные схемы на серийных операционных усилителях с резисторами местной отрицательной обратной связи.
На чертеже фиг. 6 представлена амплитудно-частотная характеристика ФНЧ фиг. 5 с перестройкой верхней граничной частоты резистором R3.
Двухканальный фильтр низких частот семейства Саллен-Ки с перестраиваемой верхней граничной частотой, содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие резисторы, включенные последовательно между входом 1 устройства и входом выходного повторителя напряжения 5, первый 6 частотозадающий конденсатор, включенный между входом выходного повторителя напряжения 5 и общей шиной источников питания 7, второй 8 частотозадающий конденсатор. В схему введены первый 9 и второй 10 неинвертирующие усилители напряжения, вход первого 9 неинвертирующего усилителя напряжения соединен со входом выходного повторителя напряжения 5, между выходом первого 9 неинвертирующего усилителя напряжения и общей шиной источников питания 7 включены по переменному току последовательно соединенные первый 11 и второй 12 дополнительные резисторы, общий узел которых связан со входом второго 10 неинвертирующего усилителя напряжения, причем между общим узлом последовательно включенных первого 3 и второго 4 частотозадающих резисторов и выходом второго 10 неинвертирующего усилителя напряжения включен второй 8 частотозадающий конденсатор.
9
10
На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, первый 9 и второй 10 неинвертирующие усилители напряжения имеют близкие к единице коэффициенты передачи по напряжению (K≤1, K≤1). В данном случае, в качестве первого 9 и второго 10 неинвертирующих усилителей напряжения рекомендуется использовать классические схемы истоковых (или эмиттерных) повторителей.
9
10
На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, первый 9 неинвертирующий усилитель напряжения имеет коэффициент передачи по напряжению больше единицы (K>1), а коэффициент передачи по напряжению второго 10 неинвертирующего усилителя напряжения близок к единице (K≤1). В практических схемах по п. 3 первый 9 неинвертирующий усилитель напряжения может быть реализован по схеме неинвертирующего включения операционного усилителя с резистивной отрицательной обратной связью, а второй 10 неинвертирующий усилитель напряжения может быть выполнен по классическим схемам истоковых (или эмиттерных) повторителей, предусматривающих включение транзистора по схеме с общим стоком (или общим коллектором).
10
9
На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, второй 10 неинвертирующий усилитель напряжения имеет коэффициент передачи по напряжению больше единицы (K>1), а первый 9 неинвертирующий усилитель имеет коэффициент передачи по напряжению, близкий к единице (K≤1). В данном случае в качестве второго 10 неинвертирующего усилителя напряжения могут применяться известные схемы неинвертирующего включения операционного усилителя с резисторами общей отрицательной обратной связи. При этом первый 9 неинвертирующий усилитель может быть реализован по классическим схемам истоковых (или эмиттерных) повторителей напряжения.
ФНЧ фиг. 2, в от отличии от схемы прототипа (фиг. 1), работает в двухканальном режиме. Данное схемотехническое решение обеспечивает два важных качества предлагаемой схемы ФНЧ:
Выходной повторитель напряжения 5 может иметь малое значение систематической составляющей напряжения смещения нуля, что уменьшает его влияние на эффективную разрядность АЦП [19]. В частных случаях выходной повторитель напряжения 5 может быть реализован на прецизионных ОУ. При этом выходное сопротивление такого ОУ не оказывает влияния на АЧХ фильтра в переходной области АЧХ и в диапазоне полосы задержания, т.е. на более высоких частотах, которые должны подавляться. Данный эффект в ОУ-прототипе не реализуется, т.к. там второй 8 частотозадающий конденсатор образует с выходным сопротивлением выходного повторителя напряжения 5 достаточно большую постоянную времени, что сказывается на работе ФНЧ в области высоких и сверхвысоких частот.
За счет построения ФНЧ по двухканальной архитектуре фиг. 2 в заявляемом устройстве снимается требование по величине выходного статического напряжения второго 10 неинвертирующего усилителя напряжения. Это позволяет проектировать второй 10 неинвертирующий усилитель таким образом, чтобы его выходное сопротивление было как можно меньше. Таким образом, в заявляемой схеме разрешается противоречие между уровнем подавления входного сигнала в диапазоне высоких и сверхвысоких частот из-за влияния выхода 2 устройства и статическим уровнем напряжения на выходе 2 устройства, которое влияет на эффективную разрядность АЦП [19].
Первый 9 неинвертирующий усилитель может иметь широкий спектр коэффициента передачи, что отмечается в п.2 - п. 4 формулы изобретения. При этом коэффициент передачи второго 10 неинвертирующего усилителя напряжения также может выбираться в широком диапазоне значений. Однако схема данного усилителя должна быть спроектирована так, чтобы его выходное сопротивление было по возможности близко к нулю. В частных случаях второй 10 неинвертирующий усилитель рекомендуется выполнять в виде простейших истоковых и эмиттерных повторителей, выходное сопротивление которых определяется статическим током транзисторов.
Работу предлагаемого ФНЧ поясняют графики фиг. 4 и фиг. 6.
Из чертежа фиг. 4 следует, что за счет изменения сопротивления резистора R3=0÷1кОм в схеме фиг. 3 возможна перестройка верхней граничной частоты в диапазоне от 1,34 кГц до 3 кГц. При этом коэффициент передачи ФНЧ до частоты полюса не изменяется и остается равным единице.
Аналогично в схеме фиг. 5 при изменении сопротивления резистора R3=0÷1кОм обеспечивается изменение верхней граничной частоты в диапазоне от 1,4 кГц до 3,2кГц (фиг. 6). Однако, в отличие от схемы фиг. 3, здесь в широких пределах может также изменяться добротность полюса, что определяется коэффициентом усиления первого 9 неинвертирующего усилителя напряжения.
В качестве первого 11 и второго 12 дополнительных резисторов могут применяться цифровые потенциометры, что позволяет обеспечить цифровую подстройку верхней граничной частоты ФНЧ и использовать предлагаемую схему ФНЧ в устройствах автоматики и связи с адаптивными параметрами.
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 усилителей и повторителей напряжения, которые рекомендуется выполнять на JFET Si, GaN, GaAs, SiC, КНИ, SiGe25VR технологических процессах.
Таким образом, заявляемый ФНЧ имеет существенные преимущества в сравнении с известным устройством-прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 2012112826, fig. 1, 2012 г.
2. Патент US 2016344359, fig. 3, 2016 г.
3. Патент US 5.963.112 fig. 8b, fig. 13, 1999 г.
4. Патент EP 0241383 fig. 1, fig. 2, 1987 г.
5. Патент US 6.967.606 fig. 5, 2005 г.
6. Патент US 7.835.434 fig. 7, 2010 г.
7. Патентная заявка US 2006/0186951 fig. 2, 2006 г.
8. Патент CN 102217204 fig. 6, 2009 г.
9. Патент US 9.614.496 fig. 1, fig. 2 2017 г.
10. Патент US 10.243.519, fig. 1, 2019 г.
11. Патент US 9.716.477, fig. 1, 2017 г.
2020 IEEE 2nd International Conference on Circuits and Systems (ICCS)
12. M. Tran, A. Kuwana and H. Kobayashi, "Ringing Test for Second-Order Sallen-Key Low-Pass Filters," , 2020, pp. 121-125, doi: 10.1109/ICCS51219.2020.9336525.
Journal of Display Technology
13. C. -H. Wu, H. -H. Hsieh, P. -C. Ku and L. -H. Lu, "A Differential Sallen-Key Low-Pass Filter in Amorphous-Silicon Technology," in , vol. 6, no. 6, pp. 207-214, June 2010, doi: 10.1109/JDT.2010.2044631.
2018 31st International Conference on VLSI Design and 2018 17th International Conference on Embedded Systems (VLSID)
14. K. Chapagai, P. Bahubalindruni and Nishtha, "2nd Order Sallen Key Switched Capacitor LPF with N-type Transistors," , 2018, pp. 319-324, doi: 10.1109/VLSID.2018.83.
15. Bao, Han & Wu, Pingye & Bao, Bocheng & Chen, M. & Wu, Hugan. (2017). Sallen-Key low-pass filter based inductor-free simplified Chuas circuit. The Journal of Engineering. 2017. 653-655. 10.1049/joe.2017.0311.
16. Sallen-Key Low-pass Filter Design Tool, http://sim.okawa-denshi.jp/en/OPstool.php
17. Analog and RF Filters Design Manual: A Filter Design Guide by and for WMU Students https://homepages.wmich.edu/~bazuinb/FiltersManual_RevD.pdf
18. Laboratory 6: Design the Sallen-Key Low-Pass Filter ELEC ENG 2CJ4: Circuits and Systems Instructor: Prof. Jun Chen https://www.ece.mcmaster.ca/~junchen/EE2CJ4_lab5.pdf
19. Динамические погрешности процесса ввода аналоговых сигналов датчиков в системах управления и контроля: моногр. / Л. К. Самойлов, Д. Ю. Денисенко, Н. Н. Прокопенко. - М.: СОЛОН-Пресс, 2021. - 240 с. ISBN 978-5-91359-444-0