Активный RC-фильтр нижних частот
ACTIVE RC LOW-PASS FILTER

Изобретение относится к радиоэлектронике, более конкретно к частотно-избирательным средствам, и может быть использовано в качестве однозвенного фильтра нижних частот второго порядка с нулем передачи или как составная часть многозвенного фильтра в различных устройствах формирования и обработки радиоэлектронных сигналов, в частности - в измерительной технике.
Как известно, при разработке активных RC-фильтров предпочтение отдается схемам, реализующим требуемую передаточную функцию с использованием небольшого количества как активных, так и пассивных элементов, особенно частотозадающих конденсаторов. В случае фильтров второго порядка (в том числе фильтров с нулем передачи, в частности - фильтров нижних частот), содержащих в качестве активных элементов операционные усилители, минимально возможное количество последних - один, частотозадающих конденсаторов - два. Сравнение таких фильтров (при использовании в них однотипных активных и пассивных элементов) целесообразно производить по дополнительным критериям качества, один из которых - напряжение собственных электрических шумов.
Известен активный RC-фильтр нижних частот второго порядка с нулем передачи по патенту [1], приведенный также в монографии [2]. Этот фильтр построен с использованием минимально возможного количества операционных усилителей (один) и частотозадающих конденсаторов (два); операционный усилитель охвачен петлями обратной связи по инвертирующему и неинвертирующему входам, причем первая из петель выполнена в виде RC-цепи, вторая - чисто резистивная. Однако этому фильтру присуще относительно высокое напряжение собственных электрических шумов, что обусловлено положительным характером обратной связи по неинвертирующему входу.
Известен также активный RC-фильтр нижних частот второго порядка с нулем передачи, описанный в книге [3] и являющийся по технической реализации наиболее близким к предлагаемому. Этот фильтр, как и активный RC-фильтр по патенту [1], построен с использованием минимально возможного количества операционных усилителей и частотозадающих конденсаторов. Он содержит операционный усилитель, к инвертирующему входу которого подключены первые выводы первого и второго резисторов, при этом второй вывод первого резистора подключен к выходу операционного усилителя, соединенному с выходом активного RC-фильтра, а к неинвертирующему входу операционного усилителя подключены первые выводы третьего резистора и первого конденсатора, второй вывод третьего резистора соединен с первыми выводами второго конденсатора и четвертого резистора, причем с вторым выводом последнего, являющимся входом активного RC-фильтра, соединено верхнее плечо делителя входного напряжения, отвод этого делителя подключен к второму выводу первого конденсатора. При этом с тем же отводом указанного делителя напряжения соединен второй вывод второго резистора, а второй вывод второго конденсатора подключен к отводу второго делителя напряжения, включенного между выходом операционного усилителя и общей шинной.
По сравнению с активным RC-фильтром по патенту [1] описанный фильтр-прототип характеризуется значительно более низким напряжением собственных шумов, так как в нем отсутствует чисто положительная обратная связь. Однако наличие в этом активном RC-фильтре резистивной нагрузки делителя входного напряжения (к отводу делителя подключен второй вывод второго резистора) ограничивает возможность уменьшения собственных электрических шумов фильтра. Такое ограничение обусловлено тем, что для обеспечения требуемого входного сопротивления фильтра делитель входного напряжения должен быть достаточно высокоомным, а это приводит к необходимости использования сравнительно высокоомных резисторов, подключенных к инвертирующему входу операционного усилителя, что препятствует снижению напряжения собственных шумов фильтра.
Предлагаемым изобретением решается задача уменьшения напряжения собственных электрических шумов активного RC-фильтра нижних частот.
Техническим результатом изобретения является снижение электрических шумов RC-фильтра нижних частот второго порядка с нулем передачи при использовании минимально возможного количества активных и емкостных элементов - одного операционного усилителя и двух частотозадающих конденсаторов.
Для достижения этого технического результата в активный RC-фильтр, содержащий операционный усилитель, к инвертирующему входу которого подключены первые выводы первого и второго резисторов, при этом второй вывод первого резистора подключен к выходу операционного усилителя, соединенному с выходом активного RC-фильтра, а к неинвертирующему входу операционного усилителя подключены первые выводы третьего резистора и первого конденсатора, второй вывод третьего резистора соединен с первыми выводами второго конденсатора и четвертого резистора, при этом с вторым выводом последнего, являющимся входом активного RC-фильтра, соединено верхнее плечо делителя входного напряжения, отвод этого делителя подключен к второму выводу первого конденсатора, введены новые признаки, а именно: введен дополнительный резистор, включенный между инвертирующим входом операционного усилителя и общей шиной, второй вывод второго резистора подключен непосредственно к входу активного RC-фильтра, а второй вывод второго конденсатора подключен непосредственно к выходу операционного усилителя.
В результате совокупного действия перечисленных новых признаков появляется возможность снижения по сравнению с прототипом собственных электрических шумов - за счет одновременного пропорционального уменьшения сопротивлений резисторов, подключенных к инвертирующему входу операционного усилителя. Последнее, в свою очередь, становится возможным благодаря отсутствию в предлагаемом активном RC-фильтре присущего прототипу подключения второго вывода второго резистора к отводу делителя входного напряжения.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлена функциональная схема предлагаемого активного RC-фильтра нижних частот.
Как следует из фиг. 1, предлагаемый активный RC-фильтр содержит операционный усилитель 1, к инвертирующему входу которого подключены первые выводы первого 2 и второго 3 резисторов. Второй вывод первого резистора 2 подключен к выходу операционного усилителя 1, соединенному с выходом активного RC-фильтра, а к неинвертирующему входу операционного усилителя 1 подключены первые выводы третьего резистора 4 и первого конденсатора 5. Второй вывод третьего резистора 4 соединен с первыми выводами второго конденсатора 6 и четвертого резистора 7, при этом с вторым выводом последнего, являющимся входом активного RC-фильтра, соединено верхнее плечо делителя входного напряжения, образованного резисторами 8 и 9. Отвод этого делителя подключен к второму выводу первого конденсатора 5. Дополнительный резистор 10 включен между инвертирующим входом операционного усилителя 1 и общей шиной 11, второй вывод второго резистора 3 подключен непосредственно к входу активного RC-фильтра, а второй вывод второго конденсатора 6 подключен непосредственно к выходу операционного усилителя 1.
Работа предлагаемого активного RC-фильтра осуществляется следующим образом. На вход фильтра подается (относительно общей шины 11) сигнал от внешнего источника напряжения. Далее входной сигнал проходит по двум каналам:
- через пассивную RC-цепь, образованную резисторами 4, 7, 8, 9 и конденсаторами 5 и 6 - на неинвертирующий вход операционного усилителя 1;
- через резистивную цепь, образованную резисторами 3, 10 и 2 - на инвертирующий вход операционного усилителя 1.
В результате взаимодействия сигналов, передаваемых по указанным каналам, и сигналов обратных связей, вводимых через конденсатор 6 и резистор 2, на выходе активного RC-фильтра при соответствующем выборе параметров пассивных элементов схемы реализуется передаточная функция фильтра нижних частот второго порядка с нулем передачи. Частота полюсов этой функции определяется произведением двух постоянных времени, одна из которых образована емкостью конденсатора 6 и сопротивлением резистора 7, другая - емкостью конденсатора 5 и суммарным сопротивлением резистора 4 и параллельного соединения резисторов 8 и 9. Добротность полюсов определяется отношением этих же постоянных времени, а также отношением сопротивлений резистора 2 и параллельного соединения резисторов 3 и 10; частота нуля передачи - соотношением коэффициентов передачи указанных каналов прохождения сигнала. При выборе сопротивлений всех резисторов, подключенных к инвертирующему входу операционного усилителя 1 и влияющих на добротность полюсов и частоту нуля передачи важны не значения сопротивлений, а лишь отношения этих значений. Поэтому при заданных конкретных значениях параметров всех остальных пассивных элементов схемы и заданном соотношении сопротивлений резисторов 2, 3 и 10, адекватных требуемым параметрам передаточной функции, достигается снижение собственных электрических шумов предлагаемого активного RC-фильтра путем одновременного пропорционального уменьшения сопротивлений всех резисторов, подключенных к инвертирующему входу операционного усилителя. Предельное уменьшение этих сопротивлений ограничивается допустимым минимальным значением входного сопротивления фильтра. Однако при этом, в силу рассмотренных выше причин, минимально достижимое напряжение собственных электрических шумов предлагаемого активного RC-фильтра всегда меньше, чем в случае известных аналогов последнего - при реализации одной и той же передаточной функции, при одинаковом значении входного сопротивления и при использовании однотипных элементов схем (в том числе - операционных усилителей).
Дополнительное преимущество предлагаемого активного RC-фильтра - уменьшение по сравнению с прототипом на один резистор общего количества резисторов.
Источники информации
1 Патент Великобритании №1347127, кл. Н03Н 7/02, опубл. 1974.
2 Мошиц Г., Хорн П. Проектирование активных фильтров (пер. с англ.). М.: Мир, 1984, с. 66, рис. 5.14.
3 Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / Под ред. проф. А.А. Ланнэ. М.: Радио и связь, 1984, с. 175, табл. 4.7, схема 8.