АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР НИЗКИХ ЧАСТОТ ПОДКЛАССА САЛЛЕН-КИ НА ОСНОВЕ ПОВТОРИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ
ACTIVE RC LOW-PASS FILTER OF THE SALLEN-KI SUBCLASS BASED ON VOLTAGE REPEATERS

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве антиалайзингового фильтра для ограничения заданного спектра сигналов при его дальнейшей обработке аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.
АRC-фильтры низких частот (ФНЧ) семейства Саллен-Ки (Sallen-Key) на повторителях напряжения (ПН) (или буферных усилителях) относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств фильтрации [1-21], 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 том числе [1-21]. В сравнении с ФНЧ Саллен-Ки на неинвертирующем включении операционного усилителя с резистивной отрицательной обратной связью [22], фильтры низких частот на ПН [23-27] обладают рядом важных качеств:
- имеют предельно простые схемотехнические решения активного усилительного элемента ФНЧ, и как следствие, меньшее энергопотребление и потенциально более высокий (вплоть до СВЧ) верхний диапазон рабочих частот;
- могут быть реализованы на однотранзисторных истоковых [23,24] или SiGe эмиттерных [25-27] повторителях напряжения, что позволяет получить предельно высокие значения частоты полюса ФНЧ.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является фильтр низких частот на ПН, описанный в патенте фирмы Analog Devices US 9.614.496, fig.1, fig.2, 2017 г. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие конденсаторы, первый 5 и второй 6 частотозадающие резисторы, выходной повторитель напряжения 7, выход которого подключён к выходу 2 устройства.
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, не позволяет выполнять на её основе адаптивные радиотехнические и измерительные системы.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании активного RC- фильтра низких частот семейства Саллен-Ки только на повторителях напряжения (или буферных усилителях с коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице), 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 на ПН фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие конденсаторы, первый 5 и второй 6 частотозадающие резисторы, выходной повторитель напряжения 7, выход которого подключён к выходу 2 устройства, в схему введены первый 8, второй 9 и третий 10 дополнительные повторители напряжения, выход 2 устройства связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные первый 11 и второй 12 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом первого 8 дополнительного повторителя напряжения, выход которого подключен ко входу выходного повторителя напряжения 7 через 3 частотозадающий конденсатор, выход 2 устройства связан с общей шиной источника питания через последовательно включенные третий 13 и четвертый 14 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом второго 9 дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом третьего 10 дополнительного повторителя напряжения и входом выходного повторителя напряжения 7 через последовательно соединённые второй 4 частотозадающий конденсатор и второй 6 частотозадающий резистор, общий узел которых связан со входом 1 устройства через первый 5 частотозадающий резистор и соединен к выходу третьего 10 дополнительного повторителя напряжения через дополнительный конденсатор 15.
На чертеже фиг. 1 показана схема ФНЧ-прототипа на ПН, 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, а повторители напряжения следует реализовывать, например, на СВЧ SiGe транзисторах.
p
На чертеже фиг. 4 показана амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 с настройкой частоты полюса (ω) резистором R3.
На чертеже фиг. 5 представлена амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФНЧ фиг. 3 с настройкой добротности полюса (Q) резистором R5.
отличающийся тем, что
Активный RC - фильтр низких частот подкласса Саллен-Ки на основе повторителей напряжения фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 частотозадающие конденсаторы, первый 5 и второй 6 частотозадающие резисторы, выходной повторитель напряжения 7, выход которого подключён к выходу 2 устройства,  в схему введены первый 8, второй 9 и третий 10 дополнительные повторители напряжения, выход 2 устройства связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные первый 11 и второй 12 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом первого 8 дополнительного повторителя напряжения, выход которого подключен ко входу выходного повторителя напряжения 7 через 3 частотозадающий конденсатор, выход 2 устройства связан с общей шиной источника питания через последовательно включенные третий 13 и четвертый 14 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом второго 9 дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом третьего 10 дополнительного повторителя напряжения и входом выходного повторителя напряжения 7 через последовательно соединённые второй 4 частотозадающий конденсатор и второй 6 частотозадающий резистор, общий узел которых связан со входом 1 устройства через первый 5 частотозадающий резистор и соединен к выходу третьего 10 дополнительного повторителя напряжения через дополнительный конденсатор 15.
Рассмотрим характеристики схемы ФНЧ фиг. 2 (фиг. 3), представленные на чертежах фиг. 4 и фиг. 5.
p
Из чертежа фиг. 4 следует, что за счет изменения резистора R3 в схеме фиг. 3 изменяется частота полюса ω, причем с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса ФНЧ уменьшается.
В схеме фиг. 3 возможна также регулировка частоты полюса путем изменения сопротивления резистора R4, при этом с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса будет увеличиваться. 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 (фиг. 5), а частота полюса остается неизменной, причем увеличение сопротивления резистора R5 приводит к уменьшению Q. Аналогичным образом в схеме фиг. 3 можно изменять Q за счет изменения сопротивления резистора R6, причем его увеличение будет приводить к увеличению Q. Следует отметить, что величина Q в схеме фиг. 3 определяется крутизной фазо-частотной 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 повторителей напряжения (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 (например, 75 Ом), предлагаемый фильтр имеет еще одно важное преимущество - его выходной повторитель напряжения 7 может проектироваться как усилитель сигнала на мощных выходных транзисторах, а в качестве повторителей напряжения (8, 9 и 10) могут использоваться более маломощные или широкополосные микросхемы. Такое разделение функций и требований к параметрам между выходным повторителем 7 и дополнительными повторителями (8, 9 и 10) является еще одним достоинством заявляемой схемы ФНЧ, которая позволяет, в зависимости от решаемой задачи, получить более высокие обобщенные показатели качества.
Предлагаемая схема ФНЧ допускает независимую 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 на повторителях напряжения характеризуется независимой подстройкой основных параметров, что является его существенным преимуществом в сравнении с ФНЧ-прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Заявка на патент US 2008/0204129, fig. 1, 2008 г.
2. Патент US 7.414.466, fig. 2, 2008 г.
3. Патент US 6.407.627, fig. 1b, 2002 г.
4. Заявка на патент US 2003/0002694, fig. 2, fig. 10, 2003 г.
5. Патент US 6.854.005, fig. 2, fig. 10, 2005 г.
6. Заявка на патент US 2004/0234001, fig. 10, 2004 г.
7. Патент US 6.388.511, fig. 1, fig. 8 2002 г.
8. Патент US 7.835.434, fig. 6, fig. 7, 2010 г.
9. Патент US 9.614.496, fig. 1, fig. 4, fig. 12, 2017 г.
10. Патент EP 0241383, fig. 2, 1987 г.
11. Патент СN 102790845, fig. 3, 2012 г.
12. Заявка на патент US 2013/0076434, fig. 1c, 2013 г.
13.Заявка на патент US 2014/0137069, fig. 11a, fig. 11b, 2014 г.
14. Патент US 8.930.874, fig. 11а, fig. 11b, fig. 12b, fig. 19, 2015 г.
15. Заявка на патент US 2006/0186951, fig. 2, fig. 3, 2006 г.
16. Патент US 9.124.251, fig. 3, 2015 г.
17. M. De Matteis, F. Resta, A. Pipino, S. D’Amico and A. Baschirotto, "A 28.8-MHz 23-dBm-IIP3 3.2-mW Sallen-Key Fourth-Order Filter With Out-of-Band Zeros Cancellation," in IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 63, no. 12, pp. 1116-1120, Dec. 2016, doi: 10.1109/TCSII.2016.2619068. (fig. 1)
18. K. Nikolić and J. Radić, "A tunable bandwidth 6th-order active low-pass filter in 0.18 um CMOS technology," 2020 23rd International Symposium on Design and Diagnostics of Electronic Circuits & Systems (DDECS), 2020, pp. 1-2, doi: 10.1109/DDECS50862.2020.9095683. (fig. 6)
19. Hernández-Padilla A. Reporte de formación complementaria en área de concentración en Sistemas Embebidos y Telecomunicaciones, 2021, URL: https://rei.iteso.mx/bitstream/handle/11117/6471/Reporte%20de%20Modalidad%20Formacion %20Complementaria %20de%20Sistemas%20Embebidos%20md701988.pdf?sequence=1 (стр. 13, Figura. 3.1b, стр. 48)
20. 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 Journal of Display Technology, vol. 6, no. 6, pp. 207-214, June 2010, doi: 10.1109/JDT.2010.2044631. (fig. 11b)
21. I. -Y. Lee, D. Im, J. Ko and S. -G. Lee, "A 50-450 MHz Tunable RF Biquad Filter Based on a Wideband Source Follower With > 26 dBm IIP 3 , +12 dBm P 1dB , and 15 dB Noise Figure," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 50, no. 10, pp. 2294-2305, Oct. 2015, doi: 10.1109/JSSC.2015.2468722 (fig. 3, fig. 12)
22. Патент US 5.963.112, fig. 8B, 1999 г.
23. Патент US 9.124.251, fig. 3, 2015 г.
24. Патент CN 102217204, fig. 6, 2009 г.
25. Патент US 7.835.434, fig. 8, 2010 г.
26. Патент US 9.614.496 fig.2, fig. 4, 2017 г.
27. Патентная заявка US 2006/0186951, fig. 2, fig. 3, 2006 г.