АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР ВЫСОКИХ ЧАСТОТ СЕМЕЙСТВА САЛЛЕН-КИ НА ОСНОВЕ ПОВТОРИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ
ACTIVE RC-HIGH FREQUENCY FILTER OF THE SALLEN-KEY FAMILY BASED ON VOLTAGE FOLLOWERS

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в качестве устройства выделения заданного спектра сигнала, например, для его дальнейшей обработки аналого-цифровыми преобразователями различных модификаций.
АRC-фильтры высоких частот (ФВЧ) семейства  Саллен-Ки (Sallen-Key) [1-12], благодаря простоте, относятся к числу достаточно распространенных аналоговых устройств фильтрации, определяющих качественные показатели многих радиотехнических и измерительных систем. Практическому применению ARCФ данного класса посвящено более 200 научных статей и патентов разных стран мира, в том числе [1-12].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ФВЧ по патенту US 9.263.043, fig. 4, 2016 г. (патентообладатель - University of Mississippi, США). 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 связан с выходом 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 ФВЧ изменяется другой. Как следствие, это требует итерационных процедур настройки, что ограничивает использование данной схемы ФВЧ.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании  фильтра высоких частот семейства Саллен-Ки, в котором предусмотрена возможность независимой настройки разными резисторами частоты полюса, добротности полюса и коэффициента передачи.
-
Поставленная задача достигается тем, что в фильтре высоких частот 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 связан с выходом 2 устройства, предусмотрены новые элементы и связи выход выходного повторителя напряжения 7 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные первый 8 и второй 9 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом выходного повторителя напряжения 7 через второй 6 частотозадающий резистор, выход выходного повторителя напряжения 7 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные третий 10 и четвертый 11 дополнительные резисторы, вход 1 устройства соединен со входом первого 12 дополнительного повторителя напряжения через первый 3 частотозадающий конденсатор, а выход первого 12 дополнительного повторителя напряжения соединен со входом выходного повторителя напряжения 7 через второй 4 частотозадающий конденсатор, общий узел третьего 10 и четвертого 11 дополнительных резисторов подключен ко входу второго 13 дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого 12 дополнительного повторителя напряжения через первый 5 частотозадающий резистор.
На чертеже фиг. 1 показана схема ФВЧ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого фильтра высоких частот в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг. 3 приведена схема ФВЧ фиг. 2 в среде моделирования Micro-Cap. В случае применения ФВЧ для диапазона более высоких частот численные значения параметров его пассивных элементов могут иметь другие  (меньшие) значения, а в качестве повторителей напряжения необходимо использовать схемы СВЧ диапазона, например, на SiGe транзисторах.
р
На чертеже фиг. 4  представлена амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФВЧ фиг. 3 с настройкой частоты полюса (W) резистором R4.
На чертеже фиг. 5 показана амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ФВЧ фиг. 3 с настройкой добротности Q резистором R5.
Активный RC-фильтр высоких частот семейства 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 связан с выходом 2 устройства. Выход выходного повторителя напряжения 7 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные первый 8 и второй 9 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен со входом выходного повторителя напряжения 7 через второй 6 частотозадающий резистор, выход выходного повторителя напряжения 7 связан с общей шиной источника питания через последовательно соединенные третий 10 и четвертый 11 дополнительные резисторы, вход 1 устройства соединен со входом первого 12 дополнительного повторителя напряжения через первый 3 частотозадающий конденсатор, а выход первого 12 дополнительного повторителя напряжения соединен со входом выходного повторителя напряжения 7 через второй 4 частотозадающий конденсатор, общий узел третьего 10 и четвертого 11 дополнительных резисторов подключен ко входу второго 13 дополнительного повторителя напряжения, выход которого связан со входом первого 12 дополнительного повторителя напряжения через первый 5 частотозадающий резистор.
Рассмотрим характеристики схемы ФВЧ фиг. 2, представленные на чертежах фиг. 4 и фиг. 5.
р
р
Из чертежа фиг. 4 следует, что за счет изменения резистора R3 в схеме фиг. 3 изменяется частота полюса W, причем с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса уменьшается. В схеме фиг. 3 возможна также регулировка частоты полюса W путем изменения сопротивления резистора R4, при этом с увеличением сопротивления этого резистора частота полюса будет увеличиваться. Следует отметить, что частота полюса на графиках фазо-частотных характеристик фиг. 4 и фиг. 5 – это частота, на которой фазовый угол равен 90°.
0
0
Если в схеме фиг. 3 изменять сопротивление резистора R5, то будет изменяться добротность полюса Q, а частота полюса остается неизменной, причем увеличение сопротивления резистора R5 приводит к увеличению Q. Аналогичным образом в схеме фиг. 3 можно изменять Q за счет изменения сопротивления резистора R6, причем его увеличение будет приводить к уменьшению 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 135 и 45.
Работа заявляемого фильтра высоких частот в тяжелых условиях эксплуатации (проникающая радиация, низкие или высокие температуры) определяется стабильностью пассивных элементов его схемы (R, C), а также используемых повторителей напряжения, которые в этих случаях рекомендуется выполнять на JFET Si, GaN, GaAs, SiC, КНИ, SiGe25VR технологических процессах. При низкоомных нагрузках ФВЧ (например, 50 Ом), выходной повторитель напряжения 7, а также первый 12 и второй 13 дополнительные повторители напряжения могут проектироваться как усилители сигнала на относительно мощных выходных транзисторах.
Предлагаемая схема ФВЧ допускает цифровую подстройку основных параметров. Для этого необходимо применять микросхемы цифровых потенциометров или использовать вместо частотозадающих резисторов их цифровую КМОП коммутацию.
Таким образом, заявляемый ФВЧ характеризуется независимой подстройкой основных параметров, что является его существенным преимуществом в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
2013 23rd International Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology"
1. M. B. Goykhman, A. V. Gromov, S. P. Mar'ev, A. V. Palitsin, Y. V. Rodin and S. E. Fil'chenkov, "Progress in development of waveguide high-pass filter (HPF). Broadening of HPF applications," , 2013, pp. 677-678.
2018 International Conference on Computer Communication and Informatics (ICCCI)
2. L. Naidoo and V. M. Srivastava, "Application of High Pass Filter in Robotics: A Circuit Perspective," , 2018, pp. 1-4, doi: 10.1109/ICCCI.2018.8441390.
3. R. Sun, L. Jin and X. Sun, "A Design Method of Active Butterworth, High-Pass Filter with Sallen-Key Topology," 2021 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), 2021, pp. 1-3, doi: 10.1109/ICMMT52847.2021.9618274.
4.  S. Swain, K. Biswal, M. C. Tripathy and S. K. Kar, "Performance Analysis of Fractional Order Sallen-Key High-pass Filter Using Fractional Capacitors," 2020 International Conference on Computational Intelligence for Smart Power System and Sustainable Energy (CISPSSE), 2020, pp. 1-5, doi: 10.1109/CISPSSE49931.2020.9212296.
5. Патент US 8.565.448 fig. 2, 2013 г.
6. А.с. СССР 298059 фиг. 1, 1969 г.
7. Патент US 9.263.043 fig. 2, fig. 4, 2016 г.
8. Патент СN 103346748 fig. 4, 2013 г.
9. Патент US 7.466.829 fig. 2, fig. 5, fig. 6, 2008 г.
10. Патент US 8.565.448 fig. 2, fig. 5, 2013 г.
11. Патент US 6854005, fig. 2, fig. 11, 2005 г.
12. Патент US 6388511, fig. 2, 2002 г.