АКТИВНЫЙ RC-ФИЛЬТР ВЕРХНИХ ЧАСТОТ

Полезная модель относится к радиотехнике, системам связи и может использоваться в микроэлектронных селективных узлах радиоэлектронных устройств, в звуковоспроизводящих системах, измерительной и биомедицинской аппаратурах для частотной фильтрации электрических сигналов, в корректирующих устройствах автоматизированных систем.
В литературе описаны различные фильтры верхних частот. Как правило, эти фильтры отличаются большой сложностью, т.к. содержат большое число усилителей и RC-элементов. Известна схема фильтра верхних частот [Справочник по расчету и проектированию ARC-схем. / Под ред. проф. А.А. Ланнэ. - М.: Радио и связь, 1984, с. 208, табл. 4.22], содержащая три операционных усилителя, семь резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого, второго и третьего резисторов подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а их вторые выводы к входу фильтра, общей базе и к выходу первого операционного усилителя, соответственно, первые выводы четвертого резистора и первого конденсатора подключены к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а их вторые выводы к выходам первого и второго операционных усилителей, соответственно, первые выводы пятого и шестого резисторов подключены к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, а их вторые выводы к выходам второго и третьего операционных усилителей соответственно, первые выводы второго конденсатора и седьмого резистора подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, а их вторые выводы к выходам первого и третьего операционных усилителей, соответственно.
Признаками этого устройства, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются операционные усилители, резисторы и конденсаторы. Недостатком данного технического решения является невозможность независимой перестройки частоты среза без изменения добротности и коэффициента передачи устройства.
Известна схема фильтра верхних частот [Хьюлсман Л.П., Ален Φ.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1984. с. 238, рис. 5.7-1], содержащая три операционных усилителя, шесть резисторов и два конденсатора, причем первый резистор включен между входом фильтра и инвертирующим входом первого операционного усилителя, второй резистор и первый конденсатор включены между инвертирующим входом и выходом первого операционного усилителя, первые выводы третьего резистора и второго конденсатора подключены к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а их вторые выводы к выходам первого и второго операционных усилителей, соответственно, первые выводы четвертого и пятого резисторов подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, а их вторые выводы к выходам второго и третьего операционных усилителей, соответственно, шестой резистор включен между инвертирующим входом первого и выходом третьего операционных усилителей соответственно, не инвертирующие входы первого, второго и третьего операционных усилителей подключены к общей базе, выход устройства подключен к выходу второго операционного усилителя.
Перестройка частоты среза в описанном устройстве может осуществляться изменением сопротивлений первого и третьего резисторов для чего эти элементы должны быть выполнены в виде сдвоенных потенциометров, Признаками этого устройства, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются операционные усилители, резисторы и конденсаторы. Недостатком данного технического решения является невозможность перестройки частоты среза без изменения добротности и коэффициента передачи устройства.
Наиболее близким по технической сущности прототипом активного фильтра верхних частот является фильтр, описанный в [Kenndall S. Analog filters, second edition. Kluwer academic publishers. New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow. 2003. p. 239-242]. Он содержит дифференциальный операционный усилитель, первый и второй инвертирующие операционные усилители и последовательно соединенные, образующие замкнутое кольцо, первый резистор, первый конденсатор, второй резистор, второй конденсатор, первый резистивный делитель, включенный между выходами дифференциального операционного усилителя и второго инвертирующего операционного усилителя, и соединенный своим отводом с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя. Также этот фильтр содержит второй резистивный делитель, включенный между выходом первого инвертирующего операционного усилителя и входом фильтра, и соединенный своим отводом с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя. Инвертирующие входы первого и второго инвертирующих операционных усилителей подключены, соответственно, к точкам соединения первого резистора и первого конденсатора, второго резистора и второго конденсатора, а выходы первого и второго инвертирующих операционных усилителей подключены, соответственно, ко вторым выводам указанных конденсаторов. Выходом фильтра является выход дифференциального операционного усилителя.
Фильтр работает следующим образом:
При подаче на вход фильтра напряжения постоянного тока (f=0) коэффициенты усиления первого и второго инвертирующих операционных усилителей становятся бесконечно большими. Для обеспечения работы усилителей в линейном режиме на их входах поддерживается напряжение близким к нулю, вследствие чего и выходное напряжение фильтра на низких частотах имеет минимальное значение. При подаче на вход фильтра напряжения с бесконечно большой частотой реактивное сопротивление первого и второго конденсаторов будет иметь бесконечно малое значение, т.е. первый и второй инвертирующие операционные усилители будут охвачены 100%-ной глубокой отрицательной обратной связью, а значит, практически не усиливают сигналы. Таким образом, напряжение на выходе фильтра будет максимальным.
На частотах, отличных от рассмотренных, коэффициент передачи фильтра определяется отношением сопротивлений первого и второго резистивных делителей. При этом напряжение на выходе фильтра верхних частот с ростом частоты увеличивается. Перестройка частоты среза в описанной схеме осуществляется изменением сопротивлений первого и второго резисторов, для чего эти элементы должны быть выполнены в виде сдвоенных потенциометров. Добротность фильтра изменяется при изменении сопротивления регулируемого резистора первого резистивного делителя, однако при этом изменяется и частота среза.
Недостатком фильтра является невозможность независимой перестройки частоты среза, добротности и коэффициента передачи. Кроме того, фильтр должен иметь сложную схему для обеспечения стабильности добротности в процессе регулирования частоты среза и высокую стоимость. Высокая стоимость фильтра обусловлена необходимостью применения прецизионных конденсаторов и сдвоенных переменных резисторов.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является обеспечение независимой перестройки частоты среза, добротности и коэффициента передачи, расширение диапазона рабочих частот и(или) повышение стабильности параметров устройства.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении полезной модели: независимая перестройка частоты среза, добротности и коэффициента передачи; расширение частотного диапазона перестройки резонансной частоты с помощью потенциометра в 9 раз.
Для достижения технического результата, в активный RC-фильтр верхних частот, содержащий первый и второй инвертирующие операционные усилители, дифференциальный операционный усилитель, резистивный делитель, два резистора и два конденсатора, причем первые выводы первого конденсаторов и первого резистора подключены к инвертирующему входу первого инвертирующего операционного усилителя, а их вторые выводы - к выходам первого инвертирующего и дифференциального операционных усилителей, соответственно, первые выводы второго резистора и второго конденсатора подключены к инвертирующему входу второго инвертирующего операционного усилителя, а их вторые выводы - к выходам первого и второго инвертирующих операционных усилителей, соответственно, неинвертирующие входы первого и второго инвертирующих операционных усилителей подключены к общей базе, при этом выход резистивного делителя подключен к неинвертирующему входу дифференциального операционного усилителя, а первый вход к выходу первого инвертирующего операционного усилителя, дополнительно введены третий конденсатор и третий резистор, а также потенциометр, включенный между выходами дифференциального и второго инвертирующего операционных усилителей, а отвод потенциометра и первый вывод третьего резистора подключены к инвертирующему входу дифференциального операционного усилителя, а второй вывод третьего резистора подключен к общей базе, первый вывод третьего конденсатора подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а второй вывод - к входу фильтра, первые выводы четвертого и пятого резисторов резистивного делителя подключены к выходу делителя, а вторые выводы - к первому и второму входам резистивного делителя, выход фильтра подключен к выходу первого инвертирующего операционного усилителя.
Возможность достижения технического результата обусловлена следующими выводами:
достигается расширение частотного диапазона перестройки резонансной частоты и стабильности добротности устройства за счет подключения новых элементов и введения новых связей между элементами, благодаря этому у предлагаемого устройства реализуется независимая перестройка резонансной частоты, добротности и коэффициента передачи, что особенно важно для перестраиваемых фильтров.
На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства. На фиг. 2 приведено семейство амплитудно-частотных характеристик перестраиваемого фильтра.
Активный RC-фильтр содержит первый 1 и второй 2 инвертирующие операционные усилители (ОУ), дифференциальный операционный усилитель (ДОУ) 3, первый 4 резистор, первый 5 конденсатор, второй 6 резистор, второй 7 конденсатор, потенциометр 8, третий 9 конденсатор, третий 10 резистор, резистивный делитель (РД) 11, четвертый 12 резистор, пятый 13 резистор, при этом первые выводы первого 4 резистора, первого 5 и третьего 9 конденсаторов подключены к инвертирующему входу ОУ 1, а их вторые выводы - к выходам, соответственно, ДОУ 3, ОУ 1 и входу фильтра 14, первые выводы второго 6 резистора и второго 7 конденсатора подключены к инвертирующему входу ОУ 2, а их вторые выводы - к выходам, соответственно, ОУ 1 и ОУ 2, не инвертирующие входы ОУ 1 и ОУ 2 подключены к общей базе, потенциометр 8 включен к выходам ОУ 2 и ДОУ 3, а отвод потенциометра 8 и первый вывод третьего 10 резистора подключены к инвертирующему входу ДОУ 3, второй вывод третьего 10 резистора подключен к общей базе, первый Bx1 и второй Вх2 входы РД 11 подключены, соответственно, к выходу ОУ1 и общей базе, выход резистивного делителя РД 11 - к неинвертирующему входу ДОУ 3, первые выводы четвертого 12 и пятого 13 резисторов подключены к выходу РД 11, а их вторые выводы - соответственно, к первому и второму входам РД 11, выходом устройства 15 является выход первого ОУ 1.
Активный RC-фильтр работает следующим образом. При подаче на вход фильтра напряжения постоянного тока (f=0) емкостные сопротивления первого 5, второго 7 и третьего 9 конденсаторов бесконечно большие. При этом первый 1 и второй 2 ОУ имеют бесконечно большие коэффициенты усиления. Для обеспечения работы всех операционных усилителей фильтра в линейном режиме на входах первого 1 и второго 2 ОУ необходимо поддерживать напряжение близким к "нулю". Поэтому для компенсации входного напряжения первого 1 и второго 2 ОУ необходимо со второго резистора 6 снимать напряжение близким к "нулю", но противоположной полярности. Этот баланс непрерывно отрабатывает петля компенсации, включающая ДОУ 3, первый ОУ 1, второй ОУ 2, первый 4 и второй 6 резисторы. При этом выходное напряжение фильтра на клемме 15 при напряжении постоянного тока на входе 14 будет определяться соотношением сопротивлений резисторов 12 и 13.
При увеличении частоты входного сигнала фильтра реактивные сопротивления первого 5, второго 7 и третьего 9 конденсаторов уменьшаются и они будут приближаться по модулю к значениям сопротивлений первого 4 и второго 6 резисторов. До резонансной частоты фильтра входные напряжения на всех усилителях будут близкими по величине к "нулю", следовательно, выходное напряжение фильтра будет минимальным.
При дальнейшем увеличении частоты входного сигнала больше резонансной частоты реактивное сопротивление первого 5, второго 7 и третьего 9 конденсаторов будет уменьшаться, при этом выходное напряжение первого 1 и второго 2 ОУ будут увеличиваться до напряжения инвертирующего входа первого ОУ 1, которое при глубокой величине обратной связи практически будет равно напряжению не инвертирующего входа первого ОУ 1, имеющего нулевой потенциал. Следовательно, напряжение на выходе фильтра с ростом частоты входного сигнала стремится к максимальному значению и при бесконечной частоте входного сигнала будет увеличиваться до максимальной величины.
Изменение добротности в схеме фильтра осуществляется с помощью резистивного делителя напряжения РД 11, коэффициент деления которого определяет глубину общей обратной связи фильтра. РД 11 может быть выполнен в виде последовательно соединенных 12, 13 резисторов, у которых первые выводы подключены к выходу РД 11, а их вторые выводы - соответственно, к первому и второму входам РД 11. При уменьшении величины сопротивления переменного резистора 13 будет уменьшаться величина общей обратной связи, т.е. при этом будет увеличиваться коэффициент передачи по петле обратной связи и, как следствие, будет увеличиваться добротность фильтра.
Изменение резонансной частоты фильтра, т.е. регулирование частоты среза АЧХ, можно производить с помощью потенциометра 8. При изменении положения движка потенциометра 8 в сторону инвертирующего входа ДОУ 3 будет увеличиваться общий коэффициент передачи по петле обратной связи, состоящей из первого 4, второго 6 резисторов, первого 5, второго 7 конденсаторов и потенциометра 8. При этом за счет воздействия двух последовательно включенных интеграторов, реализованных на первом 1 и втором 2 ОУ, частота баланса фаз и амплитуд на выходе первого ОУ 1 повышается пропорционально изменению положения движка потенциометра 8, что и приводит к увеличению резонансной частоты фильтра. При перемещении движка потенциометра 8 вправо по схеме фильтра (к выходу ДОУ 3) уменьшается усиление ДОУ 3, что приводит к снижению частоты среза, т.е. единичное усиление по петле обратной связи будет достигаться на частотах меньших, чем при нахождении движка в левом положении относительно среднего положения движка потенциометра 8. При оптимальном выборе соотношения между величиной потенциометра 8 и третьего 10 резистора, шунтирующего вход ДОУ 3 достаточно малым сопротивлением, обеспечивается широкий предел регулировки частоты среза фильтра при незначительном изменении величины добротности.
Независимое регулирование коэффициента передачи в описываемом фильтре осуществляется посредством изменения соотношения емкостей третьего 9 и первого 5 конденсаторов, за счет изменения емкости третьего 9 конденсатора, а не сопротивлений первого 4 и второго 6 резисторов в частотно-зависимой цепи. Предлагаемая схема фильтра верхних частот дает возможность при достаточно простом элементном исполнении независимо регулировать как резонансную частоту (частоту среза) фильтра, его добротность в широких пределах, так и коэффициент передачи фильтра на верхних частотах, что позволяет обеспечить высокую технологичность и удобство настройки в процессе изготовления фильтра верхних частот и его эксплуатации.
Замена сдвоенных прецизионных переменных резисторов при описанном изменении схемы фильтра на одиночный непроволочный потенциометр позволяет значительно упростить и удешевить изготовление фильтра. Экономия на одно изделие состоит в разнице стоимости одиночного непроволочного потенциометра и сдвоенного прецизионного проволочного потенциометра.