Введение к работе
Актуальность. Активные RC-фильтры на базе операционных усилителей (ОУ) достаточно широко используются в устройствах обработки сигналов. Методы расчета активных RC-фильтров на базе ОУ разрабатывались на протяжении многих десятилетий прошлого века и отражены в работах Хьюлcмана Л.П., Митры С.Л., Гаузи М., Лакера К., Ланнэ А.А., Масленникова В.В., Остапенко Л.Г., Христича В.В и многих других. Можно выделить отдельное направление исследований, связанное с использованием идентичных звеньев при построении активных RC-фильтров. Это направление базируется на работах Гребенко Ю.А., Савкова Н.Н., Ермакова А.В., Чжо Зей Я. Использование идентичных звеньев и многопетлевых структурных схем, позволило уменьшить влияние разброса параметров пассивных элементов на частотные характеристики фильтров практически до теоретического минимума. Важным достоинством активных RC-фильтров на идентичных звеньях можно считать удобство изменения параметров АЧХ (полосы пропускания и центральной частоты) без изменения ее формы. Это достигается синхронным изменением аналогичных параметров АЧХ идентичных звеньев.
Одним из главных недостатков активных RC-фильтров на ОУ является ограниченный рабочий частотный диапазон, обусловленный частотными свойствами ОУ, усиление которых заметно падает с увеличением частоты обрабатываемого сигнала. В 70-е годы прошлого века появились транскондуктивные усилители, которые являются источниками тока, управляемыми напряжением. Возникли новые схемные решения, а реализованные активные RC-фильтры стали выполнять свои функции на частотах до сотен килогерц.
В 90-е годы прошлого века фирма National Semiconductor разработала ОУ с низкоомным входом для сигнала отрицательной обратной связи, называемые ОУ с обратной связью по току. Такие ОУ обеспечивают исключительно высокие скорости нарастания выходного напряжения (до 6500 В/мкс). Несимметрия входов, когда инвертирующий вход низкоомный, а неинвертирующий вход высокоомный, привела к изменению схемотехнических реализаций активных RC-фильтров, Рабочий диапазон активных RC-фильтров на ОУ расширился до единиц МГц. И, наконец, появились ОУ, которые называют полностью дифференциальными ОУ (ПДОУ) с обратной связью по току. Они имеют симметричные низкоомные входы и выходы. Рабочий частотный диапазон активных RC-фильтров на ПДОУ расширился до десятков МГц.
В современных РПУ перенос спектра сигнала на низкую промежуточную частоту осуществляется с использованием квадратурных преобразователей частоты. На выходе такого преобразователя возникает комплексный сигнал. Если этот комплексный сигнал пропустить через комплексный аналоговый фильтр, то можно подавить зеркальный канал приема. Комплексные активные RC-фильтры исследованы в меньшей степени, чем вещественные. С появлением новых типов ОУ существенно изменяются схемотехнические решения, что требует проведения дополнительных исследований рабочего частотного диапазона комплексных фильтров на базе таких ОУ.
С появлением ПДОУ просматривается возможность реализации на их основе усиления и фильтрации комплексных сигналов промежуточной частоты, имеющих ширину полосы спектра до десятков МГц. При этом будет возможно выбирать форму АЧХ и ФЧХ, например, использовать гладкие аппроксимации АЧХ полиномами Баттерворта или Бесселя, обеспечивая ФЧХ, которые близки к линейным.
Параметры АЧХ комплексных фильтров можно перестраивать, если реализовывать комплексный фильтр на базе идентичных звеньев. Важным моментом является разработка перестраиваемых режекторных комплексных активных RC-фильтров, используемых для подавления узкополосных помех в полосе сигнала до проведения аналого-цифрового преобразования.
Расширение рабочего частотного диапазона комплексных полосовых и режекторных фильтров на идентичных звеньях может быть достигнуто за счет использования схемотехнических решений комплексных активных RC-фильтров на базе современных широкополосных ОУ, поэтому тема диссертационной работы является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка методов расчета и реализации комплексных полосовых и режекторных активных фильтров высокого порядка на базе современных широкополосных ОУ.
Задачи диссертационной работы:
-
Разработка методов расчета комплексных режекторных фильтров на идентичных звеньях.
-
Разработка схем и оценка рабочего диапазона частот полосовых и режекторных комплексных фильтров на базе транскондуктивных ОУ.
-
Разработка схем и оценка рабочего диапазона частот полосовых комплексных фильтров на базе ОУ с обратной связью по току.
-
Разработка схем и оценка рабочего диапазона частот комплексных полосовых и режекторных фильтров на базе полностью дифференциальных ОУ.
-
Исследование возможностей перестройки полосы пропускания и центральной частоты комплексных фильтров высокого порядка при сохранении формы АЧХ.
Объектом исследования являются комплексные активные RC-фильтры высокого порядка на идентичных звеньях, реализуемые на современных типах широкополосных операционных усилителей.
Методы исследования. Применительно к объектам исследования для решения поставленных задач используются методы теории функций комплексного переменного, методы теории графов, методы линейной алгебры, методы теории чувствительности, методы математического моделирования.
Научная новизна работы:
1). Разработана методика расчета режекторных комплексных фильтров высокого порядка на базе идентичных звеньев.
2). Для обеспечения температурной стабильности частотных характеристик аналоговых комплексных фильтров на базе транскондуктивных ОУ предложено строить их на основе разработанных стабильных широкополосных усилительных секции.
3). Разработаны новые схемы базовых звеньев полосовых и режекторных фильтров высокого порядка на базе транскондуктивных ОУ.
4). Разработаны новые схемы базовых звеньев полосовых и режекторных фильтров высокого порядка на базе ОУ с обратной связью по току.
5). Разработаны новые схемы базовых звеньев полосовых и режекторных фильтров высокого порядка на базе полностью дифференциальных ОУ (ПДОУ) с обратной связью по току.
6). С помощью схемотехнического моделирования проведена оценка рабочих частотных диапазонов комплексных полосовых и режекторных фильтров на базе транскондуктивных ОУ, на базе ОУ с обратной связью по току, на базе ПДОУ с обратной связью по току.
Достоверность разработанных в диссертации методик проектирования подтверждается результатами схемотехнического моделирования в многочисленных примерах, апробацией основных результатов на научно-технических конференциях, публикацией основных результатов в научно-технических журналах и сборниках.
Основные положения, выносимые на защиту:
1). Использование транскондуктивных ОУ позволяет реализовывать полосовые и режекторные комплексные активные RC-фильтры высокого порядка на идентичных звеньях в диапазоне до сотен кГц.
2). Температурную стабильность фильтров на транскондуктивных ОУ можно обеспечить путем использования стабильных широкополосных усилительных секций при построении базовых звеньев.
3). Использование ОУ с обратной связью по току позволяет расширить рабочий частотный диапазон комплексных активных RC-фильтров высокого порядка на идентичных звеньях до единиц МГц.
4). При реализации структурных схем режекторных фильтров без обратных связей, охватывающих один каскад рекомендуется использовать предложенную схему базовых звеньев на трех ОУ с обратной связью по току.
5). Использование ПДОУ с обратной связью по току позволяет расширить рабочий частотный диапазон комплексных активных RC-фильтров высокого порядка на идентичных звеньях до десятков мегагерц.
6). При реализации структурных схем без обратных связей, охватывающих один каскад, рекомендуется использовать предложенную схему базовых звеньев на двух ПДОУ с обратной связью по току.
Практическая значимость работы обусловлена разработкой удобных для использования в инженерной практике методик проектирования комплексных полосовых и режекторных активных RC-фильтров на идентичных звеньях с расширенным частотным диапазоном. Результаты моделирования позволяют говорить о возможности реализации фильтров промежуточной частоты на ОУ. Результаты работы используются при выполнении ОКР, а также при курсовом и дипломном проектировании на радиотехническом факультете МЭИ.
Апробация результатов работы. По основным результатам работы сделано 5 докладов на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в 2010-2013 г.
Публикации по теме диссертационной работы. Основные результаты диссертации изложены в 9 печатных работах, среди которых 3 статьи в журнале «Вестник МЭИ», входящем в список ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации с приложением 150 страниц, включая 148 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 70 библиографических наименований.
