Активный четырехполюсник второго порядка

Активный четырехполюсник второго порядка

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

Сонвз Советскик

Социапистическик

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свнд-ву(22)Заявлено 08.07.81(21) 3313874/18-09 (5t)N. Кл . с присоединением заявки М (23 } П риорнтет

Н 03 Н 11/12 .

Гасударственный квинтет

Опубликовано 0,01.83. Бюллетень М

Дата опубликования описания 09. 01,83

flo делам нэвбретеннй н открытий (53) УДК 621.372.

-5(088.8) (72) Авторы изобретения

В

В.И. Кононенко, Ю.И. Канаев и Л.3. Подольсквй-;1 (71) Заявитель (4) АКТИВНЫЙ ЧЕТЫРЕХПОЛОСНИК ВТОРОГО

ПОРЯДКА т3 т 0-т>(т1

Изобретение относится к радиотех нике и может использоваться в устройствах, предназначенных для выделения сигналов на фоне помех по их. частотному признаку в приемниках сла. бых сигналов, устройствах связи, геофизики, вычислительной техники и др.

Известен активный четырехполюсник . второго порядка, содержащий последовательно соединенные первый операционный усилитель и интегратор, выпол" ненный на втором операционном усилителе, неинвертирующий вход которого подклютен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а также два, подключенных к входу устройства пассивных четырехполюсника, каждый из которых включен между неинвертирующим входом одного операци- ю онного усилителя и выходом другого операционного усилителя (1).

В известном устройстве с двумя операционными усилителями (ОУ) по2 грешность, определяющая потери ком" пенсации, вычисляется по формуле где F u F - граничная частота oneрационных усилителей (ОУ);

f и 4 - собственная частота и добротность активного четырехполюсника; — петлевое усилие, определяемое соотношением резисторов, содержащихся в пассивном четырехполюснике, образован" ном R-цепью.

Отсюда следует, что в известном устройстве имеет место взаимная компенсация высокочастотных полюсов передаточных функций различных ОУ, т.е.имеет место эффект взаимной компенсации потерь. Поэтому оно на двух ОУ

987801 4 частоте полюсов

so характеризуется относительно большим запасом устойчивости, меньшей нестабильностью и позволяют при использовании однотипных ОУ с близкими по величине площадями усиления реализовать в 5-10 раз более высокие значения произведения f Q чем устройства., в которых данныйэффект отсутствует.

Положительные свойства известного устройства наиболее заметно проявля" ются, когда два его ОУ имеют близкую площадь усиления и близкую стабильность. Однако на практике площади уси ления ОУ в среднем отличаются друг от друга в два раза, а в отдельных случаях в 4-5 раза < промышленностью не выпускаются микросхемы с двумя идентичными ОУ). Из формулы (l) видно, что для реализации условия (1= О при F 7 Г, необходимо соответственно увеличить и .тлевое уси.ление, а при F < Г уменьшить его.

Однако от .петлевого усиления зависят практически все основные характеристики резонатора - собственные частоты нулей и полюсов передаточной функции (f< p f0 ), добротности Q и Q нулей и полюсов передаточной функции и т.п. Поэтому, если нарушено исходное (расчетное у значение "= 1, то необходимо далее выполнить настройку схемы на заданную рабочую частоту,за счет изменения номиналов частотозадающих резисторов, которые содержатся в соответствующем пассивном четырехполюснике, выполненном íà RC"цепях, а также настроить схему на заданную добротность. Затем следует вновь осуществить. проверку реализации условия компенсации потерь и при необходимости еще раз повторить все операции по настройке. Таким образом, зависимость частоты и добротности полюсов и ну" лей передаточной функции известного устройства от петлевого усиления о и зависимость от этого же параметра условия компенсации потерь погрешности Д в (1) определяет необходимость и слонность его настройки.

Цель изобретения - расширение диа назона рабочих частот, повышение до бротности и устойчивости, а также . упрощение настройки.

Поставленная цель достигается тем, что в четырехполюсник второго порядка, содержащем последовательно соединенные первый операционный усилитель и интегратор, выполненный на втором операционном усилителе, неинвертирующий вход которого подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а также два подключенных ко входу устройства пассивных четырехполюсника, каждый иэ кото. рых включен между инвертирующим вхо1О .дом одного операционного усилителя и выходом другого операционного уси" лителя, введены два резистора, первый из которых включен между неинвертирующим входом первого и инвертирующим

Е входом второго операционных усилителей, а между входами второго операционного усилителя включен второй резистор.

На фиг. 1 приведена функциональщ ная электрическая схема предлагаемо го устройства; на фиг. 2 и 3 — примеры конкретной реализации предлагаемого устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит nep2s вый операционный усилитель (ОУ ) 1, интегратор 2, состоящий из второго ОУ 3, конденсатора 4, резистора 5, два пассивных четырехполюсника 6, 7 и два введенных резистора 8 и 9. щ В устройстве (фиг 2) пассивный четырехполюсник 6 содержит резисторы 10 и 11, образующие R -цепь нулевого порядка, пассивный четырехполюсник 7 содержит резисторы 12 и 13, конденса-:35 тор 14, образующие RC-цепь первого порядка. В устройстве (фиг. 3) пассивный четырехполюсник 6 содержит резис" торы 10 и l l, образующие R.— öåïü нуле вого порядка, пассивный четырехполюс о о ник 7 содержит резисторы 12 и 13, конденсатор 14 и резистор 15, образующие ЙС-цепь первого порядка.

Устройство работает следующим об" разом.

В зависимости от частоты входного сигнала в устройстве создается различная глубина обратной связи, опреде. ляющая величину знаменателя его коэффициента передачи, на собственной о m kC 2ЫС a,и „23RC

<о ю где Я - величина петлевого усиления;

R,,R - сопротивления резисторов 10 и 11.

Знаменатель коэффициента передачи принимает минимальное свое значение, 987801 где и„; и 7 О, и здесь коэффициенты а, а состоят из,разности двух чиг сел, значения которых определяются пассйвными элементами схемы и не зависят от. площади усиления активных приборов. Если в предлагаемом устройстве пассивный четырехполюсник 6 является RC""öånüþ первого по" рядка, а пассивный четырехполюсник 7Я;цепью, то где R<46

;%@ о«

5 определяемое величиной добротности (, равной отношению двух сопротивлений резисторов 10 и 11 (или двух емкостей), от одного или двух из которых не зависит частота f . При этои о в зависимости от того имеют ли пас". сивные четырехполюсники 6 и 7 через соответствующие свои элементы связь или с общей шиной, или (и) с входои устройства и в зависимости от того, в где осуществляется съем сигнала, реализуются те или другие передаточные функции второго порядка (фиг. 2 и 3).

В первом приближении, когда усиле.

we ОУ считается бесконечныиф-ьоо) . резисторы 8 и 9 (Rg, 89 ) не оказывают влияние на работу устройств и на все характеристики, что вытекает из следующего. ОУ как активный при" бор с коэффициентом передачи И по двум своим дифференциальным входаи

"+" и "-" описывается уравнением вида !, †- 4(V+ - Ч),которое устанавливает связи между напряжением на входе ОУ и напряжениями Ui U, дейст" И вующиии между соответствуюцими его входами и общей шиной. Отсюда следует, что разность входных напряжении

Ч+ - Ч = Ч / ф. Поэтому при,Ц - со налрлмения, действующие на входах ОУ. 36

/ равны друг другу, т.е. V = V

Устройство содержит два ОУ, Тогда для первого ОУ 1 напряжения V{ )=

{1)

= Ч{, а для второго ОУ3 напряжения

Кроме того, вход "-" первого ОУ и вход "+" второго ОУ3 соединены между собой. Поэтому напряжения Ч» и Ч{+} равны друг другу при произволь{х} ных значени; х усиления ОУ, Оконча- 4в тельно иие и )

Ч+= V;.= += Ч-, npHР

«) < .Р-) 1Ц

Ч = Ч пр /О Ф const °

Итак, четыре входных вывода двух

ОУ 1 и ОУ 3, из которых два вывода соединены между собой, образуют в устройстве три эквипотенциальных узла, если Ц - о . Подключение резисторов 8 и 9 к таким узлам не изме-. . няет деиствующих на этих узлах напряжений. Поэтому резисторы 8 и 9 не оказывают влияние на все характеристики устройства, рассчитанные при идеальных ОУ (ф " ), в том числе на добротность Q (Q ) и частоту f> (У ) полюсов (нулей) передаточной функции, т,е. (}o fo (! в М (ц

8, 9) °

Конечность усиления ОУ главным об" разом влияет на добротность предлага" еиого устройства, .что позволяет учитывать воздействие резисторов 8 и 9 только на эту его характеристику.

Таким образом, известное и предлагаемое устройства характеризуется одинаковым набором отмеченных ранее положительных свойств при условии, ког". да можно не учитывать конечность усиления ОУ. Отметим, что введение резисторов 8 и 9 в эквипотенциальиые узлы предлагаемого устройства и эквивалентные преобразования, связанные с переключениями выводов ОУ относительно пассивной части схемы, являет" ся двумя достаточно сильными спосо" баии воддействия на одни и те же ха" рактеристики активной цепи, причем, важно, что как те; так и другие не изменяют частотную зависииость первоначально скорректированных ОУ. Расчеты показывают, что для предлагаемого устройства погрешность ф имеют вид сопротивление резистора 5; сопротивление частотозадаещего резистора, который содержится в кС-цепи первого порядка в даннои случае в пассивном четырехполюснике 7 сопротивления резисторов 10 и 119, -цепи устройства (в данном случае пассивного четырехполюсника б), определяющие его петлевое усиление 2Г = Rqoe«7 9878

Для схем,в которых йассивный четырех полюсник 6 является й"цепью, а пас- сивный четырехполюсник 7 является С-цепью первого порядка (фиг. 3), можно проводимости 59 1/ g резистора 9 придать граничное значение, Равное нулю(Gg = О), что соответствует исключению этого резистора из схемы. Тогда в выражении (5 ) для погрешности коэффициенты !О

0 = Ф .-.И =

10. 8

Е-сли ((fq)g = 0,2, то fpgp б 10 для предлагаемого устройства и () .(0,4 10 äëÿ известного устройства.

Таким образом, предлагаемое уст" ройство позволяет повысить доброт ность, полосу рабочих частот, стабильность и устойчивость. Во-вторых, так

Полагая в

R Jg = 2 и, например1 (Rg= 0,4, р, (g 2, 4, реализуем условие С @ = О при равенстве нулю коэффь,клиентов а и.а . Аналогично, если в (7) принять

Ъ = В = r (T =1), Rg= В„,=К, то фц= О при а4 — — О и а - — — О. Отсюда и из формулы для погрешности известной схемы видно, что в предлагаемой схеме условие d q = О реализуется при а = О и а = О, в известной схе4 ме - при а1 ф О и a<4 О (а„т О, 30 а < О) . Таким образом, s известной схеме имеет место взаимная ко@пенса" ция высокочастотных полюсов передаточных функций активных приборов типа

ОУ, а в предлагаемой схеме - собствен35 ная компенсация. Это различие обьясняется следующим. Обе схемы содержат в петле обратной связи два канала передачи сигнала. При этом в известной схеме в каждом из этих каналов

40 за счет неидеальностей ОУ создаются дополнительные (паразитные ) фазовые сдвиги противоположного знака. В предлагаемой схеме по1 решность потерь d q (компенсация дополнительных

45 фазовых сдвигов) реализуется иначе.

Из формул (g) — (7) видно, что если в схеме удалить резисторы 8 и 9, т.е. принять 1/gg = 1/g> = О, то погрешность 4 < О. Отсюда видно, что при этом предлагаемая схема работает аналогично схемам на интеграторах - схеме типа биквад, схеме переменных состояний и др. Для данной схемы погрешность Д < О,так .как в ней имеются ОУ, охваченные через конденсаторы местной обратной связью. Резисторы 8 и 9 через weменты соответствующих пассивных четы-01 8 рехполюсников 6 и 7 шунтируют эти конденсаторы и тем самым компенсируют их воздействие и воздействие площади усиления ОУ на добротность схемы. При этом шунтирование производится таким образом, что резисторы 8 и 9 не влияют на основные характеристики схемы, рассчитанные при идеальных

ОУ(/Л - со). В предлагаемом устройстве с соб= ственной компенсацией неидеальностей

ОУ добротность в значительной степени меньше зависит от площади усиления ОУ, чем в известном устройстве с взаимной компенсацией ° Зависимость же от пассивных элементов условия компенсации / = 0 практически одинакова в обоих схемах. Однако этой зависимостью можно пренебречь, так как, во-первых, допуск на технологический разброс резисторов контролируется и в соответствии с ТУ для различных типов резисторов составляет величину от O,l до 5i, а площадь усиления активных приборов типа ОУ в соответствии с ТУ определяется только по нижней границе (Г Ъ 0,8 10 Гц)

6 и имеет сравнительно большой первоначальный технологический разброс и, во-вторых, температурная стабильность резисторов в 5-10 раз выше стабильности площади усиления и других параметров ОУ.

Учитывая все это, можно сделать следующие выводы.

Во-первых, при прочих равных условиях, т.е. на одной и той же рабочей частоте и при одной и ой же реализуемой добротности, ожидаемое темпе" ратурное отклонение погрешности(О Q)g от своего первоначального значения @ = 0 в предлагаемом устройстве будет в 2-3 раза ниже, чем в известном устройстве. Для грубого эмпирического расчета можно считать, что данное температурное отклонение при пере паде температур в 60-80 С определяет" о ся соответственно по формулам (6 );-О, .,,С,JF и (d<),=O,SZ,g,(p.

9 - 987801

Рктивный четырвхполюсник второго порядка, содержащий последовательно соединенные первый операционный усилитель и интегратор,. выполненный на втором операционном усилителе, немнвертирующий вход которого подключен к инвертирующему входу первого опера. ционного усилителя, а также два под" ключенных к в оду устройства nac" сивных четырехполюСнйка, каждый из ,которых включен между неиивертирую" щим входом, одного операционного усилителя и выходом другого операционного усилителя, о т л и ч а ю щ и й" с я тем, что, с целью расширения диа пазона рабочих частот, повышения добротности и устойчивости, а также упрощения настройки, введены два резистора, первый из которых включен между неинвертирующим входом первого и инвертирующим входом второго операционного усилителя, а между входами второго операционного усилителя вклю чен второй резистор.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент ФРГ и 2317644, кл. Н 03 Н 11/00, 1975 (прототип . как в устройстве условие компенсации неидеальностей каждого активного при.бора типа ОУ определяется разностью двух чисел, значения которых в основ ном зависят только от сопротивлений резисторов, в том числе от сопротив" лений резисторов 8 и 9, от которых, в свою очередь, не зависят основные характеристики резонатора, то реализация данного условия возможна при 1о расчетных (или близких к расчетным Р значениям соответствующих сопротивлений и при произвольном начальном разбросе параметров ОУ известное устройство таким свойством не обладает ° и

1 что упрощает, а практически исключа- . ет, настройку предлагаемого устройства по данному критерию.

Таким образом, в предлагаемом уст- m ройстве можно реализовать более высо> кие значения произведения рабочей частоты на добротность Qо при оп" ределеннои температурной стабильности или иметь выигрыш по стабильности as при определенном значении произведе" нияЦЯои, кроме того, в нем значительно упрощена настройка по реализации условия компенсации неидеальностей активных приборов. зо!

О

Формула изобретения

987801

Составитель А. Меньшикова

Редактор H. Ковалева Техреду Таланта Коооекторй, Бокшай

Заказ 10)25//1Г Тираж 934 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ИДО Яд Москва H"ß Раушская наб.д ц. 4/g филиал ПЙП патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4