авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


На правах рукописи

КЬЮ ТХИХА

КОМПЛЕКСНЫЕ АКТИВНЫЕ RC-ФИЛЬТРЫ

С РАСШИРЕННЫМ ЧАСТОТНЫМ ДИАПАЗОНОМ

Специальность 05.12. 04 – Радиотехника, в том

числе

системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2013

Работа выполнена на кафедре Радиоприемных устройств федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (НИУ «МЭИ») доктор технических наук, профессор

Научный руководитель:

ГРЕБЕНКО Юрий Александрович

Официальные оппоненты: МАСЛЕННИКОВ Валерий Викторович доктор технических наук, профессор, профессор кафедры Электронных измерительных систем НИЯУ «МИФИ»

СТАРИКОВСКИЙ Анатолий Иванович кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры Радиосистем передачи информации «МГТУ МИРЭА»

Научно-исследовательский институт

Ведущая организация:

приборостроения имени В.В. Тихомирова (г. Жуковский)

Защита состоится 05 декабря 2013г. в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при НИУ «МЭИ» по адресу:

111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «_» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157. кандидат технических наук, доцент Т.И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Активные RC-фильтры на базе операционных усилите лей (ОУ) достаточно широко используются в устройствах обработки сигналов.

Методы расчета активных RC-фильтров на базе ОУ разрабатывались на протя жении многих десятилетий прошлого века и отражены в работах Хьюлcмана Л.П., Митры С.Л., Гаузи М., Лакера К., Ланнэ А.А., Масленникова В.В., Оста пенко Л.Г., Христича В.В и многих других.

Одним из главных недостатков активных RC-фильтров на ОУ является ограниченный рабочий частотный диапазон, обусловленный частотными свой ствами ОУ, усиление которых заметно падает с увеличением частоты обраба тываемого 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 высо кие скорости нарастания выходного напряжения (до 6500 В/мкс). Несимметрия входов, когда инвертирующий вход низкоомный, а неинвертирующий вход вы сокоомный, привела к изменению схемотехнических реализаций активных RC фильтров, Рабочий диапазон активных RC-фильтров на ОУ расширился до еди ниц МГц. И, наконец, в настоящее время появились ОУ, которые называют полностью дифференциальными ОУ (ПДОУ) с обратной связью по току. Они имеют симметричные низкоомные входы и выходы. Рабочий частотный диапа зон активных RC-фильтров на ПДОУ расширился до десятков МГц.

В современных РПУ перенос спектра сигнала на низкую промежуточную частоту осуществляется с использованием квадратурных преобразователей час тоты. 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 тре бует 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 полино мами Баттерворта или Бесселя, обеспечивая ФЧХ, которые близки к линейным.

Можно выделить отдельное направление исследований связанное с ис пользованием 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 струк турных схем, позволило уменьшить влияние разброса параметров пассивных элементов на частотные характеристики фильтров практически до теоретиче ского минимума. Важным достоинством активных RC-фильтров на идентичных звеньях можно считать удобство изменения параметров АЧХ (полосы пропус кания и центральной частоты) без изменения ее формы. Это достигается син хронным изменением аналогичных параметров АЧХ идентичных звеньев.

Параметры АЧХ комплексных фильтров можно перестраивать, если реа лизовывать комплексный фильтр на базе идентичных звеньев. Важным момен том 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 типов ОУ, поэтому тема диссертационной рабо ты является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка методов расчета и реализации комплексных полосовых и режекторных активных фильтров высо кого порядка на базе современных широкополосных ОУ.

Задачи диссертационной работы:

1. Разработка методов расчета комплексных режекторных фильтров на идентичных звеньях.

2. Разработка схем и оценка рабочего диапазона частот полосовых и режек торных комплексных фильтров на базе транскондуктивных ОУ.

3. Разработка схем и оценка рабочего диапазона частот полосовых ком плексных фильтров на базе ОУ с обратной связью по току.

4. Разработка схем и оценка рабочего диапазона частот комплексных полосо вых и режекторных фильтров на базе полностью дифференциальных ОУ.

5. Исследование возможностей перестройки полосы пропускания и цен тральной частоты комплексных фильтров высокого порядка при сохране нии 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 комплекс ного 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, используя стабильные широкополосные усилительные 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 впервые определены рабочие частотные диапазоны комплексных полосовых и режекторных фильт ров 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 многочис ленных примерах, апробацией основных результатов на научно-технических конференциях, публикацией основных результатов в научно-технических жур налах и сборниках.

Основные положения, выносимые на защиту:

1). Использование транскондуктивных ОУ позволяет реализовывать по лосовые 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 усилительных сек ций.

3). Использование ОУ с обратной связью по току позволяет расширить рабочий частотный диапазон комплексных активных RC-фильтров высо кого порядка на идентичных звеньях до десятков МГц.

4). При реализации структурных схем режекторных фильтров без обратных связей, охватывающих один каскад рекомендуется использовать предложен ную 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 высо кого порядка на идентичных звеньях до 100 и более мегагерц.

6). При реализации структурных схем без обратных связей, охватываю щих один каскад, рекомендуется использовать предложенную схему ба зовых звеньев на двух ПДОУ с обратной связью по току.

Практическая значимость работы обусловлена разработкой удобных для использования в инженерной практике методик проектирования комплекс ных 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 сде лано 5 докладов на международных научно-технических конференциях студен тов 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, че тырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации с при ложением 150 страниц, включая 148 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 70 библиографических наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Во введении отражен современный уровень схемотехники комплексных активных фильтров на базе современных быстродействующих ОУ. Сформули рованы цель и задачи исследования.

В первой главе приводятся общие сведения об аналоговых комплексных сигналах и фильтрах. Рассматривается методика расчета комплексных анало говых полосовых и режекторных фильтров на идентичных звеньях с использо ванием структурированных НЧ-прототипов. Предлагается следующая последо вательность действий при проектировании комплексных полосовых и режек торных фильтров на идентичных звеньях:

1). Рассчитываем или выбираем структурированный НЧ прототип, соот ветствующий заданному виду и порядку аппроксимации, а также определенно му НЧ-прототипу базового звена.

2). Разрабатываем принципиальную схему комплексного базового звена.

3). Разрабатываем принципиальную схему комплексного фильтра.

Для упрощения расчетов предлагается определять структурную схему цифрового фильтра высокого порядка, оперируя с НЧ-прототипами. В этом случае для определения структурной схемы НЧ-прототипа необходимо знать:

передаточную функцию НЧ-прототипа фильтра в виде дробно рационального выражения T(s);

НЧ-прототип базового звена K(s).

Процедура расчета структурированного НЧ-прототипа состоит из сле дующих этапов:

1). По передаточной функции НЧ-прототипа базового звена находим об ратную функцию s(K).

2). Подставляем s(K) в заданную передаточную функцию НЧ-прототипа фильтра и преобразуем полученную функцию T(K) к дробно-рациональному виду.

3). Реализуем найденную передаточную функцию T(K) в виде структур ной схемы.

Передаточная функция базового звена должно быть дробно-рациональной (а0 а1s) функцией первого порядка K ( s). В этом случае можно найти обрат (b0 b1s) ( Kb0 a0 ) ную функцию s( K ).После подстановки s(K) в T(s) получим T(K), ко (a1 Kb1 ) торую можно преобразовать дробно-рационального виду. Функции T(K) мож но поставить в соответствие структурную схему, которую называют структури рованным НЧ-прототипом.

Затем разрабатываем схему базового звена. При проектировании ком плексных полосовых фильтров предлагается сначала рассчитать передаточную функцию базового звена фильтра нижних частот (ФНЧ), используя замену пе ременных s(р)=р/п, а при проектировании комплексных режекторных фильт ров предлагается сначала рассчитать передаточную функцию базового звена фильтра верхних частот (ФВЧ), используя замену переменных s(р)= п/р. Затем находим передаточные функции базовых звеньев комплексных полосовых и режекторных фильтров, используя замену переменной “p” на “p-j0”.

Рассмотрено проектирование базовых комплексных звеньев полосовых и режекторных комплексных фильтров с НЧ-прототипами базового звена трех видов: К1(s) = -1/s, К2(s) = -s, К3(s) = -1/(s+a). С использованием таких прото типов реализуются наиболее распространенные структурные схемы НЧ прототипов: каноническая, последовательная каноническая без обратных свя зей, охватывающих один каскад, последовательная без обратных связей, охва тывающих один каскад, многопетлевая. В результате разработаны четыре ос новных структурных схемы базовых звеньев, которые в дальнейшем использу ются при проектировании различных полосовых и режекторных фильтров. Это структурная схема на дифференциаторах (рис.1), схема на интеграторах (рис.2), схема на неидеальных интеграторах (рис.3) и комбинированная схема (рис.4).

Рис.1. Схема на дифференциаторах Рис. 2. Схема на интеграторах Рис.3. Схема на неидеальных интеграторах Рис.4. Комбинированная схема Для нахождения принципиальной схемы комплексного фильтра снача ла необходимо преобразовать структурную схему ФНЧ на идентичных звеньях в структурную схему комплексного фильтра на комплексных иден тичных звеньях. Такое преобразование иллюстрируется рисунками 5 и 6.

Рис. 5. Каноническая структурная схема Рис. 6. Каноническая структурная схема комплекс вещественного фильтра ного фильтра Отметим, что при преобразовании структурной схемы параметры прямых и обратных связей не изменяются, поэтому никаких дополнительных расчетов проводить не нужно.

На основе полученной структурной схемы составляем полную принципи альную схему комплексного фильтра, заменяя условные изображения базовых звеньев их принципиальными схемами, и проводим расчет дополнительных сумматоров на базе ОУ.

Во второй главе рассматриваются комплексные активные фильтры на ба зе операционных транскондуктивных усилителей (ОТУ). Транскондуктивный усилитель является источником тока, управляемым напряжением (ИТУН), Для ИТУН основным параметром передачи является крутизна Gm. Вы ходной ток Iвых связан с входным дифференциальным напряжением V через передаточную проводимость усилителя Gm соотношением:

Iвых = GmV (2.1) В зависимости от способа включения ОТУ может работать либо как усили тель, либо как резистор. На основе ОТУ можно реализовать сумматор, интегра тор и неидеальный интегратор. Эти устройства входят в состав комплексных базовых звеньев и схем комплексных фильтров высокого порядка. Крутизна ОТУ обладает низкой температурной стабильностью. Поэтому целесообразно рассмотреть задачу разработки стабильного широкополосного усилителя с ог раниченным коэффициентом усиления на базе транскондуктивного ОУ, что по зволит проектировать звенья 1-го порядка, обладающие высокой температур ной стабильностью. В качестве структуры для построения широкополосной стабильной усилительной секции (ШУС) была выбрана известная структура “со связью вперёд”, которая обычно реализуется на основе усилителей, по своим параметрам близких к источнику напряжения управляемого напряжением (ИНУН). В диссертации разработана структурная схема ШУС на базе ИТУН и полученная на ее основе схема ШУС на базе ОТУ, которая показана на рис.7.

На основе ШУС были разрабо Iy 2m таны схемы базовых комплексных NJM13600 Gm NJM13600 Gm звеньев на интеграторах и неиде 20.4 R 2m Iy альных интеграторах. Схема на не идеальных интеграторах показана Iy 2m на рис.8.

NJM13600 Gm На основе базовых звеньев, по Gm=1/R При Iy =2mA, Gm=49мСм. RH строенных на ШУС, были разрабо K0 = Gm*RH.

таны схемы и модели комплексных Рис.7. ШУС на основе ОТУ полосовых фильтров Баттерворта и Чебышева (3 дБ) с канонической, последовательной, канонической без обрат ных связей, охватывающих один каскад, последовательной без обратных свя зей, охватывающих один каскад, и многопетлевой структурными схемами. С помощью разработанных моделей была исследована температурная стабиль ность АЧХ и определен рабочий частотный диапазон комплексных фильтров на базе ОТУ. Показа стабильный сумматор При А= но, что построение уз стабильный ШУС кополосных полосо 2m 2m 20.4 R вых комплексных 2m 2m фильтров связано с 2m ВЫХ 2m Вх существенным увели 120n R C 2m 177. чением числа ОТУ в схеме, и делается вы 2m вод о том, что на ОТУ 2m 20.4 R 2m целесообразно реали 2m ВЫХ 2m зовывать только ши 2m Вх2 120n 117. рокополосные ком C R 2m плексные полосовые Рис.8. Схема базового звена на неидеальных интеграторах с использованием стабильных ШУС и стабильных сумматоров фильтры. Для демон страции эффективности использования ШУС для повышения температурной ста бильности АЧХ комплексных фильтров рассмотрен пример проектирования ком плексного фильтра с НЧ-прототипом Чебышева 5-го порядка. В этом случае без ис пользования ШУС АЧХ фильтра настолько сильно зависят от температуры, что в большинстве реальных ситуаций его применение невозможно. Эта ситуация иллю стрируется приведенными ниже рис.9 и рис.10.

Видно, что темпе КАНОНИЧЕСКАЯ - 5 ПОРЯДОК (ЧЕБЫШЕВА 3-ДБ)+60С до -10С 1. -10С 1. ратурная стабильность 1. +60С +20С 1. АЧХ комплексного 1. 1. 0. фильтра, реализован 0. 0. ного с использованием 0. 0. ШУС, существенно по 0. 0. высилась. Верхняя гра 0. 0. ница рабочего частот 0. 0.001K 60.000K 120.000K 179.999K 239.999K 299.999K ((v(135)+j*v(124))) F ного диапазона разра Рис.9. AЧХ комплексного фильтра на неидеальных ботанных фильтров интеграторах на базе ОТУ определялась по изме КАНОНИЧЕСКАЯ - 5 ПОРЯДОК (ЧЕБЫШЕВА 3-ДБ)+60С до -10С 1. +60С 1. нению АЧХ на 1%, 5%.

+20С 1. 1. 10% при увеличении 0. 0. верхней граничной час 0. 0. -10С тоты полосы пропуска 0. 0. ния. Чем выше допус 0. тимое значение уровня 0. 0. искажения, тем больше 0. 0.001K 60.000K 120.000K 179.999K 239.999K 299.999K ((v(230)+j*v(242))) F значение верхней гра Рис.10. AЧХ комплексного фильтра с использованием стабильных ШУС и стабильных сумматоров ничной частоты рабоче го частотного диапазона. Для полосовых комплексных фильтров различных по рядков, реализованных на ОТУ, были определены значения верхней граничной частоты рабочего диапазона. Исследовались широкополосные полосовые фильт ры, у которых центральная частота равна полосе пропускания (А=2). Изменялись одновременно полоса и центральная частота. Это обеспечивалось синхронным изменением номиналов конденсаторов в базовых звеньях.

Анализ полученных результатов моделирования позволил сделать сле дующие выводы:

1. Верхняя граничная частота рабочего диапазона частот уменьшается с ростом порядка фильтра.

2. Если допустимо изменение АЧХ на 5%, то можно говорить о рабочем частотном диапазоне до единиц мегагерц.

Во второй главе также рассмотрены вопросы проектирования режекторных фильтров на базе ОТУ. Показано, что построение узкополосных режекторных комплексных фильтров связано с существенным увеличением числа ОТУ в схеме. Можно констатировать, что узкополосные режекторные комплексные фильтры на базе ОТУ строить нецелесообразно, а широкополосные режектор ные комплексные фильтры практически не применяются.

В третьей главе рассмотрены полосовые и режекторные фильтры на базе ОУ с обратной связью по току (ОУ с ОСТ). Такого типа ОУ впервые разработала фир ма National Semiconductor в начале 90-х годов прошлого столетия. В последние го ды многие фирмы предлагают ОУ с ОСТ, которые обеспечивают исключительно высокие скорости нарастания выходного напряжения. Например, ОУ с ОСТ типа THS3001 имеет скорость нарастания выходного напряжения 6500 В/мкс.

В разделе рассмотрены примеры проектирования комплексных полосовых и режекторных фильтров Баттерворта и Чебышева с НЧ-прототипами 4-го по рядка на ОУ с ОСТ. Для расчёта комплексного полосового и режекторного фильтра с НЧ-прототипом использована методика, которая была описана в первой главе. Были рассчитаны схемы полосового комплексного фильтра с канонической структурной схемой на базе интеграторов и дифференциато ров. В первом случае расчет проводился с использованием базового звена с НЧ-прототипом K(s)=-1/s. Полученная передаточная функция комплексного звена была реализована на интеграторах. Во втором случае расчет проводился с использованием базового звена с НЧ-прототипом K(s)=-s. В этом случае комплексное базовое звено было реализовано на дифференциаторах.

Анализ полученных в результате моделирования АЧХ показывает, что в схемах на базе дифференциаторов образуются паразитные каналы прохождения на частотах, относящихся к полосе задерживания. Это недопустимо, поэтому в дальнейшем рассматривались только варианты полосовых фильтров, реализуе мых на интеграторах и неидеальных интеграторах.

В главе отражены результаты расчета комплексных полосовых фильтров с НЧ-прототипами Баттерворта 4-го порядка. Были разработаны модели ком плексных фильтров на базе интеграторов и неидеальных интеграторов, реали зованные в виде канонической, последовательной и многопетлевой схем. С ис пользованием разработанных моделей были проведены исследования частот ных свойств комплексных фильтров на базе ОУ с обратной связью по току.

Для полосовых комплексных фильтров различных порядков, реализованных на ОУ с обратной связью по току, были определены значения верхней граничной частоты рабочего диапазона. Исследовались широкополосные (А=2) и узкопо лосные (А4) полосовые фильтры. У широкополосных фильтров изменялись од новременно полоса и центральная частота. Это обеспечивалось синхронным из менением номиналов конденсаторов в базовых звеньях. У узкополосных фильт ров фиксировалась полоса пропускания, а изменялась центральная частота (па раметр «А») путем изменения идентичных номиналов резисторов.

Анализ полученных результатов моделирования позволяет сделать вывод, что комплексные фильтры на ОУ с обратной связью по току имеют рабочий частотный диапазон до нескольких десятков мегагерц.

В третьей главе также рассмотрены вопросы проектирования режекторных фильтров на базе ОУ с обратной связью по току. Показано, что при использо вании базовых звеньев с НЧ-прототипом K(s) = -s, получается передаточная функция комплексных базовых звеньев, реализуемая на интеграторах.

При использовании базовых звеньев с НЧ-прототипом K(s)=-1/(s+а), получа ются передаточная функция комплексного звена на неидеальных дифферен циаторах. Принципиальная схема комплексного звена соответствующая та кой структурной схеме показана на рис.11.

Использование предложенной схемы R2 С2 4.16n базового звена позволяет реализовы 6.37n ВХ ВЫХ С вать многопетлевые структурные схе R4 19. R7 130. R3 12.5 AD мы режекторных фильтров, которые характеризуются низкой параметриче R ской чувствительностью.

R AD R2 Четвертая глава посвящена раз C2 4.16n R работке методик расчета комплексных С ВХ2 19. ВЫХ 6.37n AD фильтров высокого порядка на базе полностью дифференциальных ОУ Рис.11. Схема базового звена режекторного (ПДОУ). Полностью дифференциаль фильтра с НЧ-прототипом K(s)=-1/(s+а) ные усилители отличаются тем, что и на входе, и на выходе у них дифференци альный сигнал. Они широко используются для передачи аналоговых сигналов в условиях сильных помех, для подачи сигналов на входы быстродействующих АЦП и во многих других областях. В последние годы появились ПДОУ с об ратной связью по току (ПДОУ с ОСТ), которые имеют частоту единичного усиления больше, чем ПДОУ с обратной связью по напряжению (ОСН). На пример, LMH6554 - ПДОУ с ОСТ имеет частоту единичного усиления 2,8 ГГц.

В диссертации предлагается использовать такие ОУ для проектирования ком плексных фильтров с расширенным диапазоном рабочих частот.

Схемотехника базовых звеньев комплексных фильтров на ПДОУ с ОСТ отличается от схемотехники базовых звеньев на ОУ с ОСТ, поскольку можно исключить инвертор. Примеры схем базовых звеньев на неидеальных интегра торах и неидеальных дифференциаторах, реализованных на базе ПДОУ с ОСТ показаны на рис.12 и рис.13.

R2 309 R2 С C 15.92p R3 100 1.72n ВХ1 R ВЫХ1 С1 ВЫХ ВХ1 R LMH ВХ2 2.65n 10 15.5 R 200 LMH ВЫХ ВЫХ2 С ВХ R1 R 2.65n 10 15.5 R R3 C С 15.92p 1.72n R2 R2 R2 C R2 15.92p R3 С ВХ3 R1 1.72n ВЫХ3 R LMH6554 15. ВХ4 ВХ3 С1 200 ВЫХ ВЫХ R1 R 2.65n LMH6554 ВЫХ ВХ4 С R3 2.65n R C R 15.92p 15. С R2 1.72n R2 Рис. 12. Базовое звено на Рис. 13. Базовое звено на неидеальных интеграторах неидеальных дифференциаторах На базе звеньев на интеграторах и неидеальных интеграторах, реализо ванных на ПДОУ с ОСТ были разработаны модели в среде MicroCap-7 ком плексных полосовых фильтров Баттерворта с НЧ-прототипами (2 – 5) порядков с канонической, последовательной и многопетлевой структурными схемами. С помощью этих моделей было проведено исследование рабочего частотного диапазона комплексных полосовых фильтров на базе ПДОУ. Верхняя граница рабочего частотного диапазона определялась также как в третьей главе. Общие закономерности зависимости верхней граничной частоты комплексного поло сового фильтра (при заданном отклонении АЧХ) от порядка НЧ-прототипа, от вида аппроксимации, от параметра «А» такие же, как для комплексных фильт ров на базе ОУ с обратной связью по току. При этом верхняя граничная часто та широкополосного полосового фильтра в случае использования ПДОУ с ОСТ получается выше и может достигать ста и более мегагерц.

Также были разработаны модели режекторных фильтров на ПДОУ с ОСТ.

При выборе НЧ-прототипа базовых звеньев K(s) = -s, получается передаточная функция комплексных базовых звеньев, реализуемая на интеграторах. Если ис пользуются структурные схемы без обратных связей, охватывающих один кас кад, то НЧ-прототип базовых звеньев имеет вид K(s)=-1/(s+а). В этом случае для реализации передаточной функции комплексного базового звена необ ходимо использовать схему на неидеальных дифференциаторах.

Комплексные режекторные фильтры должны быть узкополосными (А2) и их рабочий частотный диапазон получается уже, чем у широкополосных поло совых фильтров, поэтому их совместное использование возможно в рабочем диапазоне частот, определяемом режекторным фильтром.

В заключении сформулированы следующие основные результаты диссер тационной работы:

1. Разработана методика расчета комплексных аналоговых режектор ных фильтров с использованием НЧ-прототипов, позволяющая разрабатывать комплексные режекторные фильтры без обратных связей, охватывающих один каскад.

2. Исследована возможность реализации комплексных фильтров на иден тичных звеньях на базе ОТУ. Предложен способ повышения температурной стабильности частотных характеристик комплексных фильтров на базе ОТУ, базирующийся на использовании стабильных широкополосных усилительных секций (ШУС).

3. С использованием разработанных в среде MicroCap – 7 моделей иссле дован рабочий частотный диапазон полосовых комплексных фильтров на базе ОТУ и показано, что для широкополосных полосовых фильтров верхняя гра ничная частота полосы пропускания составляет единицы мегагерц.

4. Показано, что узкополосные комплексные полосовые и режекторные фильтры на базе ОТУ реализовывать нецелесообразно, так как схема базового звена получается очень сложной.

5. Исследована возможность реализации комплексных фильтров на иден тичных звеньях на базе ОУ с обратной связью по току. Разработаны схемы ба зовых звеньев на трех ОУ с обратной связью по току на интеграторах, неиде альных интеграторах, неидеальных диффенциаторах.

6. В среде MicroCap – 7 разработаны модели комплексных полосовых фильтров Баттерворта с НЧ-прототипами 2 - 5 порядков, реализованных с ис пользованием канонической, последовательной и многопетлевой структурных схем на базе ОУ с обратной связью по току.

7. С использованием разработанных моделей исследован рабочий частот ный диапазон полосовых комплексных фильтров на базе ОУ с обратной связью по току и показано, что для широкополосных полосовых фильтров верхняя гра ничная частота полосы пропускания составляет десятки мегагерц.

8. Исследована возможность реализации комплексных фильтров на иден тичных звеньях на базе ПДОУ с обратной связью по току. Разработаны схемы базовых звеньев на двух ОУ с обратной связью по току на интеграторах, неиде альных интеграторах, неидеальных диффенциаторах.

9. В среде MicroCap – 7 разработаны модели комплексных полосовых фильтров Баттерворта с НЧ-прототипами 2 - 5 порядков, реализованных с ис пользованием канонической, последовательной и многопетлевой структурных схем на базе ПДОУ с обратной связью по току.

10. С использованием разработанных моделей исследован рабочий час тотный диапазон полосовых комплексных фильтров на базе ПДОУ с обратной связью по току и показано, что для широкополосных полосовых фильтров верхняя граничная частота полосы пропускания составляет сотни мегагерц.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гребенко Ю.А., Кью Тхиха. Комплексные активные RC-фильтры на базе операционных транскондуктивных уисилиетлей. // Вестник МЭИ. – 2012, №2. – С.110–114.

2. Гребенко Ю.А., Кью Тхиха. Режекторные комплексные активные RC- фильтры на идентичных звеньях. // Вестник МЭИ. – 2013, №2. – С.54 - 59.

3. Гребенко Ю.А., Кью Тхиха. Комплексные полосовые активные RC фильтры на базе быстродействующих интегральных операционных усилителей с обратной связью по току. // Вестник МЭИ. – 2013, № 4. – С.115 - 119.

4. Богатырёв Е.А., Кью Тхиха. Исследование и разработка многокаскадного УПЧ с распределенной избирательностью на базе интегральных операционных усилителей. // Радиотехнические тетради. – 2011. №46, – С.15-21.

5. Кью Тхиха, Богатырёв Е.А. Исследование и разработка многокаскадного УПЧ с распределенной избирательностью на базе интегральных операционных усилителей.//Тезисы Докладов. Радиоэлектроника, Элек тротехника и Энергетика. Семнадцатая международная научно техническая конференция студентов и аспирантов. МЭИ. 2425 февраля 2011 г. – М.: C.487.

6. Кью Тхиха, Гребенко Ю.А. Комплексные активные RC-фильтры на базе операционных транскондуктивных уисилиетлей. - М.: //Тезисы Докладов.

Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика. Восемнадцатая между народная научно-техническая конференция студентов и аспирантов.

МЭИ. 12 марта 2012 г. – М.: C.316.

7. Кью Тхиха, Гребенко Ю.А. Комплексные активные RC-фильтры на базе быстродействующих интегральных операционных уисилиетлей с обраной связью по току. //Тезисы Докладов. Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика. Восемнадцатая международная научно-техническая конфе ренция студентов и аспирантов. МЭИ. 12 марта 2012 г. – М.: C.316.

8. Кью Тхиха, Гребенко Ю.А. Комплексные активные RC-фильтры на базе полностью дифференциальных усилителей. //Тезисы Докладов. Радио электроника, Электротехника и Энергетика. Девятнадцатая международ ная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. МЭИ. февраля1 марта 2013 г. – М.: C.280.

9. Кью Тхиха, Сое Ко Ко, Гребенко Ю.А. Комплексные режекторные фильтры на операционных усилителях. //Тезисы Докладов. Радиоэлек троника, Электротехника и Энергетика. Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. МЭИ. 28 фев раля1 марта 2013 г. – М.: C.280.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.