[go: up one dir, main page]

RU2830068C1 - Tunable band-pass active rc filter - Google Patents

Tunable band-pass active rc filter Download PDF

Info

Publication number
RU2830068C1
RU2830068C1 RU2024113954A RU2024113954A RU2830068C1 RU 2830068 C1 RU2830068 C1 RU 2830068C1 RU 2024113954 A RU2024113954 A RU 2024113954A RU 2024113954 A RU2024113954 A RU 2024113954A RU 2830068 C1 RU2830068 C1 RU 2830068C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
filter
operational amplifier
resistors
output
resistor
Prior art date
Application number
RU2024113954A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Михайлович Иншаков
Елена Борисовна Соловьева
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)"
Application granted granted Critical
Publication of RU2830068C1 publication Critical patent/RU2830068C1/en

Links

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: invention relates to means used to select a signal source spectrum. Tunable band-pass active RC-filter additionally contains the third and the fourth inverting operational amplifiers. First outputs of the third, fourth and seventh resistors are connected to the inverting input of the third operational amplifier. Second output of the third resistor is connected to the output of the first operational amplifier. Second leads of the fourth and fifth resistors are connected to the output of the third operational amplifier. First leads of the fifth resistor and the first capacitor are connected to the inverting input of the fourth operational amplifier. Second leads of the sixth and eighth resistors, the second capacitor and the output of the filter are connected to the output of the fourth operational amplifier. Non-inverting inputs of the second, third and fourth operational amplifiers are connected to the common filter base. Fourth resistor is in form of a tunable memristor. First and third resistors are adjustable.
EFFECT: possibility of independent readjustment of the main filter parameters: resonance frequency, pole quality factor and filter transfer coefficient at resonance frequency.
1 cl, 3 tbl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к средствам, используемым для выделения спектра источника сигнала, например, при обработке аналого-цифровыми преобразователями. Полосовые активные RC-фильтры относятся к числу распространенных аналоговых устройств, определяющих качественные показатели многих радиотехнических систем при цифровой обработке сигналов.The invention relates to means used to isolate the spectrum of a signal source, for example, when processing by analog-to-digital converters. Bandpass active RC filters are among the common analog devices that determine the quality indicators of many radio engineering systems during digital signal processing.

Известен активный RC-фильтр, (патент RU 2694134, МПК H03H 11/1252, "Полосовой ARC-фильтр на двух операционных усилителях с повышением частоты полюса и независимой подстройкой основных параметров", опубл. 07.09.2019). Фильтр содержит вход и выход устройства, первый операционный усилитель, выход которого соединен с выходом устройства, первый резистор, включенный между выходом и инвертирующим входом первого операционного усилителя, второй и третий последовательно соединенные резисторы, включенные между инвертирующим входом первого операционного усилителя и общей шиной источников питания, первый конденсатор, включенный между общим узлом последовательно соединенных вторым, третьим резисторами и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, четвертый резистор, первый вывод которого соединен с выходом первого операционного усилителя, пятый резистор, первый вывод которого связан с общей шиной источников питания, шестой резистор, первый вывод которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, седьмой резистор, первый вывод которого соединен со входом устройства, вторые выводы шестого и седьмого резисторов соединены с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а восьмой резистор включен между выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя связан с общей шиной источников питания, выход второго операционного усилителя связан через девятый резистор со вторым выводом четвертого резистора, который подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя и второму выводу пятого резистора через второй конденсатор.An active RC filter is known (patent RU 2694134, IPC H03H 11/1252, "Band-pass ARC filter on two operational amplifiers with pole frequency increase and independent adjustment of the main parameters", published 09/07/2019). The filter comprises an input and an output of the device, a first operational amplifier, the output of which is connected to the output of the device, a first resistor connected between the output and the inverting input of the first operational amplifier, second and third series-connected resistors connected between the inverting input of the first operational amplifier and the common power supply bus, a first capacitor connected between the common node of the series-connected second, third resistors and the non-inverting input of the first operational amplifier, a fourth resistor, the first terminal of which is connected to the output of the first operational amplifier, a fifth resistor, the first terminal of which is connected to the common power supply bus, a sixth resistor, the first terminal of which is connected to the inverting input of the first operational amplifier, a seventh resistor, the first terminal of which is connected to the input of the device, the second terminals of the sixth and seventh resistors are connected to the inverting input of the second operational amplifier, and an eighth resistor is connected between the output and the inverting input of the second operational amplifier, the non-inverting input of the second operational amplifier is connected to the common power supply bus, the output of the second operational amplifier connected through the ninth resistor to the second terminal of the fourth resistor, which is connected to the non-inverting input of the first operational amplifier and the second terminal of the fifth resistor through the second capacitor.

Существенный недостаток полосового фильтра состоит в том, что в нем не обеспечивается независимая перестройка основных параметров схемы: резонансной частоты, полюсной добротности и коэффициента передачи. Это усложняет расчет параметров элементов схемы перестраиваемого полосового активного RC-фильтра.A significant disadvantage of the bandpass filter is that it does not provide independent reconfiguration of the main parameters of the circuit: resonant frequency, pole quality factor and transfer coefficient. This complicates the calculation of the parameters of the circuit elements of a reconfigurable bandpass active RC filter.

Известен активный RC-фильтр, (патент RU №2718830 МПК H03H 11/12, "Полосовой фильтр второго порядка с независимой подстройкой основных параметров", опубл. 2019.11.25). Фильтр содержит вход и выход устройства, первый и второй дифференциальные операционные усилители, первый, второй и третий последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом второго дифференциального операционного усилителя, связанного с выходом устройства, и общей шиной источника питания, причем общий узел первого и второго последовательно соединенных резисторов подключен к инвертирующему входу второго дифференциального операционного усилителя, а общий узел второго и третьего последовательно соединенных резисторов связан с неинвертирующим входом второго дифференциального операционного усилителя через первый конденсатор, четвертый и пятый последовательно соединенные резисторы, включенные между выходом первого дифференциального операционного усилителя и входом устройства, причем инвертирующий вход первого дифференциального операционного усилителя соединен с инвертирующим входом второго дифференциального операционного усилителя через шестой резистор, а неинвертирующий вход первого дифференциального операционного усилителя связан с общей шиной источника питания, выход первого дифференциального операционного усилителя связан с неинвертирующим входом второго дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные второй конденсатор и седьмой резистор, причем общий узел из последовательно соединенных второго конденсатора и седьмого резистора подключен к общей шине источника питания через восьмой резистор и связан с выходом устройства через третий конденсатор.An active RC filter is known (patent RU No. 2718830 IPC H03H 11/12, "Second-order bandpass filter with independent adjustment of the main parameters", published 2019.11.25). The filter comprises an input and an output of the device, first and second differential operational amplifiers, first, second and third series-connected resistors connected between the output of the second differential operational amplifier connected to the output of the device and a common power source bus, wherein the common node of the first and second series-connected resistors is connected to the inverting input of the second differential operational amplifier, and the common node of the second and third series-connected resistors is connected to the non-inverting input of the second differential operational amplifier via the first capacitor, fourth and fifth series-connected resistors connected between the output of the first differential operational amplifier and the input of the device, wherein the inverting input of the first differential operational amplifier is connected to the inverting input of the second differential operational amplifier via the sixth resistor, and the non-inverting input of the first differential operational amplifier is connected to the common power source bus, the output of the first differential operational amplifier is connected to the non-inverting input of the second differential operational amplifier via the series-connected second capacitor and seventh resistor, wherein the common node of the series-connected second capacitor and The seventh resistor is connected to the common bus of the power supply through the eighth resistor and is connected to the output of the device through the third capacitor.

Существенный недостаток полосового фильтра состоит в том, что в схеме используется избыточное число элементов, что усложняет независимую настройку основных параметров фильтра: резонансную частоту, полюсную добротность и коэффициент передачи на резонансной частоте.A significant disadvantage of the bandpass filter is that the circuit uses an excessive number of elements, which complicates the independent adjustment of the main filter parameters: resonant frequency, pole quality factor, and transmission coefficient at the resonant frequency.

Известен перестраиваемый активный RC-фильтр, (патент RU №2722752, МПК H03H 11/12, «Полосовой фильтр с независимой подстройкой частоты полюса, затухания полюса и коэффициента передачи», опубл. 12.11.2019), являющийся наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению. Фильтр содержит вход и выход устройства, первый и второй дифференциальные операционные усилители, первый и второй последовательно соединенные резисторы, включенные между входом устройства и выходом второго дифференциального операционного усилителя, общий узел которых связан с инвертирующим входом второго дифференциального операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине источников питания, восьмой резистор включен между неинвертирующим входом первого дифференциального операционного усилителя и общей шиной источников питания, выход первого дифференциального операционного усилителя соединен с выходом устройства, выход второго дифференциального операционного усилителя связан с инвертирующим входом первого дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные первый конденсатор и четвертый резистор, выход первого дифференциального операционного усилителя связан с неинвертирующим входом первого дифференциального операционного усилителя через последовательно соединенные шестой и седьмой резисторы, общий узел которых связан с общим узлом последовательно соединенных первого конденсатора и четвертого резистора через пятый резистор, выход устройства соединен с инвертирующим входом первого дифференциального операционного усилителя через второй конденсатор и подключен к инвертирующему входу второго дифференциального операционного усилителя через третий резистор.A tunable active RC filter is known (patent RU No. 2722752, IPC H03H 11/12, “Band-pass filter with independent adjustment of pole frequency, pole attenuation and transmission coefficient”, published on 11/12/2019), which is the closest in technical essence to the claimed technical solution. The filter comprises an input and an output of the device, first and second differential operational amplifiers, first and second series-connected resistors connected between the input of the device and the output of the second differential operational amplifier, the common node of which is connected to the inverting input of the second differential operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the common power supply bus, the eighth resistor is connected between the non-inverting input of the first differential operational amplifier and the common power supply bus, the output of the first differential operational amplifier is connected to the output of the device, the output of the second differential operational amplifier is connected to the inverting input of the first differential operational amplifier through a series-connected first capacitor and a fourth resistor, the output of the first differential operational amplifier is connected to the non-inverting input of the first differential operational amplifier through series-connected sixth and seventh resistors, the common node of which is connected to the common node of the series-connected first capacitor and fourth resistor through a fifth resistor, the output of the device is connected to the inverting input of the first differential operational amplifier through the second capacitor and is connected to the inverting input of the second differential operational amplifier through the third resistor.

Существенный недостаток полосового фильтра заключается в сложности выполнения итерационного (пошагового) процесса настройки основных параметров схемы, так как при подстройке одного из параметров фильтра, например, затухания или резонансной частоты, изменяется другой параметр амплитудно-частотной характеристики - коэффициент передачи в полосе пропускания. Поэтому настройку каждого параметра фильтра приходится повторять несколько раз, что значительно усложняет реализацию перестраиваемого полосового активного RC-фильтра.A significant disadvantage of a bandpass filter is the complexity of performing an iterative (step-by-step) process of adjusting the main parameters of the circuit, since when adjusting one of the filter parameters, for example, attenuation or resonant frequency, another parameter of the amplitude-frequency characteristic changes - the transmission coefficient in the passband. Therefore, the adjustment of each filter parameter must be repeated several times, which significantly complicates the implementation of a tunable bandpass active RC filter.

Задача заявляемого изобретения заключается в расширении технических возможностей измерительной аппаратуры за счет независимой перестройки параметров полосового активного RC-фильтра.The objective of the claimed invention is to expand the technical capabilities of measuring equipment by independently adjusting the parameters of a bandpass active RC filter.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявляемого технического решения заключается в возможности независимой перестройки основных параметров фильтра: резонансной частоты, полюсной добротности и коэффициента передачи фильтра на резонансной частоте, при этом перестройка полюсной добротности может быть выполнена при использовании регулируемого мемристора.The technical result that can be obtained by implementing the claimed technical solution consists in the possibility of independent restructuring of the main parameters of the filter: resonant frequency, pole quality factor and filter transmission coefficient at the resonant frequency, while the restructuring of the pole quality factor can be performed using an adjustable memristor.

Для достижения технического результата в перестраиваемом полосовом активном RC-фильтре, содержащем первый и второй инвертирующие операционные усилители, восемь резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого, второго и восьмого резисторов подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а вторые выводы первого и второго резисторов соединены с входом фильтра и выходом первого операционного усилителя, первые выводы шестого резистора и второго конденсатора подключены к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а вторые выводы второго конденсатора и седьмого резистора соединены с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к общей базе фильтра, дополнительно введены третий и четвертый инвертирующие операционные усилители, причем первые выводы третьего, четвертого и седьмого резисторов подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, а вторые выводы третьего и четвертого резисторов соединены с выходами первого и третьего операционных усилителей, первые выводы пятого резистора и первого конденсатора подключены к инвертирующему входу четвертого операционного усилителя, а их вторые выводы соединены с выходами третьего и четвертого операционных усилителей, вторые выводы шестого, восьмого резисторов и выход фильтра подключены к выходу четвертого операционного усилителя, неинвертирующие входы второго, третьего и четвертого операционных усилителей подключены к общей базе фильтра, при этом четвертый резистор выполнен в виде перестраиваемого мемристора, а первый и третий резисторы являются регулируемыми.In order to achieve the technical result in a tunable bandpass active RC filter containing first and second inverting operational amplifiers, eight resistors and two capacitors, wherein the first terminals of the first, second and eighth resistors are connected to the inverting input of the first operational amplifier, and the second terminals of the first and second resistors are connected to the filter input and the output of the first operational amplifier, the first terminals of the sixth resistor and second capacitor are connected to the inverting input of the second operational amplifier, and the second terminals of the second capacitor and seventh resistor are connected to the output of the second operational amplifier, the non-inverting input of the first operational amplifier is connected to the common base of the filter, the third and fourth inverting operational amplifiers are additionally introduced, wherein the first terminals of the third, fourth and seventh resistors are connected to the inverting input of the third operational amplifier, and the second terminals of the third and fourth resistors are connected to the outputs of the first and third operational amplifiers, the first terminals of the fifth resistor and first capacitor are connected to the inverting input of the fourth operational amplifier, and their second terminals are connected to the outputs of the third and fourth operational amplifiers, the second terminals of the sixth, eighth resistors and the filter output are connected to the output of the fourth operational amplifier, the non-inverting inputs of the second, third and fourth operational amplifiers are connected to the common base of the filter, while the fourth resistor is made in the form of a tunable memristor, and the first and third resistors are adjustable.

Сущность заявляемого технического решения поясняется следующими графическими материалами: на фиг. 1 изображена схема перестраиваемого полосового активного RC-фильтра; на фиг. 2 - блок-схема полосового фильтра; на фиг. 3 - модель перестраиваемого мемристора; на фиг. 4 - частотные характеристики полосового фильтра с перестраиваемой резонансной частотой при использовании мемристора; на фиг. 5 - частотные характеристики полосового фильтра с регулируемой полюсной добротностью; на фиг. 6 - частотные характеристики полосового фильтра с перестраиваемым коэффициентом передачи; на фиг. 7 - импульсная характеристика полосового фильтра.The essence of the claimed technical solution is explained by the following graphic materials: Fig. 1 shows a diagram of a tunable bandpass active RC filter; Fig. 2 is a block diagram of a bandpass filter; Fig. 3 is a model of a tunable memristor; Fig. 4 is the frequency characteristics of a bandpass filter with a tunable resonant frequency when using a memristor; Fig. 5 is the frequency characteristics of a bandpass filter with an adjustable pole quality factor; Fig. 6 is the frequency characteristics of a bandpass filter with a tunable transmission coefficient; Fig. 7 is the impulse response of a bandpass filter.

Перестраиваемый полосовой активный RC-фильтр (фиг. 1) содержит первый 1 и второй 2 инвертирующие операционные усилители, восемь резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого 5, второго 6 и восьмого 7 резисторов подключены к инвертирующему входу первого 1 операционного усилителя, а вторые выводы первого 5 и второго 6 резисторов соединены со входом 8 фильтра и выходом первого 1 операционного усилителя, соответственно первые выводы шестого 14 резистора и второго 15 конденсатора подключены к инвертирующему входу второго 2 операционного усилителя, а вторые выводы второго 15 конденсатора и седьмого 11 резистора соединены с выходом второго 2 операционного усилителя, неинвертирующий вход первого 1 операционного усилителя подключен к общей базе фильтра, а также содержит третий 3 и четвертый 4 инвертирующие операционные усилители, причем первые выводы третьего 9, четвертого 10 и седьмого 11 резисторов подключены к инвертирующему входу третьего 3 операционного усилителя, а вторые выводы третьего 9 и четвертого 10 резисторов соединены с выходами первого 1 и третьего 3 операционных усилителей соответственно, первые выводы пятого 12 резистора и первого 13 конденсатора подключены к инвертирующему входу четвертого 4 операционного усилителя, а их вторые выводы соединены с выходами третьего 3 и четвертого 4 операционных усилителей, вторые выводы шестого 14, восьмого 7 резисторов и выход 16 фильтра подключены к выходу четвертого 4 операционного усилителя, неинвертирующие входы второго 2, третьего 3 и четвертого 4 операционных усилителей подключены к общей базе фильтра, при этом четвертый 4 резистор выполнен в виде регулируемого мемристора, а первый 1 и третий 3 резисторы также являются регулируемыми.The tunable bandpass active RC filter (Fig. 1) comprises first 1 and second 2 inverting operational amplifiers, eight resistors and two capacitors, wherein the first terminals of the first 5, second 6 and eighth 7 resistors are connected to the inverting input of the first 1 operational amplifier, and the second terminals of the first 5 and second 6 resistors are connected to the input 8 of the filter and the output of the first 1 operational amplifier, respectively, the first terminals of the sixth 14 resistor and second 15 capacitor are connected to the inverting input of the second 2 operational amplifier, and the second terminals of the second 15 capacitor and seventh 11 resistor are connected to the output of the second 2 operational amplifier, the non-inverting input of the first 1 operational amplifier is connected to the common base of the filter, and also comprises third 3 and fourth 4 inverting operational amplifiers, wherein the first terminals of the third 9, fourth 10 and seventh 11 resistors are connected to inverting input of the third 3 operational amplifier, and the second terminals of the third 9 and fourth 10 resistors are connected to the outputs of the first 1 and third 3 operational amplifiers, respectively, the first terminals of the fifth 12 resistor and first 13 capacitor are connected to the inverting input of the fourth 4 operational amplifier, and their second terminals are connected to the outputs of the third 3 and fourth 4 operational amplifiers, the second terminals of the sixth 14, eighth 7 resistors and the output 16 of the filter are connected to the output of the fourth 4 operational amplifier, the non-inverting inputs of the second 2, third 3 and fourth 4 operational amplifiers are connected to the common base of the filter, wherein the fourth 4 resistor is made in the form of an adjustable memristor, and the first 1 and third 3 resistors are also adjustable.

Передаточная функция заявляемого перестраиваемого активного RC-фильтра имеет видThe transfer function of the claimed tunable active RC filter has the form

где круговая резонансная частота;Where circular resonant frequency;

полюсная добротность; pole quality factor;

и постоянные времени; And time constants;

коэффициент передачи фильтра на резонансной частоте. filter transmission coefficient at resonant frequency.

Схема полосового активного RC-фильтра показана на фиг. 1. На фиг. 2 представлена блок-схема фильтра, на которой изображены используемые в схеме две отрицательные обратные связи. В первую обратную связь включены первый и третий операционные усилители, а также первый активный RC-интегратор, реализованный на четвертом операционном усилителе. Во вторую обратную связь - третий операционный усилитель и два активных RC-интегратора, реализованных на втором и четвертом операционных усилителях. На резонансных частотах фильтра во втором 2 узле схемы (фиг. 2) осуществляется суммирование совпадающих по фазе сигналов первой и второй обратных связей, что позволяет реализовать схему перестраиваемого полосового фильтра с требуемой передаточной функцией The circuit diagram of the bandpass active RC filter is shown in Fig. 1. Fig. 2 shows the block diagram of the filter, which shows the two negative feedbacks used in the circuit. The first feedback The first and third operational amplifiers are included, as well as the first active RC integrator, implemented on the fourth operational amplifier. In the second feedback - the third operational amplifier and two active RC integrators implemented on the second and fourth operational amplifiers. At resonant frequencies the filter in the second 2 node of the circuit (Fig. 2) sums the signals of the first that coincide in phase and the second feedback, which allows the implementation of a tunable bandpass filter circuit with the required transfer function

Полосовой фильтр работает следующим образом:The bandpass filter works as follows:

При подаче на вход фильтра напряжения постоянного тока (f=0) коэффициенты усиления второго и четвертого инвертирующих операционных усилителей становятся бесконечно большими. Для обеспечения работы этих усилителей в линейном режиме на их входах необходимо поддерживать напряжение близким к нулю, тогда выходное напряжение полосового фильтра будет минимальным. При бесконечно большой частоте входного напряжения реактивные сопротивления первого и второго конденсаторов будут минимальными, т. е. второй и четвертый инвертирующие операционные усилители оказываются охваченными 100%-ной отрицательной обратной связью, а значит, практически не усиливают сигналы. Таким образом, напряжение на выходе фильтра будет близким к нулю. На частотах, отличных от рассмотренных, коэффициент передачи фильтра определяется отношением сопротивлений восьмого и первого резисторов. Коэффициент передачи фильтра можно независимо регулировать в широких пределах изменением сопротивления первого резистора. Полюсная добротность фильтра в широких пределах изменяется регулированием сопротивления третьего резистора. Перестройка резонансной частоты в описанной схеме осуществляется изменением сопротивления четвертого резистора, который может быть выполнен в виде регулируемого мемристора (фиг. 3). Используемый мемристор характеризуется активным сопротивлением которое на схеме (фиг. 1) показано как сопротивление четвертого резистора. Мемристор представляет собой пассивный элемент электрической цепи, сопротивление которого зависит от величины прошедшего через него тока. Мемристор состоит из тонкой пленки (50 нм) диоксида титана между двумя металлическими контактами толщиной 5 нм (фиг. 3). В пленке диоксида титана имеются два слоя, один из которых обедненный (Doped) имеет небольшое число атомов кислорода. Кислородные вакансии являются носителями заряда, поэтому обедненный слой имеет низкое сопротивление и является токопроводящим. Насыщенный кислородом слой (Undoped) обладает огромным сопротивлением току. Свойства такого мемристора можно продемонстрировать на простой модели, основанной на механизме дрейфа ионов под действием приложенного напряжения. Полное сопротивление рассматриваемого устройства можно представить как сумму сопротивлений двух переменных резисторов, соединенных последовательно. Один из резисторов (проводящая область) имеет низкое сопротивление другой резистор - намного более высокое сопротивление Когда к металлическим контактам мемристора (фиг. 3) прикладывается напряжение,When applying a DC voltage (f=0) to the filter input, the gain factors of the second and fourth inverting operational amplifiers become infinitely large. To ensure the operation of these amplifiers in a linear mode, it is necessary to maintain the voltage at their inputs close to zero, then the output voltage of the bandpass filter will be minimal. At an infinitely high frequency of the input voltage, the reactances of the first and second capacitors will be minimal, i.e. the second and fourth inverting operational amplifiers are covered by 100% negative feedback, and therefore practically do not amplify the signals. Thus, the voltage at the filter output will be close to zero. At frequencies other than those considered, the gain factor The filter gain is determined by the ratio of the resistances of the eighth and first resistors. The transfer coefficient The filter can be independently adjusted over a wide range by changing the resistance of the first resistor. Pole quality factor filter varies widely by adjusting the resistance of the third resistor. The resonant frequency in the described circuit is adjusted by changing the resistance of the fourth resistor, which can be made in the form of an adjustable memristor (Fig. 3). The memristor used is characterized by an active resistance which is shown in the diagram (Fig. 1) as the resistance of the fourth resistor. A memristor is a passive element of an electric circuit, the resistance of which depends on the value of the current passed through it. The memristor consists of a thin film (50 nm) of titanium dioxide between two metal contacts 5 nm thick (Fig. 3). In the titanium dioxide film there are two layers, one of which is depleted (Doped) and has a small number of oxygen atoms. Oxygen vacancies are charge carriers, so the depleted layer has low resistance and is conductive. The oxygen-saturated layer (Undoped) has enormous resistance to current. The properties of such a memristor can be demonstrated using a simple model based on the mechanism of ion drift under the action of an applied voltage. The total resistance of the device under consideration can be represented as the sum of the resistances of two variable resistors connected in series. One of the resistors (the conducting region) has low resistance another resistor - much higher resistance When voltage is applied to the metal contacts of the memristor (Fig. 3),

заряженные ионы начинают дрейфовать и граница между двумя областями смещается. Таким образом, сопротивление пленки в целом зависит от количества заряда, прошедшего через нее в определенном направлении, при этом значение заряда обратимо при изменении направления тока. Зависимость напряжения на мемристоре от протекающего через него тока определяется выражением charged ions begin to drift and the boundary between the two regions shifts. Thus, the film resistance as a whole depends on the amount of charge that has passed through it in a certain direction, and the charge value is reversible when the direction of the current changes. The dependence of the voltage on the memristor on the current flowing through it is determined by the expression

где ширина легированной области [0,D]; общая ширина структуры мемристора; напряжение на мемристоре; ток через мемристор; низкое сопротивление легированной области мемристора; высокое сопротивление нелегированной области мемристора.Where width of the alloyed region [0,D]; total width of the memristor structure; voltage on the memristor; current through the memristor; low resistance of the doped region of the memristor; high resistance of the undoped region of the memristor.

В схеме перестраиваемого активного RC-фильтра (фиг. 1) активное сопротивление мемристора можно изменять при выборе соответствующего активного сопротивления нелегированной области в библиотеке модели мемристора SPICE симулятора программных средств LTspice.In the circuit of a tunable active RC filter (Fig. 1), the active resistance is memristor can be changed by selecting the appropriate active resistance of the undoped regionin the SPICE memristor model libraryLTspice software simulator.

На фиг. 4 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) перестраиваемого полосового активного RC-фильтра с регулируемой резонансной частотой которую можно изменять при выборе соответствующего сопротивления нелегированной области мемристора Fig. 4 shows the amplitude-frequency characteristics (AFC) of a tunable bandpass active RC filter with an adjustable resonant frequency. which can be changed by selecting the appropriate resistance of the undoped region of the memristor

Таблица 1Table 1

nn 11 1010 1,4081,408 4,06234,0623 9,69569,6956 22 1515 1,5061,506 3,31113,3111 14,59414,594 33 2020 2,25052,2505 2,83492,8349 19,90819,908 44 2525 2,51952,5195 2,5435 2,5435 24,73124,731 55 3030 2,75532,7553 2,30262,3026 30,17730,177 66 4040 3,17683,1768 1,98851,9885 40,46240,462 77 5050 3,58373,5837 1,78241,7824 50,36250,362

В табл. 1 приведено описание частотных характеристик, снятых при семи сопротивлениях нелегированной области мемристора. В таблице приведены результаты вычислений резонансной частоты полюсной добротности и активного сопротивления мемристора Table 1 provides a description of the frequency characteristics taken at seven resistances of the undoped region. memristor. The table shows the results of the resonant frequency calculations pole quality factor and active resistance of the memristor

Исследованием частотных характеристик полосового фильтра установлено, что при выборе различных сопротивлений нелегированной области мемристора отличающихся в 5 раз, резонансная частота изменилась в 2,545 раза, при этом полюсная добротность изменилась в 2,279 раза, а сопротивление мемристора - в 5,194 раза. Полученные результаты расчетов показывают, что при регулировании сопротивления нелегированной области мемристора обеспечиваются в широких пределах изменения сопротивления мемристора и резонансной частоты фильтра.The study of the frequency characteristics of the bandpass filter established that when choosing different resistances of the undoped region of the memristor differing by 5 times, the resonant frequency changed by 2.545 times, while the pole quality factor changed by 2.279 times, and the resistance of the memristor - by 5.194 times. The obtained calculation results show that when regulating the resistance of the undoped region of the memristor, changes in the resistance of the memristor and the resonant frequency of the filter are ensured in wide ranges.

На фиг. 5 показаны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) фильтра с регулируемой полюсной добротностью при изменении сопротивления резистора В табл. 2 приведены результаты вычислений резонансной частоты и полюсной добротности из которых следует, что при регулировании сопротивления резистора в 4 раза полюсная добротность независимо изменилась в 3,899 раза, а резонансная частота - на 0,17%.Fig. 5 shows the amplitude-frequency characteristics (AFC) of a filter with adjustable pole Q-factor. when the resistance of the resistor changes Table 2 shows the results of the resonant frequency calculations. and pole quality factor from which it follows that when regulating the resistance of the resistor 4 times the pole quality factor independently changed by 3.899 times, and the resonant frequency by 0.17%.

Таблица 2Table 2

nn 11 3030 2,2522,252 526,31526.31 4,27944,2794 22 4545 2,2492,249 352,25352.25 6,38466,3846 33 6060 2,2492,249 269,04269.04 8,36058,3605 44 8080 2,2492,249 198,49198.49 11,33011,330 88 120120 2,2532,253 135,36135.36 16,64816,648

На фиг. 6 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) полосового фильтра с регулируемым коэффициентом передачи при изменении сопротивления резистора В табл. 3 приведены результаты вычислений резонансной частоты полюсной добротности и коэффициента передачи из которых следует, что при изменении сопротивления резистора в 16 раз обеспечивается независимое регулирование коэффициента передачи фильтра на 27,1 дБ. При этом значения полюсной добротности и резонансной частоты изменились только на 9,5% и 0,2%, соответственно.Fig. 6 shows the amplitude-frequency characteristics (AFC) of a bandpass filter with an adjustable transmission coefficient. when the resistance of the resistor changes Table 3 shows the results of the resonant frequency calculations. pole quality factor and the transmission coefficient from which it follows that when the resistance of the resistor changes 16 times independent regulation of the transmission coefficient is provided filter by 27.1 dB. At the same time, the values of the pole quality factor and resonant frequency changed only by 9.5% and 0.2%, respectively.

Таблица 3Table 3

nn 11 55 2,2492,249 806,94806.94 2,7812,781 18,0918.09 22 1010 2,2532,253 796,85796.85 2,8262,826 12,0712.07 33 2020 2,0642,064 635,66635,66 3,0473,047 6,046.04 44 4040 2,2552,255 803,86803.86 2,8052,805 0,030.03 88 8080 2,2512,251 802,97802.97 2,8042,804 -9,51-9.51

На фиг. 7 представлена импульсная характеристика полосового фильтра (фиг. 1) снятая при сопротивлении нелегированной области мемристора. Результаты исследований амплитудно-частотной характеристики фильтра, а именно полюсной добротности и резонансной частоты при рассматриваемом режиме были представлены в табл. 1 и на фиг. 4. Полюсную добротность фильтра по осциллограмме импульсной характеристики можно найти по формулеFig. 7 shows the impulse response. bandpass filter (Fig. 1) taken at the resistance of the undoped region memristor. Results of studies of the amplitude-frequency characteristic of the filter, namely the pole quality factor and resonant frequency under the considered mode were presented in Table 1 and Fig. 4. The pole quality factor of the filter according to the oscillogram of the impulse response can be found using the formula

где U1m=313.88 мВ и U2m=101.96 мВ - первые два амплитудных значения импульсной характеристики (фиг. 7).where U1m=313.88 mV and U2m=101.96 mV are the first two amplitude values of the impulse response (Fig. 7).

Следует отметить, что расчеты полюсной добротности по частотной и временной характеристикам отличаются незначительно - на 1,46%.It should be noted that the calculations of the pole quality factor by frequency and temporary characteristics differ slightly - by 1.46%.

В окне графика импульсной характеристики представлены расчеты резонансной частоты выполненных в программе LTspice.In the impulse response graph window The calculations of the resonant frequency are presented performed in the LTspice program.

Можно указать, что расчеты резонансной частоты по частотной и временной характеристикам отличаются незначительно - на 1,78%.It can be noted that the calculations of the resonant frequency based on the frequency and time characteristics differ slightly - by 1.78%.

Таким образом, представленные экспериментальные исследования подтверждают возможность независимой перестройки основных параметров фильтра: резонансной частоты, полюсной добротности и коэффициента передачи фильтра на резонансной частоте, при этом перестройка полюсной добротности может быть выполнена при использовании регулируемого мемристора.Thus, the presented experimental studies confirm the possibility of independent restructuring of the main filter parameters: resonant frequency, pole quality factor and filter transmission coefficient at the resonant frequency, while the restructuring of the pole quality factor can be performed using an adjustable memristor.

Claims (1)

Перестраиваемый полосовой активный RC-фильтр, содержащий первый и второй инвертирующие операционные усилители, восемь резисторов и два конденсатора, причем первые выводы первого, второго и восьмого резисторов подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а вторые выводы первого и второго резисторов соединены с входом фильтра и выходом первого операционного усилителя, первые выводы шестого резистора и второго конденсатора подключены к инвертирующему входу второго операционного усилителя, а вторые выводы второго конденсатора и седьмого резистора соединены с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к общей базе фильтра, отличающийся тем, что дополнительно введены третий и четвертый инвертирующие операционные усилители, причем первые выводы третьего, четвертого и седьмого резисторов подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, а вторые выводы третьего и четвертого резисторов соединены с выходами первого и третьего операционных усилителей соответственно, первые выводы пятого резистора и первого конденсатора подключены к инвертирующему входу четвертого операционного усилителя, а их вторые выводы соединены с выходами третьего и четвертого операционных усилителей соответственно, вторые выводы шестого, восьмого резисторов и выход фильтра подключены к выходу четвертого операционного усилителя, неинвертирующие входы второго, третьего и четвертого операционных усилителей подключены к общей базе фильтра, при этом четвертый резистор выполнен в виде мемристора, а первый и третий резисторы являются регулируемыми.A tunable bandpass active RC filter comprising first and second inverting operational amplifiers, eight resistors and two capacitors, wherein the first terminals of the first, second and eighth resistors are connected to the inverting input of the first operational amplifier, and the second terminals of the first and second resistors are connected to the filter input and the output of the first operational amplifier, the first terminals of the sixth resistor and second capacitor are connected to the inverting input of the second operational amplifier, and the second terminals of the second capacitor and seventh resistor are connected to the output of the second operational amplifier, the non-inverting input of the first operational amplifier is connected to the common base of the filter, characterized in that a third and fourth inverting operational amplifiers are additionally introduced, wherein the first terminals of the third, fourth and seventh resistors are connected to the inverting input of the third operational amplifier, and the second terminals of the third and fourth resistors are connected to the outputs of the first and third operational amplifiers, respectively, the first terminals of the fifth resistor and first capacitor are connected to the inverting input of the fourth operational amplifier, and their second terminals are connected to the outputs of the third and fourth operational amplifiers, respectively, the second terminals of the sixth, eighth resistors and the filter output are connected to the output of the fourth operational amplifier, the non-inverting inputs of the second, third and fourth operational amplifiers are connected to the common base of the filter, while the fourth resistor is made in the form of a memristor, and the first and third resistors are adjustable.
RU2024113954A 2024-05-22 Tunable band-pass active rc filter RU2830068C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2830068C1 true RU2830068C1 (en) 2024-11-12

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5625316A (en) * 1994-07-01 1997-04-29 Motorola, Inc. Tuning circuit for an RC filter
US7358800B2 (en) * 2004-04-30 2008-04-15 Industrial Technology Research Institute Programmable/tunable active RC filter
RU149838U1 (en) * 2014-07-22 2015-01-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" TUNABLE ACTIVE RC FILTER
RU2677362C1 (en) * 2018-03-14 2019-01-16 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Active rc filter
RU199745U1 (en) * 2020-03-17 2020-09-17 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" Tunable notch active RC filter

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5625316A (en) * 1994-07-01 1997-04-29 Motorola, Inc. Tuning circuit for an RC filter
US7358800B2 (en) * 2004-04-30 2008-04-15 Industrial Technology Research Institute Programmable/tunable active RC filter
RU149838U1 (en) * 2014-07-22 2015-01-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" TUNABLE ACTIVE RC FILTER
RU2677362C1 (en) * 2018-03-14 2019-01-16 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Active rc filter
RU199745U1 (en) * 2020-03-17 2020-09-17 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" Tunable notch active RC filter

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ИНШАКОВ Ю.М., БЕЛОВ А.В. Перестраиваемый полосовой активный RC-фильтр // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2013. Вып. 2. 2013, с. 66-70. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sun et al. Versatile active biquad based on second-generation current conveyors
Geiger et al. Active filter design using operational transconductance amplifiers: A tutorial
RU2704530C1 (en) Broadband band-pass filter with independent adjustment of pole frequency, pole attenuation and transmission coefficient
Papazoglou et al. Noninteracting electronically tunable CCII-based current-mode biquadratic filters
US3906390A (en) Transfer function control networks
EP1755218A2 (en) Tunable resonator for use in active-RC continuous-time filters
RU2830068C1 (en) Tunable band-pass active rc filter
CN1193500C (en) Active Isolated Integrating Low-Pass Filter with Attenuation Extremum
RU128043U1 (en) ACTIVE LOW FILTER RC FILTER
RU2694135C1 (en) High-frequency arc-filter with independent adjustment of main parameters
El-Gamal et al. Balanced log-domain filters for VHF applications
US3983504A (en) Active filter
RU2701038C1 (en) Band-pass filter on two operational amplifiers with independent adjustment of main parameters
RU199745U1 (en) Tunable notch active RC filter
US4764938A (en) Circuit and method for correcting distortion in a digital audio system
CN114337603B (en) OTA-C-based fourth-order current elliptic filter structure
RU2720558C1 (en) Band-pass filter on two operational amplifiers with independent adjustment of main parameters
Jain et al. VDTA based fractional order floating inductor and its applications
RU2718830C1 (en) Band-pass filter of the second order with independent adjustment of main parameters
de Queiroz Balanced transconductor-C ladder filters with improved linearity
Souliotis et al. Differential current-mode tunable wave active filters based on single-ended wave port terminators
Srivastava VDTA based fractional order universal filter
RU2797040C1 (en) Low-pass filter based on a multi-differential operational amplifier
RU2749400C1 (en) Fourth-order notch filter
RU2722752C1 (en) Band-pass filter with independent adjustment of pole frequency, pole attenuation and transmission coefficient