Введение к работе
Активные RC-фильтры на базе операционных усилителей (ОУ) широко используются в радиоприемных устройствах (РПУ), входящих в состав различных радиотехнических систем. Частоты, на которых в настоящее время могут работать такие фильтры, достигают сотен мегагерц. Методы расчета активных RC-фильтров интенсивно разрабатывались в течение последних десятилетий и отражены в работах Хьюлсмана Л.П., Митры С.Л., Гаузи М., Лакера К., Ланнэ А.А., Масленникова В.В., Остапенко А.Г., Христича В.В. и многих других. Можно выделить отдельное направление исследований, связанное с использованием идентичных звеньев при построении активных RC-фильтров. Это направление базируется на работах Гребенко Ю.А., Савкова Н.Н., Ермакова А.В.
В современных РПУ часто применяется квадратурная обработка сигнала, предполагающая использование квадратурных преобразователей частоты при переносе спектра. Если комплексный сигнал с выхода такого преобразователя пропустить через комплексный полосовой фильтр, то можно эффективно подавить зеркальный канал приема. Это позволяет существенно снизить требования к преселектору РПУ и упростить его реализацию. Комплексный полосовой фильтр для подавления зеркального канала можно реализовать на базе ОУ. В низкочастотных гидролокационных приемниках квадратурные компоненты можно получить из вещественного сигнала, пропустив его через комплексный полосовой фильтр на базе ОУ, близкий по свойствам к аналитическому.
Комплексные активные RC-фильтры исследованы существенно меньше, чем вещественные активные RC-фильтры. Основы проектирования комплексных активных RC-фильтров на идентичных звеньях заложены в работах Гребенко Ю.А., Ермакова А.В., однако исследования необходимо продолжить для обеспечения использования таких фильтров в инженерной практике.
Тема диссертационной работы отражает класс исследуемых устройств (комплексные активные RC-фильтры) и используемый базис (идентичные звенья).
Актуальность темы диссертации обусловлена следующим:
широким применением алгоритмов фильтрации комплексных сигналов и необходимостью разработки методов синтеза и реализации комплексных активных RC-фильтров на идентичных звеньях;
необходимостью создания единых формализованных процедур расчета комплексных активных RC-фильтров на идентичных звеньях, пригодных для перехода к автоматизированному проектированию;
развитием микроэлектронной элементной базы с высоким уровнем интеграции, что требует разработки методов расчета структурных схем комплексных активных RC-фильтров, обеспечивающих минимальное влияние разброса параметров элементов на частотные характеристики фильтров и исключающих процедуру настройки.
Объектами исследования являются: структурные схемы НЧ-прототипов (структурированные НЧ-прототипы), структурные схемы комплексных активных RC-фильтров, принципиальные схемы комплексных активных RC-фильтров на базе ОУ.
Целью диссертационной работы является разработка методик расчета и реализации комплексных активных RC-фильтров на идентичных звеньях.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
1. Разработка методики проектирования комплексных аналоговых полосовых фильтров на идентичных звеньях с использованием структурированных НЧ-прототипов.
Разработка набора структурированных НЧ-прототипов с последовательной, канонической и многопетлевой структурными схемами с использованием процедур симметрирования для различных видов и порядков аппроксимаций.
Разработка схем базовых комплексных звеньев и методики расчета параметров входящих в их состав элементов.
Проверка работоспособности предложенных методик путем схемотехнического моделирования разработанных с их помощью схем.
Исследование влияния вида структурной схемы на точность реализации частотных характеристик и показатели аналитичности при разбросе параметров элементов.
Методы исследования. Применительно к объектам исследования для решения поставленных задач используются методы теории функций комплексного переменного, метолы теории графов, методы линейной алгебры, методы теории чувствительности, методы математического моделирования.
Научная новизна работы. В диссертации рассмотрена и в значительной степени решена задача, имеющая существенное значение для радиотехники - синтез и анализ новых структурных и принципиальных схем полосовых комплексных активных RC-фильтров на идентичных звеньях. Научная новизна заключается в следующем:
Разработан набор структурированных НЧ-прототипов с последовательной, канонической и многопетлевой структурными схемами с использованием процедуры симметрирования и исключения обратных связей, охватывающих одно звено, для различных видов и порядков аппроксимаций.
Разработана методика синтеза структурной схемы комплексного полосового активного RC-фильтра на идентичных звеньях с
использованием комплексного структурированного НЧ-прототипа.
Разработан набор комплексных структурированных НЧ-прототипов с последовательной, канонической и многопетлевой структурными схемами.
Предложены новые схемы комплексных RC-звеньев на базе ОУ, которые можно использовать как базовые при разработке комплексных фильтров высокого порядка.
Показана возможность реализации в рамках разработанных методик комплексных полосовых фильтров с перестройкой центральной частоты без изменения формы частотных характеристик.
Достоверность разработанных в диссертационной работе методик синтеза подтверждается результатами схемотехнического моделирования в многочисленных примерах их применения, апробацией основных результатов на научно-технических конференциях, публикацией основных результатов в научно-технических журналах и сборниках.
Основные положения, выносимые на защиту:
Комплексные полосовые активные RC-фильтры можно разрабатывать на базе комплексных идентичных звеньев, используя представленные в диссертационной работе методики и таблицы комплексных структурированных НЧ-прототипов.
Базовые комплексные звенья для полосовых комплексных фильтров можно реализовать на трех ОУ.
Симметричные многопетлевые структурные схемы в наименьшей степени зависят от разброса параметров пассивных элементов.
Реализация комплексных полосовых фильтров на идентичных комплексных звеньях позволяет осуществлять перестройку центральной частоты без искажения формы частотных
характеристик путем изменения двух параметров в базовых звеньях.
Практическая значимость работы обусловлена разработкой удобных для использования в инженерной практике методик проектирования комплексных полосовых активных RC-фильтров на идентичных звеньях. Рекомендации по выбору структурных схем носят конкретный характер, позволяют существенно сократить количество альтернативных вариантов и получать схемотехнические решения близкие к оптимальным. Результаты работы используются при курсовом и дипломном проектировании на радиотехническом факультете МЭИ.
Апробация результатов работы. По основным результатам работы сделано 4 доклада на Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в 2007-2010 г.г.
Публикации по теме диссертационной работы. Основные результаты диссертации изложены в 6 печатных работах, среди которых одна статья в журнале «Радиотехника».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из ввеления, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации с приложением 164 страница, включая 159 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 82 библиографических наименований.
