185131. lajstromszámú szabadalom • Optimális érzékenységű másodfokú aktív RC szűrő kapcsolási elrendezések
1 185 131 2 Ismeretes, hogy szűrőfeladatok megoldására a szokásos LC szűrők helyett gyakran kedvezőbbek az aktív RC szűrők, különösen a kisfrekvenciás tartományban, minthogy kiküszöbölik a költséges és nagy' térfogatú induktivitásokat. Az aktív RC szűrőket általában másodfokú szűrő-tagokból építik fel, amelyekkel aluláteresztő, felüláteresztő vagy sávszűrő karakterisztikát lehet realizálni. Az alul- vagy felüláteresztő szűrők csillapítása a zárótartományban vagy monoton növekszik, vágj'' pedig - szigorúbb zárósávi csillapítás-követelmények kielégítése céljából — a zárótartományban egy kitüntetett frekvencián a csillapítás maximális. Utóbbi esetben a szűrőt elliptikus szűrőnek nevezik. Sok alkalmazásban olyan univerzális másodfokú aktív RC szűrőre van szükség, amely néhány elem egyszerű cseréjével egyaránt alkalmas aluláteresztő szűrő, felüláteresztő szűrő, aluláteresztő elliptikus szűrő, felüláteresztő elliptikus szűrő, és sávszűrő megvalósítására. Ilyen univerzális aktív RC szűrő céljára általános másodfokú alaptagot alkalmazunk, amelynek csiüapításkarakterisztikáját a következő függvény adja meg: T(s) ^ k^zQz wz 2 , s , s 1 -1------------1------y OJpQp top ahol s a komplex frekvencia, T0 az átvitel értéke az s = 0 helyen, Wj, a pólusfrekvencia, 9p a pólus-jóság, a zérus-frekvencia, Oz a zérus-jóság. E paraméterek közül legnagyobb jelentősége a pólusfrekvenciának és a pótusjóságnak van, minthogy a csillapításkarakterisztika alakja az áteresztő tartományban döntően ezektől függ. Minthogy a szűrők csillapítás-karakterisztikáját a szűrő alkatrészei határozzák meg, az alkatrészek értékeinek szórása és hőfüggése a karakterisztika káros eltolódását eredményezheti. Ezért a másodfokú aktív RC szűrők minőségének legfontosabb jellemzői a szűrőparaméterek, különösen pedig az előbbiekben részletezett két legjellemzőbb szűrő paraméter ún. érzékenysége. Az érzékenység azt fejezi ki, hogy a szűrőt alkotó egyes alkatrészek érték-változásai a szűrőparaméterek mekkora változását idézik elő. Ezen érték-változások lehetnek korrelálatlanok, ha a szűrőt egymástól függetlenül változó diszkrét alkatrészek alkotják, vagy korreláltak, ha a szűrő alkatrészei közös technológiával készülnek, illetve közös szubsztrátumon helyezkednek el, és ennek folytán az alkatrészek értéke együtt változik. Korrelálatlan érték - változású alkatrészek esetében az egyes passzív és aktív elemekre vonatkoztatott érzékenységek négyzetösszege, korrelált értékváltozású alkatrészek esetében az érzékenységek egyszerű összege határozza meg a szűrőparamétereknek az alkatrészek értékváltozása folytán fellépő káros eltolódását. A szűrő paraméterek közül főként a pólusjóság megváltozása zavaró, különösen több tagból álló magasabb fokú szűrő esetében, amelynek másodfokú tagjaiban a pólusjóság nagy értékű. Aktív RC szűrők esetében különösen az aktív alkatrészek (erősítők) frekvenciafüggésének szórása és hő függése okoz problémát, minthogy az ezektől származó szfírőparaméter-változások a megvalósítható frekvenciakarakterisztika felső határát korlátozzák. E szűrő paraméter-változások előnyösen minimalizálhatók, ha egyrészt biztosítjuk az alkatrészek értékének korrelált megváltozását, másrészt gondoskodunk arról, hogy e korrelált változásoknak a szűrőparaméterekre gyakorolt hatása kompenzálja egymást. Az aktív alkatrészek értékeinek korrelált megváltozását azáltal biztosíthatjuk, ha több műveleti erősítőből felépített szűrőhöz egyetlen monolit morzsán előállított műveleti erősítőket alkalmazunk; ilyenek például az ún. „monolit quad” típusú erősítők, amelyekben az egyes műveleti erősítők határfrekvenciája azonos és együtt változik. Az említett kompenzáló hatást pedig alkalmasan megválasztott szűrőkapcso!ással lehet biztosítani. Minthogy a szűrőkarakterisztika adatainak pontos betartásához kis érzékenység-jellemzők szükségesek, a kutatások már régóta ilyen jellemzőkkel rendelkező szűrőelrendezések megvalósítására irányultak. Az elmúlt évtizedben számos másodfokú aktív RC szűrő kapcsolási elrendezést publikáltak, amelyek egyre kedvezőbb érzékenység-jellemzőkkel rendelkeztek. Az elvégzett elméleti vizsgálatok szerint az egy vagy két műveleti erősítővel felépített kapcsolásokkal nem lehet optimális érzékenység-jellemzőket megvalósítani, ezért elteijedten alkalmaznak három erősítős másodfokú aktív RC szűrőkapcsoiásokat, amelyek viszonylag kedvezőbb érzékenység-jellemzőkkel rendelkeznek. A legjobb érzékenységjellemzőkkel rendelkező három erősítős másodfokú aktív RC szűrőkapcsolásokat az irodalmi hivatkozásokban megadott publikációk ismertetik. E kapcsolásokban a pólusfrekvenciának és a pólusjóságnak a passzív elemekre vonatkoztatott érzékenységei az elméletileg elérhető határértékig vannak csökkentve, ellenben ugyanezen szűrőparamétereknek az aktív elemekre vonatkoztatott érzékenységei az elméletileg elérhető minimumnál lényegesen nagyobbak. E kapcsolások további hátránya, hogy alkalmasak ugyan másodfokú aluiáteresztő szűrő, Felüláteresztő szűrő és sávszűrő megvalósítására, de elliptikus alul- és felüláteresztő szűrő megvalósításához többnyire egy negyedik műveleti erősítőre is szükség van [1], [3]. Kidolgoztak ugyan olyan kapcsolásokat is [2], [4], amelyek három műveleti erősítővel valósítják meg. az összes másodfokú szűrőtípust, de minthogy ezekben a becsatoló hálózat és a rezonátor-hálózat nem független egymástól, azoknak az aktív elemekre vonatkoztatott érzékenysége is csak kivételes esetekben optimalizálható. A becsatoló hálózat elemértékeit ugyanis a megvalósítandó paramétereknek megfelelően kell megválasztani, ezért ezek - az optimális érzékenység szempontjait is figyelembe véve - már nem választhatók szabadon. Ez elsősorban elliptikus szűrők esetében okoz nehézséget, amikor az aktív elemekre vonatkoztatott érzékenység az Wp pólusfrekvencia és az coz zérus-frekvencia viszonyának is függvényévé válik. A jelen találmány szerinti másodfokú aktív RC szűrő kapcsolási elrendezések mentesek az ismert elrendezések felsorolt hátrányaitól, amennyiben a következő egyidejűleg megvalósuló jellemzői vannak: 1. Az elrendezések univerzálisan alkalmazhatók, mivel a szűrő az alaptagot trartalmazó rezonátor-áramkörből és az attól független becsatoló áramkörből van felépítve. Az utóbbi alkalmas megválasztásával — néhány passzív 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
