VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TEHNIKÉ V BNĚ BNO UNIVESITY OF TEHNOLOGY FAKULTA ELEKTOTEHNIKY A KOMUNIKAČNÍH TEHNOLOGIÍ FAULTY OF ELETIAL ENGINEEING AND OMMUNIATION ÚSTAV TELEKOMUNIKAÍ DEPATMENT OF TELEOMMUNIATIONS DIFEENČNÍ A PSEUDODIFEENČNÍ KMITOČTOVÉ FILTY DIFFEENTIAL AND PSEUDO-DIFFEENTIAL FEQUENY FILTES DIPLOMOVÁ PÁE MASTE'S THESIS AUTO PÁE AUTHO VEDOUÍ PÁE SUPEVISO Bc. Ondřej Sládok doc. Ing. Jaroslav Koton, Ph.D. BNO 06

2 Dilomová ráce magisterský navazující studijní obor Telekomunikační a informační technika Ústav telekomunikací Student: Bc. Ondřej Sládok ID: očník: Akademický rok: 05/6 NÁZEV TÉMATU: Diferenční a seudodiferenční kmitočtové filtry POKYNY PO VYPAOVÁNÍ: Prostudujte návrhové metody lně diferenčních a seudodiferenčních kmitočtových filtrů racujících v naěťovém režimu a roudovém režimu. Navrhněte funkční lně diferenční a seudodiferenční struktury a orovnejte je z ohledu zkreslení zracovávaného signálu, otlačení souhlasného signálu (M), otlačení naájecího naětí (PS), výkonové sotřeby a dále ak náročnosti na vlastní realizaci takových kmitočtových filtrů. Ze skuiny simulacemi ověřených řešení vybraná rakticky realizujte a odrobte exerimentálním měřením. DOPOUČENÁ LITEATUA: [] HAN, K.: Design of Differential Filters for High-Seed Signal hains, Alication reor, Texas Instruments, SLWA053B, 8 ages, 00. [] JEŘÁBEK, J., KOTON, J., ŠOTNE,. VBA, K.: Adjustable band-ass filter with current active elements: two fully-differential and single- ended solutions. Analog Integrated ircuits and Signal Processing, roč. 74, č., s. 9-39, 03. Termín zadání:..06 Termín odevzdání: Vedoucí ráce: doc. Ing. Jaroslav Koton, Ph.D. Konzultant dilomové ráce: doc. Ing. Jiří Mišurec, Sc., ředseda oborové rady UPOZONĚNÍ: Autor dilomové ráce nesmí ři vytváření dilomové ráce orušit autorská ráva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným zůsobem do cizích autorských ráv osobnostních a musí si být lně vědom následků orušení ustanovení a následujících autorského zákona č. /000 Sb., včetně možných trestněrávních důsledků vylývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/009 Sb. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Vysoké učení technické v Brně / Technická 3058/0 / / Brno

3 Anotace Tato dilomová ráce se zabývá diferenčními a seudodiferenčními kmitočtovými filtry. Velký důraz je kladen na charakteristiku souhlasného signálu. Dále se text věnuje roblematice návrhu lně diferenčních struktur a transformaci nediferenčních struktur na seudodiferenční. V ráci je navržena jedna nediferenční struktura, jedna lně diferenční a tři seudodiferenční struktury, z toho jedna seudodiferenční racuje v roudovém režimu. Práce u dvou zaojení oisuje analýzu z ohledu neideálních vlastností aktivního rvku, kde je snahou najít otimálního řešení. Funkčnost nových funkčních bloků je ve všech říadech ověřena simulacemi a v několika říadech i exerimentálním měřením. Klíčová slova Pseudodiferenční filtr, lně diferenční filtr, neideální vlastnosti, arazitní imedance, aktivní rvek, diferenční struktura, kmitočtový filtr, dolní roust, horní roust, ásmová roust, ásmová zádrž, fázovací článek. Abstract This thesis deals with fully differential and seudo-differential frequency filters. Significant emhasis is laced on the characteristics of common-mode signal. Further, the text deals with the design issue of fully-differential structure and transformation of non-differential to seudo-differential structures. In the thesis one non-differential structure, one fully-differential and three seudo-differential structures are roosed, one of them working in current mode. The thesis also describes the analysis from the ersective of non-ideal roerties of the active element of two circuit solutions, which is trying to find the otimal solution. In each case, functionality of new solutions is verified by simulations and in several cases also by exerimental measurement. Keywords Pseudo-differential filter, fully differential filter, non-ideal roerties, arasitic imedances, active element, differential structure, frequency filter, low ass, high ass, band ass, band reject, all ass.

4 SLÁDOK, O. Diferenční a seudodiferenční kmitočtové filtry. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí dilomové ráce doc. Ing. Jaroslav Koton, Ph.D..

5 Prohlášení Prohlašuji, že svoji dilomovou ráci na téma: Diferenční a seudodiferenční kmitočtové filtry jsem vyracoval samostatně od vedením vedoucího dilomové ráce s oužitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny uvedeny v seznamu literatury na konci ráce. Jako autor uvedené dilomové dále rohlašuji, v souvislosti s vytvořením této dilomové ráce jsem neorušil autorská ráva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným zůsobem do cizích autorských ráv osobnostních a jsem si lně vědom následků orušení ustanovení a následujících autorského zákona č./000sb., včetně možných trestně rávních důsledků vylývajících z ustanovení 5 trestního zákona č.40/96sb. V Brně dne... Podis autora...

6 Poděkování ád bych oděkoval anu doc. Ing. Jaroslavu Kotonovi, Ph.D. za vedení této dilomové ráce, věcné řiomínky, cenné rady a růběžné konzultace ři saní tohoto textu.

7 Faculty of Electrical Engineering and ommunication Brno University of Technology Technicka, Z-6600 Brno, zechia htt:// Výzkum osaný v této dilomové ráci byl realizovaný v laboratořích odořených rojektem entrum senzorických, informačních a komunikačních systémů (SI); registrační číslo Z..05/..00/03.007, oeračního rogramu Výzkum a vývoj ro inovace.

8 Obsah ÚVOD Kmitočtové filtry..... Dělení filtrů..... Selektivní filtry Filtr tyu dolní roust Filtr tyu horní roust Filtr tyu ásmová roust Filtr tyu ásmová zádrž Filtr tyu fázovací článek.... harakteristika nediferenčních řenosů Zobrazení souhlasné složky u nediferenčních filtrů harakteristika diferenčních a seudodiferenčních řenosů Zobrazení souhlasného signálu u lně diferenčních a seudodiferenčních struktur Zobrazení otlačení nežádoucího naájecího signálu Diferenční filtry Navrhování lně diferenčních struktur Transformace říčných struktur na lně diferenční Transformace odélných struktur na lně diferenční Transformace nediferenčních aktivních rvků na lně diferenční Transformace nesymetrických filtrů na filtry seudodiferenční Modifikace nediferenčního vstuu na diferenční v naěťovém režimu Modifikace nediferenčního vstuu na diferenční v roudovém režimu Transformace nediferenčního výstuu na diferenční v M zůsob Transformace nediferenčního výstuu na diferenční v M zůsob Transformace nediferenčního výstuu na diferenční v M zůsob Transformace nediferenčního výstuu na diferenční v M zůsob Transformace nediferenčního výstuu na diferenční v roudovém režimu zůsob

9 4..8. Transformace nediferenčního výstuu na diferenční v roudovém režimu zůsob Pois oužitých aktivních rvků v návrhu Vlastní realizace a analýza kmitočtových filtrů Navržený seudodiferenční filtr racující v roudovém režimu Navržený univerzální seudodiferenční filtr racující v naěťovém režimu Neideální analýza univerzálního seudodiferenčního filtru Navržená seudodiferenční ásmová zádrž racující v naěťovém režimu Neideální analýza seudodiferenční ásmové zádrže Navržený nediferenční filtr racující v naěťovém režimu Navržený lně diferenční filtr racující v naěťovém režimu Exerimentální měření a simulace Měření a simulace nediferenčního filtru racujícího v M hování nediferenčního filtru ři změně naájecího naětí Měření a simulace seudodiferenčního filtru racujícího v M hování seudodiferenčního filtru ři změně naájecího naětí Měření a simulace lně diferenčního filtru racujícího v M hování lně diferenčního filtru ři změně naájecího naětí Porovnání exerimentálních měření Závěr... 7 Seznam oužitých veličin, symbolů a zkratek Seznam oužité literatury Příloha A Převodník nediferenčního signálu na diferenční Příloha B Převodník diferenčního signálu na nediferenční... 8 Příloha Provedení nediferenčního filtru Příloha D Provedení seudodiferenčního filtru Příloha E Provedení lně diferenčního filtru... 9 Příloha F Originální výsledky měření získané z obvodového analyzátoru 4395 A

10 ÚVOD Při návrhu analogových obvodů jsou v oblasti funkčních bloků často řešeny kmitočtové filtry, neboť své ulatnění nachází ve většině elektronických zařízení. Svoji funkci zastávají nař. ři filtrování signálu na symetrické vedení, kde oddělují datový signál od telefonního. Jelikož v současné době je ři návrhu funkčních bloků kladen důraz na nízké naájecí naětí a říkon, roste zájem o navrhování diferenčních kmitočtových filtrů, které v orovnání s nediferenčními kmitočtovými filtry vykazují velkou míru otlačení souhlasného signálu, jsou charakteristické nižším harmonickým zkreslením signálu a efektivně otlačují změny naájecího naětí. Teoretická část je věnována definicím diferenčních a seudodiferenčních řenosů. Velká část teorie se zaměřuje na charakteristiku oměru otlačení souhlasné složky M a oměru otlačení nežádoucího šumu od zdroje naájení PS. Dále se text zabývá vytvářením návrhů lně diferenčních struktur, kde je využito říčných a odélných ravidel ro zrcadlení nediferenční struktury. Následuje ois o vytváření seudodiferenčních kmitočtových filtrů z filtrů nediferenčních. Nejrozsáhlejší kaitola 6 je zaměřena na realizaci vlastních návrhů. Nalezneme, zde seudodiferenční filtry racující v roudovém režimu, v naěťovém režimu, nediferenční filtr racující v naěťovém režimu, jeho seudodiferenční strukturu a lně diferenční, která vychází z téže nediferenční. Nejvíce se text věnuje univerzálnímu seudodiferenčnímu kmitočtovému filtru, který je osán i z ohledu neideálních arametrů aktivního rvku, tj. jeho arazitní imedance vstuních a výstuních bran. Po zhodnocení těchto neideálních vlastností je hledáno otimální řešení ro nejleší funkčnost navrhovaného funkčního bloku. Následující kaitola oisuje výsledky exerimentálního měření v orovnání se simulacemi a teoretickými analýzami ro nediferenční filtr, univerzální seudodiferenční filtr a lně diferenční filtr. Je zde uveden ois chování obvodů ři změně naájecího naětí a ro seudodiferenční a symetrickou strukturu a dále je rovedeno měření arametru M. Závěrečná část orovnává výsledky z raktické části mezi těmito filtry a ro všechny tři zaojení zde nalezneme celkové harmonické zkreslení THD. 0

11 . KMITOČTOVÉ FILTY Kmitočtové filtry jsou lineární elektrické obvody [], obvykle dvojbrany. Princiem filtrů je, že některé kmitočty roustí bez ovlivnění, tato oblast se nazývá roustné ásmo a jiné kmitočty naoak otlačuje, takovému ásmu říkáme ásmo neroustné. Obecně můžeme rozlišovat mezi aktivními nebo asivními obvodovými strukturami. Při realizaci asivních filtrů jsou využívány kaacitory, rezistory a induktory. V dnešní době je snahou asivní filtry nahradit filtry aktivními (nejčastěji jsou to naěťové nebo roudové konvejory, oerační zesilovače), z důvodu snazší řeladitelnosti nebo nastavitelnosti. Základ aktivního filtru je tvořen aktivním rvkem, který je dolněn asivními součástkami rezistory a kaacitory. Kmitočtové filtry můžeme nalézt v celé řadě obvodů a systémů []. Setkáváme se s nimi naříklad v audiotechnice ro kmitočtové výhybky, jako horní nebo dolní roust. Pásmové zádrže se dají oužít roti blokování nežádoucích frekvencí. V telekomunikacích se filtry oužívají ři řenosu dat, v usměrňovačích k odstranění vyšších harmonických složek... DĚLENÍ FILTŮ Jednotlivé filtry můžeme dělit z hlediska zracování signálu na diferenční a nediferenční filtry nebo odle toho, jaké mají vlastnosti jejich elektronické součástky, ze kterých jsou sestaveny, buď na filtry aktivní, nebo na filtry asivní. A dále odle zracování signálů, z hlediska jejich roustnosti, na selektivní filtry... SELEKTIVNÍ FILTY Jednotlivé filtry asivní i aktivní dělíme odle toho, ve kterém ásmu signál roouští, či neroouští. ozdělujeme je na dolní roust (DP), horní roust (HP), ásmová roust (PP), ásmová zádrž (PZ), fázovací článek (FČ).

12 ... FILT TYPU DOLNÍ POPUST Filtr dolní roust (DP) je filtr, anglicky Low-Pass filter (LP), který roouští signály [], [], které jsou nižší než mezní kmitočet f0, kdy modulová charakteristika signálu oklesne o 3dB a vyšší signály otlačuje. Přenosová funkce ro filtr DP. řádu [3]: 0 K() a0 (.) 0 b b b 0... FILT TYPU HONÍ POPUST Filtr horní roust (HP) je filtr, anglicky High-Pass filter (HP), který roouští vysoké kmitočty [] [], větší než je mezní kmitočet a naoak nízké kmitočty otlačuje. Přenosová funkce ro filtr HP. řádu [3]: K() a (.) 0 b b b FILT TYPU PÁSMOVÁ POPUST Filtr tyu ásmová roust (PP) je filtr, anglicky Band-Pass filter (BP), roouští ouze ásmo určené dvěma mezními frekvencemi a, ostatní kmitočty otlačuje []. Přenosová funkce ro filtr PP. řádu [3]: K() a (.3) 0 b b b FILT TYPU PÁSMOVÁ ZÁDŽ Filtr tyu ásmová zádrž (PZ) je filtr, anglicky Band-eject filter (B), který neroouští signál [], jehož kmitočet je mezi dolním a horním mezním kmitočtem. Přenosová funkce ro filtr PZ. řádu [3]: 0 K() a0 a (.4) 0 b b b FILT TYPU FÁZOVAÍ ČLÁNEK Filtr tyu fázovací článek (FČ) je filtr, anglicky All-Pass filter (AP), který je charakteristický stejným zesílením v celém kmitočtovém ásmu a dochází ouze ke vhodné změně fázového osuvu mezi výstuním a vstuním signálem. Přenosová funkce ro filtr FČ. řádu [3]: 0 K() a0 a a (.5) 0 b b b 0

13 . HAAKTEISTIKA NEDIFEENČNÍH PŘENOSŮ Následující text oisuje nediferenční roudové a naěťové řenosy odle [3], kde naěťový řenos je vyjádřen jako výstuní naětí v oměru k naětí vstunímu, vyjádřené vztahem (.). Proudový řenos (.) je definován obdobně, jako oměr výstuního roud ku roudu vstunímu vynásobený (-), okud jsou směry vstuního a výstuního roudu uvažovány jak je zakresleno na Obr... U K U (.) U K I I, (.) I I I U U Obr..: Obecný dvojbran se znázorněnými vstuními a výstuními veličinami Podle dohody je výstuní roud I zakreslen směrem dovnitř zaojení, ale v rovnici (.) se vyskytuje znaménko mínus, což znázorňuje, že výstuní roud I teče ve skutečnosti ven z dvojbranu do následujícího funkčního bloku. V některých ublikacích [] u oisu roudového řenosu však můžeme narazit na to, že výstuní roud I teče ven ze zaojení. Pak tedy bude řenos KI rerezentován jako kladný odíl výstuního a vstuního roudu. Toto vyjádření uznává šíření signálu od vstuu na výstu zaojení, i když je to roti konvenci znázornění kladných roudů tekoucích dovnitř obvodu. Situaci demonstruje Obr..:. Tímto se ředejde situaci, kde by se v zaojení u výstuního signálu, muselo znázorňovat znaménko mínus nebo by oisovaná funkce musela být vyjadřována s oačně orientovanou fází. Nediferenční naěťový řenos se oroti (.) nijak nezměnil. 3

14 I I U U Obr..: Znázornění roudu I tekoucího ven z bloku Přenos naětí a roudu je rerezentován odle Obr.. jako: U K U (.3) U I K I (.4) I.. ZOBAZENÍ SOUHLASNÉ SLOŽKY U NEDIFEENČNÍH FILTŮ Jelikož se ráce bude zabývat seudodiferenčními a lně diferenčními filtry, tak v souvislosti s těmito strukturami bude oukázáno na otlačení souhlasné složky tzv. ommon mode dále už jen M odle [3]. Proto tato nežádoucí složka bude již zobrazena u nediferenčních struktur na Obr..3 a) z ohledu roudu a na Obr..3 b) z ohledu naětí. I I I UM U I IM U A U UD A U a) b) Obr..3: Zobrazení nežádoucí souhlasné složky a její výskyt na vstuu bloku racujícího a) v roudovém a b) naěťovém módu Výstuní veličiny obou situací oisují následující rovnice: I A(I I ) (.5) U Z Obr..3 je atrné, že souhlasný signál M na vstuu je ve výstuním roudu res. naětí násoben zesílením A což je ro mnoho alikací nežádoucí. Je tedy snahou tuto složku co nejvíce minimalizovat, což nám naříklad umožňují diferenční struktury. 4 M AU A(U U ) (.6) D M

15 3. HAAKTEISTIKA DIFEENČNÍH A PSEUDODIFEENČNÍH PŘENOSŮ Diferenční roudový řenos je charakterizován jako výstuní diferenční roud ku vstunímu diferenčnímu roudu vynásobený (-), když jsou roudy vstuu a výstuu zakresleny směrem dovnitř bloku dle [3]. Tuto situaci demonstruje Obr. 3.. Diferenční naěťový řenos je definován jako výstuní diferenční naětí ku vstunímu diferenčnímu naětí. Naěťový řenos oisuje Obr. 3.. i+ i+ Id Id Obr. 3.: Zobrazení diferenčního roudového řenosu odle dohody Ud u+ u+ i- i- u- u- Ud Obr. 3.: Zobrazení diferenčního naěťového řenosu Jestliže vezmeme v úvahu, že I (3.) d i i I (3.) d i i U (3.3) d u u U d u u, (3.4) 5

16 otom můžeme vyjádřit vstuní a výstuní diferenční roud a naětí takto: I i i d K I (3.5) Id i i U u u d K U (3.6) Ud u u Pokud oět budeme brát v úvahu, jako u nediferenční odoby, že se signál šíří od vstuu na výstu tzv. ven z bloku. A do obvodu bude na vstuu řiojen ještě zdroj roudu Id, tak získáme diferenční vstuní roud roven Id. Situaci znázorňuje Obr. 3.3 a matematicky oisuje diferenční roudový řenos rovnice (3.7). Diferenční naěťový řenos s naěťovým zdrojem oisuje Obr. 3.4 a vztah (3.8). i+ Id Obr. 3.3: Zobrazení diferenčního roudového řenosu s roudovým zdrojem K i i I (3.7) Id Ud u+ i- u- Obr. 3.4: Zobrazení diferenčního naěťového řenosu s naěťovým zdrojem K u u U (3.8) U d 6

17 3.. ZOBAZENÍ SOUHLASNÉHO SIGNÁLU U PLNĚ DIFEENČNÍH A PSEUDODIFEENČNÍH STUKTU Následující odstavec bude atřit otlačení souhlasné složky neboli M signálu u diferenčních struktur dle [3]. Situaci obecného dělení M mezi diferenčními vstuy znázorňuje Obr. 3.5 a). Ideální říad, kde oba roudové vstuy se svými vlastnostmi zcela shodují, demonstruje Obr. 3.5 b). i+ i+ i+ i+ A A i- i- IM i- i- a) IM/ IM/ b) Obr. 3.5: Zobrazení rozdělení M mezi roudové vstuy a) obecné, b) ideální Potlačení souhlasné složky odle Obr. 3.5 b), tedy ideální oba diferenční roudové vstuy, otvrzují následující rovnice: i i I / i I / A i i A M M i I / i I / A i i A M M (3.9) i (3.0) Ud/ u+ UM/ Ud/ u+ Ud A u+ Ud A u+ UM Ud/ a) UM/ Ud/ b) u- Ud u- u- u- Ud Obr. 3.6: Zobrazení rozdělení M mezi naěťové vstuy a) obecné, b) ideální Potlačení souhlasné složky se na diferenčním výstuním naětí [33] odle Obr. 3.6 a) zobrazí takto: U u- u U M Ud/ U M U/ A Ud d A Ud A (3.) Potlačení souhlasné složky se na diferenčním výstuním naětí [33] odle Obr. 3.6 zobrazí takto: U u u U M/ Ud/ U M/ Ud/ A Ud d A Ud A (3.) 7

18 Obecně tedy latí, že ři analyzování chování v naěťovém režimu u diferenčních obvodů jsou ředokládány tyto rovnice: U (3.3) d u u U (3.4) d u u u u U c (3.5) kde, Ud, Ud a Uc označují diferenční vstuní naětí, diferenční výstuní naětí a souhlasné vstuní naětí v daném ořadí. Signál Ud je rozdíl mezi dvěma vstuními signály u+ a u-, zatímco Uc vyjadřuje souhlasný vstuní signál jako růměr dvou vstuních signálů u+ a u-. Potom diferenční výstuní naětí Ud bude definováno takto: U d Ud Adm Uc Acm (3.6) kde, Adm a Acm je diferenční zesílení a zesílení souhlasného signálu, dle ořadí. K vyhodnocení zadržení M signálů má řednost diferenční signál. Poměr zadrženého souhlasného signálu (common-mode rejection ratio) je ak dán vztahem: A A dm M 0log (3.7) cm M určuje, jak je aktivní rvek či nějaká diferenční struktura schona otlačovat nežádoucí souhlasný vstuní signál solečný ro oba vstuy, vzhledem k ožadovanému diferenčnímu signálu. Při ideálním stavu by M mělo být nekonečno. 3.. ZOBAZENÍ POTLAČENÍ NEŽÁDOUÍHO NAPÁJEÍHO SIGNÁLU PS (Power suly rejection ratio) určuje množství nežádoucího šumu od zdroje naájení, který je aktivní rvek nebo celá diferenční struktura schona otlačit. V ideálním říadě by tento arametr měl být také nekonečno. Tuto situaci demonstruje následující vztah: 8

19 ΔU suly PS 0log (3.8) ΔU out kde, Usuly a Uout je změna naájecího naětí a změna výstuního naětí [7]. Situaci můžeme vidět na Obr V říadě, že dodávané naájecí naětí do aktivního rvku změníme o Usuly (v Obr. 3.7 o V), ak tato změna zůsobí změnu o Uout V na výstuu. 5V Ucc Ucc + Usuly 4V Uout Obr. 3.7: Zobrazení měření nežádoucího šumu od zdroje naájení 9

20 4. DIFEENČNÍ FILTY Diferenční struktury nabízejí více výhod než struktury nediferenční nař.: ozitivně ovlivňují kvalitu signálu, zvyšují dynamický rozsah, zvyšují rocento otlačení souhlasného signálu, omezují efekty výkonového zesílení [6] a snižují harmonické zkreslení signálu. Nevýhoda diferenčních kmitočtových filtrů však sočívá v tom, že ke své realizaci standardně otřebují dvojnásobek aktivních a asivních rvků, oroti nediferenční struktuře. Tím se stává výsledný obvod komlikovanější, což zůsobí větší sotřebu elektrické energie, a složitější návrh. S diferenčními filtry se můžeme setkat v telefonních nebo mobilních zařízeních. Svojí funkci zastávají ři filtrování signálu na symetrickém vedení, kde oddělují datový signál od telefonního. 4.. NAVHOVÁNÍ PLNĚ DIFEENČNÍH STUKTU Pokud chceme vytvořit lně diferenční kmitočtový filtr, tak můžeme jít římou cestou navrhování, teorii těchto návrhů racujících v naěťovém režimu, oisují kaitoly 4.., 4... Navržené lně diferenční řešení otom nalezneme v ka Jedná se o nejčastěji využívaný zůsob transformace. Výslednou diferenční strukturu získáme zrcadlením nediferenční struktury vůči zemi. Důsledkem takové konstrukce je oužití lně diferenčních aktivních rvků. Symetricky se nám zvýší i asivní rvky. Tudíž se struktura s ohledu rvků zvýší rinciiálně na dvojnásobek. Tyto struktury jsou ak z hlediska jejich rovedení označovány jako lně diferenční. Takovéto struktury mají obvykle velmi vysoké otlačení M. Aby řenosové funkce lně diferenčních struktur byly zcela shodné s ůvodním nediferenčním řešením, je nutné nově určit hodnoty asivních zrcadlených rvků. Určujeme je odle toho, kterou transformaci zvolíme, tedy transformaci říčných nebo odélných struktur TANSFOMAE PŘÍČNÝH STUKTU NA PLNĚ DIFEENČNÍ Přeměnu asivních říčných struktur na diferenční realizujeme tak, že zrcadlíme nediferenční strukturu vůči zemi [7], [4] a jak už z názvu vylývá, změníme ouze arametry rvků, které leží v říčné větvi. U odélných rvků se nám arametry ani oloha nezmění. Každý kaacitor ležící v říčné větvi má o olovinu 0

21 sníženou hodnotu oroti ůvodní hodnotě a hodnota rezistorů se zvýší na dvojnásobnou oroti hodnotě ůvodní. Pravidla určování hodnot vidíme na Obr. 4.. / Obr. 4.: Pravidla transformace říčných rezistorů a kaacitorů na diferenční strukturu Na Obr. 4. vidíme říklad jednoduché nediferenční struktury, kterou řevedeme na lně diferenční omocí ravidel říčné transformace. = u+ u+ U U = / Ud Ud = u- u- Obr. 4.: Příklad říčné transformace na lně diferenční strukturu Pro nediferenční strukturu (vlevo) nalezneme řenosovou funkci osanou v (.3) a diferenční řešení (vravo) oisuje vztah (3.6) TANSFOMAE PODÉLNÝH STUKTU NA PLNĚ DIFEENČNÍ Při transformování asivních odélných struktur na diferenční zrcadlíme nediferenční strukturu vůči zemi [7], [4] a jak už z názvu vylývá, měníme ouze arametry rvků, které leží v odélné větvi. Parametry rvků v říčných větvích se nemění. Každý kaacitor, který leží v odélné větvi, má dvojnásobnou hodnotu oroti ůvodní hodnotě a transformuje se na dva kaacitory, hodnota rezistorů se sníží na

22 olovinu oroti hodnotě ůvodní a také se transformují na dva. Pravidla určování hodnot vidíme na Obr / / Obr. 4.3: Pravidla transformace odélných rezistorů a kaacitorů na diferenční strukturu Na Obr. 4.4 vidíme říklad jednoduché nediferenční struktury, kterou řevedeme na lně diferenční omocí ravidel odélné transformace. = / u+ u+ U U Ud Ud = / u- u- Obr. 4.4: Příklad odélné transformace na lně diferenční strukturu Pro nediferenční strukturu (vlevo) latí řenosová funkce dána vztahem (.3) a ro diferenční obvod (vravo) oisuje rovnice (3.6). Obdobným zůsobem je možné transformovat i systémy racující v roudovém režimu TANSFOMAE NEDIFEENČNÍH AKTIVNÍH PVKŮ NA PLNĚ DIFEENČNÍ Obecně mají lně diferenční aktivní rvky dva vstuy a dva výstuy, které mají oačnou olaritu a mohou tedy vytvořit dvě zětné vazby [4]. Diferenční signál dostaneme o odečtení dvou vstuních signálů nebo výstuních signálů. Kdybychom vytvářeli diferenční rvek z nediferenčního, musíme daný nediferenční rvek rozšířit o vstu nebo výstu tak, aby mohl zracovat rozdílový signál.

23 Na Obr. 4.5 a) vidíme oerační zesilovač, který má diferenční vstu a nediferenční výstu. Pro otřeby realizace diferenčních struktur s oeračními zesilovači je nutné oužívat tzv. lně diferenční oerační zesilovač (Obr. 4.5 b), který disonuje dvěma výstuy, které jsou vzájemně invertovány. u+ u- u- u+ U u- u+ a) b) Obr. 4.5: Zobrazení oeračního zesilovače a) obecný ty, b) lně diferenční ty 4.. TANSFOMAE NESYMETIKÝH FILTŮ NA FILTY PSEUDODIFEENČNÍ Obecně latí, odle matematického oisu z hlediska oužití (3.3) - (3.7), že k analýze jsou uvažovány ouze vstuní a výstuní signály. Je tak možné realizovat tzv. seudodiferenční kmitočtové filtry, u kterých je definováno diferenční vstuní a výstuní naětí, avšak vlastní obvodová struktura neředstavuje lně diferenční řešení. I takové funkční bloky zajišťují dostatečně velké otlačení souhlasné složky a oroti lně diferenčním kmitočtovým filtrům je jejich celková struktura méně složitá. V raxi se v některých říadech využívají lně diferenční kmitočtové struktury s filtry seudodiferenčními. Následující odkaitoly se budou věnovat seudodiferenčním filtrům z ohledu vstuu a výstuu s využitím literatury [4], [5], [8], [9], [30], [3], [3] MODIFIKAE NEDIFEENČNÍHO VSTUPU NA DIFEENČNÍ V NAPĚŤOVÉM EŽIMU Zůsob transformace nesymetrického vstuu na symetrický je naznačen na Obr. 4.6 a Obr Jako výchozí nesymetrické struktury jsou vhodné takové, kde vstuní signál je řiváděn římo na naěťovou bránu Y aktivního rvku. Jak je uvedeno na Obr Jako říklad je uvažován roudový konvejor druhé generace II, který je ro názornost vyčleněn z celkového zaojení. K docílení symetrického vstuu je zaotřebí, aby měl aktivní rvek rozdílové svorky. Pro demonstraci byl využit aktivní rvek DV, jak je to naznačeno na Obr Vstuní diferenční signál je 3

24 tak řiváděn římo na naěťové brány Y a Y aktivního rvku, kdy jeho chováním dochází k odstranění souhlasného signálu (nežádoucího rušení) a dále je tak obvodem zracováván ouze rozdíl užitečného signálu. II U Y Z Zbývající část obvodu x Obr. 4.6: Nesymetrický vstu v naěťovém řenosu s využitím roudového konvejoru II Ud u+ u- DV Y Y Z Zbývající část obvodu x Obr. 4.7: Symetrický vstu v naěťovém řenosu s využitím diferenčního roudového konvejoru DV V rámci transformace nesymetrického vstuu na symetrický je tak nahrazen ouze jeden aktivní rvek, řičemž zbývající část obvodu zůstává nezměněna MODIFIKAE NEDIFEENČNÍHO VSTUPU NA DIFEENČNÍ V POUDOVÉM EŽIMU Zůsob modifikace nesymetrického vstuu na symetrický bude uveden omocí vyčleněných uzlů z celkového obvodového řešení, což oisují Obr. 4.8 a Obr A omocí roudových konvejorů druhé generace II, které jsou také vyčleněny z celkového zaojení, situaci demonstrují Obr. 4.0 a Obr. 4.. K transformaci omocí roudových konvejorů jsou vhodné takové výchozí struktury, kde vstuní 4

25 signál je řiváděn římo na roudovou bránu aktivního rvku. Přičemž svorka či svorky Y musí být uzemněny. Ivst Zbývající část obvodu x Obr. 4.8: Nediferenční vstu v roudovém režimu s vyčleněným uzlem Při řevodu nesymetrické struktury na diferenční se hledá takových uzlů, kde ři jejich srovnání je jeden roud fázově osunut o 80 vůči druhému. Situaci oisuje Obr Ivst x Zbývající část obvodu Ivst y Obr. 4.9: Diferenční vstu v roudovém režimu s vyčleněnými uzly, řičemž Ivst = - Ivst Obdobně se dá vytvořit diferenční vstu u obvodových řešení, která využívají roudových konvejorů. Vstuní signál se v tomto říadě řivádí na bránu aktivního rvku a zároveň musí být vysoko imedanční vstuy Y uzemněny. Situaci vystihují Obr. 4.0 a Obr. 4. II Ivst Y Z+ Z- Zbývající část obvodu Obr. 4.0: Nesymetrický vstu v roudovém režimu s vyčleněním II 5

26 II Y Z+ Ivst Ivst Z- II Y Z+ Z- Zbývající část obvodu Obr. 4.: Symetrický vstu v roudovém režimu s vyčleněním II, řičemž Ivst = - Ivst Lze také získat diferenční vstu v roudovém režimu omocí kombinace výše uvedených možností. Pseudodiferenční filtr racující v roudovém režimu, který je osán v kaitole 6. využívá teorií osaných na Obr TANSFOMAE NEDIFEENČNÍHO VÝSTUPU NA DIFEENČNÍ V M ZPŮSOB Na základě rinciu transformace nesymetrického naětí na výstuní, která byla uvedena v ka. 4., oisující transformace asivních struktur vylývá, že je nutné vytvořit rozdíl odovídajících si naětí, kdy jedno je fázově osunuto o 80 vůči druhému [30]. V říadě struktur racujících v naěťovém módu, kdy nejjednodušší zůsob realizace symetrického výstuu sočívá v dolnění struktury o naěťový invertor, jak je naznačeno na Obr Výchozí strukturou je řitom zaojení z Obr. 4., kde ze zaojení kmitočtového filtru je vyčleněn jeden roudový konvejor a je naznačeno nesymetrické naětí U. Tento rinci lze obecně využít u libovolné naěťové odezvy. Zbývající část obvodu Y II Z x U Obr. 4.: Nesymetrický struktura s využitím roudového konvejoru II 6

27 Zbývající část obvodu Y II Z - Ud x u+ Obr. 4.3: Symetrická struktura dolněná o naěťový invertor TANSFOMAE NEDIFEENČNÍHO VÝSTUPU NA DIFEENČNÍ V M ZPŮSOB V říadě, že naěťová odezva je snímána v uzlu, kde je řiojena brána aktivního rvku (viz Obr. 4.), lze řistouit k efektivnějšímu řešení sočívající v nahrazení ůvodního aktivního rvku II diferenčním naěťovým roudovým konvejerem DV, jak je zobrazeno na Obr. 4.4, [4], [9]. V tomto říadě se s výhodou využívá naěťový invertor, který je imlementován uvnitř tohoto aktivního rvku a ve srovnání se zaojením z Obr. 4.3 zjednodušuje výslednou realizaci. Zbývající část obvodu DV Y Z Y u- u- Ud u+ x Obr. 4.4: Symetrický výstu s využitím diferenčního roudového konvejoru DV a jeho vnitřního naěťového invertoru TANSFOMAE NEDIFEENČNÍHO VÝSTUPU NA DIFEENČNÍ V M ZPŮSOB 3 7

28 Pokud oět budeme snímat naěťovou odezvu z uzlu, kde je řiojena brána a do ní je zaojen rezistor x, můžeme využít záorného výstuu Z- aktivního rvku, do kterého je zaojen stejný rezistor tzn. x. Získáme na diferenčním výstuním naětí Ud dvojnásobný signál. Situaci demonstruje Obr Zbývající část obvodu Y II Z+ Z- x u+ u- x Ud Obr. 4.5: Symetrický výstu s využitím výstuní brány Z- a rezistoru x TANSFOMAE NEDIFEENČNÍHO VÝSTUPU NA DIFEENČNÍ V M ZPŮSOB 4 Při realizaci symetrického výstuu není nutně nezbytné využívat či vyhledávat naěťový invertor ve struktuře kmitočtového filtru, nebo využívat jen vnitřní řenos roudového konvejoru (Obr. 4.3, Obr. 4.4 a Obr. 4.5). Jak bylo uvedeno v [4], [9], symetrickou naěťovou odezvu je možné získat i snímáním dvou různých naěťových odezev a vytvořením jejich diference. I tohoto rinciu je v této ráci využito. Ud u+ DV Y Y Z Zbývající část obvodu u- u- u+ Ud x Obr. 4.6: Symetrický výstu ze dvou různých naěťových odezev Jestliže chceme nař.: získat diferenční ásmovou zádrž nastanou dvě možnosti. První sočívá v tom oisující rovnice (4.), že na kladné výstuní svorce 8

29 9 u+ získáme fázovací článek (FČ) a zároveň na záorné výstuní svorce u- invertující ásmovou roust (-PP). Tak na diferenčním výstuním naětí Ud získáme atřičným odečtením (či řičtením) ásmovou zádrž PZ. Druhou z možností oisuje rovnice (4.), okud na u+ získáme horní roust (HP) a na záorné svorce u- invertující dolní roust (-DP), tak na diferenční výstuním naětí Ud se zobrazí také ásmová zádrž (PZ). Tyto situace znázorňují následující vztahy: První situace: b b b a a a u b b b a u 0 0 b b b a a U d (4.) Druhá možnost: b b b a u 0 0 b b b a u b b b a a U d (4.) TANSFOMAE NEDIFEENČNÍHO VÝSTUPU NA DIFEENČNÍ V POUDOVÉM EŽIMU ZPŮSOB Zůsob modifikace nesymetrického výstuu na symetrický bude uveden omocí roudového konvejoru druhé generace II, a univerzálního roudového konvejoru U, tyto aktivní rvky budou z celkového obvodového řešení vyčleněny. Obvodové schéma II nalezneme na Obr. 5. a schématickou značku U oisuje Obr. 5.3 a). Nediferenční výstu v roudovém režimu demonstruje Obr. 4.7, kde je z celkového zaojení vyjmut aktivní rvek II, zbytek zaojení zůstává neměnné. Nesymetrický výstuní roud je vyveden z brány Z-.

30 Symetrický výstu lze získat tím, že nahradíme současný jednodušší aktivní rvek rvkem, který o stejném zaojení jako v říadě nesymetrické struktury, bude mít volné dva vysoko imedanční výstuy oačné olarity (tedy Z+ a Z-). Podmínka ro získání diferenčního výstuu sočívá v odebírání dvou výstuních roudů, které jsou vzájemně osunuty o 80. Tuto situaci demonstruje Obr. 4.8, kde je z celkového zaojení vyčleněn univerzální roudový konvejor U. II Zbývající část Y Z+ obvodu Z- Ivýst Obr. 4.7: Nesymetrický výstu v roudovém režimu s vyčleněním II U Zbývající část obvodu Y+ Z+ Ivýst Y3+ Z+ Y- Z- Z- Ivýst Obr. 4.8: Symetrický výstu v roudovém režimu s vyčleněním U TANSFOMAE NEDIFEENČNÍHO VÝSTUPU NA DIFEENČNÍ V POUDOVÉM EŽIMU ZPŮSOB Další možnost jak získat diferenční výstu, sočívá v odebírání diferenčního výstuního roudu z dvou aktivních rvků, transformaci oisuje Obr Pro tuto situaci oět latí odmínka, že jednotlivé odebírané roudy musí být vzájemně 30

31 osunuty o 80. Pro znázornění jsou využity dva roudové konvejory druhé generace II. Výchozí nesymetrická struktura zůstala stejná a je zobrazena na Obr II Zbývající část obvodu Y Z+ Z- Z+ Ivýst Y II Z- Ivýst Obr. 4.9: Diferenční výstu v roudovém režimu s využitím dvou aktivních rvků 3

32 5. POPIS POUŽITÝH AKTIVNÍH PVKŮ V NÁVHU Diferenční roudový konvejor (DV) dle [4], kde jeho schematický symbol je zobrazen na Obr. 5. a), je blok s ěti branami: dvěma vysoko imedančními naěťovými vstuyy a Y, jedním nízko imedančním roudovým vstuem a dvěma vysoko imedančními roudovými výstuy Z+ a Z-. Vztahy roudových a naěťových svorek oisují rovnice (5.). Diferenční rozdílový roudový konvejor (DD), jehož symbol je zobrazen na Obr. 5. b), je blok o šesti branách: tři vysoko imedanční naěťové vstuyy+, Y- a Y3+, jeden nízko imedanční roudový výstu a dva vysoko imedanční roudové výstuy Z+ a Z-. Sojitost mezi svorkami oisují rovnice (5.). Iy+ DD Iz+ Uy Iy Iy Ix Y DV Y Z+ Z- Uz- Iz- Iz+ Uz+ Uy+ Y+ Z+ Y- Z- Y3+ Uy- Iy- Iy3+ Ix Iz- Uy Ux Uz- Uy3+ Ux Uz+ a) b) Obr. 5.: Obvodové symboly za a) DV, b) DD. U U y U y, I y I y 0, I I I Z I, Z (5.) U Uy Uy Uy3, I y I y I y3 0, I I I I Z, Z (5.) Proudový konvejor druhé generace (II) dle [4], kde jeho elektrická značka je zobrazena na Obr. 5., Je blok se čtyřmi branami: jeden vysoko imedanční naěťový vstu Y, jeden nízko imedanční vstu a dva vysoko imedanční výstuy Z+ a Z-. Vztahy mezi branovými naětími a roudy oisují rovnice (5.3). 3

33 Uy Iy Ix II Y Z+ Z- Iz- Iz+ Uz+ Ux Uz- Obr. 5.: Obvodový symbol II U, I 0 U y I I I y, Z, Z I (5.3) Pro otřebu simulace a exerimentální měření kmitočtových filtrů osaných v následujícím textu ráce byl oužit univerzální roudový konvejor U-NB [], kterým byly realizovány aktivní rvky DV, DD i II. U je osmibran Obr. 5.3 a): tři vysoko imedanční naěťové vstuy (Y+, Y-, Y3+), jeden nízko imedanční vstu a čtyři roudové výstuu (Z+, Z-, Z+ a Z-), jehož chování je osáno následovně: U Uy Uy Uy3, I y I y I y3 0 I I I I I (5.4) Z, Z, Z Z I Z oisu všech čtyř ředchozích konvejorů je možné si ovšimnout, že roudy Iyx, (kde {x =,, 3}) tekoucí do svorek Yx, (kde {x =,, 3}) jsou nulové, což z raktického hlediska odovídá vysoko imedančnímu charakteru těchto bran. Na Obr. 5.3 b) je ro názornost využití U uveden zůsob realizace aktivního rvku DV, kdy vybrané brány U jsou uzemněny. Obdobným zůsobem jsou ak realizovány i další v ráci uvažované aktivní rvky. Iy+ U Iz+ Iy+ U Iz+ Y+ Z+ Y+ Z+ Uy+ Iy- Iy3+ Y- Z- Iz+ Iz- Uz+ Uy+ Iy- Y- Z- Iz- Uz+ Uy- Ix Y3+ Z+ Iz- Uz- Uy- Y3+ Z+ Uz- Uy3+ Ux Z- Uz+ Uz- Ux Ix Z- a) b) Obr. 5.3: a) Schematická značka U, b) říklad realizace DV omocí U 33

34 6. VLASTNÍ EALIZAE A ANALÝZA KMITOČTOVÝH FILTŮ 6.. NAVŽENÝ PSEUDODIFEENČNÍ FILT PAUJÍÍ V POUDOVÉM EŽIMU Návrh seudodiferenčního filtru v roudovém režimu můžeme vidět na Obr. 6.. Filtr využívá tři univerzální roudové konvejory (U), kde vstuní diferenční signál je řiváděn do nízko imedančních uzlů. Ve struktuře se nacházejí dva uzemněné asivní rvky (kondenzátory a ) a dva neuzemněné (rezistory a ), které jsou řiojeny do svorek. Tento filtr využívá roojení bran Z- a brány Y+, Y- a Y3+ jsou u všech roudových konvejorů uzemněné. Kmitočtové odezvy jsou vyvedeny římo z roudových výstuů aktivních rvků, což zajišťuje vysokou výstuní imedanci a tedy kladné chování ři kaskádním zaojení. U Y + Z + U Y + Z + U 3 Y + Z + Y - Z - Y - Z - Y - Z - Y 3+ Z + Z - Z - d I idp I DP I ihp I HP I Y 3+ Z + Y 3+ Z + Z - Obr. 6.: Pseudodiferenční filtr racující v roudovém režimu s využitím U Pokud budeme brát v úvahu ideální vlastnosti aktivních rvků, tak ro filtrační funkce druhého řádu horní a dolní roust bude diferenční výstuní roud osán následujícími rovnicemi: HPd I (6.) I DPd (6.) Úhlový charakteristický kmitočet ω0 a činitel jakosti Q lze shodně ro obě odezvy vyjádřit omocí vztahů: 0 Q (6.3), 34

35 Pro rovedení očítačových simulací byl zvolen mezní kmitočet f0 = 00 khz a činitel jakosti Q = 0,707 (Butterworthova aroximace), hodnoty kondenzátorů byly zvoleny = = nf a doočítány = 5 Ω, = 5 Ω. Výsledky simulací a chování filtrů v ideálním říadě zobrazuje Obr. 6.. Pro simulace v OrADu byl oužit univerzální roudový konvejor třetí generace (U-3L). Obr. 6.: Modulová charakteristika kmitočtových funkci tyu DP a HP Z grafu je atrné, že mezi simulací a ideálním růběhem jsou minimální neshody. Filtr tyu horní roust nabývá simulačního útlumu okolo -90 db a filtr tyu dolní roust řibližně -80 db. 35

36 6.. NAVŽENÝ UNIVEZÁLNÍ PSEUDODIFEENČNÍ FILT PAUJÍÍ V NAPĚŤOVÉM EŽIMU Navržený seudodiferenční kmitočtový filtr druhého řádu racující v naěťovém režimu je zobrazen na Obr Tato struktura vychází ze své nediferenční odoby blíže osané v kaitole 6.4. Filtr je tvořen ze dvou diferenčních rozdílových roudových konvejorů DD a jedním diferenčním roudovým konvejorem DV, kde k DD je řiváděno diferenční vstuní naětí. Dále struktura obsahuje 4 asivní rvky, jmenovitě dva rezistory, a dva kaacitory,. Tento filtr využívá známé vazby Y-Z. Jeho výhodou je řivedení vstuního signálu na vysoko imedanční brány, což umožňuje velmi dobrou reakci na kaskádní zaojení. Oroti nediferenčnímu filtru umožňuje otlačení souhlasné signálu a, jak bude dále uvedeno, dobře reaguje na změnu naájecího naětí a oroti lně diferenčnímu filtru je jeho celková struktura méně složitá. U +, U +, U 3+ U -, U 4+ U d DD DD DV 3 Y + Z + Y + Z + Y + Z + Y - Z - Y - Z - Y 3+ Y 3+ Z - U 5- Y - Z - U 4- U - U 5+, U 3-3 Obr. 6.3: Navržený univerzální seudodiferenční filtr racující v naěťovém režimu Pokud budeme ředokládat ideální aktivní rvky, tak diferenční výstuní naětí ro jednotlivé filtry (HP, DP, FČ, PZ, PP,) dle ořadí oisují následující rovnice (6.6) - 6.): Pro horní roust, kde se využívá ka. 4..6: (6.4) U Ud 0 U c (6.5) U Ud 0 U c a dle (3.3)-(3.5) ro diferenční výstuní naětí Ud latí: 36

37 37 c d d U U U 0 (6.6) okud orovnáme (3.6) s (6.6) získáme diferenční zesílení Adm: Adm (6.7) Jelikož horní roust byla z této struktury vybrána ro další otimalizaci je osána odrobněji. Ostatní kmitočtové filtry ve srovnání s horní roustí se uravují obdobně, tudíž ro ně budou vysány jenom diferenční výstuní naětí viz níže. Pro dolní roust, která také využívá ka latí: c d d U U U 0 (6.8) Pro fázovací článek, využívající oět ka latí rovnice: c d d U U U 3 0 (6.9) Pro ásmovou zádrž, která je založena na teorii osané v ka a ro rovnost =, latí: c d d U U U 4 0 (6.0) Pro ásmovou roust, využívající vnitřního naěťového invertoru dle ka latí: c d d U U U 5 0 (6.)

38 U ásmové rousti se v čitateli objevila, která celou řenosovou funkci násobí. Je zůsobena odečtením (res. sečtením) odle (3.4) dvou ásmových roustí, jelikož jak na kladné, tak i na záorné svorce se vyskytuje stejná ásmová roust. Vzhledem k tomu, že souhlasné zesílení Acm je ro všechny kmitočtové filtry rovno 0, tak M je ři uvažování ideálních aktivních rvků rovno nekonečnu. Pro univerzální seudodiferenční filtr jsou úhlová charakteristická frekvence ω0 a činitel jakosti Q vyjádřeny následovně: 0 (6.) Q (6.3) Všechny diferenční řenosové funkce jsou zobrazeny na Obr Pro tyto kmitočtové filtry byl zvolen f0 = 00 khz, Q = 0,707, zvoleny = = nf a doočítány = 5 Ω, = 5 Ω. Obr. 6.4: Univerzální seudodiferenční struktura a její kmitočtové odezvy ři uvažování ideálních aktivních rvků 38

39 6... NEIDEÁLNÍ ANALÝZA UNIVEZÁLNÍHO PSEUDODIFEENČNÍHO FILTU Pokud vezmeme v úvahu neideálnost oužitých aktivních rvků odle [], [8], tak vztahy ro diferenční roudový konvejor DV, oroti ideálním vlastnostem (5.) můžeme zasat takto: U U U (6.4) y y I Z I I Z I (6.5) (6.6) kde j = - vj a k = - ik (ro j = {, } a k = {, } jsou naěťové a roudové zesílení ro DV, a vj << a ik << označují naěťové a roudové sledovací chyby. Podobné chování z ohledu neideálních vlastností aktivních rvků latí ro diferenční rozdílový roudový konvejor DD, které je vyjádřeno výrazy: U U y U y 3U y3 (6.7) I Z I IZ I (6.8) (6.9) kde j = - vj a k = - ik (ro j = {,, 3} a k = {, } jsou naěťové a roudové zesílení ro DD, a vj << a ik << označují naěťové a roudové sledovací chyby. Pro roudový konvejor druhé generace II z ohledu jeho neideálního chování latí obdobné vztahy: U (6.0) U y I ο I Z I ο I Z (6.) (6.) 39

40 40 kde = - v a k = - ik (ro k = {, } jsou naěťové a roudové zesílení ro DD, a v << a ik << označují naěťové a roudové sledovací chyby. Pokud tedy bereme v úvahu neideální vlastnosti aktivních rvků [8], získáme jiné vyhodnocení navrhovaného kmitočtového filtru, které řináší nové diferenciální a souhlasné zesílení. Pro otimalizaci byla z univerzálního seudodiferenčního filtru vyhodnocována horní roust (HP) viz níže: 3 Adm (6.3) 3 Acm (6.4) odle (3.7) je oměr zadrženého souhlasného signálu roven: 0log M (6.5) kdy vysokého zadržení souhlasného naěťového signálu na výstuu zaojení se tedy zajistí v říadě, kdy. Vzhledem k neideálnímu naěťovému a roudovému zesílení aktivních rvků, úhlová frekvence a činitel jakosti lze vyjádřit takto: 0 (6.6) Q 3 (6.7) Jelikož naěťové a roudové sledovací chyby aktivních rvků jsou minimální, vliv neideálního naěťového a roudového zesílení na vlastnosti kmitočtového filtru je zanedbatelný.

41 S ohledem na velký význam arazitních imedancí aktivního rvku dle [], [8], které jsou zobrazeny na Obr. 6.5 se ro jednodušší zracování uvažuje naěťové a roudové zesílení v celém obvodu stejné. U + U - U d DD DD DV 3 Y + Z + Y + Z + v v Y + Z + Y - Z - Y - Z - Y - Z - Y 3+ Y 3+ w w Obr. 6.5: Univerzální seudodiferenční filtr s arazitními imedancemi otom lze odvodit diferenciální zesílení Adm a osat jej takto: A vw v w vw w v w vw dm vw (6.8) kde w, v, w, x, x, v Z Y, v Z Y, w Z Y Y 3, jestliže Y, Z Y Y 3 arazitními rezistory a kaacitory, dle ořadí., Z a Pro srávnou funkci kmitočtového filtru musí latit ; << následující úhlová frekvence a činitel jakosti bude vyadat takto: Y, ; v Z, jsou w, ak 0 (6.9) Q (6.30) kde ke srávným vlastnostem kmitočtového filtru odle (6.) a (6.3) musí být hodnoty asivních rvků dodrženy dle >> v, >> w a ; >> 4

42 Pro ověření chování navrhovaného seudodiferenčního filtru, byly rovedeny simulace. Pro realizaci aktivních rvků byl využit univerzální roudový konvejor U-NB []. Tento konvejor byl navržen na Vysokém učení technickém v Brně ve soluráci s ON Semiconductor, Ltd. a v této ráci bude využíván, jak z ohledu arazitních vlastností ro simulace, tak ak dále i ro exerimentální ověření. Parametry neideálních vlastností aktivních rvků jsou osány v Tab. 6.. V simulacích se ředokládají arazitní imedance těchto aktivních rvků, kde je snaha získat co nejotimálnější hodnoty asivních rvků nař. ro maximální útlum ro ožadovanou úhlovou frekvenci nebo činitel jakosti daného filtru. Tab. 6.: Neideální vlastnosti ro DV a DD dle arametrů U-NB [] Parametr [-] Parametr [Ω F] Naěťové zesílení Y imedanční svorka Y Y Naěťové zesílení Y imedanční svorka Y Y Naěťové zesílení Y imedanční svorka Y Y Naěťové zesílení Y imedanční svorka Y Y Naěťové zesílení Y 3 imedanční svorka Y3 Y Proudové zesílení Z a imedanční svorka Z Z Proudové zesílení.09 Z a imedanční svorka Z Z Proudové zesílení Z b imedanční svorka Z Z Proudové zesílení.09 Z b imedanční svorka Z Z a Platí ro DV a, b imedanční svorka.4 b Platí ro DD Hlavní rioritou bylo otimalizování mezního kmitočtu f0, kde simulovaný mezní kmitočet f0sim byl oroti teoretickému meznímu kmitočtu f0teo o několik desítek Hz osunut. Tudíž simulovaný mezní kmitočet f0sim byl oložen ku teoretickému kmitočtu f0teo, a to celé se oložilo rovno. Byly nalezeny otimální hodnoty a, výsledek oisuje Obr Dále byl cíl dosáhnout takových hodnot a, aby byl získán co největší útlum, výsledek demonstruje Obr Následovalo zhodnocení a bylo vybráno "nejlešího otima". 4

43 Simulovaný mezní kmitočet f0sim, vychází z matematického oisu (6.7) a teoretický mezní kmitočet f0teo, je vzat z rovnice (6.3). Dále ro simulaci byl zvolen mezní kmitočet f0 = 00 khz a činitel jakosti Q = ezistory byly doočítány oté, co bylo rozhodnuto dle Obr. 6.6 a Obr. 6.7 o otimálních hodnotách a ve skutečnosti s mezním kmitočtem f0 a získáním co největšího útlumu horní rousti. Výočet ro rezistory oisují následující rovnice: Q (6.3) π f 0 (6.3) Q π f 0 Obr. 6.6: Varianta mezního teoretického kmitočtu v oměru se simulovaným kmitočtem, ro Q =

44 Obr. 6.7: Varianta ro dosažení maximálního útlumu, ro Q= Simulace roběhly ro mezní kmitočet khz, útlum horní rousti by měl na tomto kmitočtu a ři zvolení kondenzátorů nf nabývat hodnoty řibližně -40 db. Pokud orovnáme Obr. 6.7 a Obr. 6.8, či Obr. 7.4 zjistíme, že teoretické výsledky se shodují s exerimentálním měřením i simulacemi. Podle ředcházejících otimalizačních grafů nař.: dle Obr. 6.6, je ředokládáno, že hodnota kondenzátorů by měla být v rozmezí ro = =, 0 nf a odle Obr. 6.7 ro dosažení většího útlumu by měly být hodnoty voleny ro = = nf a hodnoty nižší. Proto byly zvoleny hodnoty kondenzátorů ro = = nf a doočítány hodnoty rezistorů, kde = 5 Ω a = 5 Ω. 44

45 Obr. 6.8: Průběh seudodiferenční horní rousti Tato otimalizovaná seudodiferenční horní roust byla následně simulována v rostředí OrAD a byly vyhotoveny růběhy ro ideální a reálnou charakteristiku, která je demonstrována na Obr U simulovaného růběhu je útlum řibližně -4 db, kdežto u ideálního je téměř dvojnásobný. Z hlediska osunutí mezního kmitočtu se simulovaný, díky otimalizaci blíží k tomu ideálnímu. 45

46 6.3. NAVŽENÁ PSEUDODIFEENČNÍ PÁSMOVÁ ZÁDŽ PAUJÍÍ V NAPĚŤOVÉM EŽIMU Tato struktura obdobně jako návrh v ka. 6. je tvořena ze dvou diferenčních rozdílových roudových konvejorů DD a jednoho diferenčního roudového konvejoru DV. Do struktury jsou zaojeny další čtyři asivní rvky, dva rezistory a dva kondenzátory. Zaojení se v orovnání se strukturou na Obr. 6.3 liší v jiném roojení aktivních rvků. Navržený filtr je zobrazen na Obr U + U d DD DD DV 3 Y + Z + Y + Z + Y + Z + Y - Z - Y - Z - Y - Z - Y 3+ Y 3+ U - Obr. 6.9: Pseudodiferenční ásmová zádrž Dle zaojení bude na výstuních svorkách U+ a U- signál: (6.33) U Ud 0 U c U Ud 0 U c (6.34) odle (3.3)-(3.5) ro diferenční výstuní naětí Ud latí: (6.35) Ud Ud 0 U c 46

47 a tedy srovnáním (3.6) s (6.35) získáme diferenční zesílení Adm: Adm (6.36) odovídající ásmové zádrži. Vzhledem k tomu, že souhlasné zesílení Acm je v ideálním říadě tohoto filtru oět rovno 0, tak M je rovno nekonečnu. Pro seudodiferenční ásmovou zádrž je vyjádřená úhlová charakteristická frekvence ω0 a činitel jakosti Q jako: 0 (6.37) Q (6.38) NEIDEÁLNÍ ANALÝZA PSEUDODIFEENČNÍ PÁSMOVÉ ZÁDŽE Pokud vezmeme v úvahu neideálnost oužitých aktivních rvků a vztahy ro diferenční roudový konvejor DV a diferenční rozdílový roudový konvejor DD, které jsou osány v ka dle [8]. Tak zjednodušené diferenční a souhlasné zesílení můžeme zasat omocí (6.39) a (6.40), v tom říadě okud vezmeme v úvahu to, že ři získávání M vzniká odíl mezi Adm a Acm. V rovnici (6.39) a (6.40) jsou vyčleněny ouze naěťové zesílení, které se o uskutečnění výočtu nevykrátí. Zbytek rovnice ro tento říad nazveme jako α, který se ři výočtu M vykrátí. Obdobná situace je řešena v rovnicích (6.3) až (6.5). δ δ A dm (6.39) A cm δ δ (6.40) otom odle (3.7) je oměr zadrženého souhlasného signálu roven: M 47 δ δ δ δ 0 log (6.4)

48 48 kdy největšího zadržení souhlasného naěťového signálu na výstuu zaojení se tedy zajistí v říadě, kdy. Za ředokladu arazitních imedancí aktivních rvků [8], které jsou zobrazeny ve struktuře na Obr. 6.0, kde se ro jednodušší zracování uvažuje taktéž naěťové a roudové zesílení v celém obvodu stejné. DD Y 3+ Y - Z - Y + Z + DV 3 DD U + Y - Z - Y + Z + Y 3+ Y - Z - Y + Z + U d w w v v U - y y Obr. 6.0: Pseudodiferenční ásmová zádrž z arazitními imedancemi Dále lze odvodit diferenciální zesílení Adm a zobrazit jej takto: w Y x Y Y w v Y w v w Y w v v w v Y v Y Y Y v Y Y Y w w v Y Y w Y w Y Y w Y Y v Y Y Y w v Y w v w v w v v Y Y Y Y w v w v Y w v Y w v dm A 3 (6.4) kde v, w, x, x, Z Y v, 3 Y Y Z w, Z Y v, 3 Y Y Z w, jestliže Y,, Z, Y a Y, Z, Y jsou arazitními rezistory a kaacitory, dle ořadí. V rovnici (6.4) vznikl ve jmenovateli třetí řád filtru, který je zůsoben zětnou vazbou a jeho arazitami, z diferenčního rozdílového roudového konvejoru

49 DD ze svorky do DD vysoko imedanční vstuní brány Y-. Pro kmitočtový filtr musí latit ; << bude vyadat takto: ; v w, ak následující úhlová frekvence a činitel jakosti 0 (6.43) Q (6.44) kde ke srávným vlastnostem kmitočtového filtru odle (6.9) a (6.0) musíme oět brát v otaz hodnoty asivních rvků, které musí být dodrženy dle >> v, >> w a ; >>.Následně byl navržený seudodiferenční filtr odsimulován. Pro realizaci aktivních rvků byl znovu využit univerzální roudový konvejor U-NB [].Parametry neideálních vlastností byly vzaty z Tab. 6.. V simulacích se ředokládají araziti těchto aktivních rvků. Tato seudodiferenční struktura byla z otimalizována z ohledu získání maximálního útlumu, kde se otlačuje charakteristika ásmové rousti, v čitateli u Lalaceova oerátoru, která vznikla u diferenčního zesílení Adm rovnice (6.4). Pro otimalizaci a také simulaci byl zvolen mezní kmitočet f0= 00kHz a činitel jakosti Q = 0,707 [-]. Obr. 6.: Varianta ro otlačení ásmové rousti vyskytující se v Adm 49

50 Podle otimalizačního grafu dle Obr. 6. je ředokládáno, že hodnota kondenzátorů by měla být v rozmezí ro = nf a hodnoty nižší ro =, 000 F. Proto byly zvoleny hodnoty kondenzátorů ro = = nf, Ke kondenzátorům byly doočítány hodnoty rezistorů, kde = 5 Ω odle matematického oisu (6.45) - (6.46). = 56 Ω a Q (6.45) π f 0 (6.46) Q π f 0 Obr. 6.: Průběh seudodiferenční ásmové zádrže ro f0 = 00kHz a Q = 0,707 Z otimalizovaný seudodiferenční kmitočtový filtr ásmové zádrže byl následně odsimulován a byly sestaveny růběhy ro ideální a reálnou charakteristiku, která je demonstrována na Obr. 6.. Ze schématu je atrné, že reálný růběh se velmi blíží ideální charakteristice, kde simulační útlum nabývá hodnoty řibližně -5.5 db a ten ideální řibližně -8.5 db. Pokles modulové charakteristiky v oblasti nad MHz je zůsoben omezenou šířkou ásma oužitých aktivních rvků []. 50

51 6.4. NAVŽENÝ NEDIFEENČNÍ FILT PAUJÍÍ V NAPĚŤOVÉM EŽIMU Tato struktura vychází z [37] a bude orovnávána s seudodiferenčním filtrem, který byl uveden v kaitole 6.. Struktura je realizována omocí tří aktivních rvků, dvou diferenčních roudových konvejorů DV a jednoho roudového konvejorů druhé generace II, kterou jsou dolněny o čtyři asivní rvky: dva uzemněné kondenzátory a dva rezistory. Vstuní signál je řiváděn do vysoko imedančního vstuu rvního aktivního rvku DV. Zaojení je zobrazeno na Obr U 4 U DV DV Y + Z + Y + Z + U II-3 Y Z U Y - Z - Y - Z - U 3 Obr. 6.3: Nediferenční filtr racující v M Filtr dovoluje realizovat čtyři základní nediferenční kmitočtové funkce druhého řádu (DP, PP, HP, PZ), které jsou osány v následujících rovnicích ( ). Pro dolní roust latí: U (6.47) ovnice (6.48) vyjadřuje ásmovou roust: U (6.48) Dále ak horní roust 3 U (6.49) Pásmová zádrž je vyjádřena takto: 4 U (6.50) 5

52 Činitel jakosti a úhlový charakteristický kmitočet je shodný jako u univerzálního seudodiferenčního filtru osaného v ka. 6.. hování filtru ři simulacích a exerimentálním měření v orovnání s teoretickými analýzami bude zkoumáno v kaitole NAVŽENÝ PLNĚ DIFEENČNÍ FILT PAUJÍÍ V NAPĚŤOVÉM EŽIMU Zaojení na Obr. 6.4 vychází z nediferenčního filtru, který byl rezentován v kaitole 6.4. Proto to zaojení byla ulatněna teoretická analýza o zrcadlení nediferenční struktury vůči zemi odle [7], [4] a byla osána v ka. 4.. Plně diferenční filtr byl také navržen za účelem orovnání s univerzálním seudodiferenčním filtrem. Struktura obsahuje šest aktivních rvků dva diferenční rozdílové roudové konvejory DD, dva diferenční roudové konvejory DV a dva roudové konvejory druhé generace II-. Obvod dále obsahuje osm asivních rvků, čtyři kondenzátory a čtyři rezistory, které jsou řivedeny na zem, řičemž = 3, = 4, = 3, = 4. Diferenční vstuní signál je řiváděn na vysoko imedanční brány Y+, což zajišťuje snadnou kaskádovatelnost. Oroti své nediferenční odobě došlo k neatrné změně u druhého a třetího aktivního rvku. U konvejoru DV výstuní signál ze Z+ byl řeojen na výstu ze Z- a u konvejoru II byly také řeojeny brány ze Z+ na výstu ze Z-. Tyto kroky bylo nutné udělat za účelem získat stabilní řešení. Předokládanou výhodou tohoto řešení na rozdíl od nediferenční res. seudodiferenční struktury je vyšší otlačení souhlasného signálu, ovšem za cenu složitějšího zaojení a tudíž větších nákladů na konstrukci. Výsledky ze simulací a z raktické části budou osány v kaitolách 7 a 8. Činitel jakosti a úhlový charakteristický kmitočet je stejný jako u seudodiferenčního filtru, tak i u nediferenčního filtru osaných v kaitolách 6. a

53 U 4+ U + DD Y + Z + DV Y + Z + U + II-3 Y Z + U + Y - Z - Y - Z - Z - Y 3+ U 3+ Y U 3- U - Y - Z - Y + Z + DD Y - Z - Y + Z + DV U - Y Z - Z + II-3 U 4- U - Obr. 6.4: Plně diferenční filtr racující v M Navržená struktura lně diferenčního filtru realizuje jako jeho nediferenční odoba oisována v kaitole 6.4 čtyři základní diferenční kmitočtové odezvy druhého řádu (DP, PP, HP, PZ) a oisují je následující vztahy:. Pro dolní roust (DP): U d (6.5). Pro ásmovou roust (PP): U (6.5) 3. Pro horní roust (HP): 3 U (6.53) 4. Pro ásmovou zádrž (PZ): 4 U (6.54) 53

54 7. EPEIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ A SIMULAE Pro raktickou část měření, byl zvolen univerzální seudodiferenční kmitočtový filtr racující v naěťovém režimu uvedený v kaitole 6., který byl v ředchozích částech zkoumán z ohledu ideálních vlastností, dále ak byl tento filtr (jmenovitě horní roust, ale ostatní kmitočtové funkce se uravují obdobně) otimalizován z ohledu arazitních vlastností aktivních rvků. Poté bylo sledováno jeho chování ři simulacích v OrADu s využitím univerzálního roudového konvejoru třetí generace (U-3L). Jeho schematické zaojení je zobrazeno na Obr ílem exerimentálního měření bylo ověření chování tohoto filtru s reálnými součástky a orovnání jeho chování s nediferenční strukturou, která byla roto to srovnání také navržena a byla osána v kaitole 6.4. Následně byla navržena struktura lně diferenční, která vychází s nediferenčního zaojení a bude s seudodiferenčním filtrem také orovnána, jejímu oisu je věnována kaitola 6.5. Pro exerimentální měření byl využit univerzální roudový konvejor U-NB [], který byl odle otřeby transformován na diferenční rozdílový roudový konvejor DD nebo na diferenční roudový konvejor DV (viz ka. 5), či se využil jeho druhý vnitřní blok, obsahující roudový konvejor druhé generace II. Veškeré naměřené hodnoty a grafy byly získány za omoci obvodového analyzátoru 4395 A. Jelikož se v raktické části ověřovaly diferenční struktury a aby mohlo být zrealizováno exerimentální měření, muselo být řivedené nediferenční naětí řevedeno na diferenční naětí, řed symetrickým filtrem a následně výstuní diferenční naětí řevedeno na nediferenční. elkové blokové schéma exerimentálního měření je na Obr. 7.. Převod diferenčního naětí na nediferenční byl zkonstruován využitím součástky AD849 [35]. Pokud se jednalo o řevodník nediferenčního naětí na diferenční, tak tento řevodník byl zajištěn v odobě součástky AD8476 [34]. Kromě užitečného signálu Uvst, bylo ještě omocí sumačních zesilovačů realizovaných integrovaným obvodem AD87[36] řivedeno souhlasné naětí UOM, kterým bylo možné ověřit srávnou činnost diferenčního zaojení sočívající v otlačení souhlasného signálu. Pro návrh desek lošných sojů byl využit freewarový adsoft rogram Eagle 6.5.0Light, kde dokumentace k těmto deskám je uvedena v řílohách A až E. Měření na obvodovém analyzátoru bylo rováděno s šířkou ásma 30 Hz, vstuní signál měl hodnotu 0 dbm a měření robíhalo v rozmezí od khz do 0 MHz. Ukázky z exerimentálního měření omocí obvodového analyzátoru 4395 A jsou v říloze F. Pro simulace a exerimentální měření byl ro jednotlivé odezvy DP, HP, PP, PZ, AP zvoleny barvy dle ořadí červená, černá, zelená, modrá, žlutá. 54

55 Uvst N/D Uo+ Diferenční filtr Ui+ D/N Uvýst Uo- Ui- UOM Obr. 7.: Blokové schéma ro raktickou část 7.. MĚŘENÍ A SIMULAE NEDIFEENČNÍHO FILTU PAUJÍÍHO V M Schematické zaojení filtru druhého řádu je zobrazeno na Obr. 6.3 v kaitole 6.4. Je složený ze tří aktivních rvků, dvou diferenčních roudových konvejorů DV a roudovým konvejorem druhé generace II. Solu s aktivními rvky tvoří obvod čtyři asivní rvky, dva rezistory a dva kondenzátory. Pro exerimentální měření byly využity dva univerzální roudové konvejory U-NB [], kde oba byly transformovány na diferenční roudový konvejor DV a z jednoho bylo využito vnitřního bloku, z něhož byl modifikován třetí aktivní rvek II. Všechny řenosové funkce oisují rovnice (6.47)-(6.50). Simulace byly rovedeny v rogramu OrAD 0.3 s využitím univerzální roudového konvejorů třetí generace U-3L. Deska lošných sojů realizovaného filtru je uvedena v říloze. Pro rovedení očítačových simulací a měření ostaveného obvodu byl mezní kmitočet zvolen jako f0= ω0/π= 00 khz a činitel jakosti Q = 0,707 (Butterworthova aroximace), hodnoty kondenzátorů = = = nf. Hodnoty rezistorů byly vyočteny omocí následujících vztahů (7.) a (7.), = 5 Ω 00 Ω, = 5 Ω 00 Ω. Výsledky simulací a měření jsou vykresleny na Obr. 7. solu s teoretickými analýzami. Q (7.) π f 0 (7.) Q π f 0 55

56 Obr. 7.: Modulová charakteristika filtračních funkcí DP, HP, PP, PZ, teorie (tečkovaně), simulace (čárkovaně), měření (lná čára) Z grafu je atrné, že výsledky z raktického měření jsou velmi dobré v orovnání se simulacemi a teorií. Minimální odlišnosti se objevily u dolní a horní rousti, kde simulační a teoretický útlum je řibližně -80 db, ten změřený nabývá hodnoty u DP řibližně -50 db a u HP řibližně -60 db. Tyto výchylky jsou zůsobeny arazitními vlastnostmi aktivních rvků a jejich kmitočtovými limity. Průběh kmitočtové charakteristiky je na těchto kmitočtech nestálý či rozkmitaný, což je zůsobené zvolenou velkou šířkou ásma, která byla ro exerimentální měření zvolena 30 Hz. Pokud bychom zvolili šířku ásma naříklad Hz, obvodový analyzátor by vykreslil odezvy daleko řesněji HOVÁNÍ NEDIFEENČNÍHO FILTU PŘI ZMĚNĚ NAPÁJEÍHO NAPĚTÍ ílem dalšího měření bylo zachytit, jak nediferenční filtr reaguje na změnu naájecího naětí. Nediferenční struktura využívá ro exerimentální měření univerzální roudový konvejor U-NB [], ro který je otimální naětí ±.65 V a odběr jednoho konvejoru je 7mA. Při raktické části měření bylo změněno naájecí 56

57 naětí řibližně o 7%, to je cca±.53 V odle [7]. eakci na tuto změnu vystihuje Obr Obr. 7.3: Modulová charakteristika nediferenčního filtru, ři změně naájecího naětí o 7% Výsledky rezentované na Obr. 7.3 oisují reakci na změnu naájecího naětí. V orovnání s růběhy ři otimálním naájení Obr. 7. se nejvíce rojevila změna u ásmové zádrže, kde se útlum řibližně z -40 db zmenšil na útlum -8 db. Dále se tento jev rojevil ještě u dolní rousti zhruba o 0 db. U ostatních řenosových odezev změna naájení není říliš významná. Lze si také všimnout hladších růběhů ve srovnání s Obr MĚŘENÍ A SIMULAE PSEUDODIFEENČNÍHO FILTU PAUJÍÍHO V M Navržený a měřený univerzální seudodiferenční filtr druhého řádu je znázorněn na Obr. 6.3, ro uřesnění se nachází v kaitole 6.. Návrh využívá tři aktivní rvky, jeden diferenční rozdílový roudový konvejor DD a dva diferenční roudové konvejory DV, roto musely být ro exerimentální měření oužity tři univerzální roudové konvejory U-NB [], které byly transformovány na 57

58 jednotlivé aktivní rvky. Nevyužité brány byly uzemněny solu s vnitřními bloky. Filtr je dále dolněn o ět asivních rvků, tři rezistory a dva kondenzátory. Obvodové řešení z Obr. 6.3 je možné oužít k realizaci horní, dolní, ásmové rousti, ásmové zádrže, u které se ředokládá = 3, a fázovacího článku. Přenosové funkce oisují rovnice (6.6), (6.8)-(6.) Kmitočtový filtr byl navržen ro charakteristický kmitočet f0 = ω0/π= 00 khz, činitel jakosti Q = 0,707. Jelikož filtr vychází z ředcházející nediferenční odoby, jsou řenosové rovnice totožné a hodnoty asivních rvků byly vyočteny obdobně, tedy = = nf, = 3 = 00 Ω a = 00 Ω. Tyto hodnoty byly oužity ro všechny tyy měření. Porovnání exerimentálního měření s teoretickými analýzami a simulacemi znázorňuje Obr. 7.4 a schonost seudodiferenčního filtru otlačit souhlasný signál oisuje Obr Desky lošných sojů jsou uvedeny v říloze D. Obr. 7.4: Modulová charakteristika seudodiferenčních funkcí PZ, PP, DP, HP, APteorie (tečkovaně), simulace (čárkovaně), měření (lná čára) K výsledkům exerimentálního měření seudodiferenčního filtru uvedené na Obr. 7.4 můžeme říci, že jsou velmi dobré a očekávané. V orovnání se simulacemi a teorií se růběhy téměř shodují. Menší útlum u horní rousti jak u simulace, tak reálného měření oroti teorii je zůsoben arazitními vlastnostmi aktivních rvků, 58

59 ředevším nízkou imedancí na výstuních branách Z. ůst dolní rousti okolo kmitočtu MHz, zaříčiní také arazitní vlastnosti aktivních rvků nebo neideální arametry vstuních a výstuních svorek. Pokud bychom tyto neideální vlastnosti řevedly to charakteristické řenosové funkce ro dolní roust, zjistíme, že se v čitateli této funkce objeví nenulový člen u horní roust, což zaříčiní tento nárůst modulové charakteristiky a filtr dolní rousti má tendenci chovat jak ásmová zádrž. Na základě rovedených analýz bylo zjištěno, že změna hodnot asivních rvků nevykazuje leší výsledky. Ostatní čtyři řenosové odezvy PZ, PP, HP a AP racují usokojivě. Obr. 7.5:Schonost seudodiferenčního filtru otlačit souhlasný signál Na Obr. 7.5 je uveden arametr M (common mode rejection ratio), který ro všechny tyy uvažovaných řenosových funkcí dosahuje hodnoty cca 36 db, což ro řadu alikací je možné ovažovat za dostatečné a tyto seudodiferenční filtry tak je možné využít za vhodné funkční bloky ro zracování analogových signálů. 59

60 7... HOVÁNÍ PSEUDODIFEENČNÍHO FILTU PŘI ZMĚNĚ NAPÁJEÍHO NAPĚTÍ Stejné měření jako u nediferenční struktury roběhlo i ro seudodiferenční filtr a ři raktické části bylo změněno naájecí naětí také o 7% Obr. 7.6: Modulová charakteristika seudodiferenčního filtru, ři změně naájecího naětí o 7% Z analyzovaných řešení se změna naájecího naětí nejvíce rojevila u seudodiferenčního filtru (viz Obr. 7.3 a Obr. 7.0). harakteristický kmitočet f0 = 00 khz se osunul na hranici 90 khz. Útlum ásmové zádrže se snížil na mezním kmitočtu z -35 db na řibližně 7 db a řenosová funkce horní rousti se osunula na nízkých kmitočtech z -37 db na -30dB. U ásmové zádrže se o mezním kmitočtu růběh nedostává k hodnotě 0 db a u růběhu dolní rousti se nárůst rojevil daleko více. Schonost filtru otlačit souhlasný signál ři změně naájecího naětí je uveden na Obr

61 Obr. 7.7: Schonost seudodiferenčního filtru otlačit souhlasný signálu, ři změně naájecího naětí o 7% Z Obr. 7.7 je atrné, že seudodiferenční filtr ři změně naájecího naětí otlačuje souhlasný signál o 0 db oroti ideálnímu naájecímu naětí, kde M je řibližně 36 db MĚŘENÍ A SIMULAE PLNĚ DIFEENČNÍHO FILTU PAUJÍÍHO V M Schematické zaojení na Obr. 6.4, vychází ze své nediferenční odoby, kde byla ulatněna teorie o zrcadlení nesymetrické struktury vůči zemi odle [7], [4] na lně diferenční strukturu. Návrh využívá šest aktivních rvků dva diferenční rozdílové roudové konvejory DD, dva diferenční roudové konvejory DV a dva roudové konvejory druhé generace II. Pro raktickou část byly využity čtyři univerzální roudové konvejory U-NB [], kde dva byly řevedeny na aktivní rvek DD a vnitřní bloky byly uzemněny, dva na aktivní rvek DV a vnitřní bloky byly modifikovány na dva univerzální roudové konvejory druhé generace II. Strukturu dále dolňuje osm asivních rvků, čtyři kondenzátory a čtyři rezistory. Obvodové řešení je možné oužít ro čtyři diferenční filtrační funkce dolní, horní, 6

62 ásmovou roust a ásmovou zádrž. Přenosové funkce oisují vztahy (6.53) až (6.56). Desky lošných sojů jsou uvedeny v říloze E. Plně diferenční kmitočtový filtr byl navržen na charakteristickém kmitočtu f0 = ω0/π= 00 khz, činitel jakosti oět Q = 0,707. Jelikož filtr vychází z ředcházející nediferenční odoby, jsou využity stejné rovnice ro výočet a. Potom = = 3= 4 nf, = 3 = 00 Ω a = 4 = 00 Ω. Tyto hodnoty byly oužity jak ro simulace, tak ro raktickou část. Porovnání exerimentálního měření se simulacemi a teorií znázorňuje Obr. 7.8 a schonost lně diferenčního filtru otlačit souhlasný signál oisuje Obr Obr. 7.8: Modulová charakteristika lně diferenčních funkcí PZ, PP, DP, HP teorie (tečkovaně), simulace (čárkovaně), měření (lná čára) Výsledky exerimentálního měření modulové charakteristiky lně diferenčního filtru řinesly největší shodnost se simulacemi a teorií z celkového měření. Neatrná nestálost a rozkmitání modulu řenosové funkce u horní rousti na nízkých kmitočtech je zůsobena zvolenou velkou šířkou ásma. Dolní roust vykazuje taktéž nejleší výsledky v orovnání s nediferenční či seudodiferenční strukturou. Zbylé dvě řenosové odezvy se blíží ideálním růběhům. 6

63 Obr. 7.9: Schonost lně diferenčního filtru otlačit souhlasný signál Obr. 7.9 zobrazuje arametr M ro tři řenosové funkce DP, HP, a PP je schonost otlačení souhlasného signálu na zvoleném mezním kmitočtu f0 = 00 khz řibližně 5 db a dokonce otlačení charakteristické ro řenosovou funkci ásmové zádrže je řibližně -0 db. To znamená velmi šatné výsledky, jelikož teoretické analýzy u lně diferenčních struktur jsou v hodnotách otlačení souhlasného signálu okolo 45 db. 63

64 7.3.. HOVÁNÍ PLNĚ DIFEENČNÍHO FILTU PŘI ZMĚNĚ NAPÁJEÍHO NAPĚTÍ Modulovou charakteristiku ři změně naájecího naětí znázorňuje Obr Pro lně diferenční filtr byl také zvolen okles naájecího naětí o 7% což je řibližně ±.53 V Obr. 7.0: Modulová charakteristika lně diferenčního filtru, ři změně naájecího naětí o 7% Modulové charakteristiky ro všechny řenosové funkce z grafu výše zaznamenaly nejleší reakci na změnu naájecího naětí a v orovnání s Obr. 7.8 došlo k minimálním změnám. Přesto, že tento lně diferenční filtr obsahoval v odobě realizace desky nejvíce univerzálních roudových konvejorů U-NB []. Neatrná změna nastává ouze u filtru horní rousti, kde růběh nad mezním kmitočtem nedosahuje hodnoty 0 db, ale je trochu otlačen. 64

65 Obr. 7.: Schonost lně diferenčního filtru otlačit souhlasný signálu, ři změně naájecího naětí o 7% Výsledky exerimentálního měření lně diferenčního filtru znázorňují, že struktura o změně naájecího naětí vykazuje horší výsledky než ři otimálních odmínkách a arametr M je nižší oroti M na Obr. 7.9 řibližně o 5 db. 65

66 8. POOVNÁNÍ EPEIMENTÁLNÍH MĚŘENÍ Tato kaitola shrnuje veškeré výsledky z exerimentálního měření. Porovnává univerzální seudodiferenční filtr druhého řádu, kde jeho schematické zaojení je na Obr se svým rotiólem nediferenční strukturou v kaitole 6.4, ze které ale vychází. Také je orovnán s lně diferenční strukturou, která vychází také z té nediferenční, zaojení nalezneme na Obr Obr. 8. orovnává modulovou charakteristiku řenosových funkcí ro všechny tři návrhy, ři otimálním naájecím naětí ±.65 V. Obr. 8.: Porovnání modulových charakteristik ři naájecím naětí ±.65 V Nedif. (tečkovaně), Plně dif. (čárkovaně), Pseudo.(lná čára) Pokud orovnáme všechny tři filtry druhého řádu racující v naěťovém režimu z ohledu toho, co mají solečného, tak je to jejich vnitřní struktura a každý s filtrů je ak dolněn o určitý očet asivních rvků, které jsou uzemněny. Jednotlivé zaojení se liší v různorodém roojení bran Y-Z, v očtu aktivních rvků, s tím souvisí složitost návrhu a tím zda do filtru vstuuje diferenční či nediferenční signál. U všech tří zaojení jsou řenosové funkce velmi odobné. Největší rozdíl vzniká u 66

67 seudodiferenčního filtru u odezvy dolní roust, kde její útlum je na vysokých kmitočtech -5 db, kdežto u nediferenční a lně diferenční struktury je útlum řibližně -70 db. Obdobné závěry je možné dělat i ro filtr horní rousti jen v oblasti nízkých kmitočtů. Pásmová roust u seudodiferenčního filtru je dvojnásobná oroti ásmové rousti u lně diferenčního a nesymetrického filtru, což je ale očekávaný stav. Pásmová zádrž vykazuje největší shodu u všech zaojení. Fázovací článek orovnáván nebyl, jelikož tuto odezvu je možné realizovat ouze omocí seudodiferenčního filtru a je i jeho říadnou výhodou. Schonost otlačit souhlasný signál, který je řiveden do obvodu oisuje Obr. 8., který orovnává z tohoto ohledu lně diferenční a seudodiferenční strukturu. Nediferenční filtr tuto schonost ostrádá, tudíž v tomto grafu není ani uvažován. Obr. 8.: Parametr M ro seudodiferenční a lně diferenční filtr ři naájecím naětí ±.65, V Pseudo. (lná čára), Plně dif. (čárkovaně) Z grafu je atrné, že seudodiferenční filtr a jeho řenosové funkce otlačují souhlasný signál řibližně o 36 db, což je ro mnoho alikací řijatelné. Teoretické analýzy ukázaly u seudodiferenčních filtrů schonost otlačit souhlasný signál řibližně o 45 db. Z Obr. 8. lze také vyčíst, že lně diferenční filtr otlačuje souhlasnou složky jenom o cca 5 db. To je ro mnoho alikací nedostačující, řičemž by odle teorií měla být diferenční struktura schona otlačit tuto složku o 45 db a 67

68 více. Po tomto výsledku je možné říci, že filtr se nechová dle očekávání z ohledu otlačení souhlasné složky, z ohledu modulové charakteristiky vykazuje dobré chování. Následující Obr. 8.3 vykresluje modulové charakteristiky řenosových funkcí nediferenčního, seudodiferenčního a lně diferenčního filtru, a oisuje jejich chování ři změně naájecího naětí. Obr. 8.3: Porovnání modulových charakteristik ři naájecím naětí ±.53 V Nedif. (tečkovaně), Plně dif. (čárkovaně), Pseudo.(lná čára) Z výsledků exerimentálního měření je zřejmé, že změna naájecího naětí o 7% na obvody nemá velký vliv, res. změna modulových charakteristik filtrů ozitivněji minimální. V omezené míře je ovlivněn univerzální seudodiferenční filtr, kdy byl osunut jeho mezní kmitočet na 90 khz a jeho řenosové funkce HP a DP zaznamenaly drobné odchylky oroti otimálnímu naájení ±.65 V. Nediferenční a lně diferenční struktura reaguje na změnu velmi dobře. Nutné je ale odotknout, že naříklad ásmová zádrž u všech třech zaojení je na mezním kmitočtu osunuta řibližně z -40 db na -30 db. Nejvíce je ovlivněn seudodiferenční filtr ro řenosové funkce HP a DP. 68

69 hování ři změně naájení a vliv na arametr M (common mode rejection ratio) zobrazuje Obr. 8.4, orovnávaná je struktura lně diferenční a seudodiferenční. Obr. 8.4: Parametr M ro seudodiferenční a lně diferenční filtr ři naájecím naětí ±.53 V, Pseudo. (lná čára), Plně dif. (čárkovaně) Výsledky rezentované v grafu Obr. 8.4 jsou srovnáním arametru M u seudodiferenčního a lně diferenčního obvodu. Změna naětí ovlivnila obě zaojení. U seudodiferenční filtru klesla schonost otlačit souhlasnou složku z řibližně 36 db na 0 db a u symetrického filtru klesla z řibližně 5 db na 0 db. elkově lze říci, že snížení naájecího naětí má na arametr M značný vliv. Kromě měření modulových charakteristik a arametru M, bylo exerimentálně měřeno celkové harmonické zkreslení THD ro všechny navržené filtry. Měření bylo rovedeno, jak ro snížené naájecí naětí tak i ro otimální. 69

70 elkové harmonické zkreslení je definováno jako oměr vyšších harmonických složek ku základní harmonické složce, a je vyjádřeno vztahem: U U3... Un THD (8.) U Při exerimentálním měření bylo uvažováno rvních ět harmonických složek, tedy U až U5. Pomocí rovnice (8.) bylo vyočteno celkové harmonické zkreslení THD. Změna THD v závislosti na amlitudě vstuního signálu je znázorněna na Obr Frekvence vstuního signálu byla khz, řičemž byla vždy měřena odezva dolní rousti. Obr. 8.5: Harmonické zkreslení navržených filtrů ři naájecím naětí ±.65 V Z Obr. 8.5 vylývá ro seudodiferenční filtr, že ro amlitudy vstuního signálu od V je celkové harmonické zkreslení od %. U lně diferenčního filtru ro amlitudy vstuního signálu od 0,8 V je celkové harmonické zkreslení od,5% a u nediferenčního filtru ro amlitudy vstuního signálu od 0,5 V je celkové harmonické zkreslení od,5%. ostoucí růběh je zůsoben saturací aktivních rvků. Nejleší výsledky vykazuje seudodiferenční filtr. 70

71 Stejné měření bylo rovedeno i ři snížení naájecího naětí o 7%. elkové harmonické zkreslení oisuje Obr Obr. 8.6: Harmonické zkreslení navržených filtrů ři naájecím naětí ±.53 V Z grafu je atrné ro seudodiferenční a lně diferenční filtr, že ro amlitudy vstuního signálu od 0,8 V je celkové harmonické zkreslení od % a u nediferenčního filtru ro amlitudy vstuního signálu od 0,6 V je celkové harmonické zkreslení od 3%. ostoucí růběh je oět zůsoben saturací aktivních rvků, kdy vzhledem ke sníženému naájecímu naětí se aktivní rvky dostávají do saturace dříve než je tomu v říadě měření dle Obr V tomto říadě nejleší výsledky vykazuje lně diferenční filtr. 7

72 9. ZÁVĚ Tato ráce byla zaměřena na výzkum seudodiferenčních a diferenčních kmitočtových filtrů, které zracovávají analogový signál. Hlavním cílem ráce bylo analyzování těchto struktur, dále ak navrhnout funkční obvodová řešení a orovnat je mezi sebou z ohledu zkreslení zracovávaného signálu, otlačení souhlasného signálu, otlačení naájecího naětí a náročnosti na vlastní realizaci. V úvodu ráce se zabývám obecnými vlastnostmi těchto filtrů. Poisem souhlasné složky na vstuu zaojení, oisem nežádoucího šumu od zdroje naájení a jejich následné otlačení. V teoretické části jsem se zaměřil na vytváření lně diferenčních filtrů s využitím zrcadlení, za omoci říčných a odélných ravidel, Následuje ois transformace nesymetrické struktury na seudodiferenční obvody. Ale není vždy nutné vytvářet seudodiferenční nebo lně diferenční filtry z nediferenčních struktur, můžeme jít také římou cestou navrhování těchto obvodů. Následující kaitola 6. oisuje ět navržených obvodových řešení, kde jedna struktura je nediferenční racující v naěťovém režimu a čtyři diferenční obvody, z nichž jeden racuje v roudovém režimu a ostatní v naěťovém. Nediferenční zaojení se stalo ředlohou ro lně diferenční a univerzální seudodiferenční filtr, kde bylo využito teorií o zrcadlení a transformace nesymetrické struktury na seudodiferenční. Univerzální seudodiferenční filtr byl v této části odroben hlubší analýze z ohledu arazitních imedancí a neideálních vlastností bran aktivních rvků. Při zohlednění těchto vlastností bylo hledáno otimalizovaného výsledku. V raktické části byly exerimentálně ověřeny nediferenční filtr, univerzální seudodiferenční filtr, a lně diferenční filtr. ennou výhodou seudodiferenčního filtru je, že realizuje všechny základní filtrační funkce, kdežto jeho nediferenční a lně diferenční odoba realizuje ouze čtyři řenosové odezvy, tj. DP, HP, PP, PZ. V kaitole 7 byly tyto struktury orovnávány se simulacemi a ideálními růběhy. Měření robíhalo ro naájecí naětí ±.65 V a ro snížené naájecí naětí ±.53 V. Při otimálním naájecím naětí (±.65 V) z ohledu modulových charakteristik řenosových funkcí se všechny tři obvody chovaly v orovnání se simulacemi dle očekávání a vykazovaly velmi dobré výsledky. Na změnu naájecího naětí reagovaly všechny tři struktury obdobně, kdy byl ro všechny filtrační funkce snížen útlum řibližně o 5 db, tato minimální odchylka je zanedbatelná. Závěrečná část orovnává veškeré exerimentální měření. Je nutné říci, že seudodiferenční a nediferenční obvod má vnitřní strukturu stejnou, která je dolněna o určitý očet uzemněných asivních rvků. Liší se ouze v různorodém roojení bran Y-Z, a v očtu aktivních rvků, ale základ zůstává stejný. Plně 7

73 diferenční filtr má s nediferenční strukturou taky mnohé solečné, jelikož byl vytvořen zrcadlením z té nesymetrické. Pro všechny filtr latí solečná řenosová funkce ro všechny odezvy. Pokud orovnáme modulovou charakteristiku všech tří filtrů, ři naájení ±.65 V, tak všechny struktury vykazují kvalitní a očekávané výsledky. Pásmová roust a zádrž vykazuje největší shodu u všech zaojení. Největší rozdíl vzniká u seudodiferenčního filtru u odezvy dolní roust, kde její útlum je na vysokých kmitočtech -5 db, kdežto u nediferenční a lně diferenční struktury je útlum řibližně -70 db. To odobné latí i ro filtr horní rousti jen na nízkých kmitočtech. Tyto odchylky jsou zůsobené arazitními vlastnostmi aktivních rvků. Pokud změníme naájení o 7%, tak můžeme říci, že řenosové odezvy reagují na tuto změnu jen omezeně. U všech struktur se snížil útlum o 5 db. Minimálně je ovlivněn univerzální seudodiferenční filtr, kdy byl osunut jeho mezní kmitočet na 90 khz. Byla také vyhodnocena schonost otlačit souhlasný signál ro seudodiferenční a lně diferenční řešení. Nediferenční tuto schonost nemá, roto hodnocena není. Při otimálním naájení arametr M ro všechny řenosové funkce u seudodiferenčního filtru nabývá hodnot řibližně 36 db, což ro řadu alikací je možné ovažovat za dostatečné. Pro lně diferenční filtr arametr M nabývá hodnot 5 db, otom můžeme říci, že lně diferenční filtr neracuje dle očekávání. Při naájení ±.53 V seudodiferenční filtr otlačuje souhlasnou složku o 0 db, kdežto lně diferenční filtr jen o 0 db. Nejleší výsledky z měření celkového harmonického zkreslení ro naájení ±.65 V vykazuje seudodiferenční filtr, kde ro amlitudy vstuního signálu od V je THD od %. Při naájení ±.53 V u seudodiferenčního a lně diferenčního filtru ro amlitudy vstuního signálu od 0,8 V je celkové harmonické zkreslení od %. Nejhorší výsledky má nediferenční struktura. Všechny výsledky simulací a měření v ráci ukazují, že nediferenční a diferenční filtrační řešení mají velice blízké vlastnosti a jsou tedy stejně dobře oužitelné. Pokud vezmeme v úvahu, které řináší diferenční zracování signálů, z ohledu zracování souhlasných rušivých signálů, je možné diferenční filtry ovažovat za výhodnější. Nejleší výsledky z celého měření vykazoval univerzální seudodiferenční filtr. Náročnost na realizaci je daleko nižší jsou otřeba ouze tři univerzální roudové konvejory U-NB [], oroti lně diferenční struktuře, která na realizaci otřebuje tyto konvejory čtyři. Jeho výhodou je, že realizuje všechny základní řenosové funkce a arametr M, který nabýval hodnot 36 db. Pseudodiferenční filtry tak lze ovažovat za vhodné funkční bloky ro zracování analogových signálů. 73

74 SEZNAM POUŽITÝH VELIČIN, SYMBOLŮ A ZKATEK I roud na vstuu [A] I roud na výstuu [A] Ix roud na uzlu [A] Iy roud na uzlu Y [A] Iz roud na uzlu Z [A] Ux naětí na uzlu [V] Uy naětí na uzlu Y [V] Uz naětí na uzlu Z [V] U vstuní naětí [V] Ud diferenční vstuní naětí [V] U výstuní naětí [V] Ud diferenční výstuní naětí [V] ω0 úhlová frekvence [s - ] f0 mezní kmitočet [Hz] KU řenos naětí KI řenos roudu K() řenosová funkce Lalaceův oerátor DP dolní roust (Low-Pass) HP horní roust (High-Pass) PP ásmová roust (Band-Pass) PZ ásmová zádrž (Band-eject) FČ fázovací článek (All-Pass) rezistor [Ω] kondenzátor [F] Q činitel jakosti [-] OZ oerační zesilovač U univerzální roudový konvejor ( universal currentconveyor) DV diferenční roudový konvejor (differentialcurrentvoltageconveyor) DD diferenční rozdílový roudový konvejor (differentialdifferencecurrentconveyor) G obecní roudový konvejor (generalcurrnetconveyor) I roudový konvejor rvní generace II roudový konvejor druhé generace III roudový konvejor třetí generace Y vstuní svorka konvejoru vstuní svorka konvejoru Z+ výstuní svorka konvejoru Z- výstuní svorka konvejoru π Ludolfovo číslo (3, [-]) M common-mode rejection ratio PS Powersulyrejection ratio α,β,γ,δ,ε,κ alfa, beta, gama, delta, esilon, kaa, dle ořadí 74

75 SEZNAM POUŽITÉ LITEATUY [] HÁJEK, K a SEDLÁČEK, J. Kmitočtové filtry.. vyd. Praha: BEN - technická literatura, 00, 535 s. ISBN [] VBA, K. Analogová technika: Vysoké učení technické v Brně, 0, ISBN: [3] Analogová technika očítačová cvičení úloha : Kmitočtový filtr. FEKT VUT v Brně [4] DOSTÁL, T. Princi filtrů: Ústav radioelektroniky, FEKT, VUT v Brně, [online]:<htt:// [5] PETŽELA, J. Elektrické filtry-fázovací články a kmitočtové korektory. Ústav radioelektroniky, FEKT, VUT v Brně, [online] Dostuné na internetu:<htt:// [6] SUN, Y. Design of High Frequency Integrated Analogue Filters, IET 00. [7] KUBÍK, M. Diferenční kmitočtové filtry s moderními aktivními rvky. BNO, 0. 74s. DIPLOMOVÁ PÁE. VYSOKÉ UČENÍ TEHNIKÉ V BNĚ. Vedoucí ráce Ing. Jan Jeřábek [8] ČAJKA, J.; DOSTÁL, T.; VBA, K. Nové názvosloví a sjednocující ohled na roudové konvejory[online]. Elektronický časois. Dostuné z UL: htt:// [9] JEŘÁBEK, J a VBA, K. Vybrané vlastnosti univerzálního roudového konvejoru, ukázka návrhu alikace. 006, roč. 006, č. 4, s. 9. [online]. Elektronický časois. Dostuné z: UL htt:// [0] HONG, J.W., HOU, H.L., HANG, H.M., HOU, H.P., LIN, H.T. High inut imedance voltage-mode universal biquadratic filter with one inut an five oututs using current conveyors. ircuits systems signal rocessing, Vol. 5, No. 6, 006, P DOI: 0.007/s z [] BEČVÁŘ, D. Naěťové konvejory [online]. Elektronický časois. Dostuné z UL: htt:// [] KISHNA, M., KUMA, NA V., SINIVASULU, A V. Differential diference current conveyor based cascadable voltage mode first order allass filters ISBN:

76 [3] KUMNGEN, M., KHATEB, F., PHASUKKIT, P., TUNGJITKUSOLMUN, S., DEJHAN, K. Voltage-mode multifunction biquadratic filters using new ultra-low-ower differential diference current conveyors. adioengineering. Vol., No., June 03. [4] JEŘABEK, J., KOTON, J., ŠOTNE,., VBA, K. Adjustable band-ass filter with current aktive elements: two fully-differential and single-ended solutions. Published online: 8 August 0. DOI: 0.007/s [5] JEŘÁBEK, J. Kmitočtové filtry s aktivními rvky. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí dilomové ráce rof. Ing. Kamil Vrba, Sc. [6] MIŠUE, J. Alikace roudových a naěťových konvejor. Vědecké sisy Vysokého učení technického v Brně. Edice Habilitační a inagurační sisy, sv.3. ISSN [7] KOTON, J., VBA, K. Zobecněné metody návrhu kmitočtových filtrů. Vysoké učení technické v Brně, FEKT. Ústav Telekomunikací. [8] HIU, W.Y.; HONG, J.W. Voltage-Mode Highass, Bandass, Lowass and Notch Biquadratic Filters Using Single DD, adio engineering, Vol.., No., 0, [9] HONG, J.W. Fully differential first-order allass filters using a DD. Deartment of Electronic Engineering. [0] HONG, J.W., Indian Journal of engineering & Materials Scienes. [] Datasheet U-NB - Universal urrent onveyor (U) and Second- Generation urrent onveyor (II+/-), Brno University of Technolohy, On Semiconductor Ltd., ev., 0 [] HEN, W. K. The ircuits and Filters Handbook, New York, Press, 003,.vydání. [3] JEŘÁBEK, J.Kmitočtové filtry s roudovými aktivními rvky. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí doktorské ráce rof. Ing. Kamil Vrba, Sc. [4] SLÁDOK, O.Diferenční struktury lineárních obvodů s DD a DV. Brno: Vysoké učení technickév Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí bakalářské ráce doc. Ing. Jaroslav Koton,Ph.D. [5] SOLIMAN, A. M. Low Voltage Wide ange MOS Differential Voltage urrent onveyor and its Alications, 008, vydání. [6] HEN, K. Design of Differential Filters for High-Seed Signalhains,00,.vydání. 76

77 [7] MT-043, TUTOIAL. O Am Power Suly ejection atio (PS) and Suly Voltages [8] KOTON, J., HEENSA, N., SLÁDOK, O., HONG, J. W. Pseudo-differential second-order band-reject filter using current conveyors. Vysoké učení technické v Brně, FEKT. Ústav Telekomunikací. [9] IBAHIM, M. A,KUNTMAN, H. A Novel High M HighInut Imedance Differential Voltage-Mode KHN-Biquad Emloying DO-DDs, Int. J. Electron. ommun. - AEU 58(004) [30] HONG, J. V., WU,. M, HEENSA, N., Fully differential first-order allass filters using a DD, Indian J. Engineering and MaterialsSciences (04), [3] IBAHIM, M. A, MINAEI, S.,A,KUNTMAN, H. DV based differential- mode allass and notch filters with high M,Int. J. Electronics, 93 (006) [3] KHAN, I. A, MASUD, M. I, MOIZ, S. A., econfigurable Fully Differential First order All Pass Filter using Digitally ontrolled MOS DV, Proc. 8th IEEE G onference and Exhibition (GE), February 05,. -5. [33] KOTON, J.; HEENSÁ, Analogové technologie ro solečné výuky rogramu VUT v Brně a VŠB-TUO,Skrita 3-35, vydáno: [34] AD 8476, Low Power, Unity Gain Fully Differential Amlifier & AD Driver. Datasheet, Analog Devices [online]. 0. Dostuné z UL: htt:// [35] AD 849, nv/ Hz Low Noise Instrumentation Amlifier. Datasheet, Analog Devices [online] 0. Dostuné z UL: htt:// [36] AD 87, Programmable Gain Precision Difference Amlifier. Datasheet, Analog Devices [online] 009. Dostuné z UL: htt:// [37] Maheshwari, S., Gangwar, A., Versatile Voltage-Mode Universal Filter Using Differential Difference urrent onveyor, acceted May 7, 0, India 77

78 Přílohy Příloha A Převodník nediferenčního signálu na diferenční Příloha B Převodník diferenčního signálu na nediferenční Příloha Provedení nediferenčního filtru Příloha D Provedení seudodiferenčního filtru Příloha E Provedení lně diferenčního filtru Příloha F Originální výsledky měření získané z obvodového analyzátoru 4395 A 78

79 PŘÍLOHA A PŘEVODNÍK NEDIFEENČNÍHO SIGNÁLU NA DIFEENČNÍ Seznam oužitých součástek a návrh desky řevodníku nediferenčního signálu na diferenční. -5V AD 87 AD P P P3 P4 N3 N N OUT 5 -VS +VS U OM 0 0 N3 P 9 9 N P 8-5V AGND +5V 8 N P OUT P4 4 +5V +5V -5V 6 +VS -VS 5 AD OUT +OUT N VOM 4 3-5V VS INP +VS INN 4 +5V U in U out+ U out- Obr. A.: Převodník nediferenčního signálu na diferenční Seznam součástek: = 0uF A/36-8 = 0uF A/ = 0.uF M = 0.uF M = 0.uF M = 0.uF M = 0.uF M = 0.uF M0805 AD8476 MSOP8 AD87 MSOP0 / x 79

80 Obr. A.: Fotografie desky řevodníku nediferenčního signálu na diferenční (shora) Obr. A.3:Fotografie desky řevodníku nediferenčního signálu na diferenční (zdola) 80

81 PŘÍLOHA B PŘEVODNÍK DIFEENČNÍHO SIGNÁLU NA NEDIFEENČNÍ Seznam oužitých součástek a návrh desky řevodníku diferenčního signálu na nediferenční. AD 849 U in- -IN +VS G VOUT V U výst 3 G EF 6 U in+ 4 +IN -VS 5-5V 3-5V AGND +5V Obr. B.: Převodník nediferenčního signálu na diferenční Seznam součástek: = 0Ω (zesílení ), okud = 6kΩ (zesílení ) = 0uF A/36-8 = 0uF A/ = 0.uF M = 0.uF M0805 AD849 SOI8 M0805 8

82 Obr. B.: Fotografie desky řevodníku diferenčního signálu na nediferenční (shora) Obr. B.3:Fotografie desky řevodníku diferenčního signálu na nediferenční (zdola) 8

83 PŘÍLOHA POVEDENÍ NEDIFEENČNÍHO FILTU Seznam oužitých součástek a návrh desky nediferenčního filtru Uvst 7 I I IG$ U-0349_SMD U-0349_SMD U-0349_SMD Y Z+ Y Z+ YS ZS Y Z- Y Z- S ZS Y3 Z+ Y3 Z+ VAS Z- Z VA T VA T 6 6 BIA T BIA T V V IG$ U-0349_SMD 4 YS 40 ZS+ S VAS ZS V AGND -.65V VSS Obr..: Schéma nediferenčního filtru Seznam součástek: =.kω M06 =.kω M06 3 = 8.kΩ M06 4 = 8.kΩ M06 5 = 8.kΩ M06 6 = 4.7kΩ M06 7 = 50Ω M = 8.kΩ M = 4.7kΩ M = kω M06 83

84 = nf = nf 3 = 4.7uF 4 = 4.7uF 5 = 68F 47nF 6 = 68F 47nF 7 = 68F 47nF 8 = 68F 47nF 9 = 68F 47nF 0 = 68F 47nF = 68F 47nF = 68F 47nF U-NB50 M06 M06 A/36-8 A/36-8 M06 M06 M06 M06 M06 M06 M06 M06 PLSM44 / x Obr..: Návrh desky lošných sojů (cesty) ze shora 84

85 Obr..3: Návrh desky lošných sojů (cesty) ze zdola Obr..4: Návrh desky lošných sojů (součástky) 85

86 Obr..5: Fotografie nediferenčního filtru ohled ze shora Obr..6:Fotografie nediferenčního filtru ohled ze zdola 86

87 PŘÍLOHA D POVEDENÍ PSEUDODIFEENČNÍHO FILTU Seznam oužitých součástek a návrh desky seudodiferenčního filtru IN+ I I U-0349_SMD U-0349_SMD 8 9 DUM 8 9 Y Z+ Y Z Y Z- Y Z Y3 Z+ Y3 Z Z- Z VA T VA T 6 6 BIA T BIA T I3 U-0349_SMD 8 9 Y Z Y Y3 VA Z+ IN- Z- Z- T BIA T V V V IG$ U-0349_SMD 4 YS 40 ZS+ 4 4 S VAS ZS- 38 IG$ U-0349_SMD 4 YS 40 ZS+ 4 4 S VAS ZS- 38 I3G$ U-0349_SMD 4 YS 40 ZS+ 4 4 S VAS ZS V AGND -.65V VSS Obr. D.: Schéma seudodiferenčního filtru Seznam součástek: =.kω M06 =.kω M06 3 =.kω M06 4 = 8.kΩ M06 5 = 8.kΩ M06 6 = 4.7kΩ M06 87

88 7 = 8.kΩ 8 = 8.kΩ 9 = 4.7kΩ 0 = 4.7kΩ = 8.kΩ = 8.kΩ 3 = kω 4 = kω 5 = kω = nf = nf 3 = 4.7uF 4 = 4.7uF 5 = 68F 47nF 6 = 68F 47nF 7 = 68F 47nF 8 = 68F 47nF 9 = 68F 47nF 0 = 68F 47nF = 68F 47nF = 68F 47nF 3 = 68F 47nF 4 = 68F 47nF U-NB50 M0805 M0805 M0805 M06 M0805 M0805 M06 M06 M06 M06 M06 A/36-8 A/36-8 M06 M06 M06 M06 M06 M06 M06 M06 M06 M06 PLSM44 / 3x 88

89 Obr.D.: Návrh desky lošných sojů (cesty) ze shora Obr. D.3: Návrh desky lošných sojů (cesty) ze zdola 89

90 Obr. D.4: Návrh desky lošných sojů (součástky) Obr. D.5: Fotografie seudodiferenčního filtru ohled ze shora 90

91 Obr. D.6: Fotografie seudodiferenčního filtru ohled ze zdola 9

92 PŘÍLOHA E POVEDENÍ PLNĚ DIFEENČNÍHO FILTU Seznam oužitých součástek a návrh desky lně diferenčního filtru AGND IN+ IN- AGND I I3 IG$ U-0349_SMD U-0349_SMD U-0349_SMD Y Z+ Y Z+ YS ZS Y Z- Y Z- S ZS Y3 Z+ Y3 Z+ VAS Z- Z VA T VA T BIA T BIA T V -.65V V -.65V 4 3 BIA T 6 BIA T VA T 5 7 VA T 5 Z- Z Y3 Z+ Y3 Z+ VAS Y Z- Y Z- S ZS Y Z+ Y Z+ YS ZS U-0349_SMD U-0349_SMD U-0349_SMD I I4 IG$ I4G$ U-0349_SMD 4 YS 40 ZS+ 4 4 S VAS ZS- 38 I3G$ U-0349_SMD 4 YS 40 ZS+ 4 S ZS VAS +.65V AGND -.65V VSS Obr. E.: Schéma lně diferenčního filtru 9

93 Seznam součástek: =.kω M06 =.kω M06 3 =.kω M06 4 =.kω M06 5 = 4.7kΩ M06 6 = 8.kΩ M06 7 = 8.kΩ M = 4.7kΩ M = 8.kΩ M = 8.kΩ M06 = 4.7kΩ M0805 = 8.kΩ M06 3 = 8.kΩ M06 4 = 4.7kΩ M = 8.kΩ M06 6 = 8.kΩ M06 7 = kω M06 8 = kω M06 = nf M06 = nf M06 3 = nf M06 4 = n F M06 5 = 4.7uF A/ = 68F 47nF M06 7 = 68F 47nF M06 8 = 68F 47nF M06 9 = 68F 47nF M06 0 = 68F 47nF M06 = 68F 47nF M06 = 68F 47nF M06 3 = 68F 47nF M06 4 = 68F 47nF M06 5 = 68F 47nF M06 6 = 68F 47nF M06 7 = 68F 47nF M06 8 = 68F 47nF M06 9 = 68F 47nF M06 93

94 0 = 4.7uF U-NB50 A/36-8 PLSM44 / 4x Obr.E.: Návrh desky lošných sojů (cesty) ze shora Obr. E.3: Návrh desky lošných sojů (cesty) ze zdola 94

95 Obr. E.4: Návrh desky lošných sojů (součástky) Obr. E.5: Fotografie lně diferenčního filtru ohled ze shora 95

96 Obr. E.6: Fotografie lně diferenčního filtru ohled ze zdola 96