Teorie elektronických obvodů (MTEO)

Transkript

1 Terie elektrnických bvdů (MTEO) Labratrní úlha čísl 6 teretická část Obvd v prudvém režimu Labratrní úlha je zaměřena praktické studium vlivu parazitních vlastnstí aktivních funkčních blků na kmitčtvé charakteristiky vybranéh typu elektrickéh filtru. Cílem úlhy je detailně prměřit, jak se mhu na kmitčtvých charakteristikách filtru prjevit knečné vstupní a výstupní impedance pužitéh transkduktru. Velmi čast je v dnešní dbě blíben pr návrh aplikací na čipu, kde je celkem snadné realizvat prudvá zrcadla, transknduktr (OTA) s něklika prudvými výstupy (br. 1) bu znamének (fází). Základní pznatky transknduktru nebli transadmitančním zesilvači) jsu uvedeny například v katalvých listech. V literatuře tent typ OTA bývá nazýván jak multi-utput OTA (MOTA), či OTA-SMO (sinle-input multiple-utput), pkud nemá diferenční vstup. Mnh prací se zaměřil na CMOS neb BJT implementaci tét mdifikace OTA na čip, prtže další výstupy bu plarit lze velmi snadn vytvřit přidáním jen něklika tranzistrů, jak je patrné na br.. SET NP = U m NP+ + NP = 0 1+ U NP ( m U NP U NP Obr. 1: Schematická značka a definice transknduktru s více výstupy. ) Obr. : Příklad základní interní struktury prvku MOTA, biplární technlie.

2 Na br. 1 jsu čtyři výstupy, tereticky lze i lib. pčet, prakticky je však limitván reálnými vlastnstmi technlie, prblém je přesnst kpírvání prudů (tzv. current matchin zrcadel) a narůstající velikst plchy čipu. Prakticky lze říci, že pr většinu aplikací v prudvém módu (CM) pstačují zhruba tři až čtyři výstupy. V sučasné dbě se můžeme setkat i s více-výstupvými variantami prudvých knvejrů a dalších aktivních blků pr prudvý mód. Na br. 3 je filtr druhéh řádu v prudvém módu využívající tři transknduktry MOTA. Dva tvří prudvé interátry a jeden vstupní zesilvač prudu specificky umístěný tak, aby šl pmcí m3 řídit činitel jaksti Q a šířku pásma pásmvé prpusti. Je ihned vidět, že ve srvnání s OTA filtry v napěťvém módu (VM) v dalších úlhách, jsu zde puze tři pasivní sučástky (bvdvě značně jedndušší), ale vlastnsti filtru (přensvé funkce, mžnst řízení) jsu zachvány a navíc v CM může filtr pracvat d vyšších kmitčtů bez zdánlivéh rizika rzkmitání. Ve VM jsu pr vyskfrekvenční aplikace v dnešní dbě vyvíjeny rychlé OZ na principu CFA (tranzitní kmitčty přes GHz), které ale většinu bývají náchylné k nestabilitě pr zesílení blízké 1. Větve se zesílením 1 neb -1 se ve strukturách multifunkčních více-smyčkvých filtrů (sem spadá i zde uvedené zapjení) celkem čast pužívají. Operace sčítání a d čítání je ve standardním VM módu prváděna pmcí sumačně rzdílvéh zesilvače s OZ (viz další úlhy), zde je velmi jednduchá stačí puhý uzel a první irchhffův zákn. Díky tmu se ušetří aktivní blk. Snadná mdifikace pr získání AP je naznačena na br. 4. Obr. 3: Univerzální filtr druhéh řádu pracující v prudvém režimu. Obr. 4: Mdifikace univerzálníh filtru druhéh řádu na fázvací článek.

3 Přensvé funkce jsu DP m1 m N( OUT _ LP C1C (, NP PP m1 s OUT _ BP C1 (, (1), () NP m1 m s OUT _ BR C1C, PZ ( NP HP OUT _ HP s (, (3), (4) NP FČ m1 m1 m s s C1 C1C (. (5), (6) Jmenvatel přensvé funkce je C m1 m3 m1 m. (7) s 1 R s C C Aktivní blky MOTA se implementují přím v dané aplikaci a výzkumu v intervané frmě (dsáhne se lepších parametrů, pkud celá aplikace pracuje na čipu) a zatím nejsu k dispzici jak kmerčně dstupná sučástka. Prtže nejsu běžně k dispzici téměř žádné MOTA (většina OTA je s jedním výstupem) lze využít jedinu mžnst jak MOTA prakticky vytvřit tj. prpjit jedn-výstupvé OTA vstupy paralelně, cž by však v tmt případě znamenal nutnst trjnásbku pčtu aktivních blků. 1 merčně dstupný byl dpsud OTA MAX435, který bsahuje dva výstupy bu plarit (+/-), má vynikající vlastnsti c se týče linearity (nejsu nutné vstupní děliče) a frekvenční využitelnsti (-3dB šířka pásma až 75MHz), ale neumžňuje elektrnické řízení m a výstupní dpr je velmi nízký (cca 3kΩ). Transknduktance se nastavuje externí impedancí (rezistrem), jak je patrné na br. 5. Lineární mdel 3. úrvně OTA (s jediným výstupem) je na br. 6. Hlavní reálné parametry, které mdel reprezentuje, jsu knečné hdnty vstupníh a výstupníh dpru a parazitních kapacit. Obr. 5: Transknduktr s značením MAX435. Obr. 6: Jednduchý mdel OTA s jedním výstupem.

4 Prtže máme k dispzici puze dvu-výstupvé MAX435, lze sice filtr z br. 3 realizvat, ale některé přensvé funkce jsu nedstupné (není k dispzici další výstup na separátní vyvedení). Vyřešil by se t paralelním spjením vstupů dvu MAX435, cž však znamená jeden nevyužitý výstup na dílčí MOTA navíc a dvjnásbný pčet aktivních blků v zapjení. Sptřeba už taky není nezanedbatelná (díky vyské šířce pásma a pužité BJT technlii narůstá sptřeba jedntlivých OTA). Upravené zapjení na br. 7 je zapjení vhdné pr prakticku realizaci, prtže pracuje s napětím na vstupu i výstupu. Vstupní napětí je převeden na prud pmcí tzv. diamantvéh tranzistru (DT) OPA 860 (principielně se na něj dá v knkrétním případě dívat jak na OTA neb prudvý knvejr CC). Výstupní napětí se získá jak úbytek na zátěžích ddělený sledvačem BUF634. dispzici jsu přensvé funkce typů dlní prpust a pásmvu zádrž (vstup 1) a v případě vstupu pak dlní a pásmvu prpust (přepjí se klektr převdníku s DT). Filtr bhužel nelze z výše uvedenéh důvdu ladit spjitě, ale přípravek bsahuje přepínače pr změnu m všech MOTA ve dvu hdntách R T. Obr. 7: Příklad filtru typu PZ, DP a PP zpracvávajícíh napětí. Jak už byl řečen pužití MAX435 přináší v tét aplikaci výhdy i jednu pdstatnu nevýhdu. Díky nízkému výstupnímu dpru djde v pásmu útlumu k zarvnání mdulu na knečné hdntě, jak ukazuje br. 9. Obvd filtru má celkem tři uzly, kde se parazitně prjevují admitance Y p1 Y, které tvří vstupní a výstupní dpry (vdivsti) a kapacity jedntlivých MOTA. Dle analýzy má na přensvu funkci pásmvé prpusti majritní vliv Y, respektive její reálná slžka tvřená paralelní kmbinací vstupníh dpru (vdivsti) MOTA a výstupníh dpru MOTA 1, který je prti vstupnímu dpru velmi nízký (dle katalvéh listu kω až 3.5kΩ). apacitní slžky admitancí mají díky malé hdntě (nízké jedntky pf) jen vliv na mírný psuv mezníh (středníh) kmitčtu filtru (například asi 30kHz d 1MHz). Předpkládáme hdnty sučástek ze skutečnéh zapjení přípravku (br. 10), ptm platí m1 = m = mc, C 1 = C = C. Pr přensvu funkci pásmvé prpusti pak lze dvdit PP ( R s R mc m3 mc m3 C C R, (8) mc R 1 mc R mc s s CR C R kde tedy vystupuje dminantní R (uvažujme kω). Vztah se znatelně liší d (). Pdbně se vliv Y p prjevuje i u filtru typu hrní prpust (zde nevyveden).

5 Obr. 8: Schéma zapjení s vyznačením parazitních admitancí. 5 [db] 0-5 G = 1/R (Y ) Ω -15 1kΩ kω kω -40 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 f [Hz] Obr. 9: Vliv R na mdulvu kmitčtvu charakteristiku pásmvé prpusti.

6 Obr. 10: mpletní schéma zapjení labratrníh přípravku, značení sučástek zde nemusí dpvídat s výše uvedenými brázky.