Přeladitelné filtry s OTA zesilovači

Transkript

1 7/ Přeladitelné filtry s OTA zesilovači Ing. Norbert Herencsár, Prof. Ing. amil Vrba, CSc. Ústav telekomunikací, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 118, 61 Brno, Česká republika herencsar@phd.feec.vutbr.cz, vrbak@feec.vutbr.cz V tomto článku je ukázán postup návrhu RF filtrů se dvěma aktivními prvky OTA. Je ukázána obecná metoda návrhu filtrů s OTA zesilovači, kdy kolem dvou prvků OTA byla připojena úplná obecná zpětnovazební síť admitancí. Z tohoto obecného uspořádání byly postupně vybírány autonomní obvody se dvěma až pěti pasivními prvky. Tyto autonomní obvody pak slouží jako výchozí zapojení pro návrh různých typů kmitočtových filtrů. Na vybraném autonomním obvodu je ukázán celý návrhový proces řešení multifunkčního filtru. Vlastnosti navrženého multifunkčního filtru druhého řádu byly podrobeny střídavé analýze v programu Pspice [8], zobecněné citlivostní analýze a experimentálně měřeny. 1 Úvod V několika posledních letech vznikla celá řada nových aktivních prvků, které lze využít pro návrh RF filtrů pracujících v proudovém nebo v napěťovém módu. Jedná se zejména o zesilovače s proudovou zpětnou vazbou (CFA Current Feedback Amplifier), transkonduktanční zesilovače (OTA Operational Transconductance Amplifier), transkonduktanční zesilovač s diferenčním výstupem (BOTA Balanced Output OTA) nebo s větším počtem proudových výstupů (MOTA Multiple Output OTA), aktivní prvek pro smíšený režim CDBA (Current Differencing Buffered Amplifier), proudový konvejor (CC Current Conveyor), napěťový konvejor (VC Voltage Conveyor), proudový operační zesilovač (COA Current Operational Amplifier) nebo čistě proudový prvek CMI (Current Mirror and Inverter). Bylo prezentováno už spousta odborných článků a publikací s problematikou návrhu RF filtrů s těmito aktivními prvky [3], [4]. Bohužel většina z těchto prvků je jenom na teoretické úrovni nebo v součastné době se teprve vyvíjejí. Běžně jsou však komerčně dostupné zesilovače OTA a BOTA, např. MAX43/MAX436 od firmy MAXIM Dallas Semiconductor [9], LM136/LM137 od National Semiconductor nebo LT18 od Linear Technology [1]. Tento příspěvek je proto cíleně zaměřen na návrhový proces RF filtrů se dvěma transkonduktančními zesilovači, které jsou označovány jako OTA zesilovače. Tyto filtry jsou často vhodné pro zpracování signálů ve vysokofrekvenčních komunikačních systémech, kabelových modemech či v komunikačních rozhraních pevných disků. Transkonduktanční zesilovače Transkonduktanční zesilovač s jedním výstupem (OTA Operational Transconductance Amplifier) byl komerčně poprvé uveden na trh v roce 1969 firmou RCA. První publikace s OTA vyšly v roce 1985, kdy R. L. Geiger a S. E. Sánchez představili široké veřejnosti nové CMOS OTA architektury a nové zapojení kmitočtových filtrů [] s tímto novým aktivním

2 7/ prvkem. Schematická značka OTA je uvedena na obr. 1a. Pro přeladitelné RF filtry je vhodné užít prvek OTA s nastavitelnou transkonduktancí pomocí proudu I SET (obr. 1b). a) b) Obr. 1. Schematická značka OTA zesilovače: a) s konstantní transkonduktancí, b) s nastavitelnou transkonduktancí. Ideální prvek OTA je zdroj proudu řízený rozdílovým napětím, charakterizovaný přenosovou vodivostí neboli transkonduktancí g m. Činnost je popsána vztahem I = g ( U U ), (1) m p n kde U p a U n jsou napětí na neinvertujícím a invertujícím vstupu OTA vztažené proti zemi. Ideální OTA zesilovač je charakterizován konečnou, kmitočtově nezávislou transkonduktancí g m a jeho vstupní i výstupní impedance jsou teoreticky nekonečné. Významnou vlastností OTA je možnost řízení transkonduktance g m řídicím proudem I SET. Prvky OTA jsou v současné době dodávány na trh mnoha výrobci. omerčně dostupným prvkem OTA je, jak bylo už řečeno, např. obvod LT18 (Linear Technology) [1] nebo MAX436 (MAXIM Dallas Semiconductor) [9], což je rychlý širokopásmový OTA zesilovač s vysokou vstupní i výstupní impedancí. Pro své vlastnosti se hodí především pro funkci linkového budiče nebo přijímače ve videotechnice, nebo jako aktivní prvek pro RF filtry, rozdílové zesilovače, oscilátory nebo pro obousměrný přenos pomocí koaxiálního kabelu. V článku se zabýváme filtračními aplikacemi OTA zesilovačů.

3 7/ Obecný návrh autonomních obvodů se dvěma prvky OTA Na našem pracovišti byla vyvinuta metoda zobecněného návrhu kmitočtových filtrů, kdy výchozím obvodem je úplná admitanční síť připojená k aktivním prvkům [5], [6]. Stejný postup byl užit i pro případ OTA prvků. Výchozí obecný autonomní obvod je nakreslen na obr.. Y 7 Y 8 Y 9 Y 1 Y 11 Y 1 Y 18 Y 13 Y 19 Y OTA g m1 Y 15 Y OTA g m Y 17 Y 1 Y Y 3 Y 4 Y 5 Y 6 Obr.. Plně zapojená sít admitancí připojená ke dvěma prvkům OTA. Z tohoto obecného uspořádání byly postupně vybírány jednodušší autonomní obvody. Byla preferována zapojení s co největším počtem uzemněných prvků. Vybrané autonomní obvody uvedené v tab. 1 obsahují tři až čtyři admitance. V tab. 1 jsou také vypsány levé strany příslušné charakteristické rovnice, která chování autonomního obvodu popisuje. Je uvedena pouze jejich levá strana, pravá je rovna vždy nule. Charakteristické rovnice byly získány použitím programu SNAP [7].

4 7/ Tab. 1. Navržené autonomní obvody a jejich charakteristické rovnice č. Autonomní obvod Levá strana charakteristické rovnice 1 Y1 Y + Y Y3 + gm1gm Y1 Y Y3 + gm1yy3 + gmy1 Y3 + gm1g my3 3 Y Y Y + Y Y Y + Y Y Y g Y Y Y m 3 m1 m 3 4 Y Y Y + Y Y Y g Y Y Y m 4 m1 m 4 5 Y Y Y + Y Y Y + Y Y Y g Y Y + g Y Y Y m 1 m 4 m1 m 4

5 7/ Návrh kmitočtového filtru Pro ověření správné funkce filtrů s prvky OTA byl vybrán z Tab.1 autonomní obvod č. 1. Charakteristická rovnice tohoto obvodu je popsána vztahem D = Y1 Y + Y Y3 + gm1gm =. () Volbou pasivních prvků Y1 = G1, Y = p C1, Y3 = p C přejde rovnice () na tvar splňující podmínku realizovatelnosti kmitočtového filtru ( ) ( ) D p = p C C + p G C, (3) m1 m kde komplexní proměnná módu je ukázán na obr. 3. p = jω. Navržený multifunkční kmitočtový filtr v napěťovém Obr. 3. Navržený filtr pracující v napěťovém módu omplexní přenosové funkce napětí navrženého filtru buzeného napětím U i1, U in a U in3 mají tvar: DP Uout gm1gm = = U D p, (4) i1 ( ) PP Uout pc1g m = = U D p, (5) i ( ) HP U = = U out 1 i3 p C C D p, (6) ( ) PZ U p C C = = U + U D i1 out 1 m1 m i3 ( p), (7) FČ U p C C pc g = = U + U + U D out 1 1 m m1 m i1 i i3 ( p). (8) V napěťovém módu lze obvod podle obr. 3 tedy využít jako dolní propust (4), pásmovou propust (5), horní propust (6), pásmovou zádrž (7) a fázovací článek (8).

6 7/ Pro charakteristickou frekvenci těchto filtrů platí: Činitel jakosti Q je pak u všech typů dán vztahem g g m1 m ω =. (9) C1C 1 C g g Q G C = m1 m. (1) 1 1 Pro požadované hodnoty Q, ω a zvolené hodnoty C 1 a C lze určit další parametry nutné pro návrh: g ωc = ω Q C, G1 = gm =. (1), (11) Q m1 1 Jako příklad konkrétního řešení byl u filtrů zvolen rozsah přeladění charakteristického kmitočtu f = 1 MHz až 1 MHz, rozsah řízení činitele jakosti Q =,5 až 5 pro aproximaci dle Butterwotha [1]. Byly zvoleny kapacity kapacitorů C 1 = pf a C = 11 pf. Další parametry jsou pak v těchto mezích: g m1 = g m = 1 ms až 1 ms a R 1 = 1 Ω až 1 k Ω. omerčně dostupné transkondukční zesilovače (OTA) jsou obvody MAX436 nebo LT18. Při počítačové simulaci byly použity firemní modely těchto prvků v programu Pspice [8]. Na obr. 4 jsou simulované kmitočtové charakteristiky napěťových přenosů dolní, horní, pásmové propusti a pásmové zádrže. řádu z obr. 3, zatímco u fázovacího článku jsou zobrazeny fáze. Jsou porovnány charakteristiky filtrů osazených obvody LT18 a MAX436 s ideálními modely OTA zesilovačů. Z porovnání ideálních a skutečných charakteristik je zřejmé, že při užití MAX436 se výsledek více blíží ideálním průběhům. Možnost přeladění charakteristického kmitočtu a činitele jakosti je ukázána obr. 5. Zobrazeny jsou oba mezní průběhy a také střední průběh pásma přeladění f = 1 MHz až 1 MHz a Q =,5 až 5 dolní propusti. řádu osazené LT18 a MAX436. Z těchto simulací opět vyplývá, že pro oblast práce na vyšších kmitočtech je vhodnější filtry osadit prvky MAX436. onkrétní řešení vybraného filtru je pak ukázáno v šesté kapitole. a)

7 7/ b) Obr. 4. mitočtové charakteristiky multifunkčního filtru z obr. 3 osazeného: a) LT18, b) MAX436. a) b) Obr. 5. mitočtové charakteristiky přeladitelné dolní propusti. řádu z obr. 3 osazené prvky: a) LT18 a b) MAX436.

8 7/ Citlivostní funkce multifunkčního filtru Všechny filtry mají ve jmenovateli obvodové funkce levou stranu charakteristické rovnice (3) a tedy charakteristický kmitočet, činitel jakosti a příslušné relativní citlivosti jsou stejné pro všechny typy filtrů [3]. Pro obvod podle obr. 3 příslušné relativní citlivosti mezního kmitočtu všech filtrů jsou dány vztahy ω ω ω ω 1 SC = S 1 C = S g = S m1 g =, S ω m G 1 =, Relativní citlivosti činitele jakosti Q všech filtrů jsou Q Q Q Q 1 SC = S 1 C = S g = S m1 g =, S ω m G 1 = 1. Z výsledků je zřejmé, že citlivosti obvodu jsou nízké. Případnou odchylku vzniklou při výrobě či změně teploty je možno kompenzovat změnou hodnot transkonduktance g m pomocí řídicího proudu I SET. Největší důraz u kmitočtových filtrů je kladen na celkový průběh modulové kmitočtové charakteristiky, z tohoto důvodu nás zajímá vliv tolerancí parametrů obvodu zapojení na celkový průběh kmitočtové charakteristiky. tomuto účelu byla zavedena zobecněná citlivostní funkce [3]. Tato funkce je komplexní a kmitočtově závislá a dává nám přehlednou informaci o tom, jak bude ovlivněn přenos filtru vlivem tolerancí jednotlivých obvodových parametrů v celém kmitočtovém pásmu. Pokud chceme znát jakým způsobem bude maximálně ovlivněna kmitočtová charakteristika, je vhodné definovat tzv. worst case relativní citlivosti modulu přenosu filtru, která podává informaci o nejhorší kombinaci tolerancí obvodových prvků. Dílčí zobecněné citlivostní funkce jednotlivých filtrů na parametry pasivních a aktivních prvků mají tvar LP C1G 1 S = p G p C1C + pc1g 1 p C1C + pc LP LP LP 1G1 S = g S = g S =, C (13) p C1C + pc1g 1 LP C1C S = p C p C1C + pc1g 1 C1G BP 1 S = p G p C1C + pc1g 1 BP g g BP S = g S =, (16) C p C1C + pc1g 1 p C1C + pc BP 1G1 S = g p C C + pc G BP HP, (1), (14), (15), (17), (18), (19) p C C C C C G g g 1 S = C p 1 + p pc G C C C G g g 1 1 S = G p 1 + p 1 1 +

9 7/ g g HP HP S = g S = g p C1C + pc1g 1 g g HP S =, C (1) p C1C + pc1g1 pc1g HP 1 S = C p C C + pc G. () 1 1 1, () Pro snadnější vyhodnocování zobecněných citlivostních funkcí byly vyjádřeny tyto citlivosti graficky. Byla zvolena Butterworthova aproximace (b 1 = 1,414, b = 1) [1] s charakteristickým kmitočtem f = 5 MHz. Hodnoty prvků měly hodnoty: C 1 = pf, C = 11 pf, G 1 = g m1 = g m = 4,9 ms. Na obr. 6 jsou vyneseny dílčí zobecněné citlivosti přenosu. Vlevo jsou relativní citlivosti modulu přenosu filtru, vpravo jsou semirelativní citlivosti argumentu přenosu. Z grafů zobecněné citlivostní analýzy je zřejmé, že citlivost modulové charakteristiky je pro dolní a horní propust v pásmu propustnosti nulové, což je výhodné. Obr. 6. Dílčí zobecněné citlivosti filtru podle obecného obvodu na obr. 3.

10 7/ Worst case multiparametrové relativní citlivosti modulu přenosu a semirelativní citlivosti argumentu přenosu filtrů jsou pak zobrazeny na obr. 7. Obr. 7. Worst case multiparametrové relativní citlivosti modulu a semirelativní citlivosti argumentu přenosu multifunkčního filtru z obr. 3. Semirelativní citlivosti argumentu přenosu jsou stejné pro všechny filtry. Pásmová propust má worst case citlivost přibližně shodnou v celém kmitočtovém pásmu. U horní propusti je citlivost v nepropustném pásmu vysoká, ale v propustném pásmu klesne na nulu. Podobně dolní propust má v nepropustném pásmu citlivost horší, ale v propustném pásmu je citlivost nulová. 6 Experimentální ověření Pro experimentální ověžení byla vybrána pásmová zádrž. Pro nastavení transkonduktancí OTA zesilovačů byly použity digitální potenciometry AD558 [11]. Při realizaci RF filtru byly zvoleny kapacitory C 1 = pf a C = 11 pf, odpor R 1 = Ω a transkonduktance byly nastaveny na g m1, = 4,9 ms. Zjednodušená schéma měřeného systému je na obr. 8. Obr. 8. Schéma měřené pásmové zádrže.

11 7/ Měření bylo provedeno na spektrálním analyzátoru HP3589A propojeného s počítačem pomocí GPIB rozhraní. Změřená modulová kmitočtová charakteristika pásmové zádrže. řádu je ukázána na obr. 9. Výsledky měření odpovídají simulacím. Obr. 9. Změřená modulová kmitočtová charakteristika pásmové zádrže. řádu. 7 Závěr Článek popisuje obecnou metodu návrhu RF filtrů se dvěma prvky OTA. Byla navržena obecná admitanční síť připojená ke dvěma prvkům OTA. Z této sítě byly pak vybírány autonomní obvody, které sloužily jako výchozí zapojení pro návrh různých typů kmitočtových filtrů. Vybrané zapojení multifunkčního filtru bylo podrobeno počítačové simulaci. Pro simulaci vlastností byl použit program Pspice [8] a firemní modely prvků MAX436 [9] a LT18 [1]. Zapojení bylo podrobeno zobecněné citlivostní analýze. Navržený kmitočtový filtr může být použito pro zpracování signálů ve vysokofrekvenčních komunikačních systémech, kabelových modemech či v komunikačních rozhraních pevných disků. Jsou uvedeny experimentální výsledky měření pásmové zádrže. Poděkování: Tato práce je podporována Grantovou Agenturou České republiky, grant č. GA 1/6/1383 a projekt MŠMT reg. č. 1ET Literatura [1] Tietze, U., Schenk, Ch.: Halbleiter Schaltungtechnik, Springer, 1 edition,. ISBN [] Geiger, R. L., Sánchez, S. E.: Active Filter Design Using Operational Transconductance Amplifiers: A Tutorial, IEEE Circuits and Devices Magazine, Vol. 1, pp. 3, March 1985.

12 7/ [3] Chen, W..: The Circuits and Filters Handbook. CRC Press, Inc. Boca Raton, Florida, [4] Deliyannis, T., Sun, Y., Fidler, J..: Continuous Time Active Filter Design, CRC Press, Boca Raton, 1999, 443 pages, ISBN [5] oton, J., Vrba,.: Method for Designing Frequency Filters using Universal Current Conveyors, International Transactions on Computer Science and Engineering, 5, Vol.13, No.1, pp [6] Herencsár, N., Vrba,.: Method for Designing Frequency Filters Using BOTA. In Proceedings of the Second International Conference on Systems, ICONS 7. Sainte Luce, Martinique: IEEE Computer Society, 7. pp ISBN: [7] Biolek, D., olka, Z.: SNAP symbolic, semisymbolic, and numerical analysis of electronic circuits. URL [8] OrCAD, Inc. OrCad PSpice User s Guide [pdf online file] USA: OrCAD, lab.com/downloads/schematic /13/. 436 pages. [9] MAX435/MAX436 Wideband Transconductance Amplifier with Differential Output. Datasheet, MAXIM Dallas Semiconductor, [1] LT18 1MHz Current Feedback Amplifier with DC Gain Control. Datasheets, Linear Technology, [11] AD558 Nonvolatile, I C -Compatible 64-Position, Digital Potentiometer, Analog Devices, 7.