AKTIVNÍ ELEKTRICKÉ FILTRY NA BÁZI OBVOD SE SPÍNANÝMI KAPACITORY ACTIVE ELECTRICAL FILTERS BASED ON SWITCHED-CAPACITOR CIRCUITS

Transkript

1 VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BN BNO UNIVESITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTOTECHNIKY A KOMUNIKANÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ADIOELEKTONIKY FACULTY OF ELECTICAL ENGINEEING AND COMMUNICATION DEPATMENT OF ADIO ELEKTONICS AKTIVNÍ ELEKTICKÉ FILTY NA BÁZI OBVOD SE SPÍNANÝMI KAPACITOY ACTIVE ELECTICAL FILTES BASED ON SWITCHED-CAPACITO CICUITS DIPLOMOVÁ PÁCE MASTE S THESIS AUTO PÁCE AUTHO VEDOUCÍ PÁCE SUPEVISO Bc. STANISLAV TEEK doc. Ing. LUBOMÍ BANÍK, CSc. BNO 9

2

3 Abstrakt Tato práce se zabývá návrhem univerzálního rekvenního iltru aplikací unkního bloku se spínanými kapacitory. Návrh vychází z teorie obvod se spínanými kapacitory a z teorie návrhu klasických rekvenních iltr. Pro navržené zapojení iltru byla v programovém prostedí Eagle navržena deska plošných spoj. Filtr byl realizován jako laboratorní pípravek.tento pípravek byl oživen a byly promeny rekvenní charakteristiky všech typ iltr. Zmené parametry byly porovnány s parametry uvedenými v technické dokumentaci unkního bloku. Klíová slova Spínané kapacitory, kmitotový iltr, dolní propust, horní propust, pásmová propust, pásmová zádrž, rezistor, kapacitor, operaní zesilova, integrovaný obvod, deska plošných spoj.

4 Abstract This thesis deals with concept o universal requency ilter by application o a switched-capacitor unctional block. The concept is based on the theory o switched-capacitor circuits and the theory o a design o classical requency ilters. The printed circuit board was designed based on the ilter connection developed by using a sotware Eagle. The ilter was implemented as a laboratory product. This product has been revitalized and the requency response o all types o ilters has been measured. The measured parameters were compared with the parameters set out in the technical documentation o unctional block. Keywords Switched capacitors, requency ilter, low-pass ilter, high-pass ilter, bandpass ilter, band-stop ilter, resistor, capacitor, operational ampliier, integrated circuit, printed circuit board.

5 Bibliograická citace: TEEK, S. Aktivní elektrické iltry na bázi obvod se spínanými kapacitory. Brno: Vysoké uení technické v Brn, Fakulta elektrotechniky a komunikaních technologií. Ústav radioelektroniky, 9. 4 s. Diplomová práce. Vedoucí práce: doc. Ing. Lubomír Braník, CSc.

6 Prohlášení Prohlašuji, že svoji diplomovou práci na téma Aktivní elektrické iltry na bázi obvod se spínanými kapacitory jsem vypracoval samostatn pod vedením vedoucího diplomové práce a s použitím odborné literatury a dalších inormaních zdroj, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvoením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva tetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným zpsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si pln vdom následk porušení ustanovení a následujících autorského zákona. / Sb., vetn možných trestnprávních dsledk vyplývajících z ustanovení 5 trestního zákona. 4/96 Sb. V Brn dne 9. kvtna 9... podpis autora Podkování Dkuji vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Lubomírovi Braníkovi, CSc. za úinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady pi zpracování mé diplomové práce. V Brn dne 9. kvtna 9... podpis autora

7 Seznam obrázk Obr..: Maxwellovo zapojení SC (pevzato z [])... Obr..: Simulace rezistoru s jedním pepínaem (pevzato z [])... Obr..: Simulace rezistoru se dvma pepínai (pevzato z [])... Obr..4: Invertující integrátor s SC... 4 Obr..5: Zapojení eliptického AC iltru. ádu (pevzato z [])... 5 Obr..6: Ekvivalentní SC iltr (pevzato z [])... 5 Obr..7: Píklad zapojení pásmové propusti s OZ LTC56 a obvodem LTC Obr..: Toleranní pole dolní propusti DP a horní propusti HP... 8 Obr..: Toleranní pole pásmové propusti PP a pásmové zádrže PZ... 8 Obr..: Filtr s Butterworthovou aproximací... 9 Obr..4: Filtr s ebyševovou aproximací... 9 Obr..5: Filtr s inverzní ebyševovou aproximací... Obr..6: Filtr s Cauerovou aproximací... Obr..7: Normovaná dolní propust NDP Hz... Obr..8: Transormace dolní propusti na NDP... Obr..9: Transormace horní propusti na NDP... Obr..: Transormace pásmové propusti na NDP... Obr..: Transormace pásmové zádrže na NDP... Obr. 4.: Vnitní uspoádání obvodu LTC6 (pevzato ze [7])... 6 Obr. 4.: Schéma zapojení pro mód (pevzato ze [7])... 7 Obr. 4.: Schéma zapojení pro mód (pevzato ze [7])... 7 Obr. 4.4: Schéma zapojení pro mód a (pevzato ze [7])... 8 Obr. 5.: Toleranní pásmo navrhované pásmové propusti... 9 Obr. 5.: Toleranní pásmo normované dolní propusti... Obr. 5.: Nomogram pro stanovení ádu NDP (pevzato z [9])... Obr. 5.4: Zapojení kontrolní analýzy NDP v programu PSpice... Obr. 5.5: Penosová charakteristika NDP v programu PSpice... Obr. 6.: Schéma zapojení navrženého iltru... 4 Obr. 6.: Osazovací plán souástek... 5 Obr. 6.: Osazovací plán souástek vetn spoj... 6 Obr. 6.4: Plošný spoj... 6 Obr. 7.: Pohled na realizovaný iltr s obvodem LTC Obr. 7.: Mící pracovišt ve školní laboratoi... 9 Obr. 7.: Frekvenní charakteristiky DP, HP, PP a PZ iltru. ádu v módu a... Obr. 7.4: Frekvenní charakteristiky DP, HP, PP a PZ iltru 4. ádu v módu a... Obr. 7.5: Porovnání DP. a 4. ádu v módu a... Obr. 7.6: Frekvenní charakteristiky DP, PP a PZ iltru. ádu v módu... Obr. 7.7: Frekvenní charakteristika DP. ádu... Obr. 7.8: Frekvenní charakteristika PP. ádu... Obr. 7.9: Frekvenní charakteristika HP. ádu... 4 Obr. 7.: Butterworthova PP 4. ádu s toleranním pásmem... 5 Obr. 7.: Peladní PP zmnou spínací rekvence... 6 Seznam tabulek Tab. 5.: Hodnoty externích rezistor pro ob sekce Tab. 7.: Hodnoty ídícího naptí pro vybrané rekvence generátoru VCO 7 i

8 Obsah Seznam obrázk... i Seznam tabulek... i Obsah... ii Úvod... Teorie obvod se spínanými kapacitory.... Historický vývoj obvod SC.... Teorie innosti SC obvod.... SC obvody v aktivních iltrech Možnosti použití integrovaných SC iltr... 6 Teorie iltr Druhy iltr dle tvaru penosové rekvenní charakteristiky Druhy iltr dle typu aproximace Normování na NDP....4 Urení ádu NDP....5 Odnormování NDP Návrh zapojení iltru Návrh pásmové propusti Zadání pásmové propusti Normování na NDP, stanovení ádu Kontrolní analýza stanovení ádu NDP v programu PSpice Odnormování NDP Stanovení hodnot externích rezistor navrženého zapojení... 6 Schéma zapojení a návrh desky plošných spoj ealizace a mení navrženého iltru Ovení unknosti navrženého zapojení ealizovaný SC iltr s unkním blokem LTC6 a mící pracovišt Mení univerzálního iltru. ádu v módu a Mení univerzálního iltru 4. ádu v módu a Mení univerzálního iltru. ádu v módu Porovnání namených charakteristik Dolní propust. ádu Pásmová propust. ádu Horní propust. ádu Mení PP 4. ádu s Butterworthovou aproximací Spínací rekvence Závr Použitá literatura... 9 Seznam symbol, veliin a zkratek... 4 ii

9 Úvod Na poátku 8. let se na trh dostaly první integrované obvody, jejichž innost byla založena na principu obvod se spínanými kapacitory (SC Switched Capacitor). Zapojení s tmito obvody se využívaly v oblasti rekvenní iltrace. Pro strmý pechod rekvenní charakteristiky z propustného do nepropustného pásma bylo zapojení SC iltr velice populární. S postupujícím asem se obvody SC rozšíily a zaaly se také používat v oblastech nelineárního zpracování signálu, analogov íslicového pevodu a silnoproudé elektroniky. Dnes se s tmito obvody setkáváme pedevším ve orm integrovaných iltr, v kodecích, v zapojení AD pevodník nebo v signálových procesor a v modulátorech sigma-delta. Cílem této práce je na základ teorie obvod se spínanými kapacitory a na základ teorie návrhu elektrických iltr navrhnout univerzální aktivní SC iltr aplikací nejnovji dostupných SC integrovaných unkních blok, který bude realizovat unkce typu DP, HP, PP a PZ. Pro zapojení takto navrženého iltru navrhnout desku plošných spoj v programu Eagle. Navržené zapojení realizovat ve orm laboratorního pípravku. Promit rekvenní charakteristiky jednotlivých typ iltr a zmené údaje porovnat s údaji uvedenými v technické dokumentaci použitého unkního bloku. Teorie obvod se spínanými kapacitory. Historický vývoj obvod SC Obvody se spínanými kapacitory se zaaly používat ve snaze pln integrovat rekvenní iltry. Ze zaátku byl u klasických LC iltr problémovým prvkem ztrátov a rozmrov nevyhovující induktor. S píchodem C iltr a pozdji AC iltr byl tento problém vyešen. Vznikem AC iltr se otevela cesta pro miniaturizaci do podoby integrovaného obvodu. Byly to hybridní integrované obvody, které obsahovaly monolitické operaní zesilovae, kapacitní ipy a tlustovrstvé rezistory. Dalším krokem k miniaturizaci byla realizace pln integrovaného monolitického iltru. V oblasti iltraních aplikací se uplatnila technologie MOS ped bipolární technologií, zvlášt pro možnost snadného vytváení kvalitních kapacitor. Také zde se však objevily njaké problémy. Typická hodnota kapacitoru realizovaného na ipu je pod pf a zabírá plochu. µm na pf kapacity []. Pro iltr pracující v dolní hranici akustického pásma, tj. do 4kHz, vychází asová konstanta ádov C -4 s. Pro C=pF je poteba rezistor o = 7. Takový rezistor však zabírá plochu kolem 6 µm, což je tém % prmrné plochy ipu integrovaného obvodu. Je vidt, že zatímco na tvorb asové konstanty se podílejí oba prvky symetricky, zabírané plochy na ipu jsou v pomru :5.

10 Druhým nepíjemným aktorem je, že kapacitory vyrobené na ipu technologií CMOS jsou nelineární. Navíc výroba kapacitor a rezistor je s pesností 5-%. Celková chyba asové konstanty C mže být až 4%. Tato chyba navíc závisí na teplot a úrovní signálu, který je tímto obvodem zpracováván. Zde pichází na adu obvody se spínanými kapacitory. Negativní vlastnosti pln integrovaných iltr vyrobených technologií CMOS jsou odstranny náhradou tlustovrstvých rezistor rezistory syntetickými - obvody se spínanými kapacitory.. Teorie innosti SC obvod Princip innosti obvodu se spínaným kapacitorem (dále jen SC) spoívá v náhrad klasického rezistoru prvkem syntetickým SC. Kapacitor ve spolupráci s periodicky ízenými spínai je zapojen tak, že se ze vstupní brány nabíjí a mimo tuto bránu se vybíjí. Tím simuluje tepelné ztráty stejn velké jako tepelné ztráty, které vzniknou na klasickém rezistoru, který je pipojený ke vstupní brán trvale. Zpsob zapojení kapacitor a spína je mnoho. Na obr... je princip simulace rezistoru navržený Maxwellem. Jeho zvláštností je, že na rozdíl od dnes používaných princip je proud odebírán ve všech spínacích ázích. Pro výrobu pln integrovaných iltr technologií CMOS se toto zapojení nehodí. Na velikost simulovaného rezistoru mají velmi velký vliv parazitní kapacity mezi elektrodami kapacitoru a substrátem, jež mohou nabývat až % kapacity pvodního kapacitoru. Obr..: Maxwellovo zapojení SC (pevzato z []) Jiný možný zpsob simulace rezistoru pomocí kapacitoru a spína je na obr.. Zapojení je klasické s jedním pepínaem. Kapacitor se ve ázi nabíjí ze vstupní brány a ve ázi se vybíjí do výstupní brány. Hodnota simulovaného rezistoru je dána vztahem (.), kde. T T C C T S. T je opakovací perioda spínání. S (.)

11 Obr..: Simulace rezistoru s jedním pepínaem (pevzato z []) Na obr.. je zapojení SC se dvma pepínai. Také u tohoto zapojení je ze vstupní brány proud odebírán jen ve ázi a ve ázi se vybíjí do výstupní brány. Toto zapojení umož uje volbou ázování spína mnit polaritu náboje injektovaného do následných obvod a tím také znaménko odporu simulovaného rezistoru. Za pedpokladu, že ob živé krajní svorky jsou pipojeny na tvrdé naptí zdroje, nebo virtuální nulu operaního zesilovae, je toto zapojení necitlivé na parazitní kapacity. Toto zapojení je tedy vhodné pro výrobu integrovaných iltr technologii CMOS se SC. Také v tomto pípad je hodnota simulovaného rezistoru dána vztahem (.). Obr..: Simulace rezistoru se dvma pepínai (pevzato z []) Nyní se podíváme, co jsme získali náhradou tlustovrstvého rezistoru spínaným kapacitorem. Použijeme-li vzorkovací rekvenci khz, je rezistor hodnoty = 7 simulován kapacitorem, podle zapojení z obr.., kapacitou C TS / pf. Z pedchozího výkladu již víme, že takovýto kapacitor zabírá na ipu plochu µm. V porovnání s pvodním tlustovrstvým rezistorem stejné hodnoty je to 5 krát mén. Z uvedeného vyplývá významná úspora plochy ipu. Druhým negativem integrovaných obvod vyrobených technologií MOS byla znaná nepesnost kapacitor. Jak již bylo uvedeno, je to 5-%. Podíváme-li se nap. na asovou konstantu iltru, bude nyní dána vztahem C C T. (.) S C Závisí na vzorkovací period T S, která mže být ízena pesn ze stabilního oscilátoru a pomru dvou kapacit, který lze realizovat s pesností.5-%. Kapacity jsou umístny na stejném ipu a vtšina zdroj chyb je ovliv uje souasn. Pomr kapacit je tedy tém nezávislý na zmnách teploty a stárnutí ipu. Ze vztahu (.) vyplývá dležitá inormace o pozoruhodné vlastnosti iltr s obvody SC. Odpor simulovaného rezistoru lze plynule mnit zmnou vzorkovací rekvence. Budeme-li takto ídit všechny spínané kapacitory ve iltru, pak to znamená možnost pelaování iltru signálem vzorkovací rekvencí, tj. posuv

12 rekvenní charakteristiky po rekvenní ose beze zmny tvaru této charakteristiky. Této významné vlastnosti SC iltr se v praxi v hojné míe využívá. Doposud jsme se zmi ovali jen o výhodách, které nám pináší náhrada pevného rezistoru spínaným kapacitorem. Z minulosti je známo, že s každou výhodnou vlastností pichází také nevýhoda v nkteré jiné oblasti. Náhrada pevného rezistoru jeho spínaným ekvivalentem není plnohodnotná. Zatímco iltr AC pracuje spojit v ase, iltr SC pracuje impulsivn. V dsledku prudkého pebíjení mají naptí v SC iltru schodovitý charakter. Jestliže je vzorkovací rekvence daleko vyšší než rekvence zpracovávaného signálu, není tento schodovitý eekt vzorkování významný. Doporuuje se relace PAC / S / 5 až /. U nkterých aplikací je poteba výstupní signál SC iltru vyhladit klasickým n iltrem. Další principiální nevýhodou SC iltr oproti AC iltrm je, že v dsledku vzorkování procházejícího signálu musí být splnna podmínka Nyquistova vzorkovacího teorému S PAC, (.) kde PAC je rekvence zpracovávaného signálu a S je vzorkovací rekvence. Budeme-li pedpokládat, že v integrovaných obvodech se SC se hodnoty pracovních kapacit pohybují kolem 5pF a odpor spínae CMOS v sepnutém stavu je asi k, pak asová konstanta pebíjení vychází kolem 5ns. Uvážíme-li, že doba potebná na plné nabití kapacitoru je asi 7 výše zmínných asových konstant, zjistíme že souasné integrované SC obvody vyrobené technologií CMOS mohou být navrženy pro vzorkovací rekvence S / TS do jednotek MHz. V pípad, že chceme omezit vliv eektu vzorkování schodovitý charakter výstupního signálu, musíme volit PAC S / 5 až S /. Pak dostáváme hranici rekvence zpracovávaného signálu ádov kolem khz.. SC obvody v aktivních iltrech K jednoduchým metodám návrhu SC iltr dle analogového prototypu patí náhrada všech klasických rezistor jejich spínanými ekvivalenty. Tato metoda není mnohdy optimální. Na obr..4 je zapojení invertujícího integrátoru [], jež je potom základní ástí takovýchto iltr. V tomto integrátoru je použito nejastji používané zapojení SC obvodu dle obr... Obr..4: Invertující integrátor s SC 4

13 Na obr..5 je známé zapojení eliptické dolní propustí. ádu se temi operaními zesilovai. Prostední zesilova slouží jako invertor a spolu s posledním zesilovaem tvoí neinvertující integrátor. Sledujeme-li signál na výstupu prvního nebo druhého zesilovae, chová se iltr jako pásmová propust. Na obr..6 je odvozené zapojení SC iltru. ezistory, a jsou nahrazeny syntetickými ekvivalenty - spínanými kapacitory C, C a C. Jejich kapacity se spoítají dle vztahu (.). Vhodným ázováním spína u kapacitoru C vytvoíme neinvertující integrátor a prostední operaní zesilova - invertor mžeme vypustit. Toto celé zapojení bude správn pracovat jen v tom pípad, pokud budou spínae u jednotlivých nahrazovaných rezistor správn ázovány, tj. budou spínat ve správných ázích. Otázka ázování je velice komplikovaná. Obr..5: Zapojení eliptického AC iltru. ádu (pevzato z []) Obr..6: Ekvivalentní SC iltr (pevzato z []) Z výše uvedeného by mohl vzniknou mylný názor, že SC iltry jsou jen zvláštní odnoží iltr analogových, z nichž vznikají náhradou klasických rezistor rezistory syntetickými - spínanými kapacitory. Zapojení s SC obvody vykazují adu jedinených vlastností, jejichž popis nepatí do kategorie klasických analogových obvod. Za mnohá zapojení s SC obvody nelze nalézt adekvátní analogový ekvivalent 5

14 .4 Možnosti použití integrovaných SC iltr Nyní se budeme zabývat možnostmi a zpsobem použití integrovaných SC iltr. V souasné dob vyrábné integrované obvody umož ují nkterou z následujících možností. a) Použijeme nkterý z integrovaných iltr, jehož rekvenní charakteristika a další parametry vyhovují našim požadavkm. b) Filtr sestavíme z integrovaných SC blok.ádu. c) Filtr sestrojíme z diskrétních souástek. K významným výrobcm integrovaných SC iltr patí spolenosti Linear Technology a MAXIM. Jejich výrobky je možné uspoádat do následujících kategorií. ) Filtry s pevn deinovaným prbhem rekvenní charakteristiky s možností pelaování zmnou spínací rekvence, bez poteby použití externích souástek []. Integrované obvody patící do této skupiny mají interní generátory spínacího signálu, ale za úelem pelaování mohou být buzeny z vnjšího generátoru. Obvody spolenosti MAXIM jsou charakteristické tím, že rekvence interního spínacího generátoru je poloviní oproti rekvenci externího generátoru. Souástí integrovaného obvodu bývá operaní zesilova s nezapojenými vývody, z nhož lze sestavit jednoduchý iltr a použít jako antialiasingový ped vlastní SC iltr a nebo za nj na vyhlazení vzorkovacího eektu. Do této skupiny patí obvody MAX9-7. ) Filtry. ádu programovatelné z mikroprocesoru s možností pelaování zmnou spínací rekvence, bez poteby použití externích souástek [4]. Do této skupiny patí integrované obvody MAX6/6/6. Pouzdro obsahuje dvojici iltr.ádu. Parametry, S / a Q je ped použitím poteba naprogramovat pes paralelní port osobního poítae. Bloky je možné použít ke kaskádní syntéze iltru vyššího ádu. Pomocí 6 bit lze nastavit rozsah pracovní rekvence od,hz do 4kHz. Q lze nastavit pomocí 7 bit v rozmezí,5 až 9. Maximální spínací rekvence je 4MHz. ) Filtry. ádu programovatelné pomocí pin s možností pelaování zmnou spínací rekvence, bez poteby použití externích souástek [5]. Také v této skupin jsou obvody spolenosti MAXIM a to MAX6/64/67/68. Princip je stejný jako u pedchozí skupiny jen s tím rozdílem, že parametry dvojice iltr. ádu se nastavují ošetením píslušných vývod binárním slovem. Typy MAX67/68 jsou ureny pro realizaci pásmových propustí a pouzdra obsahují navíc nezapojený operaní zesilova. Pracovní rekvenci je možné volit pomocí 5 bit od,4hz do 4kHz. Jakost Q lze volit pomocí 7 bit v rozmezí,5 až 9. Maximální spínací rekvence je 4MHz. 4) Filtry. ádu programovatelné pomocí pin a zmnou rezistoru s možností pelaování zmnou spínací rekvence a s nutností použití externích rezistor [6]. Do této skupiny patí obvody MAX65/66. Také tyto obvody obsahují dvojici iltr.ádu. Šestibitovým ídícím slovem se nastavuje pomr S / pro každou 6

15 sekci. Penosová unkce iltru se nastavuje vnjšími rezistory. Maximální rekvence je 4kHz u obvodu MAX66. pracovní 5) Filtry. ádu programovatelné zmnou rezistoru s možností pelaování zmnou spínací rekvence a s nutností použití externích rezistor [7]. Stejn jako pedcházející obvody mají i tyto obvody v jednom pouzdru dvojice SC integrátor se stejnými asovými konstantami, které lze nastavovat spínací rekvencí. Typ penosové unkce a initel jakosti Q se musí nastavit vnjšími rezistory a vhodnou volbou vstupu a výstupu. Do této skupiny patí obvody spolenosti Linear Technology LTC59, LTC6/6/64. Obvody jsou odlišné potem dvojic integrátor ( až 4). První obvod má navíc nezapojený operaní zesilova. Bloky lze pelaovat v rozmezí,hz až 4kHz. Maximální vzorkovací rekvence je 7MHz. Volbou logické úrovn na píslušném pinu lze pepínat pomr S / : a 5:. 6) Multiunkní stavební blok LTC4 urený pro konstrukci obvod s SC [8]. Tento integrovaný obvod obsahuje tyi pesné nábojov vyvážené spínae. Souástí obvodu je generátor spínacího signálu. Spínae je možno spínat z externího zdroje rekvence do 5MHz. V zapojení s kvalitními operaními zesilovai, nap. LT56, mžeme jednoduše realizovat iltry a také jiné obvody, u kterých se využívá principu spínaných kapacitor. Na obr..7 je píklad zapojení pásmové propusti s obvodem LTC4 ve spojení s OZ LTC56. Obr..7: Píklad zapojení pásmové propusti s OZ LTC56 a obvodem LTC4 7

16 Teorie iltr Pi návrhu univerzálního iltru realizovaného ze stavebních blok se spínanými kapacitory realizovaných v integrovaném obvodu budeme vycházet z teorie návrhu klasických iltr. Zde jsou uvedeny vybrané ásti teorie návrhu, které budou v další ásti použity.. Druhy iltr dle tvaru penosové rekvenní charakteristiky Na obrázcích. a. jsou toleranní pásma pro horní propust HP, dolní propust DP, pásmovou propust PP a pásmovou zádrž PZ. Všechny tyto typy iltr má umožnit realizovat navrhovaný univerzální iltr. Obr..: Toleranní pole dolní propusti DP a horní propusti HP Obr..: Toleranní pole pásmové propusti PP a pásmové zádrže PZ. Druhy iltr dle typu aproximace Podle prbhu rekvenní charakteristiky v propustném pásmu, v pásmu potlaení a dále podle strmosti této charakteristiky v toleranním pásmu, druhu aproximace, dlíme iltry na: 8

17 a) Filtry s Butterworthovou aproximací Tato polynominální aproximace má plochou rekvenní charakteristiku v propustné oblasti jak je vidt na obr... Používá se tam, kde je poteba nulové zvlnní v propustném pásmu. Obr..: Filtr s Butterworthovou aproximací b) Filtry s ebyševovou aproximací Tato aproximace je izoextremální. V propustném pásmu jsou ebyševovy charakteristiky zvlnné, jsou však ponkud strmjší než Butterworthovy. Zde vyhoví nižší ád iltru než u Butterworhova typu. Obr..4: Filtr s ebyševovou aproximací c) Filtry s inverzní ebyševovou aproximací Tento typ má podobné vlastnosti jako typ ebyševv, jen s tím rozdílem, že charakteristika není zvlnna v propustném pásmu, ale v pásmu potlaení. 9

18 Obr..5: Filtr s inverzní ebyševovou aproximací d) Filtry s Cauerovou aproximací Tato aproximace má nejstrmjší charakteristiku. Má zvlnní v propustné ásti charakteristiky a nkolik nulových bod v pásmu potlaení. Tmto iltrm se íká také eliptické. Obr..6: Filtr s Cauerovou aproximací. Normování na NDP Pro snadnjší návrh zavádíme ve iltrech normování na NDP. Nejastji normujeme k mezní rekvenci c, ale lze normovat i ke stední rekvenci nebo k rekvenci potlaení s. Na obr..8 až obr.. jsou zobrazeny transormace toleranních polí iltr typu DP, HP, PP a PZ na toleranní pole NDP [9],[]. V pípad zadání šíky pásma u geometricky soumrných PP nebo PZ, musíme vypoítat dolní a horní mezní rekvenci c nebo rekvenci potlaení s podle následujícího vztahu,. (.)

19 Jen u velmi úzkého rekvenního pásma lze nahradit geometrickou soumrnost jednodušší soumrností aritmetickou,. (.) Obr..7: Normovaná dolní propust NDP Hz s Fs (.) c Obr..8: Transormace dolní propusti na NDP

20 s c s F (.4) Obr..9: Transormace horní propusti na NDP. c c c c F (.5) s s s s F. (.6) Obr..: Transormace pásmové propusti na NDP

21 c. c Fc (.7) c F s. (.8) s s s Obr..: Transormace pásmové zádrže na NDP.4 Urení ádu NDP Hlavní pomocnou veliinou pro urení ádu je initel selektivity. Fs s c Pro NDP k ; pro DP k ; pro HP k. (.9) F c c Podle zvoleného typu iltru (aproximace) uríme další pomocné veliiny: As / Útlumový initel d. (.) Ac / s Dopl kový aktor 4 k d k. (.) Modulární initel q q q kde 5 9 q 5q 5 kd q. (.) k Z výše uvedených veliin spoítáme pro zvolenou aproximaci iltru ád NDP dle následujících vztah. Filtr s Butterworthovou aproximací log d n. (.) log k Filtr s ebyševovou aproximací arccosh d n. (.4) arccosh( k) Filtr s Cauerovou aproximací log6d n. (.5) log( q ) Další možností, mnohdy jednoduší, je použít pro urení ádu NDP nomogramy [9]. d

22 .5 Odnormování NDP Pro zapojení iltru se spínanými kapacitory bude použita kaskádní syntéza stavebních blok SC. Parametry jednotlivých blok NDP pro kaskádní syntézu ( F, FN, Q ) najdeme pro urený ád (n) a zvolenou aproximaci v tabulkách podle [9],[]. NDP n-tého ádu se mže skládat z jednoho bloku NDP. ádu a z nkolika NDP. ádu a v pípad eliptických iltr i z nkolika NDPN. Tyto bloky jsou popsány tmito vztahy: NDP.ádu K ( s), (.6) s NDP.ádu K( s) s Q s, (.7) NDPN.ádu N s K( s) s s Q, (.8) kde je rekvence pól a N je rekvence nulových bod NDP, normovaný k mezní rekvenci c nebo stední, tedy rezonanní rekvenci iltru. V dalším kroku transormujeme NDP na požadovaný typ iltru dle následujících vztah. Transormace NDP na DP. F. C ; N FN. C ; QQ (.9) kde pruhem jsou oznaené parametry jednotlivých sekcí, bez pruhu celého iltru a stíškou parametry NDP. Transormace NDP na HP. C C ; N ; QQ (.) F F N Transormace NDP na PP. a) Transormace NDP.ádu na PP. ádu. ; Q (.) F. B b) Transormace NDP.ádu na PP 4.ádu - xpp. ádu. / k ;. k ; Q Q Q K K K (.) F F ; 4

23 Qˆ. F Q. ( ) ; Qˆ B. F n (.) k F Q Q. ˆ ; K Q Q. Qˆ k F (.4) k F c) Transormace NDP.ádu na PP 4.ádu - DP. ádu + HP. ádu. Parametry dvou rzných podsekcí urujeme stejn jako v bod b. Pro výpoet penosu K zde platí vztah K K K. (.5) Q Transormace NDP na PZ. a) Transormace NDP.ádu na PZ. ádu. F ; Q (.6). B b) Transormace NDP.ádu na PZ 4.ádu - DPN. ádu + HPN. ádu. Parametry pól dvou eliptických podsekcí jsou / k F,. k F, Q Q Q, K (.7) Zbývající parametry podsekcí urujeme stejn jako u PP v bod b. Jen pro platí vztah. F. (.8) B. 4 Návrh zapojení iltru Pro návrh univerzálního iltru se spínanými kapacitory bude použit obvod LTC6, vyrábný irmou Linear Technology. Tento obvod má v pouzdru dv sekce A a B v každé z nich je jeden blok SC. ádu. Každý blok je tvoen dvma integrátory, sumaním lenem a invertorem. Podrobnji je unkce tchto obvod popsána v kapitole.4. Vnitní uspoádání je na obr. 4.. V každé sekci lze realizovat zapojením externích rezistor kombinace iltr typu DP, HP, PP nebo PZ. Kaskádní syntézou je možné vytvoit z obou sekcí, opt pomocí externích rezistor, iltr 4.ádu požadované aproximace. Obvod pracuje se spínací rekvencí do,5mhz. Pomr rekvencí S / PAC lze volit 5 nebo. Obvod je napájen soumrným naptím 5V a nemá integrován interní oscilátor. 5

24 Obr. 4.: Vnitní uspoádání obvodu LTC6 (pevzato ze [7]) Návrh zapojení vychází z doporueného zapojení uvedeného v datasheetu [7] tohoto obvodu. Tchto zapojení je zde nkolik typ. Výrobci tchto typ obvod je obvykle oznaují mód až 4. Navrhované zapojení umožní realizovat mód, a a. Zapojením v módu lze realizovat DP, PP a PZ, obr. 4., zapojením v módu potom DP, HP a PP, obr. 4.. Pro možnost souasné realizace DP, HP, PP a PZ je zapojení v módu a, obr. 4.4, doplnno operaním zesilovaem LT6. Je zapojen na výstupu sekce B. Tuto sekci lze zapojit samostatn jako iltr. ádu. V pípad kaskádního zapojení je vstup iltru piveden na vstup sekce A. Nkterým z rezistor 5, 6 nebo 7 jsou sekce propojeny do kaskády a výstupy jsou vyvedeny ze sekce B jako LP-B, HP-B a BP-B a nebo pes nkterý z rezistor 5, 6 nebo 7 a operaní zesilova na výstup OUT-B/N. Vztahy pro výpoet externích souástek u módu. (5) CLK ; 4 CLK n ; (5) Q (4.) 4 H H DP N ( ( / 4 ; ) ) ( H / 4 PP ; ) H N ; ( CLK ) (4.) 6

25 Obr. 4.: Schéma zapojení pro mód (pevzato ze [7]) U módu je výstup. integrátoru piveden zpt do sumátoru. To je zajištno kladným naptím na pinu 6. Filtr typu PZ je zde vytvoen uvnit unkního bloku. Vztahy pro výpoet externích souástek u módu. CLK ; (5 4 Q (4.) 4 H H H 4 HP ; PP ; DP (4.4) Obr. 4.: Schéma zapojení pro mód (pevzato ze [7]) 7

26 8 Vztahy pro výpoet externích souástek u módu a. 4 (5 CLK ; L H CLK N (5 ; 4 Q (4.5) 4 ; ; H H H DP PP HP (4.6) 4 4 ;.. ) ( ;. ) ( ;. ) ( Q H H Q H H H HP H G DP L G N L G CLK N L G N (4.7) Obr. 4.4: Schéma zapojení pro mód a (pevzato ze [7]) K návrhu iltru je možno pistoupit ze dvou pohled. Pokud budeme uvažovat univerzální iltr s tím, že potebný kmitoet budeme nastavovat zmnou CLK, lze použít všechny externí rezistory se stejnou hodnotou nap. k. V zapojení podle módu a je možné potom souasn demonstrovat všechny typy iltr tj. DP, HP, PP a také PZ. Penos na všech výstupech, krom pásmové zádrže, je dle vztah (4.7) roven. V pípad pásmové zádrže je roven. U takto navrženého iltru ale nemáme možnost ovliv ovat strmost penosové charakteristiky v toleranním pásmu iltru a její zvlnní v propustném pásmu a nebo v pásmu potlaení.

27 5 Návrh pásmové propusti V této ásti je uveden druhý pohled na návrh iltru se spínanými kapacitory, který vychází z návrhu klasického AC iltru v kaskádním zapojení. Z údaj, které po výpotu odeteme z tabulek [9] pro zvolený typ aproximace a povolené zvlnní v propustném pásmu a požadované potlaení, spoítáme hodnoty externích souástek pro zvolený mód zapojení obvodu LT6. 5. Zadání pásmové propusti Aproximace: Butterworth Zadání toleranního pole: - rekvence stedu propustného pásma o = 4Hz - šíka propustného pásma B = 5Hz - dovolené zvlnní v propustném pásmu K = db - šíka pásma potlaení B s = Hz - požadované potlaení K s = db Ze zadaných údaj spoítáme patiné rekvence, které charakterizují PP. Výpoet mezních rekvencí: c, c 445,7 Hz ; c 4 95,7 Hz 5 5 4,7 5 Výpoet rekvencí potlaení: s B p Hz ; s, s B p 596Hz (4.4 ) 89,96 Obr. 5.: Toleranní pásmo navrhované pásmové propusti 9

28 5. Normování na NDP, stanovení ádu V dalším kroku provedeme normování rekvencí PP na NDP. Vybereme užší z obou možných kanál. F F F c, s s m p p p m p... Urení initele selektivity. F k F c 5,99 s 445, ,7.5 5, ,99 6 Obr. 5.: Toleranní pásmo normované dolní propusti Stanovení ádu NDP aproximace Butterworth Výpotem: / p log AZVL / n log( F ) A p log,75 log(6),556,9

29 Z grau Obr. 5.: Nomogram pro stanovení ádu NDP (pevzato z [9]) ád NDP je. 5. Kontrolní analýza stanovení ádu NDP v programu PSpice inp out VDB s**+(*pi*fm/q)*s+(*pi*fm)** k PAAMETES: Fm = Hz PI = Q =.77 inp Vac Vdc V inp FTABLE req db deg Hz -5 mhz -5 Hz -5.Hz -.Hz - FTABLE req db deg mhz - Hz Hz - 6Hz -6 Hz -6 Obr. 5.4: Zapojení kontrolní analýzy NDP v programu PSpice out out VDB k 4 VDB k

30 mhz.hz Hz Hz DB(V(OUT)) DB(V(OUT)) DB(V(OUT)) Frequency Obr. 5.5: Penosová charakteristika NDP v programu PSpice ád NDP vyhovuje. 5.4 Odnormování NDP Z tabulky, uvedené v[9],[], pro Butterworthovu aproximaci odeteme parametry NDP Qˆ =,77 ; F n = Parametry dvou rzn naladných podsekcí PP jsou: k F,. kf, Q Q Q, / K K K. F.4 B. F n 5. 6,8 Q Qˆ. ( ) ˆ Q,77. 6,8 ( 6,8 ) 6,8,77,889 k F Q. Qˆ Q. ˆ Q,889 6,8.,77,889 6,8.,77,4 K,889 Q k F,4,59 k F,4 / k F 4 /,4 4Hz. k F 4.,4 48Hz

31 5.5 Stanovení hodnot externích rezistor navrženého zapojení Na základ údaj získaných odnormováním NDP spoítáme externí rezistory. sekce Zvolíme: =k, CLK = khz. Ze vztahu pro výpoet vypoteme 4. CLK CLK Ze vztahu pro jakost vypoteme. 6,7k Q 4 Q Ze vztahu pro penos vypoteme. K 4, ,7. 95,.,59 BP K BP 8,89.,4 8,k 95,k Obdobn spoítáme externí rezistory. sekce = k. Ze vztahu pro výpoet vypoteme 4. CLK. 4 4 CLK Ze vztahu pro jakost vypoteme ,k Q 4 Q Ze vztahu pro penos vypoteme 6. K 4, ,. 7,4.,59 BP 6 6 K BP 8,9.,48 75,5k 7,4k (6) () () 4(4) Sekce 8,k k 95,k 6,7 Sekce 75,5k k 7,4k 5,k Tab. 5.: Hodnoty externích rezistor pro ob sekce

32 6 Schéma zapojení a návrh desky plošných spoj Obr. 6.: Schéma zapojení navrženého iltru 4

33 Na obr. 6. je schéma zapojení navrženého univerzálního iltru se spínanými kapacitory. Pomocí rezistor až 7 a až 7 lze nastavit požadovaný tvar výstupní charakteristiky iltru, tak jak bylo uvedeno v pedešlých kapitolách. V zapojení jsou použity 4 pepínae - jampery JP až JP4. V každé sekci obvodu LTC6 je sumátor se dvma vstupy. Pepínaem JP se zapíná jeden vstup pro oba souasn. V sekci B je druhý vstup sumátoru trvale uzemnn. V sekci A se pepíná pepínaem JP na vstup a nebo se uzem uje. Pepínaem JP se pepíná zdroj spínací rekvence. Pepínaem JP4 se volí pomr s / PAC nebo 5. Zapojení je rozšíeno o zdroj spínací rekvence. Je použit VCO oscilátor z obvodu 446. Zmnou ídícího naptí pro oscilátor VCO v rozsahu V až +5V lze mnit výstupní rekvenci generátoru od khz do,5mhz i více dle hodnot kapacitou C a rezistoru. Navržený iltr lze potom plynule pelaovat od nkolika desítek Hz do 4 khz. Zapojení je vybaveno ochranou proti pepólování napájecího naptí. Tuto ochranu tvoí rychlé pojistky F a F a Zenrovy diody D a D. Obr. 6.: Osazovací plán souástek Deska plošných spoj je navržena v programu Eagle Je použita jednostranná deska o rozmrech 8 x mm, navržená ve vrstv Bottom. ozmístní a osazovací plán souástek je na obr. 6.. Na obr. 6. jsou zobrazeny drátové propoje, které budou vedeny ze strany souástek. Na obr. 6.4 je plošný spoj navrženého iltru, pohled ze strany spoj. 5

34 Obr. 6.: Osazovací plán souástek vetn spoj Obr. 6.4: Plošný spoj 6

35 ozpis použitých souástek IO LTC6CN univerzální dvojitý SC iltr IO LT6 operaní zesilova IO 46N PPL závs D 6V Zenerova dioda W D 6V Zenerova dioda W k rezistor,5w; E4; k rezistor,5w; E4; k rezistor,5w; E4; 4 k rezistor,5w; E4; 5 k rezistor,5w; E4; 6 k rezistor,5w; E4; 7 k rezistor,5w; E4; k rezistor,5w; E4 k rezistor,5w; E4 k rezistor,5w; E4 4 k rezistor,5w; E4 5 k rezistor,5w; E4 6 k rezistor,5w; E4 7 k rezistor,5w; E4 k rezistor,5w; E4 k rezistor,5w; E4 5,6k rezistor,5w; E4 C nf keramický kapacitor C nf keramický kapacitor C nf keramický kapacitor C4 nf keramický kapacitor C5 nf keramický kapacitor C6 nf keramický kapacitor C7 µf/v elektrolytický kapacitor C8 µf/v elektrolytický kapacitor C9 nf keramický kapacitor C nf keramický kapacitor C pf keramický kapacitor C nf keramický kapacitor F ma pojistka F ma pojistka JP pepína jamper JP pepína jamper JP pepína jamper JP4 pepína jamper VIN-A BNC rovný konektor do DPS 5 VIN-B BNC rovný konektor do DPS 5 CLK BNC rovný konektor do DPS 5 LP-B BNC rovný konektor do DPS 5 BP-B BNC rovný konektor do DPS 5 HP-B BNC rovný konektor do DPS 5 OUT-B/N BNC rovný konektor do DPS 5 7

36 7 ealizace a m ení navrženého iltru 7. Ov ení unk nosti navrženého zapojení P ed výrobou plošného spoje bylo pot eba ov it unk nost navrženého zapojení. Vzhledem k tomu, že simula ní programy typu PSpice nemají pot ebné knihovny obvod se spínanými kapacitory a tedy neumož ují simulovat innost t chto obvod, byla unk nost ov ena experimentáln. Filtr byl postaven a oživen na kontaktním poli. M ením byla áste n ov ena jeho innost s tím, že zapojení pracuje dle p edpoklad a lze je realizovat. 7. ealizovaný SC iltr s unk ním blokem LTC6 a m ící pracovišt Na obr. 7. je pohled na realizovaný SC iltr s unk ním blokem LTC6. Osazená deska plošných spoj je vložena do víka plastové krabi ky. Tento iltr bude používán ve školní laborato i k demonstraci innosti zapojení se spínanými kapacitory. Obr. 7.: Pohled na realizovaný iltr s obvodem LTC6 8

37 Na obr.7. je m ící pracovišt, kde byly prom eny rekven ní charakteristiky. Toto pracovišt je tvo eno dvojitým napájecím zdrojem Agilent E6A, generátorem Agilent A LXI a digitálním milivoltmetrem Agilent 44A LXI. Všechny tyto p ístroje mají implementovanou sb rnici IEEE488 a tedy mohou pracovat ve spojení s ídícím po íta em jako automatizované m ící pracovišt, jehož sou ástí by m l být také m ený iltr se spínanými kapacitory jako objekt m ení rekven ních charakteristik. Obr. 7.: M ící pracovišt ve školní laborato i 7. M ení univerzálního iltru. ádu v módu a V zapojení podle obr. 4.4 lze realizovat v sekci B iltry. ádu. Vstupní signál je p iveden na vstup B a na výstupech lze sou asn m it všechny požadované typy iltr DP, HP, PP a PZ. Všechny externí rezistory mají stejnou hodnotu k. D lící pom r CLK / je. Pásmová zádrž je v módu a vytvo ena sou tem DP a HP a invertována externím opera ním zesilova em LT6. Pr b hy rekven ních charakteristik pro CLK=kHz a =Hz jsou zobrazeny na obr. 7.. Pr b hy odpovídají p edpoklad m. 9

38 Obr. 7.: Frekvenní charakteristiky DP, HP, PP a PZ iltru. ádu v módu a 7.4 Mení univerzálního iltru 4. ádu v módu a Obr. 7.4: Frekvenní charakteristiky DP, HP, PP a PZ iltru 4. ádu v módu a Zapojením dvou sekcí z obr. 4.4 do kaskády, lze realizovat iltry 4.ádu. Vstupní signál je piveden na vstup A. Sekce A a B obvodu LTC6 je propojena nkterým z rezistor 5, 6 nebo 7. Na výstupech lze potom postupn mit všechny

39 požadované typy iltr DP, HP, PP a PZ. V pípad PZ je výstup DP a HP sekce B piveden pes rezistory 5 a 7 na vstup OZ LT6, kde je proveden souet obou signál a jeho inverze. Všechny externí rezistory mají stejnou hodnotu k. Prbhy rekvenních charakteristik pro CLK =khz a =Hz jsou zobrazeny na obr Pi porovnání nap. DP a HP. ádu a 4. ádu je u posledn jmenovaného patrná podstatn vtší strmost rekvenní charakteristiky pi pechodu z propustného pásma do pásma potlaení. Na obr. 7.5 jsou pro porovnání rekvenní charakteristiky DP. a 4. ádu. Obr. 7.5: Porovnání DP. a 4. ádu v módu a 7.5 Mení univerzálního iltru. ádu v módu U pedchozích iltr v módu a byl spodní vstup sumátoru obr. 4.4 spojen se zemí. Na pepínai JP byly propojeny špiky a. V zapojení módu je na spodní vstup sumátoru piveden výstup DP. Na pepínai JP byly propojeny špiky a dle schéma zapojení na obr. 6.. Vstupní signál je piveden na vstup B a na výstupech lze souasn mit typy iltr DP, PP a PZ. Zde je pásmová zádrž vytvoena soutem uvnit obvodu. Všechny externí rezistory mají stejnou hodnotu k. Dlící pomr CLK / je. Prbhy rekvenních charakteristik pro CLK =khz a =Hz jsou zobrazeny na obr Na první pohled je patrné, že prbhy jsou jiné než u pedchozích iltr. Výpotem dle vztahu (4.) zjistíme, že pro iltry typu DP a PZ pro je K = -6dB, což odpovídá prbhu z obr Pro iltry typu DP a PP je dle vztahu (4.) = 44Hz. Také tato hodnota odpovídá prbhu rekvenních charakteristik z již zmínného obrázku.

40 Obr. 7.6: Frekvenní charakteristiky DP, PP a PZ iltru. ádu v módu 7.6 Porovnání namených charakteristik V technické dokumentaci použitého obvodu jsou uvedeny pro iltry typu DP, HP a PP. ádu vztahy pro stanovení typických hodnot rekvencí L, H, C, P a pro pokles penosu na,77 nebo vyjádeno v decibelové míe o db. Dále vztah pro velikost penosu v pólu H P. V následujících obrázcích obr. 7.7, 7.8 a 7.9 jsou v píslušných bodech uvedeny skuten odetené hodnoty tchto rekvencí nebo penosu. Pro jednotlivé typy iltr jsou pak vypoteny teoretické hodnoty a porovnány se skutenými. Všechny externí rezistory jsou stejné jakost Q je ve všech pípadech rovna, CLK =khz a =Hz Dolní propust. ádu C,5,5 7Hz (7.) Q Q P,5 77Hz (7.) Q

41 H P H DP,54 (7.),5 Q 4Q Obr. 7.7: Frekvenní charakteristika DP. ádu V pípad dolní propusti jsou zmené hodnoty rekvence pólu P a rekvence potlaení C shodné s hodnotami vypoítanými. Zmený penos v pólu je o,4 menší Pásmová propust. ádu Obr. 7.8: Frekvenní charakteristika PP. ádu

42 4 68Hz,5 Q Q L (7.4) 68Hz,5 Q Q H (7.5) U pásmové propusti jsou ob vypoítané rekvence L a H stejné jako zmené Horní propust. ádu Obr. 7.9: Frekvenní charakteristika HP. ádu 786Hz,786,5,5 Q Q C (7.6) Hz 44,5 Q P (7.7)

43 H P H DP,54 (7.8),5 Q 4Q Frekvenní charakteristika horní propusti je tvarov správná. Odstup C a P souhlasí s výpotem. Celá je však posunuta asi o 5 Hz nahoru. Také zde je zmený penos v pólu o,4 menší než vypotený. 7.7 Mení PP 4. ádu s Butterworthovou aproximací V kapitole 5 je proveden návrh konkrétní pásmové propusti s Butterworthovou aproximací. Z požadovaných parametr byla spoítána normovaná dolní propust (NDP) Hz a stanoven její ád. V simulaním programu PSpice byla provedena její simulace a kontrola, zda vyhovuje stanoveným požadavk. Po odnormování a odetení údaj z tabulek pro píslušnou aproximaci byly vypoteny parametry dvou rzn ladných PP kaskádní syntézy. Implementací tchto údaj do vztah pro mód byly vypoítány hodnoty externích rezistor pro ob sekce iltru 4.ádu s LTC6. Na obr. 7. je zmená rekvenní charakteristika této pásmové propusti. Obrázek je doplnn toleranním pásmem dle požadavk na PP. Pásmová propust pln vyhovuje požadovaným parametrm. Obr. 7.: Butterworthova PP 4. ádu s toleranním pásmem 5

44 V pedchozích kapitolách na obr. 7., 7.4 a 7.6 jsou rekvenní charakteristiky iltr, kde je vždy CLK /. Zde na píkladu z obr. 7. vidíme, že lze pomrem externích rezistor posunou kamkoliv jinam. CLK = khz a = 4Hz. Na obr. 7. je znázornna možnost pelaování vypoítaného iltru zmnou spínací rekvence. Zmnou ídícího naptí VCO generátoru z,6v pro stední vypoítaný prbh na,97v se peladí CLK na khz a tomu odpovídající = 4Hz. Frekvenní charakteristika se tak beze zmny tvaru posunula po rekvenní ose tém k nule. Zmnou ídícího naptí VCO generátoru na,9v se peladí CLK na MHz a tomu odpovídající = 4Hz. Zde se rekvenní charakteristika posune na desetinásobek pvodní rekvence. Obr. 7.: Peladní PP zmnou spínací rekvence 7.8 Spínací rekvence Obvod LTC6 nemá vlastní interní zdroj spínací rekvence. V zapojení realizovaného iltru je použit VCO generátor obvodu ázového závsu 46. Generátor je pelaován kladným naptím až 5V. asová konstanta, tím také rozsah peladní rekvence tohoto generátoru, je dána velikostmi rezistoru = 5,6k a kapacitoru C = pf. Výstupní signál má obdélníkový prbh. V následující tabulce tab. 7. jsou uvedeny velikosti naptí pro vybrané hodnoty spínací rekvence. 6

45 K innosti obvodu LTC6 lze také použít externí zdroj spínací rekvence. innost obvodu není závislá na tvaru tohoto signálu, ale musí mít úrove vtší než,5v. Volba interní - externí zdroj se provádí pepínaem JP. Externí zdroj se zapne propojením špiek a. Tab. 7.: Hodnoty ídícího naptí pro vybrané rekvence generátoru VCO 7

46 8 Závr Tato práce se zabývá návrhem rekvenního iltru se spínanými kapacitory. V první ásti je uvedena teorie náhrady klasických rezistor spínanými kapacitory pro možnost integrace unkních blok s SC do jednoho integrovaného obvodu. Jsou to obvody vyrábné technologií CMOS. Je zde uveden pehled vyrábných obvod s tmito unkními bloky a možnosti jejich použití. V další ásti jsou uvedeny vybrané partie teorie návrhu klasických rekvenních iltr, které byly v další ásti použity pro výpoet externích rezistor navrženého zapojení. Pro návrh univerzálního rekvenního iltru byl použit obvod LTC6, vyrábný spoleností Linear Technology. Je to obvod se dvma unkními bloky SC v jednom pouzdru. Schéma zapojení navrženého iltru vychází z doporueného zapojení uvedeného v technické dokumentaci tohoto obvodu. Pro možnost souasné realizace iltru typu LP, HP, PP a PZ je zapojení doplnno operaním zesilovaem LC6. Obvod LTC6 nemá interní zdroj spínací rekvence a tak je jako zdroj rekvence použit naptím ízený generátor v IO 446. Pro navržené schéma zapojení byla v programu Eagl navržena jednostranná deska plošných spoj o rozmrech 8 x mm. Navržený iltr byl realizován jako micí pípravek do laboratoí. Byly odmeny rekvenní charakteristiky iltr. a 4. ádu pro požadované typy DP,HP, PP a PZ. Byla zmena rekvenní charakteristika navržené a spoítané Butterworthovy pásmové propusti a provedena kontrola prchodu toleranním pásmem. Byla ovena možnost pelaování zmnou ídicího naptí VCO aniž by se zmnil její tvar. Zmené parametry iltr. ádu typu DP, PP a HP odpovídaly parametrm z technické dokumentace obvodu LTC6. 8

47 9 Použitá literatura [] BIOLEK, D. Obvody se spínanými kapacitory. Elektronický text, Brno, 996, s. [] DOSTÁL, T. Teorie elektronických obvod. Skripta FEKT VUT UEL, Brno, 6, 77 s. [] Maxim Dallas Semiconductor, San Gabriel Drive, Sunnyvale, CA th- Order, Lowpass, Switched-Capacitor Filters MAX9, MAX9, MAX95 a MAX , 8 s. [4] Maxim Dallas Semiconductor, San Gabriel Drive, Sunnyvale, CA9486. Microprocessor Programmable Universal Aktive Filters MAX6, MAX6 a MAX6., 7 s. [5] Maxim Dallas Semiconductor, San Gabriel Drive, Sunnyvale, CA9486. Pin Programmable Universal and Bandpas Filters MAX6, MAX64, MAX67 a MAX68.998, 4 s. [6] Maxim Dallas Semiconductor, San Gabriel Drive, Sunnyvale, CA9486. Pin and esistor Programmed Universal Active Filters MAX 65, MAX , s [7] Linear Technology Corporation, 6 McCarthy Blvd.,Milpitas, CA Universal Dual Filter Building Block LTC6. 988, s. [8] Linear Technology Corporation, 6 McCarthy Blvd.,Milpitas, CA Dual Precision Instrumetation Switched Capacitor Building Block LTC4. 985, 6 s. [9] DOSTÁL, T; AXMAN, V. Elektrické iltry. Skripta FEKT VUT UEL, Brno, 4, 44s. [] HÁJEK, K; SEDLÁEK, J. Kmitotové iltry. BEN - technická literatura, Praha,, 55 s. 9

48 Seznam symbol, veliin a zkratek AD analogov digitální pevodník AC C iltr s OZ, k F pomocné koeicienty B šíka propustného pásma B S šíka pásma potlaení C kapacitor DP (LP) dolní propust d útlumový initel F c normovaná mezní rekvence F normovaná stední rekvence F s normovaná rekvence potlaení c mezní rekvence CLK spínací rekvence stední rekvence P rekvence pólu n stední rekvence pásmové zádrže, K Q parametry jednotlivých sekcí, K,, Q parametry celého iltru s rekvence potlaení HP horní propust H DP penos na DP H P penos v pólu H PP penos na PP H HP penos na HP IO integrovaný obvod K S požadované potlaení k initel selektivity k d dopl kový aktor MOS Metal Oxide Semiconductor CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor n ád iltru NDP normovaná dolní propust OZ operaní zesilova normovaná rekvence pólu N normovaná rekvence nulového bodu PP (BP) pásmová propust PZ (N) pásmová zádrž rezistor C pasívní iltr složený z rezistor a kapacitor LC pasívní iltr složený z rezistor a kapacitor a induktor SC spínaný kapacitor T asová perioda T S perioda spínání q modulární initel Q jakost obvodu Q parametry NDP VCO naptím ízeny oscilátor 4