Teorie elektronických obvodů (MTEO)

Transkript

1 Teorie elektronických obvodů (MTEO) Laboratorní úloha čílo teoretická čát Filtry proudovými konvejory Laboratorní úloha je zaměřena na eznámení e principem činnoti proudových konvejorů druhé generace a možnotmi jejich využití v praxi. ílem úlohy je ověření právné funkce jednoho ze základních typů kmitočtových filtrů, které lze realizovat integrovanými obvody AD8 a EL8, tedy proudovými konvejory druhé generace. Kromě klaických operačních zeilovačů lze jako aktivní bloky funkčních celků použít i některé méně typické elementy, pracující na jiném principu, než je zeilování a zpracovávání pouze napětí. Hlavní důvod upřednotnění prvků pracujících v tzv. proudovém či míšeném módu je značně větší šířka páma (dne i tovky MHz), jednodušší návrhové přítupy a výledné obvodové realizace, lepší dynamika, nižší napájení a potřeba, menší náchylnot k netabilitě atd. Samozřejmě exitují i problémy, o které zavadíme později v dalším textu. Jedním z dne preferovaných aktivních bloků pro rychlé aplikace v analogové technice je tzv. konvejor. Exitují konvejory napěťové a proudové, další dělení je podle generací, čímž e zde ale nebudeme zabývat. de e zaměříme především na ty nejjednodušší proudové tříbranové konvejory. Proudový konvejor e dá obecně pokládat za mnohohran různě definovanými vztahy mezi vtupními a výtupními veličinami (napětí a proudy). Většinou když e bavíme o konvejování tak máme na myli ledování, což koreponduje obr., teoreticky e však může jednat i o zeilování apod. Na obr. je obecný tříbranový proudový konvejor polu jeho definiční maticí. Brány (vorky) jou označeny pímeny (napěťový vyoko-impedanční vtup), (proudový nízkoimpedanční vtup), (proudový vyoko-impedanční výtup). V polední době e výzkum zabývá aplikacemi tzv. více-branových (taky více-výtupových) konvejorů a dalších moderních aktivních bloků, protože pro určité typy návrhových přítupů (např. více-myčkové truktury) je jediný výtup nedotačující. Na obr. je univerální proudový konvejor (U) vyvinutý polečnotí ON Semiconductor pro Útav Telekomunikací. naménka jen značí charakter přenou proudu ze vtupu do výtupů. Je to jedna z možných variant vícebranových konejorů. Lze etkat různými modifikacemi co do počtu vtupních i výtupních bran. Proudové konvejory nejou zatím v běžné praxi moc rozšířené, ale dá e nimi oproti jiným aktivním blokům (především po léta zavedené operační zeilovače) doáhnout někdy i značně lepších parametrů v kmitočtové oblati, lepších návrhových potupů pro konkrétní aplikace (filtry, ocilátory) a jednodušších obvodových realizací (většina paivních oučátek může být zemněná). Bohužel e prozatím konvejory příliš neproadily pro hromadnou komerční výrobu jako dikrétní integrované obvody, ale pokud to ituace v konkrétní aplikaci vyžaduje je oučaným trendem celý funkční celek integrovat přímo na čip polu dalšími (např. čílicovými) čátmi. Přeto lze proudové konvejory najít ve velmi omezeném počtu mezi komerčně dotupnými oučátkami. Pozitivní proudový konvejor II+ (current conveyor, econd generation, poitive) je funkční oučátí tzv. tranimpedančího zeilovače AD8, kde tvoří první čát truktury (obr. ). eálný obvod má vtupní impedanci vorky (proti zemi) ai MΩ/pF, pro vorku je to ai Ω do vtupu, výtupní impedance vorky (zde tranimpedance) je ai MΩ/pF. ajímá ná pouze levá čát (před přerušovanou čarou) obr., zbytek je výtupní ledovač (aby celek byl použitelný jako běžný operační zeilovač). Lineární model II+ čáti je na obr. vpravo. Sledovač výhodně zajišťuje např. impedanční oddělení i v případech, kdy obvod cíleně použijeme jako konvejor. eálné vlatnoti e projevují především půobením nenulového odporu, v praxi je nutné ním počítat. U obvodu AD8 je právě díky přítupné vorce aplikace v proudovém módu (M) velmi nadná. U většiny dalších typů tranimpedančních zeilovačů (či jinak označovaných jako current feedback amplifier) tato vorka, primárně určená pro kompenzaci kmitočtové charakteritiky, přítupná nebývá. Proudový přeno u AD8 drží víceméně kontantní hodnotu B = až do kmitočtu cca 6MHz.

2 U a I I b. U I c U a,, b,,, c, Obr. : Obecný proudový konvejor, definice a chematická značka. Obr. : Schematická značka univerzálního proudového konvejoru. I = I II+ I U U U U o T T U = U I I =.I T I = B.I B = Obr. : Schematická značka univerzálního proudového konvejoru. Negativní proudový konvejor II- (current conveyor, econd generation, negative) je dotupný pod označením current-mode multiplier EL8 od výrobce Interil. Princip a model je hodný obr., ale jedná e o negativní typ, a proto má proudový přeno B záporné znaménko (při dvojbranovém popiu obvodových veličin tečou proudy dovnitř). Výhodou je kutečnot, že proudový přeno lze v jitém rozahu měnit externím řídícím napětím U g (V, V) zhruba ve tejném rozahu. To je výhodně aplikovatelné v elektronicky řiditelných integrátorech, filtrech, ocilátorech atd. V porovnání obvodem AD8 není na výtupu interní ledovač (obr. ) k dipozici, což v některých případech komplikuje výlednou obvodovou realizaci aplikace. Pro předtavu vtupní impedance vorky je MΩ/pF, impedance vorky je 9Ω a vorky činí.mω/pf. Modul přenou klene o db na kmitočtu ai MHz při B =. Vybrané příklady aplikace II+/- jou uvedeny na obr.. Je uvažován obecný II (bez rozlišení), výjimkou negativního impedančního konvertoru (NIK).

3 Obr. : Schematická značka univerzálního proudového konvejoru. II K U K I K U II K I K I INP Obr. : (a) Napěťový integrátor, (b) proudový integrátor, (c) napěťový zeilovač, (d) proudový zeilovač, (e) proudový ledovač, (f) negativní impedanční konvertor. Obr. 6: Příklad obvodu úplnou admitanční ítí jedním G. Jedna z metod yntézy obvodů je metoda návrhu za pomocí admitanční ítě, kde e vývody aktivních prvků pojí polu a e zemí navzájem ve všech možných kombinacích obecnými admitancemi. Příklad je např. na obr. 6 pro jeden G. Metoda počívá v nalezení charakteritické rovnice obvodu pomocí jeho admitanční matice, položením det() =, náledné eliminaci nadbytečných prvků (rozpojením či zkratem) a doazením paivních elementů konkrétního charakteru (, L, ) za obecnou admitanci. Tímto způobem lze efektivně navrhovat autonomní obvody vhodné pro aplikace v ocilátorech a aktivních filtrech.

4 Problémem je, že při narůtajícím počtu aktivních bloků jou vztahy ložité, takže ruční eliminace a určení charakteru prvků je značně náročná práce. Výhodné je, že popiovaná metoda yntézy není jednoznačnou úlohou, teoreticky tejného výledku lze doáhnout více možnotmi (obvodovými trukturami). Projevy reálných prvků a parazit mohou mít v různých trukturách různý vliv. Na obr. 7 je naznačena čátečná admitanční íť kolem dvou aktivních prvků II. Obr. 7: Náš případ obvodu e dvěma II+. Už je provedena jakái redukce počtu a umítní obecných admitancí, jak je ihned patrné. harakteritická rovnice nabývá tvaru E. () Ihned e intuitivně nabízí, že =, =, = G, = G, = G (ponechme pro přehlednot čílování oučátek tejné původní admitancí). Pokud by na obr. 7 nebyla admitance (je patrné, že lze paralelně pojené vodivoti nahradit jedinou) v () by a pak by () měla jen dva členy, což je pro biquad. řádu nedotačující (charakteritická rovnice muí obahovat všechny mocniny až do nejvyšší určující řád obvodu). V operátorovém tvaru muí mít charakteritická rovnice tři členy nevyšší mocninou. naménka členů (koeficientů u charakteritická rovnice muí být kladná, což je jedna z podmínek PF (pozitivně reálné funkce) a tím pádem i tability. Proto muí být jeden konvejor II+ a druhý II-. V charakteritická rovnice nejou obaženy parametry a, b, c (viz. obr. ), ale již odpovídající kontanty (±, ), tak aby e docílilo tvaru (). Obvodové řešení je na obr. 8 včetně přenoových funkcí. I INP II+ II- G G G I PP I PP I DP I HP I PP Obr. 8: Filtr pracující v proudovém režimu. Obr. 9: Filtr pracující v napěťovém režimu.

5 Jednotlivé přenoové funkce zapojení na obr. 8 budou mít ymbolický tvar K PP G K PP, K PP G, K DP, K HP. () Analogicky pro zapojení na obr. 9 dotáváme po úpravě G K PP, K DP. () Konkrétní charakteritická rovnice má tvar G GG E G GG. () Pro návrh podle zvolené aproximace (Beel, Butterworth, atd.) je nejlepší pravý tvar (), navíc je z něj patrné, jak je definován charakteritický kmitočet filtru a činitel jakoti filtru druhého řádu. harakteritický kmitočet je roven kmitočtu pokleu modulové charakteritiky o db (např. u dolní proputi) jen pro Q =.77 (aproximaci frekvenční charakteritiky dle tzv. Butterworthova polynomu). Vztahy pro jmenovatel přenoové funkce, charakteritický kmitočet a činitel jakoti jou Q G GG,, G Q. (),(6), (7) Obvod dokáže pracovat nejen proudy ale i napětími, jak je ukázáno na obr. 9. Je využito pouhé duality zdrojů napětí a proudu (G je v případě VM filtru plovoucí a připojuje e na něj vtup ignálu). Protože je nadnější VM variantu měřit i implementovat (nejou nutné žádné převodníky napětí proud a naopak) budeme e dále zabývat jen touto verzí i když neumožňuje zíkat přeno horní proputi. Nevýhoda filtru na obr. 8 byla řečena již v předchozí větě, navíc však pro nímání přílušných odezev muíme teoreticky odebírat proud pře zemněné paivní pracovní prvky, což je nevýhodné. Např. teoreticky lze využít AD8 jako proudový ledovač, kde e uzemní a připojí mezi vývod a zem. Bohužel jeho vtupního odporu prakticky způobí parazitní nulu přenou a zatavení nárůtu útlumu v neproputném pámu horní proputi na konečné hodnotě. Přitom by měl modul dále kleat e trmotí db/dekádu. Takový záah nemuí ovlivnit jen přeno horní proputi, ale i otatní doažitelné přenoové funkce. V tomto případě by e zde lépe uplatnily více-výtupové II, kde e dá každá odezva vyvét eparátně. apojení celé realizace filtru včetně hodnot oučátek je na obr.. načky aktivních bloků jou poměrně rozdílné od běžně používaných (obr. 8 a obr. 9), ale takto je nalezneme například v knihovnách programu OrAD Ppice.

6 U 78 IN OUT +Ucc -Ucc 9 n n 6 7.k U LM78 OUT IN OUT IN LM79 U + 7u + 6 7u 7 n 8 n D DN8 D DN k INP 9 OUT_PP U + +Ucc n 7 8 V+ NN OUT - AD8/AD V- 9 n -Ucc 6 U -Ucc+Ucc n n VGAIN OUT_DP IIN 6 IOUT VIN n EL8/EL n.n n p 9 p V- V+ E 7 8 Obr. : apojení filtru v přípravku včetně hodnot oučátek.