elektrické filtry Jiří Petržela filtry se spínanými kapacitory

Transkript

1 Jiří Petržela

2 motivace miniaturizace vytvoření plně integrovaného filtru jednotnou technologií redukce plochy na čipu snížení ceny výhody koncepce spínaných kapacitorů (SC) koeficienty přenosové funkce jsou určeny poměry kapacit, které lze udržet s přesností lepší než 0.% možnost přeladitelnosti

3 nevýhody obvodů SC spínací jevy vzorkovací efekt antialiasingový filtr musí platit f spinaci >>f mezni ztráty v obvodech SC přívodní vodiče vyzařování přechodné děje, nabíjení a vybíjení kapacitorů

4 elektronické spínače jsou realizovány MOSFETy, R on 00Ω a R off TΩ Fig. : Schematické značky a označení spínačů.

5 model elektronického spínače je potřeba uvážit kapacity mezi všemi eelektrodami průnik spínacích jevů do užitečného signálu Fig. 2: Schematické značky a označení spínačů.

6 přenosová funkce filtru se spínanými kapacitory SC filtry pracují diskétně v čase a spojitě v hodnotě přenosovou funkci lze vyjádřit v z-transformaci K ( p) U ( z) a z a m 2 vystup m 2 U vstup ( ) n 2 z bn z b2 z + b z + b0 z + lze ji odvodit z analogového přenosu pomocí transformace p-z, definiční vztah pt z e p ln z T z důvodu snazšího zpracování nahradíme logaritmus řadou a z + a 0

7 aproximující transformace BD, backward difference p T ( z ) z pt BL, bilinear p 2 T z z + z pt pt aproximující transformace vede na deformaci kmitočtových charakteristik metoda předzkreslení kmitočtových charakteristik

8 simulace uzemněného rezistoru spínaným kapacitorem sudá fáze střední hodnota proudu Q t 0 + T 0 / T i dt ekvivalentní odpor t t t 0 i dt ( t0 + T / 2) CU Q R ekv Q T T C Q t ( + T / 2) 0 T f C vz CU T I Fig. 3: Simulace uzemněného a plovoucího rezistoru.

9 simulace plovoucího rezistoru spínaným kapacitorem první sudá fáze kapacitor se nabije na Q ( t0 + T / 2) CU první lichá fáze kapacitor se nabije na Q( t + T ) CU CU C( U ) 0 2 U 2 druhá sudá fáze kapacitor se nabije na Q( t + 3T / ) CU CU C( U U ) střední hodnota proudu Q ekvivalentní odpor C( U U ) ( + 3T / 2) t0 + 3T / 2 t0 + 3T / 2 t0 + 3T Q Q t0 i dt i dt i T T T t + T t + T / 2 t + T 0 0 I T C U U I 2 2 Rekv Rekv T 2 0 / 2 / 2 dt f C vz I

10 simulace plovoucího rezistoru spínaným kapacitorem ekvivalentní odpor prvního zapojení ( 4C) / ( f C) Rekv T / 4 ekvivalentní odpor druhého zapojení Rekv T / C / vz ( f C) vz Fig. 4: Další možnosti simulace plovoucího rezistoru.

11 simulace induktoru a bicistoru Fig. 5: Plovoucí induktor, zemněný bezeztrátový bicistor a ztrátový bicistor.

12 integrátory se spínanými kapacitory Fig. 6: Různé realizace integrátorů obvody SC.

13 bikvady se spínanými kapacitory Fig. 7: Kaskáda SC integrátorů, bikvad.

14 aplikace SC filtrů z hlediska uživatele integrovaný filtr s vyhovující kmitočtovou char. a parametry filtr sestavíme z integrovaných bloků druhého řádu filtr sestrojíme z diskrétních součástek výrobci integrovaných filtrů se spínanými kapacitory Linear Technology Maxim

15 kategorie filtrů se spínanými kapacitory filtry s pevně nastaveným průběhem kmitočtové char. přeladění změnou f s bez externích součástek Fig. 8: Integrované filtry s pevně nastaveným průběhem kmitočtové char.

16 filtry druhého řádu, Microprocessor Programmable přeladění změnou f s bez externích součástek obvody MAX260, MAX26, MAX262 obsahují dvojici filtrů druhého řádu nutnost naprogramovat f 0 (0.0Hz,40kHz) 6 bity nutnost naprogramovat Q (0.5, 90) 7 bity programuje se pomocí speciálního programu uvedeného v katalogu, například přes paralelní port PC

17 Fig. 9: Blokové schéma vnitřní struktury obvodu MAX260 a typické časování.

18 filtry druhého řádu, Resistor/Pin Programmable přeladění změnou f s s externími rezistory MAX265, MAX 266 obsahují dvě sekce filtrů druhého řádu poměr f s /f 0 každé sekce lze nastavit 6 bity celková přenosová funkce se nastavuje vnějšími rezistory

19 filtry druhého řádu, Resistor Programmable přeladění změnou f s a s externími rezistory MF0, LTC059, LTC060, LTC06, LTC064 obsahují dvojice integrátorů s identickými časovými konstantami typ přenosové funkce i Q je nutno nastavit vnějšími rezistory a vhodnou volbou vstupu a výstupu bloky lze přeladit v intervalu od 0.Hz do 40kHz (první typ pouze do 30kHz)

20 filtry druhého řádu, Resistor Programmable maximální vzorkovací frekvence je 7MHz poměr f s /f 0 lze přepínat mezi 00: a 50: volbou logické úrovně na příslušném vývodu jednotlivé typy se liší počtem dvojic integrátorů a přítomností přídavného operačního zesilovače

21 stejnosměrně přesné dolní propusti částečné přeladění změnou f s a externí rezistor a kapacitor LTC062 (Butterworth), MAX280 (Butterworth), MAX28 (Bessel) tvoří dolní propust pátého řádu poměr spínací a mezní frekvence je 00: mezní kmitočet lze nastavit do 20kHz obvody lze řadit do kaskády

22 Fig. 0: Návrh konkrétního SC filtru programem FilterCAD od Linear Technology, výsledný filtr typu pásmová zádrž.

23 přesný stavební blok LTC043 obsahuje čtveřici přesných spínačů a generátor spínacího signálu generátor spínacího signálu lze zablokovat a spínat externím signálem do 5MHz lze jím jednoduše realizovat různé obvody na principu spínaných kapacitorů

24 Fig. : Konfigurace pinů obvodu LTC043 a jedna z možností jeho aplikace, fitr typu pásmová propust.

25 děkuji za pozornost otázky?