VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ Ústav telekomunikací

Transkript

1

2 VYSOKÉ UČENÍ TEHNKÉ V BNĚ FAKULTA ELEKTOTEHNKY A KOMUNKAČNÍH TEHNOLOGÍ Ústav telekomunikací ng. vo Lattenberg, Ph.D. Nové techniky ředzracování signálů v roudovém módu ro oblast smíšených signálů Novel current-mode signal rerocessing techniques for mixed-signal domain Zkrácená verze habilitační ráce BNO 007

3 Klíčová slova: Analogové zracování signálu, roudový mód, analogové filtry, roudové aktivní rvky, vnitřní struktura obvodů, analýza obvodů, vzájemný řevod signálu Keywords: Analog signal rocessing, current mode, analog filters, current active elements, internal circuit design, circuit analysis, A/D and D/A signal conversion Originál je uložen: UTKO FEKT VUT v Brně Purkyňova Brno vo Lattenberg, 007 SBN SSN 3-48

4 OBSAH ÚVOD...5. Současný stav roblematiky...5. íl habilitační ráce...8 ZÁKLADNÍ POUDOVÉ AKTVNÍ PVKY...9. Zdroje roudu řízené roudem Alikace roudových oeračních zesilovačů...0. Proudová zrcadla..... Biolární roudová zrcadla....3 Proudová zrcadla s velmi nízkou imedancí vstuní roudové svorky Metoda snížení imedance vstuní roudové svorky roudových zrcadel Srovnání vlastností navrženého roudového zrcadla s ostatními tyy roudových zrcadel Praktické ověření měřením Proudová zrcadla s velkým roudovým řenosem Proudové zrcadlo s diodou v emitoru Proudové zesilovače a oerační roudové zesilovače Vnitřní struktura roudových zesilovačů a roudových oeračních zesilovačů FLTY Metoda návrhu kmitočtového filtru Jednoduché bikvady s jedním aktivním rvkem racující v čistém roudovém módu Filtry eliminující vstuní imedanci roudové vstuní svorky Vliv vstuního odoru roudové svorky na řenos filtru tyu dolní roust Eliminace odoru roudové svorky Filtry se dvěma aktivními rvky... 4 PŘEVODNÍKY PO VZÁJEMNÝ PŘEVOD ANALOGOVÝH A DGTÁLNÍH SGNÁLŮ V POUDOVÉM MÓDU A/D řevodníky v roudovém módu Algoritmický řevodník racující v roudovém módu Sériové zřetězení algoritmických řevodníků racujících v roudovém módu D/A řevodníky v roudovém módu ČAP s roudovými zdroji ZÁVĚ...6 3

5 ŽVOTOPS ng. vo Lattenberg, Ph.D. Narozen: ve Vyškově 998 Ukončeno vysokoškolské vzdělání v inženýrském studijním oboru Elektronika a sdělovací technika na Fakultě elektrotechniky a informatiky Vysokého učení technického v Brně. Dilomová ráce: Zobrazovací jednotky vhodné ro řiojení k MS5. 00 Úsěšné ukončení doktorského studia ve studijním oboru Elektronika, měřicí a sdělovací technika na Fakultě elektrotechniky a informatiky Vysokého učení technického v Brně. Disertační ráce: Multifunkční obvody užívající netradiční obvodové rvky ro realizaci filtrů. latt@feec.vutbr.cz Vědecká, odborná a edagogická činnost 999 dosud Účast v ěti rojektech a hlavní řešitel celkem šesti rojektů FVŠ zaměřených na rozvoj výuky Vědecko-výzkumný racovník. 00 dosud Odborný asistent. 4

6 ÚVOD Nové techniky ředzracování signálů v roudovém módu ro oblast smíšených signálů. SOUČASNÝ STAV POBLEMATKY V zájmu zvyšování rychlosti obvodů ro analogové zracování signálů a snižování naájecích naětí integrovaných obvodů je ozornost návrhářů zaměřena na tzv. roudový mód [], který zjednodušeně znamená, že jednotlivé obvody či stavební bloky by měly zracovávat roudy, nikoliv naětí. Protože však růchod roudu rvkem nutně vyvolává úbytek naětí na něm, lze se v raxi roudovému módu ouze řiblížit []. Volbou vhodných imedančních úrovní lze dosáhnout v obvodu dostatečně malých naětí s cílem eliminovat ůsobení Millerových kaacit a dalších arazitních vlivů. Obvody racující v roudovém módu M urrent Mode nalézají stále širší ulatnění, a to hlavně v aktivních filtrech ro oblast vyšších kmitočtů řádově desítky MHz. Klasické filtry se standardní strukturou oeračního zesilovače OZ se zde oužít nedají, jelikož to nedovolí vlastnosti dostuného reálného OZ a silně se zde rojevují arazitní kaacity zětnovazební struktury. Další ředností obvodu v roudovém módu je větší dynamika a možnost činnosti ři velmi malých stejnosměrných naájecích naětích ±,85V. Při zracování signálu v klasických obvodech standardně využíváme naěťové odezvy, kdy obvod racuje v naěťovém módu VM Voltage Mode. V obvodech v roudovém módu místo naěťové odezvy uvažujeme odezvu roudu. Nižší odorové úrovně všech uzlů v obvodu racujícího v roudovém módu zajistí menší vliv arazitních kaacit, třebaže stejných hodnot menší jsou zde odovídající časové konstanty. V obvodech v roudovém módu ak také můžeme oužít i jiný vhodnější roudový aktivní rvek nebo funkční blok s vyšším tranzitním kmitočtem. Prvoočátky techniky roudového módu sahají do roku 968, kdy se v odborném tisku objevil rvní roudový konvejor ve dvou tyech a [3] od dvojice autorů Sedra a Smith. Bylo zřejmé, že jsou to zvláštní říady trojbranového imitančního konvertoru, který v té době už byl zaveden do teorie obvodů jako hyotetický rvek. O dva roky ozději autoři rvní generace konvejorů zavedli modifikované konvejory a [4] tzv. druhé generace. Zde je zaotřebí konstatovat, že řestože existuje v ublikacích celá řada zaojení roudových konvejorů druhé generace, vyrábí se růmyslově v integrované odobě ouze jen ty OPA 66. Vyskytují se však také jako dílčí část složitějších integrovaných obvodů, nař. část transimedančních oeračních zesilovačů AD844 a AD846 je možné využít jako roudový konvejor [5]. V odborných časoisech se objevuje neustále mnoho dalších tyů roudových konvejorů, jako nař. roudové Fabreho konvejory třetí generace a [6], konvejory a autorů Awada a Solimana inverting ositive or negative second-generation current conveyor [7], čtyřbranové roudové konvejory / second-generation current conveyor with balanced outut [8], nebo / ositive second-generation current conveyor with current follower [9] a jiné. Historický vývoj rvků nazývaných roudové konvejory = urrent onveyor je řehledně osán v [0]. V literatuře najdeme i elektronicky regulované roudové konvejory. V článcích [] a [] jsou rezentovány konvejory, u nichž se elektronicky řídí vstuní odor na roudové bráně. Firma Élantec nař. nabízí v [3] konvejor EL 08, u něhož můžeme omocným roudem regulovat řenos roudu ze vstuní na výstuní bránu v rozmezí až jedná se o negativní trojbranový roudový konvejor. Velmi zajímavý je konvejor, který jeho autoři označili zkratkou DV Differential-Voltage urrent onveyor [4]. Můžeme jím nahradit celou řadu čtyřbranových a všechny tříbranové roudové konvejory. Můžeme jím též nasimulovat i rvek FTFN Four- Terminal Floating Nullor. Zajímavé jsou i říbuzné aktivní rvky s roudovými výstuy OTA Oerational Transconductance Amlifier a BOTA Balanced Oerational Transconductance Amlifier, rotože tyto rvky jsou komerčně dostuné, jako nař. A3080 ntersil, LM3600 National Semiconductor, LT8 Linear Technology, NE557 Philis Semiconductors, 5

7 MA435 nebo MA436 MAM. Přitom některé z uvedených tyů mají možnost elektronického nastavení transkonduktance roudem nebo naětím. Pracovali jsme na vývoji a na využití ersektivních moderních aktivních rvků ro návrh lineárních elektronických obvodů, jako jsou analogové frekvenční filtry, oscilátory, invertory, konvertory aod. Na našem racovišti jsme navrhli konceci nového aktivního rvku [5], který jsme nazvali univerzální roudový konvejor U = Universal urrent onveyor, omocí kterého lze jednoduchým roojením či uzemněním vývodů realizovat všechna známá i dosud neublikovaná zaojení roudových konvejorů,, /,,, /,,, /, invertujících roudových konvejorů,, /,,, /,,, / a dalších tyů jako DV, V, DV, DD, DD a DD/. Naším cílem bylo odobně, jako tomu bylo dříve u oeračních zesilovačů oskytnout uživatelům univerzální roudový konvejor, který by následně odnítil výrobu seciálních tyů konvejorů. Řešitelský kolektiv rozkoumal a ublikoval řadu možných řešení zabývajících se vnitřní strukturou univerzálního roudového konvejoru U a jeho ulatněním v nových obvodových alikacích. Při návrzích bylo zejména sledováno otlačení vstuního odoru svorky, který u známých řešení roudových konvejorů dosahuje 50 až 00 Ω a je omezujícím faktorem v některých filtračních alikacích. Na základě zhodnocení vlastností různých řešení byla navržena zcela ůvodní struktura tohoto rvku s vnitřními roudovými zětnými vazbami [6], který byl v roce 004 vyroben ve soluráci s AM Semiconductors technologií MOS 0,35 µm od tyovým označením U Obvod využívá extrémně dobrých vlastností submikronové technologie, kdy výsledné arametry obvodu jsou založeny nikoliv na absolutních hodnotách stavebních rvků, ale na jejich oměrné shodě. V roce 004 jsme ro testování nových obvodů vybudovali automatizované měřicí racoviště, kde jsme testovali vlastnosti vyrobených vzorků U Výsledky měření však ukázaly na oměrně velký vstuní odor svorky univerzálního roudového konvejoru hodnoty kolem 50 Ω. Zabývali jsme se hledáním říčiny této vlastnosti, která má odstatný vliv na vlastnosti filtračních obvodů s roudovými konvejory. Vznikly dvě hyotézy, jedna oisuje tuto vlastnost možnými tolerancemi ři výrobě, kdy na velikost tohoto odoru má vliv oměr transkonduktancí oužitých transkonduktančních stuňů ve vnitřní struktuře. Struktura U je, jak bylo již řečeno, založena na myšlence rovnosti oměru transkonduktancí v celém kmitočtovém rozsahu. Druhá říčina řiisuje tento odor skutečným fyzikálním vlastnostem řívodů na čiu v oužité technologii MOS 0,35 µm. Série rovedených testů ukázala téměř shodnou velikost tohoto odoru svorky u všech vzorků, což nasvědčuje tomu, že vysoký odor svorky není zůsoben tolerancemi ři výrobě. V těchto dnech je ve výrobě otimalizovaná verze čiu U, u které by se již odor řívodu svorky neměl tak ulatnit. Už dávno bylo známo, že kromě roudových konvejorů mohou existovat i naěťové konvejory V = Voltage onveyor. Jejich roblematice se však dlouho nevěnovala žádná ozornost. Terve nedávno se v odborných časoisech objevil nový obvodový rvek, který jeho autoři označili zkratkou DBA urrent Differencing Buffered Amlifier [7] až [9]. Prvek jsme identifikovali jako jeden z možných čtyřbranových naěťových konvejorů. Další ráce ak byly směrovány na konceční řešení univerzálního naěťového konvejoru UV = Universal Voltage onveyor, který by s využitím omocné svorky umožnil realizace dosud neznámých tyů a odtyů naěťových konvejorů V, V, V/, V, V, V/, V, V, V/, V, V, V/, V, V, V/, V, V, V/, DV, DV, DV/. Struktura rvku UV je již navržena, v technologii MOS 0,35 µm byly rovedeny veškeré simulace, jsou dokončovány masky ro výrobu. V současné době můžeme zaznamenat trend vedoucí ke snižování naájecího naětí 3,3 V;,4 V;,8 V. Je to zůsobeno oužitou submikronovou technologií, která v souvislosti se zmenšováním rozměrů nutí oužívat nižší naětí. Snižování naájecího naětí s sebou nese snižování 6

8 odstuu užitečného signálu od šumu. Tento trend a také leší kmitočtové vlastnosti vedou návrháře analogových obvodů stále více k oužití roudového módu, kde odstu užitečného signálu od šumu se snižujícím se naájecím naětím neklesá. Aktuálně je v literatuře řešena roblematika snižování naájecího naětí až na V a návrh nových stavebních bloků roudových zrcadel ro moderní aktivní rvky otimalizované ro nízká naájecí naětí [0]. Trend řechodu k roudovému módu signalizují nové rvky racující jako zdroje roudu řízené roudem s jednotkovým řenosem, které se začínají v literatuře objevovat. Buď jde o jednoduché roudové sledovače, nebo o rvky s diferenčním vstuem a jednoduchým výstuem a nebo rvky s jednoduchým vstuem a diferenčním výstuem [], []. V odborných ublikacích se začínají také objevovat rvní zmínky o vytvoření roudového oeračního zesilovače, tedy obdoby klasického diferenčního oeračního zesilovače racujícího v roudovém módu s ideálně nekonečně velkým roudovým zesílením. Jako říklad lze uvést strukturu roudového oeračního zesilovače od trojice autorů Palmisano, Palubo, Pennisi [3], [4]. Jejich roudový oerační zesilovač je však vybaven ouze jedním roudovým vstuem a dvěma symetrickými roudovými výstuy. Vnitřní struktura byla navržena jako jednotkový roudový zesilovač s jedním roudovým vstuem racujícím do transkonduktančního zesilovače se dvěma roudovými výstuy. Velkého zesílení je dosaženo tím, že roudový výstu roudového zesilovače racuje do velmi velké imedance naěťového vstuu transkonduktančního zesilovače. ozšířením této struktury o další roudový vstu získáme rvek DTA urrent-differencing Transconductance Amlifier [5]. Získáme tak diferenční roudový vstu, stejně jako je tomu u rvku DBA urrent-differencing Buffered Amlifier [7]. Prvek DTA má vyvedenou omocnou svorku, na které se realizuje velké zesílení. Použití této svorky má své klady i záory. Výhodou je rozšíření alikačních možností takového rvku, nevýhodou ak je, že tento bod má odstatný vliv na frekvenční vlastnosti celého rvku. Naříklad u výrobců zesilovačů s roudovou zětnou vazbou FA urrent Feedback Amlifier lze zaznamenat trend nevyvádět tzv. korekční svorku ven z ouzdra tedy bod, kterým je realizováno velké zesílení FA. U FA se totiž velkého zesílení dosahuje stejně tak, jako u zmiňovaných roudových oeračních zesilovačů: zaojením roudového výstuu vstuního stuně do vysokoimedančního naěťového vstuu výstuního stuně. Budeme-li se blíže zabývat vnitřní strukturou zmíněných rvků, zjistíme, že základním stavebním blokem všech aktivních rvků je roudové zrcadlo. Ačkoli rvní roudové zrcadlo bylo uvedeno Widlarem již v roce 965 [6], stále je ředmětem dalšího výzkumu. Lze zaznamenat celou řadu zlešení a modifikací [7] [3]. Prvním takovým okračovatelem byl Wilson. Vlastnostmi biolárních a uniolárních zrcadel se ak zabývají ublikace [33] a [35]. Modelování kmitočtových vlastností se zabývá nař. [36]. Není však stále řešena otřeba snižování vstuní imedance, která je důležitá zejména ři oužití roudového zrcadla jako roudového zesilovače ve filtračních alikacích. V nejnovějších ublikacích se můžeme setkat s okusy realizací roudových zrcadel omocí olysilicon thin-film technologie oly-si TFT. Mají však zatím stále horší vlastnosti než zrcadla realizovaná konvenční uniolární technologií. Problémem je zatím nutnost relativně velkého naájecího naětí > V a velikost vstuního odoru, který je řádově v kω [37]. Přechod na roudový mód lze ak docílit buď hledáním nových zaojení, nebo transformací ze známých zaojení v naěťovém módu na zaojení v roudovém módu omocí tzv. řidružené transformace [38], jejímž jedním z rvních růkoníků byl Director. Jako zajímavý se jeví roudový konvejor, který je sám sobě řidruženým rvkem jenom řehozením svorek [39]. Zavedl jsem termín čistý roudový mód [0], tj. režim, kde nejenže jeho vstuními a výstuními veličinami jsou roudy, ale zároveň i oužité aktivní rvky racují ouze s roudovými veličinami, tzn. mají ouze roudové svorky. Tento termín se stal oměrně oulární a rozšířil se mezi autory zabývající se odobnou roblematikou. 7

9 Jako ersektivní ro řevod do roudového módu se také jeví realizace syntetických imitancí [40] omocí základních transformačních dvojbranů zvyšujících řád syntetického rvku řiojeného na vstu tohoto transformačního obvodu [0], [0] a [04] [09]. Na výstuu se ak bude obvod jevit jako syntetický rvek s řádem imitance o jedničku vyšším. Sojováním těchto základních transformačních dvojbranů lze ak vytvářet syntetické rvky s imitancí řádu N. Myšlenku realizace filtrů ouze s rvky s jednotkovým zesílením lze najít nař. v [4]. Jsou zde realizovány filtry omocí kombinací roudových a naěťových jednotkových zesilovačů. Z oblasti realizací obvodů ouze s roudovými jednotkovými zesilovači byly ublikovány ouze konstrukce realizující oscilátory s jednotkovými roudovými zesilovači [4]. V oblasti vzájemného řevodu analogových a digitálních signálů je trendem rovést řevod analogové veličiny na číslicovou již na začátku řetězce signálové cesty a další zracování signálu rovádět číslicově. Výhody číslicového zracování signálu jsou zřejmé realizace většiny oerací se signály je jednodušší a levnější omocí číslicového zracování často se řeší digitálním signálovým rocesorem DSP než s analogovými obvody. Odadá zde nastavování analogových obvodů u číslicových obvodů se neulatní roztyl arametrů součástek. Obvody číslicového zracování signálu jsou teelně a časově stálé neulatňuje se závislost arametrů obvodových rvků na telotě a jejich stárnutí. Při oužití DSP je ak možná i značná změna arametrů zracování signálu bez zásahu do obvodového řešení, ouze změnou rogramu. V současnosti však můžeme zaznamenat řevodníky A/D racující řevážně s naětím jako analogovou veličinou. V literatuře lze zaznamenat tendence zavést řevodníky racující s roudem jako analogovou veličinou. Od těchto řevodníků roud-číslo lze ak očekávat leší oměr signál/šum ři nízkém naájecím naětí a leší kmitočtové vlastnosti. Z oblasti odůrných obvodů ro vzájemný řevod analogových a digitálních signálů se setkáme s vývojem rychlých roudových komarátorů s nízkou imedancí. V literatuře lze zaznamenat trend snižování této vstuní imedance 36,8 kω v [43], kω v [44], 5 kω v [45] a 37 Ω v [46]. Také na oli vzorkovačů signálu využívajících roudový mód se vývoj ubírá směrem zvyšování rychlosti a snižování naájecího naětí [47] a [48]. Na oli odůrných rogramů ro analýzu obvodů byl na našem racovišti vyvinut rogram ro symbolickou a semisymbolickou analýzu SNAP [49] a [50], který umožňuje sledovat vliv jednotlivých rvků na celkové vlastnosti obvodu na symbolické úrovni. Podílel jsem se na vývoji editoru [03] ro SNAP a na integraci nových obvodových rvků.. ÍL HABLTAČNÍ PÁE ílem habilitační ráce je řínos v oblasti roudového zracování signálu, a to jak v oblasti ryze analogových obvodů užívaných ro ředzracování signálů, tak i částečně v oblasti obvodů smíšených řevodníků A/D a D/A. Oblast vzájemného řevodu je velmi rozsáhlá a je nad rámec této ráce, roto bude věnována ozornost ouze dvěma novým metodám vzájemného řevodu analogových a digitálních signálů v čistě roudovém módu. V oblasti analogových obvodů bude ozornost věnována metodice návrhu obvodů racujících v tzv. čistém roudovém módu, tzn. obvodů, kde jsou užity aktivní rvky s ouze roudovými vstuy a výstuy. Příadné naěťové svorky jsou uzemněny. Půjde o to rozkoumat, je-li taková realizace možná a jaké řináší výhody či omezení. Jako aktivní rvek bude oužit obvod mající ouze roudové svorky tedy roudový zesilovač. V oblasti aktivních rvků vhodných ro obvody racující v čistém roudovém módu je třeba nejrve zavést jednotnou terminologii a řesně tyto rvky definovat. Budou rozkoumány možnosti realizací roudového zesilovače, a to jak omocí netradičních obvodových rvků, jako jsou nař. roudové konvejory, tak i omocí komerčně dostuných obvodů. Budou vytiovány takové komerčně vyráběné obvody, které by bylo možno využít jako roudový zesilovač. Činnost takovýchto obvodů v režimu roudového zesilovače ak bude ověřena simulacemi a měřením. Tak jako existuje naěťový oerační zesilo- 8

10 vač, tak dle rinciů řidružených obvodů může existovat roudový oerační zesilovač mající ideálně nekonečné zesílení. Pokusíme se takový obvod navrhnout a najít alikační využití jako invertující či neinvertující zesilovač, integrátor či derivátor v roudovém módu. Z oblasti obvodů s roudovými konvejory se ukazuje, že velký vliv na celkové vlastnosti obvodu má zejména odor vstuní roudové svorky aktivních rvků. Lze tedy očekávat, že obdobný roblém bude u obvodů v čistém roudovém módu. Bude tedy zkoumán vliv tohoto odoru a budou naznačeny ostuy vedoucí k jeho eliminaci. Na říkladu filtrů se okusíme analyzovat změny v kmitočtových vlastnostech celého obvodu zůsobené vstuním odorem roudových svorek. Jako základní stavební blok roudového zesilovače bude oužito roudové zrcadlo. Vstuní odor roudové svorky obvykle závisí rávě na vstuním odoru roudového zrcadla. Proto bude hledáno řešení snižující vstuní imedanci roudového zrcadla. Budeme hledat možnosti realizace roudového zrcadla s velkým roudovým řenosem, které by bylo možné rovozovat jako roudový oerační zesilovač. S těmito znalostmi se zaměříme na návrh vnitřních struktur roudových zesilovačů a roudových oeračních zesilovačů. Vnitřní struktury budou navrženy na tranzistorové úrovni. Pro srávnou analýzu ak bude třeba najít vhodný simulační model tranzistoru. Stěžejní oblastí ve zracování signálu v čistém roudovém módu jsou elektrické filtry. Vzhledem k rozsáhlosti této roblematiky se zaměříme ouze na filtry druhého řádu bikvady. Vyššího řádu by bylo možno ak dosáhnout dle obecné teorie filtrů kaskádním sojením těchto bikvadů. Existuje několik zůsobů návrhů filtrů metoda autonomních obvodů, metoda syntetických rvků atd. Pro návrh filtrů se v této ráci zaměříme na metodu autonomních obvodů. Přes očekávaná omezení rozkoumáme možnosti realizací filtrů racujících v čistém roudovém módu s ouze jedním aktivním rvkem, jejichž oužití může být v některých říadech díky jejich jednoduchosti výhodné. Prozkoumáme také možnosti realizací filtrů v roudovém módu se dvěma aktivními rvky a zde se omezíme na čtyři asivní rvky a roudové zesilovače s jednotkovým zesílením nebo z důvodu jejich možné realizace omocí na našem racovišti vyvinutého univerzálního rvku U. Získané oznatky a rinciy obvodů racujících v roudovém módu zaracujeme i do oblasti smíšených obvodů. Budou rozkoumány možnosti realizací základních stavebních obvodů ro řevodníky, jako je nař. roudový komarátor. Bude využito skutečnosti, že roudy se mnohem lée sčítají než naětí a rozkoumáme možnosti realizace A/D a D/A řevodníků v roudovém módu. Pokusíme se navrhnout jak rychlý řevodník A/D v roudovém módu bez sekvenčních obvodů, tak i řevodník A/D s ostunou aroximací. ZÁKLADNÍ POUDOVÉ AKTVNÍ PVKY. ZDOJE POUDU ŘÍZENÉ POUDEM Jako jediný aktivní rvek racující v čistě roudovém režimu tedy rvek bez naěťových vstuů lze ovažovat roudový zesilovač, neboli zdroj roudu řízený roudem S urrent ontrolled urrent Source, v teorii ideálních řízených zdrojů často označovaný také jako rvek F. Proudový řenos je ak dán koeficientem b. V dalším textu ale budeme označovat tyto zdroje roudu řízené roudem termíny roudový zesilovač A urrent Amlifier. Můžeme zavést několik variant, a to odle očtu vstuů a výstuů. Vzhledem k tomu, že roudy vstuující do jedné vstuní svorky se sčítají, má význam ouze rozšíření na dvě vstuní roudové svorky jednu ozitivní a druhou negativní, tak jako tomu je u rvků DBA [7] či DTA [5]. Využijeme stávající terminologie ro označení tohoto diferenčního roudového vstuu a označíme celý roudový zesilovač jako DA urrent Differencing urrent Amlifier. ozšíření očtu výstuů má naoak význam ři realizaci zětné vazby či ro rozšíření možností obvodových realizací. Prvním krokem k rozšíření je oužití symetrického roudového výstuu, 9

11 mluvíme ak o rvku BOA. Zavedeme-li nejvíce zobecněný rvek z hlediska výstuních svorek, ak to bude vícevýstuový roudový zesilovač MOA Multi Outut urrent Amlifier. Prvek MOA definujeme jako rvek s obecně n výstuy, z nichž každý může mít jiný roudový řenos. Stejně tak, jako jsme rozšířili vstuní část roudového zesilovače A a docílili tak rvku s diferenčním roudovým vstuem, můžeme toto rozšíření alikovat i na uvedené rvky BOA a MOA. Obdržíme ak nejobecnější a nejuniverzálnější rvky DBOA urrent Differencing Balanced Outut urrent Amlifier a DMOA urrent Differencing Multi Outut urrent Amlifier. Schematická značka nejvíce zobecněného roudového zesilovače DMOA ro n = 4 se čtyřmi výstuy je na obr... DMOA n a b c n d a b d c Obr.. Schematická značka nejvíce zobecněného roudového zesilovače DMOA Vztahy ro výstuní roudy rvku DMOA jsou osány těmito rovnicemi a a n =,. b b n =,. c c n =,.3 d d n =..4 V raxi volíme-li roudový řenos b, resektive roudové řenosy a, b, c, d u rvku MOA, většinou v relacích /, ak mluvíme o roudovém bufferu či roudovém invertoru. Budou-li roudové řenosy řádově jednotky, ak jde o skutečné roudové zesilovače. Zde je nutno oznamenat, že roudové výstuy lze sdružovat. Tedy okud sojíme nař. dva roudové výstuy s roudovým zesílením, získáme roudový výstu se zesílením. Konkrétním říadem zobecněného MOA ro n = dva výstuy a omezením roudových řenosů a a b na hodnoty nebo dostáváme rvek GM [] Generalized urrent Mirrors and nverters, který byl také na našem racovišti zaveden a bude na něm také ukázán návrh kmitočtového filtru racujícího v čistém roudovém módu. Poslední modifikací roudových zesilovačů, která bude ukázána, je řechod z roudových zesilovačů na roudové oerační zesilovače. Platí-li, že roudový řenos b, hovoříme o roudovém oeračním zesilovači OA urrent Oerational Amlifier. Toto rozšíření je možno alikovat na všechny uvedené roudové zesilovače, tedy A OA, DA DOA, BOA BOOA, DBOA DBOOA, MOA MOOA a DMOA DMOOA. Schematická značka jednotlivých roudových oeračních zesilovačů bude stejná, jenom bude vyznačeno nekonečné zesílení... Alikace roudových oeračních zesilovačů Stejně tak, jako lze oerační zesilovače racující v naěťovém módu oužít v nejrůznějších alikacích tyu invertující a neinvertující zesilovač, integrátor, derivátor, sumátor aod., budeme 0

12 ožadovat obdobné možnosti i v roudovém módu. Pro realizaci zmíněných obvodů racujících v roudovém módu ostačí jednoduchý roudový oerační zesilovač OA, a sice ve verzi s jedním neinvertujícím nebo s jedním invertujícím výstuem dle toho, ožadujeme-li na výstuu obrácenou olaritu signálu nebo ne. Dalším řešením je oužití univerzálnějšího rvku se symetrickým výstuem BOOA a vyžít ožadovanou výstuní svorku.. POUDOVÁ ZADLA.. Biolární roudová zrcadla Proudová zrcadla [3] jsou základním stavebním rvkem aktivních rvků racujících v roudovém módu. Existuje několik zaojení s biolárními i uniolárními tranzistory. Liší se ředevším roudovým řenosem a jeho závislostí na roudovém zesilovacím činiteli oužitých tranzistorů a na vstuní a výstuní imedanci. Proudový řenos zrcadla s biolárními tranzistory můžeme v rvním řiblížení určit omocí roudového zesilovacího činitele. Přesnější ois činnosti je možný omocí strmosti tranzistoru a ještě řesnější ak omocí strmosti a vstuního a výstuního odoru tranzistoru. Další zřesnění výočtů by ak bylo možné ři uvažování zětné strmosti tranzistoru [33]..3 POUDOVÁ ZADLA S VELM NÍZKOU MPEDANÍ VSTUPNÍ POUDOVÉ SVOKY.3. Metoda snížení imedance vstuní roudové svorky roudových zrcadel Klasická roudová zrcadla racující ouze v jedné olaritě nejsou vhodná ro realizaci roudových zesilovačů, neboť naětí na vstuní svorce je vždy blízké naájecímu naětí. Pro realizaci filtrů je naoak vhodné, aby naětí na vstuní svorce bylo blízké otenciálu země. Další nevýhodou je relativně velká vstuní imedance klasických roudových zrcadel. Naříklad klasické Widlarovo roudové zrcadlo má dle [33] ři stanovených odmínkách imedanci 4,5 Ω. Přitom je toto roudové zrcadlo ve srovnání s jinými zaojeními ty s nejmenším vstuním odorem. Pro realizace kvalitního roudového zesilovače je však tato imedance stále velká. Proto byla navržena ůvodní struktura obvodu [9] obr.., která významně snižuje vstuní imedanci roudového zrcadla. Za základ takto uraveného zrcadla s velmi nízkou vstuní imedancí můžeme oužít libovolný ty roudového zrcadla. Princi snížení imedance bude ukázán na jednoduchém Widlarově roudovém zrcadlu. Hlavní myšlenkou je vložení tranzistoru T 3 mezi vstuní svorku uraveného zrcadla a výchozího roudového zrcadla. Tranzistor T 3 bude řízen tak, aby na jeho emitoru uzel byl konstantní otenciál blízký zemi. Toho jednoduše docílíme oužitím omocných rvků T 4 a viz obr...

13 vst U vst T 4 4 Ur T 3 výst T T Obr.. Navržené roudové zrcadlo s velmi nízkou vstuní imedancí vycházející z jednoduchého Widlarova roudového zrcadla Pro naětí vstuní svorky uzel latí následující vztah: U = U u..5 vst r BE4 Uzemníme-li uzel 4 U r = 0, bude otenciál vstuní svorky U vst = u BE4 0,6 V. Pro srovnání stávající roudové zrcadlo má tento vstuní otenciál roven U vst = U ss u BE U ss 0,6 V uvažujeme U ss záorné. Díky navržené modifikaci můžeme docílit nulového vstuního otenciálu U vst = 0 V, otřebujeme však další zdroj naětí U r = u BE4 0,6 V. Tato úrava naětí vstuní svorky nebyla u stávajícího roudového zrcadla možná. ezistor nastavuje racovní bod tranzistorů. Simulace i měření ukazují, že s klesající hodnotou do hodnoty cca 500 Ω klesá i vstuní odor navrženého roudového zrcadla..3. Srovnání vlastností navrženého roudového zrcadla s ostatními tyy roudových zrcadel Uvedené rozšíření roudových zrcadel má odstatný vliv na vstuní odor celého roudového zrcadla, roto bude v dalším textu ozornost věnována hlavně vstuní imedanci roudových zrcadel. Tato imedance bude zkoumána u známých tyu roudových zrcadel s navrhovaným rozšířením. Byla rovedena také srovnávací analýza zmenšení vstuního odoru uvedenou metodou na různá známá zaojení roudových zrcadel. Pro srovnání byl využit rogram Microa. Modul vstuního odoru zjistíme jako odíl změny naětí ke změně roudu. Pro analýzu oužijeme jednotné výchozí arametry. Naájecí naětí bylo zvoleno U ss = 3 V, jako zátěž osloužil rezistor o odoru 300 Ω, zrcadlo bylo buzeno roudem s amlitudou ma šš o kmitočtu khz a střední hodnotou kolem,5 ma, jako model tranzistoru byly využity výchozí modely v rogramu Microa $GENE_N resektive $GENE_P. V tab.. jsou uvedeny hodnoty vstuní imedance získané jak semisymbolickou analýzou v rogramu SNAP, tak i simulací v rogramu Microa ro jednotlivé tyy roudových zrcadel. 3 U ss

14 Tab.. Zmenšení vstuní imedance ro různá zaojení roudových zrcadel SNAP Microa Z vst Z vst Ty zrcadla [Ω] [Ω] [Ω] Jednoduché bez modif. [33] 4,5 8,0 Widlarovo 00 0,4 0,6 roudové zrcadlo 000 0,5 0,6 obr ,7,8 Proudové zrcadlo bez modif. [33] 5,5 66,7 s redukcí roudů 00 0,4 0,6 do bází tranzistorů 000 0,5 0,6 obr ,7,8 Proudové zrcadlo bez modif. [33] 4,9 64,4 s Darlingtonovou 00 0,4 0,6 dvojicí tranzistorů 000 0,5 0,6 obr ,7,8 Wilsonovo bez modif. [33],6k 83,7 roudové zrcadlo 00 0,4 0,6 obr ,5 0,5 0000,7,8 Zlešené bez modif. [33],6k 83,7 Wilsonovo 00 0,4 0,6 roudové zrcadlo 000 0,5 0,6 obr ,7,8 Proudové zrcadlo v kaskodovém usořádání obr. 4.6 bez modif. [33] 5, 83,7 00 0,4 0, ,5 0,5 0000,7,8 Z hodnot v tab.. lze udělat závěr, že navrhovaná úrava roudového zrcadla výrazně sníží jeho vstuní imedanci. Sníží ji na hodnotu danou imedancí řídavného bloku tvořeného tranzistory T 3 a T 4 res. T 4 a T 5, res. T 5 a T 6 dle tyu roudového zrcadla. Ta je v růměru o dva řády menší než vstuní imedance roudového zrcadla bez této úravy. Analýza ukázala, že navržená metoda snížení vstuního odoru má řibližně stejný účinek na všechny tyy roudových zrcadel..3.3 Praktické ověření měřením Funkčnost navrženého zaojení byla ověřena měřením. řesto, že tranzistory T 3 a T 4 měly relativně nízký roudový zesilovací činitel cca 60, byly výsledky měření velmi usokojivé. Zatímco změřený vstuní odor klasického roudového zrcadla bez navržené úravy byl 9,7 Ω, vstuní odor s modifikací ři volbě = 500 Ω se ohyboval v rozsahu 0,5 až 3,7 Ω dle oužitého naájecího naětí, což lze ovažovat za velmi dobrý výsledek..4 POUDOVÁ ZADLA S VELKÝM POUDOVÝM PŘENOSEM eálné roudové oerační zesilovače jsou založeny na velkém roudovém řenosu ze vstuu na výstu, v ideálním říadě jdoucím k nekonečnu. Toto velké roudové zesílení bylo vnitřně řešeno 3

15 řivedením koie vstuního roudu do vysokoimedanční vstuní svorky, kde v odstatě vzniká naětí. Existuje ovšem i další zůsob, jak docílit velkého roudového zesílení: oužít roudová zrcadla uravená ro velké hodnoty roudového řenosu..4. Proudové zrcadlo s diodou v emitoru Stávající zaojení roudových zrcadel s velkým roudovým řenosem nejsou ideální, je zde ředevším roblém nekonstantního roudového řenosu. Toto se rojevuje zejména ři nižších hodnotách vstuního roudu. Proto jsem navrhl zaojení roudového zrcadla s diodou v emitoru. U tohoto zaojení sice nelze nastavovat velikost roudového řenosu, avšak takové zrcadlo racuje již od nižších hodnot vstuních roudů. Bylo rovedeno několik úrav, které vyústily k zaojení na obr..3. Obr..3 Navržené roudové zrcadlo s velmi velkým roudovým řenosem Tato konfigurace ři volbě oměru loch tranzistorů T 3 a T 4 oroti T a T N = 50 vykazuje velmi velké roudové zesílení, a to už od nízkých vstuních roudů, jak ukazuje růběh na obr > Ki [-] m 0.m 0.4m 0.6m 0.8m m -i0/i -> vst [A] Obr..4 Závislost roudového řenosu navrženého roudového zrcadla s velkým roudovým řenosem na vstuním roudu.5 POUDOVÉ ZESLOVAČE A OPEAČNÍ POUDOVÉ ZESLOVAČE.5. Vnitřní struktura roudových zesilovačů a roudových oeračních zesilovačů Byly navrženy ůvodní biolární struktury roudového zesilovače se symetrickým výstuem [3], [5] a roudového oeračního zesilovače [4], [6] vycházejícího ze zaojení ro realizaci velkého roudového zesílení. 4

16 Struktura roudového zesilovače se symetrickým výstuem na obr..5 vychází ze struktury roudového konvejoru [99]. Proudový oakovač lze tedy nahradit dvouvýstuovým roudovým konvejorem.,. [4], či. [6], [85], [86], [87], [88], [90], [9], [9] generace / s uzemněnou svorkou Y. Vstuem je ak svorka a výstuem svorky Z a Z. Nejvhodnější je však oužití roudového konvejoru. generace. Proudové konvejory. a. generace obsahují ro otřeby realizace roudového oakovače zbytečnou roudovou zětnou vazbu do svorky Y, která je stejně uzemněna. Změnou velikosti loch řechodů tranzistorů T 8, T 0, T a T lze ři výrobě nastavit ožadované zesílení. Nastavení nulového naětí vstuní svorky je zde řešeno oměrem odorů e6 a e5. Pro raktické oužívání tohoto rvku by bylo vhodné vyvést nař. rezistor e6 jako externí a trimrem ak vždy dostavit nulové naětí vstuní svorky. Zatímco u univerzálních tranzistorů modely $GENE_N a $GENE_P byl okles roudového řenosu o 3 db už ři kmitočtech do 0 MHz, u tranzistorů z vysokofrekvenčního ole modely NUHFAY a PUHFAY se tento kmitočet osunul až nad 400 MHz. Struktura roudového oeračního zesilovače na obr..5 vychází z biolární struktury rvku DBA [96] a struktury roudového konvejoru [99]. Prvek DBA urrent Differencing Buffered Amlifier je v odstatě seciální ty naěťového konvejoru blíže osaný nař. v [93] [95], [97] a [98]. Vstuem jsou svorky a n, které jsou součástí interního DBA bloku. Obohacením koncového stuně roudového oakovače o další čtyři tranzistory ak získáme další dva výstuy. Sojením souhlasných výstuů ak můžeme získat výstu, kterým oteče dvakrát zesílený vstuní roud. Ucc T T T6 e4 00 e6 33 T8 T3 e7 00 e8 00 T4 e 00 T9 e 00 e5 00 T0 T3 e6 00 T4 e7 00 T5 e 00 T9 e 00 T30 T T7 T33 Gnd T9 VstN VstP VystA- VystB- VystA VystB T0 T T8 T34 T3 T4 T5 T7 T5 T6 T T T6 T7 T8 T3 T3 e 00 e 00 e3 00 e5 0 e9 00 e0 00 e3 00 e4 00 e8 00 e9 00 e0 00 e3 00 e4 00 Uss Obr..5 Biolární struktura vícevýstuového roudového zesilovače s diferenčním vstuem DMOA Ze simulací s tranzistory z vysokofrekvenčního ole modely NUHFAY a PUHFAY je atrné, že řidáním vstuního diferenčního stuně a rozšířením očtu výstuních svorek se mírně zhoršily celkové kmitočtové vlastnosti obvodu. Kmitočet, kdy roudový řenos klesá o 3 db, se osunul z cca 400 MHz na cca 50 MHz. Alikací roudového zrcadla s velkým roudovým zesílením obr..3 do struktury roudového zesilovače vznikla ůvodní struktura roudového oeračního zesilovače na obr..6. 5

17 ofs Vyrovnání offsetu Ucc T 0 k T T6 e4 00 e6 00 T8 T4 T3 5 5 T5 T6 T Gnd T9 Vst Vyst T0 T T3 e 00 T4 e 00 T5 e3 00 T7 T7 T8 T9 5 5 T0 Uss 33 nula Nastavení nulového naětí vstuní svorky Obr..6 Biolární struktura navrženého roudového oeračního zesilovače Proudový oerační zesilovač byl navržen s ohledem na kmitočtové vlastnosti. Jeho roudové zesílení otevřené smyčky není říliš velké, avšak celý obvod je jednoduchý a vyznačuje se dobrými kmitočtovými vlastnostmi, což dokazuje simulace navrženého roudového oeračního zesilovače v zaojení neinvertujícího zesilovače se zětnou vazbou s roudovým zesílením 3 voleno = 60 Ω, = 0 Ω. Plochy řechodu tranzistorů T 5, T 6, T 9 a T 0 byly voleny jako ětinásobné ve srovnání s lochami ostatních tranzistorů. Obvod je vybaven nastavovacími rvky ro nastavení nulového vstuního naětí nula a stejnosměrného roudového ofsetu ofs. Kmitočet, kdy roudový řenos klesá o 3 db, je stejně jako u rvku BOA cca 400 MHz. 3 FLTY 3. METODA NÁVHU KMTOČTOVÉHO FLTU Často se ři návrhu nových zaojení aktivních filtrů ostuuje zkusmo nebo na základě analogií, či řidružených obvodů. Jako velmi výhodná se ze systémového hlediska jeví metoda autonomních obvodů [34], která se skládá z následujících kroků: navrhneme autonomní obvod obsahující ouze obecné aktivní rvky GM a obecné asivní rvky admitance, vyočítáme charakteristickou rovnici E tohoto obvodu, vhodnou volbou řenosových koeficientů se snažíme E zjednodušit a uravit tak, aby byly slněny odmínky stability obvodu, tzn., že všechny členy musí být kladné, konkretizujeme asivní rvky admitance nahradíme rezistory nebo kaacitory, určíme umístění vstuních a výstuních svorek v obvodu ři resektování toho, že roudové vstuy můžeme řiojovat ouze do uzlů obvodu a roudovou odezvu můžeme sledovat ouze ve smyčkách, stanovíme hledané řenosové funkce. 3. JEDNODUHÉ BKVADY S JEDNÍM AKTVNÍM PVKEM PAUJÍÍ V ČSTÉM POUDOVÉM MÓDU První tyy filtrů, které lze ovažovat za filtry racující v čistém roudovém módu, lze nalézt v ublikaci [70]. Nejsou takto sice římo nazvány, ale lze je za ně ovažovat, neboť obsahují ouze roudové konvejory s uzemněnou naěťovou svorkou. Tato koncece jednoduchého 6

18 bikvadu v roudovém módu [0], [7] a [8] je výhodná rávě ro svou jednoduchost: obsahuje ouze jeden roudový zesilovač situovaný na vstuu bikvadu, čímž zajišťuje v ideálním říadě nulový vstuní odor. Jednotlivé bikvady se dají jednoduše kaskádně zřetězit bez dalších řizůsobovacích článků. ílem této kaitoly bude návrh jednoduchého filtru druhého řádu bikvadu racujícího v roudovém módu. Jednoduchost se bude týkat zejména aktivních rvků. Naší snahou bude navrhnout bikvad s minimem aktivních rvků. Použijeme takové aktivní rvky, které můžeme zařadit do skuiny rvků racujících v tzv. čistě roudovém módu, tj. mající ouze roudové vstuní a výstuní svorky. Nejjednodušší rvek, který takovému kritériu vyhovuje, je roudový zesilovač. Tak jak bylo ostuováno ři návrhu univerzálních filtrů [8], [83] a [89] racujících ve smíšeném módu, tak i rvním krokem návrhu jednoduchého filtru v roudovém módu bude stanovení autonomního obvodu. Při návrhu vyjdeme z jednoduchého autonomního obvodu viz obr. 3. s jedním aktivním rvkem roudovým zesilovačem se zesílením b. Obr. 3. Autonomní obvod harakteristická rovnice takového obvodu je dána rovnicí: D = Y Y. 3. YY 3YY 4 YY3 YY4 byy3 V druhém kroku zvolíme vstu a výstu bikvadu. Při volbě vstuní svorky budeme vycházet z ožadavku na v ideálním říadě nulovou vstuní imedanci filtru racujícího v roudovém módu. Jediný vhodný uzel vyhovující tomuto ožadavku je uzel. Výstuní roud je otimální odebírat z uzemněné admitance, tedy v úvahu řiadají Y a Y 4. Vyhodnotíme-li vztahy ro roud admitancemi Y a Y 4, získáme vztahy: byy byy 3bYY 4 Y = vst a 3. D by Y Y = 4 4 vst D. 3.3 Za jediný vhodný výstu lze ovažovat ouze roud tekoucí admitancí Y 4. U vztahu 3. totiž díky součtu více součinů v čitateli nelze docílit toho, aby byl nenulový ouze jeden z koeficientů a 0, a a a řenosové funkce. Zvolíme-li tedy za výstu roud tekoucí admitancí Y 4, můžeme k admitanci Y 4 řiojit aralelně admitanci Y 5. Vznikne tak roudový dělič, kde oměrem těchto admitancí lze nastavovat řenos bikvadu v roustném ásmu K 0. Na základě vztahu 3.3 můžeme navrhnout vzorový filtr tyu dolní roust. Budeme volit vstuní ožadavek na mezní kmitočet MHz, Butteworthovu aroximaci tedy koeficienty B =,44 a B = [7]. Abychom docílili filtr tyu dolní roust, musíme zvolit admitance následujícím zůsobem Y =, Y = /, Y 3 = a Y 4 = /. Aby bylo možno docílit ožadované jakosti obvodu, zvolíme zesílení roudového zesilovače b =. 7

19 Ve volbě návrhu hodnot součástek jsou dva stuně volnosti, roto volíme = 00 F a = kω. Výsledkem výočtu v Male jsou tyto hodnoty součástek = 03 F a = 50 Ω. Abychom docílili filtr tyu horní roust, musíme zvolit admitance následujícím zůsobem Y = /, Y =, Y 3 = / a Y 4 =. Aby bylo možno docílit ožadované jakosti obvodu, zvolíme zesílení roudového zesilovače b =. Ve volbě návrhu hodnot součástek jsou dva stuně volnosti, roto volíme = nf a = 00 Ω. Výsledkem výočtu v Male jsou tyto hodnoty součástek =,5 nf a = 03 Ω. Při realizaci filtru tyu ásmová roust máme dvě možnosti volby admitancí. Buď Y =, Y = /, Y 3 = / a Y 4 = označme tuto variantu jako PPa nebo Y = /, Y =, Y 3 = a Y 4 = / označme tuto variantu jako PPb. Aby bylo možno docílit ožadované jakosti obvodu u varianty PPa, zvolíme zesílení roudového zesilovače b =. Pomocí algoritmu hledání minima Minimize z balíku Otimization v rogramu Male zjistíme, že hodnotu B =,44 nelze dosáhnout, lze se jí ouze řiblížit. Volíme tedy hodnotu B =,45, ro kterou má ještě skrit v Male řešení. Ve volbě návrhu hodnot součástek jsou dva stuně volnosti, roto volíme = 00 F a = 00 Ω. Výsledkem výočtu v Male jsou tyto hodnoty součástek =,43 nf a = 08 Ω. V této konfiguraci s jedním roudovým zesilovačem je roudový řenos v roustném ásmu dán hodnotami součástek a v tomto říadě je roven hodnotě 0,53. Provedeme-li analýzu varianty PPb, ak ři volbě zesílení roudového zesilovače b = můžeme volbou součástek nastavovat jak vyšší hodnoty jakosti Q, tak i ožadovaný roudový řenos v roustném ásmu. Ve volbě návrhu hodnot součástek je jeden stueň volnosti, roto volíme = 00 F. Výsledkem výočtu v Male jsou tyto hodnoty součástek = 00 F, = 5 Ω a = 375 Ω. 3.3 FLTY ELMNUJÍÍ VSTUPNÍ MPEDAN POUDOVÉ VSTUPNÍ SVOKY Velkým roblémem je vstuní imedance roudové vstuní svorky aktivních rvků. Budeme-li tuto imedanci uvažovat, zjistíme, že se často významně romítá do řenosové funkce. Pokusíme se formulovat rinciy, dle kterých lze osoudit vliv této imedance na řenosové vlastnosti filtru, a oíšeme rinciy návrhu filtrů eliminujících vstuní imedanci roudových svorek. Emiricky bylo zjištěno, že se ředevším ulatňuje reálná složka vstuní imedance roudového zesilovače. Vliv této imedance budeme simulovat vložením rezistoru do vstuu roudového zesilovače ve filtru vycházejícího z autonomního obvodu na obr. 3.. Vložením rezistoru x do vstuu roudového zesilovače A se vztahy 3., 3. a 3.3 změní. Pro snadnější vyjádření vlivu této vstuní imedance zavedeme i následující substituce, M, 4, M 4 a N: Y Y Y Y Y Y = D N, 3.4 D = D Y3 4 4 byy byy 3bYY 4 YY Y3 M Y = vst = vst a 3.5 D D N Y Y byy4 Y3Y 4 4 M 4 Y4 = vst = vst. 3.6 D D N Platí tedy následující vztahy: Y = a 3.7 D vst 8

20 9 D Y vst 4 4 =. 3.8 Abychom mohli kvalifikovaně vyšetřovat vliv vstuní imedance roudového zesilovače, vyjádříme roudové řenosy o zavedení vstuní imedance jako funkce řenosu filtru bez uvažované vstuní imedance s využitím výše uvedených substitucí. Po úravách lze nasat: D M D D Y Y vst vst = a 3.9 D M D D Y Y vst vst = Z výše uvedených vztahů vylývá, že uvažováním vstuní imedance roudového zesilovače se zavádí jak multilikativní chyba označme ji jako M M = D/D, tak aditivní chyba označme ji jako A A = M /D res. A = M 4 /D. Naší snahou je, aby multilikativní koeficient byl ideálně roven jedné a byl v oblasti racovních kmitočtů konstantní ak se vlastně chyba nerojeví. Stejně tak se nerojeví aditivní koeficient, když bude ideálně roven nule a bude v oblasti racovních kmitočtů konstantní Vliv vstuního odoru roudové svorky na řenos filtru tyu dolní roust Příklad takové aditivní a multilikativní chyby lze uvést na následujícím říadu. Budeme vycházet z říkladu bikvadu tyu dolní roust v roudovém módu. Ze simulací je atrné, že vstuní odor roudového zesilovače neříznivě ovlivňuje řenos filtru na vyšších kmitočtech. Od určitého kmitočtu, který se mění s velikostí vstuního odoru, řestává totiž roudový řenos klesat se strmostí 40 db/dek. Nyní se odíváme blíže na zmiňovanou multilikativní a aditivní chybu. Proudový řenos filtru s uvažováním vstuního odoru roudového zesilovače je dán vztahem: b b K =. 3. Hodnotu D určíme ze vztahu 3.: b D =. 3. Hodnotu D ak vyjádříme z D dosazením = 0: b D =, 3.3 Jako oslední bude třeba vyjádřit hodnotu M ze vztahu 3.: M =, 3.4 ekaitulací výše uvedených vztahů získáme výsledné vztahy ro multilikativní a aditivní chybu: b b M =, 3.5 b A =. 3.6

21 Dosazením konkrétních hodnot součástek filtru a volbou vstuního odoru roudového zesilovače = 0 Ω získáme modul a fázi multilikativní chyby obr. 3. a aditivní chyby obr. 3.3 řenosu. Pro simulaci těchto chyb oužijeme v rogramu Microa komonentu LFof umožňující simulovat řenosovou funkci zadanou v oerátorovém tvaru. 00.m -> Ki [db] 0.m x = 0 x = 5-00.m x = m -600.m x = m K 0K 00K M 0M 00M dbi/ig -> f [Hz] F. 0. -> Fi [stu.] x = 0 x = x = 0-3. x = K 0K 00K M 0M 00M i/ig -> f [Hz] F Obr. 3. Modul a fáze multilikativní chyby řenosu 0. -> Ki [db] Vliv vstuního odoru roudového zesilovače multilikativní chybu -5. x = 5 x = x = K 0K 00K M 0M 00M dbi/ig -> f [Hz] F > Fi [stu.] K 0K 00K M 0M 00M i/ig -> f [Hz] F Obr. 3.3 Modul a fáze aditivní chyby řenosu Z výše uvedených kmitočtových závislostí lze učinit závěr, že fáze multilikativní chyby se nerojeví je velmi malá, stejně tak fáze aditivní chyby, ta se sice blíží 90, avšak v oblasti kmi- 0

22 točtů, kde je modul této chyby malý. V oblasti kmitočtů, kde se začíná aditivní chyba rojevovat, se už blíží 0. Modul multilikativní chyby ůsobí na snížení roudového řenosu filtru, ale až od mezního kmitočtu, což nám nevadí. Hlavní a zásadní oložkou, která ovlivňuje celkové chování filtru, je tedy modul aditivní chyby. Ten zůsobuje to, že filtr na vyšších kmitočtech, kdy by měl jeho řenos klesat strmostí 40 db/dek., má konstantní řenos daný rávě aditivní chybou. Její vliv začíná být markantní od kmitočtů, kdy je modul řenosu filtru, kde neuvažujeme vstuní odor roudového zesilovače, srovnatelný s aditivní chybou Eliminace odoru roudové svorky Tento neříznivý vliv vstuního odoru roudového zesilovače na celkové vlastnosti filtru nás vede k tomu, abychom se okusili tento odor nějak eliminovat. Nabízí se řešení okusit se navrhnout takovou toologii, kde do uzlu na vstuní svorce vstuuje ouze jedna větev a v této větvi je zařazen rezistor. Požadovanou vyočítanou hodnotu odoru ak můžeme snadno rozdělit mezi rezistor a vnitřní odor roudového zesilovače, neboť tyto jsou zaojeny v sérii. Jako vhodný kandidát ro realizaci filtrů tyu dolní roust eliminující vstuní odor roudového zesilovače byl nalezen autonomní obvod na obr Kritériem byla tedy skutečnost, že do vstuní svorky roudového zesilovače musí vstuovat ouze rezistor, aby bylo možné jej snížit o vstuní odor roudového zesilovače. Dalším kritériem ak bude to, že výstuní roud můžeme odebírat ouze ve větvi s rezistorem, aby tento ak mohl být oět snížen o vstuní odor navazujícího roudového zesilovače. Y 3 A b Y Y Obr. 3.4 Výchozí autonomní obvod ro návrh filtru tyu dolní roust eliminující vstuní odor roudového zesilovače Jako vhodný kandidát ro realizaci filtrů tyu horní roust byl nalezen autonomní obvod na obr Kritéria týkající se vstuní svorky roudového zesilovače a větve, kde bude odebírán výstuní roud, jsou stejná jako u ředchozího autonomního obvodu uvedeného na obr Y A b Y 3 3 Y Obr. 3.5 Výchozí autonomní obvod ro návrh filtru tyu horní roust eliminující vstuní odor roudového zesilovače

23 V obou říadech budeme budit filtr roudem do uzlu a výstu budeme odebírat z větve, ve které je zaojen rezistor. Vztahy ro řenos ak budou následující: ro DP: ro HP: b Y 3 = a 3.7 Y Y b Y Y Y Y Y Y Y vst 3 3 Y Y Y Y by =. 3.8 Y Y Y 3 3 vst Y Y3 b YY YY 3 YY3 Jednotlivé admitance ak zvolíme následujícím zůsobem. Pro filtr tyu dolní roust volíme Y =, Y =, Y 3 = / 3. Stejně tak ro filtr tyu horní roust volíme Y =, Y = / 3 a Y 3 =. Zde však musí navíc latit rovnost = b 3, aby vyadl v čitateli člen s. Dolní roust na obr. 3.6 ak bude mít roudový řenos: b K 3 = b , 3.9 Obr. 3.6 Dolní roust eliminující vstuní odor roudového zesilovače Vyjádříme-li hodnotu ze vztahu = b 3, horní roust na obr. 3.7 ak bude mít roudový řenos: K b = b b 3 3 b b 3 3 3, 3.0 Obr. 3.7 Horní roust eliminující vstuní odor roudového zesilovače 3.4 FLTY SE DVĚMA AKTVNÍM PVKY Ukazuje se, že možnosti realizací filtrů v čistém roudovém módu ouze s jedním rvkem jsou omezené. Byly roto zkoumány možnosti realizací filtrů se dvěma aktivními rvky a čtyřmi asivními rvky. Při této analýze jsme se zaměřili na rvky GM, což je seciální říad dvouvýstuového roudového zesilovače MOA, jehož roudové řenosy mohou nabývat ouze hodnot nebo, tak jak to bylo osáno v kaitole.. Nejnáročnější úlohu ředstavuje návrh autonomního obvodu, roto bylo naší snahou nějakým zůsobem tento úkol efektivně algoritmizovat. Obvykle se i v tomto říadě ostuuje intuitivně, mnohem výhodnější však je vyjít z obecné admitanční sítě řiojené ke dvěma rvkům GM.

24 Obvody se dvěma aktivními rvky jsou ro návrh zajímavé, rotože omocí nich lze snadno řešit filtr. řádu, často ro vlastní realizaci dostačují ouze 4 asivní rvky a dále je zravidla možné realizovat v rámci jednoho obvodu více tyů filtru obvod je ak multifunkční. 4 PŘEVODNÍKY PO VZÁJEMNÝ PŘEVOD ANALOGOVÝH A DGTÁLNÍH SGNÁLŮ V POUDOVÉM MÓDU 4. A/D PŘEVODNÍKY V POUDOVÉM MÓDU 4.. Algoritmický řevodník racující v roudovém módu Myšlenka tohoto řevodníku vychází z algoritmického řevodníku uvedeného v [76]. Oroti komaračnímu řevodníku není otřeba N komarátorů, ale ouze N komarátorů, kde N je očet bitů. Stejně tak odadá nutnost oužití řevodníku kódu z z m na binární kód. Nevýhodou však je otřeba distribuce vstuního roudu a jednotlivých referenčních roudů do říslušných komarátorů je tedy třeba větší množství roudových zrcadel. Princi tohoto komarátoru je založen na orovnávání vstuního roudu s omocnými roudy, který si označíme jako,,, N. Výstuem komarátorů ak bude výstuní slovo D složené z N bitů označených B 0, B,, B N-. Označme B 0 jako nejvíce významný bit MSB a B N jako nejméně významný bit LSB. Pro výstuní slovo ak bude latit následující vztah: D D vst = = B0 B L B N. N 4. max ref Jednotlivé roudy ak budou ostuně vyhodnoceny dle následujícího algoritmu: ref 0 =, B 0 =, když vst > 0, jinak B 0 = 0 4. ref = B ref 0, B =, když vst >, jinak B = ref ref ref = B0 B, 3 B =, když vst >, jinak B = ref, B N N =, když vst > N, jinak B N = N ref N = B i i i. = 0 Příklad takovéhoto čtyřbitového řevodníku je ukázán na obr. 4., kde jsou blokově zakresleny jednotlivé bloky určující říslušné bity, sojením ak vznikne obvod na obr