VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS ANALÝZA ZPŮSOBŮ MĚŘENÍ DIFERENČNÍCH KMITOČTOVÝCH FILTRŮ ANALYSIS OF METHODS OF MEASUREMENT OF FULLY-DIFFERENTIAL FREQUENCY FILTERS BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR Tomáš Kučera VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR doc. Ing. Jan Jeřábek, Ph.D. BRNO 217

2 Bakalářská práce bakalářský studijní obor Teleinformatika Ústav telekomunikací Student: Tomáš Kučera ID: Ročník: 3 Akademický rok: 216/17 NÁZEV TÉMATU: Analýza způsobů měření diferenčních kmitočtových filtrů POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Seznamte se s teorií analogových kmitočtových filtrů a to včetně filtrů zpracovávajících plně diferenční signály v proudovém módu. Nastudujte problematiku měření diferenčních signálů a jejich konverze na nediferenční podobu. V literatuře vytipujte tři zapojení diferenčních filtrů s moderními aktivními prvky pro proudový mód. Proveďte simulace chování všech filtrů s minimálně třemi různými variantami měřicích systémů vhodných pro diferenční signály. Zejména se zaměřte na převodníky s aktivními prvky a k tomu účelu vhodnými obvodovými konfiguracemi s transformátory. V rámci bakalářské práce zkonstruujte variantní řešení převodníků diferenčních na nediferenční signály a zpět a na jednom vybraném filtru ověřte jejich vlastnosti a vliv na měřený filtr ve střídavé, stejnosměrné i časové oblasti. Výsledky měření porovnejte s výsledky simulací. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] BIOLEK, D.; SENANI, R.; BIOLKOVÁ, V.; KOLKA, Z. Active Elements for Analog Signal Processing: Classification, Review, and New Proposals. Radioengineering, 28, roc. 17, c. 4, s ISSN: [2] JEŘÁBEK, J. Teze k disertační práci Kmitočtové filtry s proudovými aktivními prvky. Vědecké spisy Vysokého učení technického v Brně, edice PhD Thesis, sv. 632, ISBN: : Vutium, 211. s Termín zadání: Termín odevzdání: Vedoucí práce: Konzultant: doc. Ing. Jan Jeřábek, Ph.D. prof. Ing. Jiří Mišurec, CSc. předseda oborové rady UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.4/29 Sb. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Vysoké učení technické v Brně / Technická 358/1 / 616 / Brno

3 ABSTRAKT Tato bakalářská práce analyzuje způsoby měření diferenčních kmitočtových filtrů s využitím aktivních prvků zejména v proudovém módu. Nejprve popisuje metody návrhu diferenčních kmitočtových filtrů v proudovém módu a převody zapojení z napěťového do proudového módu. Dále se zaměřuje na metody měření jednotlivých převodníků napětí na diferenční proud a zpětně z diferenčního proudu na napětí, které jsou nedílnou součástí pro měření diferenčních kmitočtových filtrů v proudovém módu. Pro ověření vlastností navržených řešení samostatně i v kaskádě s konkrétním řešením kmitočtového filtru byly využity simulační nástroje SNAP a OrCAD, vybraná řešení pak byla zkonstruována a jejich vlastnosti ověřeny i při laboratorním měření. KLÍČOVÁ SLOVA Proudový mód, napěťový mód, převodník, napětí, proud, simulace, diferenční struktury, DACA, šířka pásma, transformátor, diferenční, nediferenční ABSTRACT This bachelor thesis is analysing methods of measuring of differential frequency-selection filters with usage of active elements especially in current mode. Firstly it describes techniques of scheme of differential frequency-selection filters in current mode and conversions of linkage from voltage to current mode. Next the thesis aims at methods of measuring of particular voltage converters to differential current and back from differential current to voltage, which are an integral part for measurements of differential frequency-selection filters in current mode. For verification of characteristics of solutions designed separately as well as in cascade with particular solvent of frequency-selection filter there were used simulation instruments SNAP and OrCAD there, chosen resolutions were constructed and its characteristics were checked during laboratory test. KEYWORDS Current mode, voltage mode, converter, voltage, current, simulate, differential structure, DACA, bandwidth, transformer, differential, undifferential

4 KUČERA, T. Analýza způsobů měření diferenčních kmitočtových filtrů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Jan Jeřábek, Ph.D.

5 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma Analýza způsobů měření diferenčních kmitočtových filtrů jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních nebo majetkových a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů, včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 4/29 Sb. V Brně dne (podpis autora) PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Janu Jeřábkovi, Ph.D. za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc, průběžné konzultace a další cenné rady při zpracování mé bakalářské práce. V Brně dne (podpis autora)

6 OBSAH Úvod 1 1 Kmitočtové filtry Význam a použití kmitočtových filtrů Dělení kmitočtových filtrů Selektivní filtry Fázovací obvody Klasifikace filtrů podle způsobu realizace Druhy pracovních módů Napěťový mód Proudový mód Smíšený mód Diferenční filtry Diferenční proudový přenos Měření obvodů Měření nediferenčních obvodů v proudovém módu Měření diferenčních obvodů v proudovém módu Měření diferenčních signálů s použitím transformátoru Návrh diferenčních struktur Transformace podélných struktur na diferenční struktury Transformace příčných struktur na diferenční struktury Návrh kmitočtových diferenčních filtrů Návrh diferenční dolní propusti v napěťovém módu Návrh diferenční horní propusti v napěťovém módu Struktury jednotlivých převodníků a filtrů Řešení převodníku napětí na diferenční proud Převodník s použitím plně diferenčního proudového zesilovače Převodník s použitím dvou prvků CFA Převodník napětí na proud Přímý převodník napětí na diferenční proud Převodník diferenčního proudu na napětí s použitím tří prvků CFA... 22

7 3.3 Diferenční filtr v napěťovém módu Diferenční filtr v proudovém módu Použité aktivní prvky CFA (Current feedback amplifier) Analog devices AD Texas Instruments THS Texas Instruments OPA CFA s diferenčním výstupem Analog Devices AD Texas Instruments THS Texas Instruments THS OTA (Operational Transconductance Amplifier) Texas Instruments OPA86 a OPA Texas Instruments OPA Rozdílový zesilovač Širokopásmové transformátory Simulace převodníků Převodník napětí na proud s prvkem OTA Převodník napětí na diferenční proud se dvěma prvky OTA Převodník napětí na diferenční proud se dvěma CFA doplněné o obvody OPA Převodník napětí na diferenční proud s použitím plně diferenčního proudového zesilovače doplněný o obvody OPA Převodník diferenčního proudu na napětí s použitím tří prvků CFA Kompletní převodník v proudovém módu Kompletní převodník U/Idif Idif/U Další možné sestrojení kompletního převodníku U/Idif Idif/U Převodník U/Idif Idif /U s využitím transformátorů Kompletní převodníky v napěťovém módu Kompletní převodník U/Udif Udif/U s využitím operačních zesilovačů Kompletní převodník s využitím operačních zesilovačů se zapojeným filtrem Kompletní převodník U/Udif Udif/U s využitím transformátorů... 55

8 5.7.4 Kompletní převodník s využitím transformátorů se zapojeným filtrem Praktická realizace Realizace převodníku U/Udif Udif /U Realizace převodníku U/Udif Udif /U se zapojeným filtrem Realizace převodníku U/Idif Idif /U s využitím transformátorů Převodníku U/Idif Idif /U s využitím transformátorů se zapojeným filtrem Realizace převodník U/Idif Idif /U Převodník U/Idif Idif /U se zapojeným filtrem Závěr 73 Literatura 75 Seznam použitých veličin, symbolů a zkratek 77 A Návrh dps v programu eagle 79 B Fotografie zkonstruovaných převodníků 81

9 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr Princip obvod pracující v napěťovém módu... 4 Obr Princip obvod pracující v proudovém módu... 5 Obr. 1.5 Znázornění proudů pro vyjádření diferenčního proudového přenosu... 6 Obr. 2.1 Blokové schéma měření nediferenčních obvodů v proudovém módu... 7 Obr. 2.2 Blokové schéma měření diferenčních obvodů v proudovém módu... 7 Obr Blokové schéma měřící diferenční obvod s použitím transformátorů... 8 Obr Blokové schéma měřící diferenční obvod doplněné o další transformátory pro měření diferenčního a soufázového módu samostatně... 8 Obr Transformace podélných struktur na diferenční struktury [9]... 9 Obr Transformace příčných struktur na diferenční struktury [9]... 1 Obr Nediferenční dolní propust 2. řádu s operačním zesilovačem v napěťovém módu Obr Diferenční dolní propust 2. řádu s operačním zesilovačem v napěťovém módu Obr Diferenční dolní propust 2. řádu s prvkem DACA v proudovém módu Obr Modulová charakteristika diferenční dolní propusti 2. řádu s prvkem DACA Obr Diferenční dolní propust 2. řádu s prvkem DACA při změně umístění výstupní části Obr Modulová charakteristika diferenční pásmové propusti 2. řádu s prvkem DACA Obr Nediferenční horní propust 2. řádu s operačním zesilovačem v napěťovém módu Obr Diferenční horní propust 2. řádu s operačním zesilovačem v napěťovém módu Obr Diferenční horní propust 2. řádu s prvkem DACA v proudovém módu Obr Modulová charakteristika diferenční horní propusti 2. řádu s prvkem DACA Obr Možné řešení převodníku nediferenčního napětí na diferenční napětí s plně diferenčním zesilovačem Obr Převodník napětí na diferenční se dvěma prvky CFA... 2 Obr Jednoduchý převodník napětí na proud Obr Převodník napětí na diferenční proud se dvěma prvky CCII... 22

10 Obr. 3.2 Převodní diferenčního proudu na napětí se třemi prvky CFA Obr. 3.3 Schéma zapojení diferenčního filtru v napěťovém módu Obr. 3.4 Schéma zapojení multifunkčního diferenčního filtru Obr Modulová charakteristika převodníku U/I s prvky OTA Obr Fázová charakteristika převodníku U/I s prvky OTA... 3 Obr Převod stejnosměrného vstupního napětí na výstupní proud (DC charakteristika)... 3 Obr Porovnání výstupních proudů převodníku U/I v časové oblasti Obr Modulová charakteristika převodníku U/Idif se dvěma prvky OTA Obr Fázová charakteristika převodníku U/Idif se dvěma prvky OTA Obr Převod stejnosměrného vstupního napětí na výstupní proud (DC charakteristika) Obr Porovnání výstupních proudů převodníku U/Idif v časové oblasti Obr Modulová charakteristika převodníku U/Idif se dvěma prvky CFA a obvody OPA Obr Fázová charakteristika převodníku U/Idif se dvěma prvky CFA a obvody OPA Obr Převod stejnosměrného vstupního napětí na výstupní proud (DC charakteristika) Obr Porovnání výstupních proudů převodníku U/Idif v časové oblasti Obr Modulová charakteristika převodníku U/Idif s plně diferenčním zesilovačem Obr Fázová charakteristika převodníku U/Idif s plně diferenčním zesilovačem a obvody OPA Obr Převod stejnosměrného vstupního napětí na výstupní proud (DC charakteristika) Obr Porovnání výstupních proudů převodníku U/Idif v časové oblasti Obr Modulová charakteristika převodníku Idif /U se třemi prvky CFA ve střídavé oblasti Obr Fázová charakteristika převodníku Idif /U se třemi prvky CFA ve střídavé oblasti... 4 Obr Převod stejnosměrného vstupního proudu na výstupní napětí (DC charakteristika) se třemi prvky CFA... 4 Obr Porovnání výstupních napětí převodníku Idif /U se třemi prvky CFA v časové oblasti Obr Modulová charakteristika převodníku U/Idif Idif /U Obr Fázová charakteristika převodníku U/Idif Idif /U... 42

11 Obr Převod stejnosměrného vstupního proudu na výstupní napětí (DC charakteristika) Obr Porovnání výstupního napětí se vstupní napětím v časové oblasti Obr Převodní diferenčního proudu na napětí Obr Modulová charakteristika převodníku U/Idif Idif /U Obr Fázová charakteristika převodníku U/Idif Idif /U Obr Převod stejnosměrného vstupního proudu na výstupní napětí (DC charakteristika) Obr Porovnání výstupního napětí se vstupní napětím v časové oblasti Obr Zapojení převodníku napětí na diferenční proud Obr Zapojení převodníku diferenčního proudu na napětí Obr Modulová charakteristika převodníku U/Idif Idif /U s využitím transformátorů Obr Fázová charakteristika převodníku U/Idif Idif /U s využitím transformátorů Obr Porovnání výstupního napětí se vstupní napětím v časové oblasti Obr Kompletní převodník s využitím operačních zesilovačů [29]... 5 Obr Modulová charakteristika převodníku U/Udif Udif /U Obr Fázová charakteristika převodníku U/Udif Udif /U Obr Převod stejnosměrného vstupního napětí na výstupní napětí (DC charakteristika) Obr Porovnání výstupního napětí se vstupní napětím v časové oblasti Obr Převodníku U/Udif Udif /U se zapojeným filtrem Obr Modulová charakteristika převodníku U/Udif Udif /U se zapojeným filtrem Obr Fázová charakteristika převodníku U/Udif Udif /U se zapojeným filtrem Obr Porovnání výstupního napětí se vstupní napětím v časové oblasti Obr Kompletní převodník s využitím transformátorů Obr Modulová charakteristika převodníku U/Udif - Udif /U Obr Fázová charakteristika převodníku U/Udif - Udif /U Obr Časový průběh převodníku U/Udif - Udif /U Obr Převodníku U/Udif - Udif /U se zapojeným filtrem Obr Modulová charakteristika převodníku U/Udif - Udif /U se zapojeným filtrem Obr Fázová charakteristika převodníku U/Udif - Udif /U se zapojeným filtrem..59

12 Obr Porovnání výstupního napětí se vstupní napětím v časové oblasti (frekvence 266,5 khz, výstupní amplituda,42 V) Obr Změřená i simulovaná modulová charakteristika převodníku U/Udif Udif /U Obr Změřená i simulovaná fázová charakteristika převodníku U/Udif Udif /U Obr Porovnání výstupního měřeného a simulovaného napětí při frekvenci 1 khz (výstupní simulovaná amplituda 472 mv, výstupní měřená amplituda 485 mv) Obr Změřená i simulovaná modulová charakteristika Obr Změřená i simulovaná fázová charakteristika Obr Porovnání výstupního měřeného a simulovaného napětí při frekvenci 266,5 khz (výstupní simulovaná amplituda 425 mv, výstupní měřená amplituda 36 mv) Obr Změřená i simulovaná modulová charakteristika převodníku U/Idif Idif /U Obr Změřená i simulovaná fázová charakteristika převodníku U/Idif Idif /U Obr Porovnání výstupního měřeného a simulovaného napětí při frekvenci 1 khz (výstupní simulovaná amplituda 451 mv, výstupní měřená amplituda 47 mv) Obr Změřená i simulovaná modulová charakteristika Obr Změřená i simulovaná fázová charakteristika Obr Změřená i simulovaná modulová charakteristika (s použitím transformátoru PWB31LB) Obr Změřená i simulovaná fázová charakteristika (s použitím transformátoru PWB31LB) Obr Změřená i simulovaná modulová charakteristika převodníku U/Idif Idif /U... 7 Obr Změřená i simulovaná fázová charakteristika převodníku U/Idif Idif /U.. 7 Obr Převod stejnosměrného vstupního napětí na výstupní napětí (DC charakteristika) Obr Porovnání výstupního měřeného a simulovaného napětí při frekvenci 1 khz (výstupní simulovaná amplituda 467 mv, výstupní měřená amplituda 458 mv) Obr Změřená i simulovaná modulová charakteristika Obr Změřená i simulovaná fázová charakteristika Obr. A.1 Rozvržení desky převodníku U/Udif - Udif /U v programu Eagle vrstva TOP Obr. A.2 Rozvržení desky převodníku U/Idif - Idif /U s využitím transformátorů v programu Eagle vrstva TOP... 79

13 Obr. A.3 Rozvržení desky převodníku U/Idif - Idif /U v programu Eagle vrstva TOP.. 8 Obr. B.1 Zapojení převodníku U/Udif - Udif /U včetně filtru vrstva TOP Obr. B.2 Zapojení převodníku U/Idif - Idif /U s využitím transformátorů vrstva TOP Obr. B.3 Zapojení převodníku U/Idif - Idif /U vrstva TOP... 82

14 SEZNAM TABULEK Tab Tabulka hodnot součástek s parametry dolní propusti... 1 Tab Hodnoty jednotlivých prvků Tab Výsledná přenosová funkce DP v symbolickém tvaru Tab Tabulka hodnot součástek s parametry horní propusti Tab Hodnoty jednotlivých prvků Tab Výsledná přenosová funkce HP v symbolickém tvaru Tab. 3.3 Hodnoty pasivních součástek Tab. 5.1 Tabulka hodnot pro převodník napětí na proud s prvkem OTA Tab. 5.2 Tabulka hodnot pro převodník napětí na diferenční proud se dvěma OTA Tab. 5.3 Tabulka hodnot pro převodník napětí na diferenční proud se dvěma CFA a obvody OPA Tab. 5.4 Tabulka hodnot pro převodník napětí na diferenční proud s plně diferenčním prvkem a obvody OPA Tab. 5.5 Tabulka hodnot pro převodník diferenčního proudu na napětí se třemi prvky CFA Tab Hodnoty pasivních součástek převodníku U/Idif Idif/U Tab Hodnoty pasivních součástek převodníku U/Idif Tab Hodnoty pasivních součástek převodníku Idif/U Tab Tabulka hodnot pro kompletní převodník v napěťovém módu... 5 Tab Hodnoty pasivních součástek Tab Hodnoty pasivních součástek převodníku U/Udif Udif/U Tab Hodnoty pasivních součástek... 58

15 ÚVOD V dnešní době se můžeme velice často setkat nejen s tradičním napěťovým módem, ale i s tzv. proudovým módem, u kterého je nositelem informace hodnota amplitudy proudu. Předností proudového módu oproti napěťovému může být v některých případech vyšší kmitočtové pásmo, což je za určitých okolností možné dosáhnout. Proudové obvody mohou lépe vyhovovat požadavku na nižší napájecí napětí, které nemusí mít takový vliv na dynamický rozsah. Nevýhodou obvodů pracujících v proudovém módu je skutečnost, že neexistují měřicí přístroje s proudovým buzením. Proto je nutné do obvodu umístit převodníky napětí na diferenční proud a zpětně z diferenčního proudu na napětí. Zajímavý způsob zpracování signálů představují diferenční struktury. K výhodám diferenčních kmitočtových filtrů patří teoreticky nekonečné potlačení soufázového signálu a zvyšující se dynamický rozsah. Tímto způsobem se zvyšuje šance na snížení harmonického zkreslení. Nevýhodou diferenčních kmitočtových filtrů je, že zabírají větší čipovou oblast, kdy lze očekávat vyšší spotřebu energie a také jejich návrh je komplikovanější než u nediferenčních struktur. Své uplatnění nacházejí diferenční kmitočtové filtry např. v telefonních a mobilních zařízeních. Bakalářská práce se bude zabývat návrhy těchto převodníků s cílem sestrojit kompletní převodníky, které budou otestovány na vybraném řešení kmitočtového filtru. Při sestrojení jednotlivých převodníků bude využito aktivních prvků, jako jsou plně diferenční proudové zesilovače, transkonduktanční zesilovače (OTA) a zesilovače s proudovou zpětnou vazbou (CFA). Současně budou otestovány vlastnosti převodníků s využitím širokopásmových transformátorů. 1

16 1 KMITOČTOVÉ FILTRY Tato kapitola podrobně seznamuje s použitím, dělením a významem kmitočtových filtrů, s druhy pracovních módů, diferenčních filtrů a v neposlední řadě s diferenčními proudovými přenosy. 1.1 Význam a použití kmitočtových filtrů Kmitočtové filtry jsou lineární elektronické obvody [1], nacházející využití v mnoha oblastech elektroniky a elektrotechniky. Jejich hlavním úkolem je výběr (selekce) kmitočtových složek procházejícího signálu. Některé filtry část kmitočtového spektra signálu propouštějí nebo další část potlačují. Podle toho, zda je určité pásmo kmitočtů propouštěno nebo potlačováno [2], lze definovat následující: propustným pásmem se nazývá pásmo kmitočtů, ve kterých jsou signály bez útlumu, popř. s požadovaným útlumem nebo zesílením propuštěny. V ideálním případě nazýváme nepropustným pásmem pásmo kmitočtů s nekonečným útlumem. Jejich vlastnosti jsou vyjádřeny modulovou kmitočtovou charakteristikou. Signál procházející kmitočtovým filtrem je doprovázen přirozeně se zpožděním zpravidla závislým na kmitočtu procházejícího signálu. Tyto vlivy jsou pak vyjádřeny fázovou kmitočtovou charakteristikou [1]. Jednou z charakteristických vlastností filtru je určitá strmost při přechodu mezi propustným a nepropustným pásmem. Ta je dána především řádem filtru. Přechod z propustného do nepropustného pásma je pak ovlivněn typem aproximace (např. dle Butterwortha, Bessela nebo Čebyševa). Kmitočtové filtry se nejčastěji používají jako základní bloky pro úpravu spektra přijímaných signálů. Jejich využití je časté v radiotechnice, v elektroakustice, v oblasti měřící techniky, v oblasti regulační techniky nebo v silnoproudé elektrotechnice [1]. 1.2 Dělení kmitočtových filtrů Filtry jsou z hlediska přenosové charakteristiky rozděleny do tří základních skupin [2]: selektivní filtry (freguency selective filters), korekční filtry (shelving, peak, equalizing filters), fázovací obvody, též zpožďovací (all-pass filters). 2

17 1.2.1 Selektivní filtry V nepropustném pásmu potlačují selektivní filtry přenos kmitočtových složek signálu [2]. Dělíme je podle rozložení propustného a nepropustného pásma: dolní propusti (DP) propouští jen složky signálu s nižšími kmitočty, než je mezní kmitočet horní propusti (HP) propouští jen složku signálu, kde jsou kmitočty vyšší, než je mezní kmitočet pásmové propusti (PP) propouští jen složky signálu o kmitočtech mezi dolním mezním kmitočtem a horním mezním kmitočtem pásmové zádrže (PZ) potlačují jen složky signálu o kmitočtech mezi dolním a horním mezním kmitočtem Fázovací obvody Největší význam pro fázovací (zpožďovací) obvody má kmitočtově závislá fázová charakteristika, ze které je možné spočítat skupinové zpoždění a vyjádřit ho taktéž graficky. Jejich úkolem je předepsaným způsobem vložit do jejich signálové cesty kmitočtově závislé zpoždění. Takto se upraví jak průběh fázové charakteristiky, tak i zpoždění signálu na různých kmitočtech, přičemž amplitudová charakteristika zůstává ideálně beze změny [2] Klasifikace filtrů podle způsobu realizace Způsoby realizace filtrů lze rozdělit do dvou hlavních skupin: analogové filtry, číslicové filtry. Analogové filtry dále dělíme: pasivní kmitočtové filtry strukturu tvoří různé kombinace pasivních prvků (R,L,C). Jejich výhodou je levné a jednoduché řešení filtrace, přičemž není nutné napájení aktivních prvků. Mezi nevýhody patří maximálně jednotkový přenos v propustném pásmu, horší nebo žádná řiditelnost jeho parametrů a obtížnější kaskádní syntéza filtrů vyšších řádů. aktivní kmitočtové filtry struktura je složena kombinací pasivních a aktivních prvků. V současnosti se nejčastěji používají operační zesilovače. Výhodou aktivních filtrů je konstrukce bez cívek a dosažení příznivých hodnot vstupní a výstupní impedance, což dovoluje kaskádní řazení filtrů. 3

18 1.3 Druhy pracovních módů Elektrické obvody existují ve třech pracovních módech, které rozdělujeme podle toho, zda nositelem informace je napětí nebo proud. Nejčastěji je používán napěťový mód, avšak v řadě případů se setkáváme i s dalšími režimy, jako jsou proudové a smíšené módy. V současnosti převažuje úsilí pracovat ve smíšeném nebo proudovém módu [3] pro jejich vyšší dynamiku přeběhu Napěťový mód Mezi nejčastěji používané uspořádání filtrů patří napěťový mód. Při jeho použití se vyhodnocuje signálů napěťové odezvy, kdy na vstupu je dáno napěťové buzení obvodu a na výstupu je sledováno napětí (Obr ). Často hlavním prvkem bývá klasický obvod s operačním zesilovačem. V současné době, kdy se stále snižuje napájecí napětí, není možné v některých případech splnit dostatečný odstup signálu od šumu, a proto se v některých případech využívá i proudový mód [4]. Obr Princip obvod pracující v napěťovém módu Proudový mód Proudový mód využívá odezvy proudových signálů při proudovém buzení obvodu (Obr ). Pro přenos informace nahrazuje proud napětí. Na vstupu je obvod buzen zdrojem proudu a na výstupu je sledována proudová odezva v dané části větve. [5]. 4

19 Obr Princip obvod pracující v proudovém módu Smíšený mód Smíšený mód se využívá při návrhu složitějších elektrických obvodů, přičemž je nezbytná kombinace proudového a napěťového módu. Tomu je tak např. u moderního operačního zesilovače. Zde jsou vstupy a výstupy napěťové a vnitřní architektura odpovídá proudovému módu [3]. Tento mód se pak rozděluje: smíšený napěťový mód V/CM režim, který při zpracování signálu využívá napěťové odezvy při proudovém buzení vstupu smíšený proudový mód C/VM režim, který při zpracování signálu využívá proudové odezvy při napěťovém buzení vstupu 1.4 Diferenční filtry Diferenční struktury představují zajímavý způsob zpracování signálů. Mezi výhody diferenčních filtrů patří zejména: zvyšující se procento potlačení soufázového signálu a zvyšující se dynamický rozsah čímž se zvyšuje šance na snížení harmonického zkreslení [6]. Nevýhodu diferenčních kmitočtových filtrů, oproti nediferenční struktuře, pozorujeme ve dvojnásobném množství pasivních a aktivních prvků pro realizaci. Protože v konečné fázi je výsledný obvod složitější, lze očekávat vyšší spotřebu energie a také vyšší finanční náklady na sestavení obvodu. Své uplatnění nacházejí diferenční filtry v telefonních a mobilních zařízeních. Důležitou funkci zastávají při filtrování signálu na symetrickém vedení, kde napomáhají oddělit datový signál od telefonního. 5

20 1.5 Diferenční proudový přenos Diferenční proudové přenosy lze charakterizovat jako poměr diferenčního výstupního a vstupního proudu (vynásobený -1). Předpokladem je, že proudy jsou kladně značeny dovnitř. V případě šíření signálu vyznačeného na Obr. 1.5, pro vstupní a výstupní diferenční proud [7] pak pro diferenční proudový přenos platí: I in = I in+ I in, I out = I out+ I out, K I = I out I in = I out+ I out I in+ I in. (1.1) Obr. 1.5 Znázornění proudů pro vyjádření diferenčního proudového přenosu 6

21 2 MĚŘENÍ OBVODŮ 2.1 Měření nediferenčních obvodů v proudovém módu Vzhledem k tomu, že přístroje s proudovým buzením a měřením výstupního proudu v širokém kmitočtovém rozsahu se běžně nevyskytují, je pro měření přenosu často využito zapojení dvou převodníků, a to napětí na proud a proudu na napětí. Mají jeden vstupní a jeden výstupní signálový vodič vztažený k zemi. Generátor harmonického signálu poslouží jako zdroj signálu, za kterým se nachází převodník napětí na proud a následně měřený obvod [7]. Převodník proudu na napětí je instalován mezi proudový výstup z měřeného obvodu a měřící přístroj. Velmi důležité jsou vlastnosti těchto převodníků, které mohou značně ovlivnit kmitočtovou charakteristiku filtru. Z tohoto důvodu jsou zvoleny co nejlepší vlastnosti převodníků. Na Obr. 2.1 je znázorněno jednoduché blokové schéma. Obr. 2.1 Blokové schéma měření nediferenčních obvodů v proudovém módu 2.2 Měření diferenčních obvodů v proudovém módu Symetrické diferenční obvody pracující v proudovém režimu obsahují dva vstupní a dva výstupní signály. Z tohoto důvodu se musí upravit jednotlivé převodníky. U převodníku napětí na proud se v první části obvodu převede vstupní signál z nesymetrického zdroje na rozdíl dvou napětí. Ty jsou následně převedeny na rozdíl dvou proudů. Se stejným krokem, ale s opačným postupem, převodník proudu na napětí převede dva symetrické výstupní proudy z měřeného obvodu na napětí, jak je znázorněno na Obr Obr. 2.2 Blokové schéma měření diferenčních obvodů v proudovém módu 7

22 2.3 Měření diferenčních signálů s použitím transformátoru Obvody pracující v diferenčním režimu lze budit a jejich odezvu snímat i jinými způsoby, např. pomocí transformátorů. Jejich hlavní výhodou je nepropustnost stejnosměrné složky. Zároveň poskytují elektrickou izolaci vstupních a výstupní signálů a snadný převod z nediferenčního napětí na napětí diferenční, jak je znázorněno na Obr 2.3.1, kde ZD znázorňuje charakteristickou impedanci diferenčního režimu a ZC znázorňuje impedanci připojenou mezi středem vinutí a zemí. Obr Blokové schéma měřící diferenční obvod s použitím transformátorů Hlavním úkolem transformátorů je převod napětí, proudů a impedancí, ale také galvanické oddělení dvou obvodů. Na Obr je znázorněno rozšířené zapojení doplněné o další transformátory pro souhlasnou složku. V tomto zapojení jsou přidané transformátory připojeny na střed vinutí transformátorů pro měření diferenčního módu tak, aby bylo možné změřit diferenční a soufázový mód samostatně [8]. Obr Blokové schéma měřící diferenční obvod doplněné o další transformátory pro měření diferenčního a soufázového módu samostatně 8

23 2.4 Návrh diferenčních struktur Diferenční strukturu lze získat např. transformací již existujícího nediferenčního obvodu na diferenční obvod. Transformace můžeme rozlišovat jako transformace podélných struktur na diferenční struktury nebo transformace příčných struktur na diferenční struktury. Výslednou diferenční strukturu docílíme změnou aktivních prvků tak, že prvky v nediferenčním obvodu s jedním vstupem a s jedním výstupem nahradíme prvky s dvěma vstupy a dvěma výstupy. Abychom docílili symetrického zapojení, pasivní prvky zrcadlíme vůči zemi a tím dosáhneme přibližně dvojnásobného počtu pasivních součástek. Podle typu transformace se určují hodnoty pasivních prvků [9] Transformace podélných struktur na diferenční struktury Princip transformace podélných struktur na diferenční struktury spočívá v zrcadlení jen těch pasivních prvků nacházejících se na podélné větvi, zatímco hodnoty prvků ležících v příčné větvi zůstanou beze změny. Hodnoty rezistorů v podélných větvích se sníží o polovinu vůči původní hodnotě rezistoru v nediferenčním obvodě. U kondenzátorů v podélných větvích se hodnoty kapacit zvětší dvojnásobně oproti původní hodnotě kondenzátoru v nediferenčním obvodě. Cívku nahradíme transformátorem, kde každé vinutí je zapojeno v protější větvi s opačně orientovaným vinutím s poměrem počtu závitů 1:1. Obr Transformace podélných struktur na diferenční struktury [9] Transformace příčných struktur na diferenční struktury U transformace příčných struktur na diferenční struktury zrcadlíme nediferenční struktury vůči zemi a měníme pouze hodnoty pasivních prvků ležících v příčných větvích. Hodnoty pasivních prvků zůstávají beze změny. Rezistor v příčné větvi má tentokrát dvojnásobnou hodnotu oproti původní hodnotě rezistoru v nediferenčním obvodě. Hodnota kondenzátoru se sníží o polovinu původní hodnoty kondenzátoru zapojeného v nediferenčním obvodě. Cívku v příčné větvi transformujeme na transformátor, jehož indukčnost by měla být čtyřnásobná vůči původní cívce v nediferenčním obvodu. 9

24 Obr Transformace příčných struktur na diferenční struktury [9] 2.5 Návrh kmitočtových diferenčních filtrů Pro návrh kmitočtových filtrů v napěťovém módu s aktivními prvky slouží celá řada metod a programů, která nám dokáže usnadnit práci s návrhem filtru. Tuto funkci skvěle zvládá volně dostupná starší verze programu FilterPro V2.. V seznamu použité literatury odkazujeme na tyto stránky [1]. Vytvořené filtry včetně parametrů byly převedeny na diferenční struktury v napěťovém módu, které byly vzápětí převedeny do proudového módu pomocí prvku DACA (DIGITALLY ADJUSTABLE CURRENT AMPLIFIER). K převodu napěťového módu na proudový mód nám slouží program SNAP. Tento program je vhodný pro získání přenosové funkce a také slouží pro symbolickou a semisymbolickou analýzu elektrických obvodů [11] Návrh diferenční dolní propusti v napěťovém módu Nediferenční dolní propust 2. řádu v napěťovém módu s operačním zesilovačem byla vytvořena v programu FilterPro V2.. Parametry včetně jednotlivých součástek obsahuje uvedená tabulka. Tab Tabulka hodnot součástek s parametry dolní propusti Typ obvodu: MFB Single-Ended (vícenásobná zpětná vazba) Mezní frekvence [MHz]: 1 Činitel jakosti:,77 Typ aproximace: Butterworth R1 [kω] R2 [kω] R3 [kω] C1 [pf] C2 [pf] 3,52 3,88 5,

25 Obr Nediferenční dolní propust 2. řádu s operačním zesilovačem v napěťovém módu Nediferenční strukturu převedeme na strukturu diferenční pomocí transformace příčných struktur na diferenční, což je popsáno v kapitole V našem případě pasivní prvky v podélných větvích zrcadlíme vůči zemi a jejich hodnoty zůstanou beze změny. Pouze u kondenzátoru C2 se jeho hodnota zmenší o polovinu hodnoty původního kondenzátoru. Nediferenční operační zesilovač vyměníme za diferenční s dvěma vstupy a dvěma výstupy. Obr Diferenční dolní propust 2. řádu s operačním zesilovačem v napěťovém módu 11

26 V závěrečné části návrhu převedeme diferenční strukturu z napěťového módu do proudového módu. Převod probíhá ve třech krocích, kdy napěťový zdroj nahradíme proudovým zdrojem a operační zesilovač vyměníme, v našem případě, za prvek DACA. Zrcadlením celého zapojení zprava doleva podle svislé osy procházející prvkem DACA docílíme úplného návrhu diferenční struktury v proudovém módu znázorněné na Obr Výsledné zapojení bylo zakresleno v programu SNAP, přičemž rezistory byly nahrazeny vodivostí pro jednodušší zobrazení přenosové funkce. Aktivní prvek DACA má nastavené proudové zesílení A = 2. Tab Hodnoty jednotlivých prvků G 11 = G 12 = G 1 = 1 R 1 = G 21 = G 22 = G 2 = 1 R 2 = G 31 = G 32 = G 3 = 1 R 3 = 1 3, =, S 1 3, =, S 1 5,3 1 3 =, S C 1 = C 11 = C 12 = F C 21 = F Obr Diferenční dolní propust 2. řádu s prvkem DACA v proudovém módu 12

27 Při vygenerovaní přenosové funkce v symbolickém tvaru nebylo docíleno přehledného tvaru. Ten byl v tomto případě příliš složitý. Pro jeho přehlednější tvar musel být ručně upravován pomocí vytýkání, ale i přesto zůstával poměrně složitý. Výsledná přenosová funkce byla rozdělena na koeficienty činitele a jmenovatele znázorněné v Tab Tab Výsledná přenosová funkce DP v symbolickém tvaru a = 4G 1 G 2 G 3 2 A a 1 = p(4g 1 G 3 C 1 A(G 2 + G 3 )) b = 2{G 2 G 3 2 (G 1 +G 2 +2G 2 A)} Čitatel Jmenovatel b 1 = p{2(2g 1 G 2 G 3 C 1 (1 + A) + 2C 1 G 2 G 3 2 (1 + 2A) + 2C 1 G 2 2 G 3 (2A + 1) + G 3 2 (2G 2 C 21 + C 1 G 1 ))} b 2 = p 2 {2(4G 2 G 3 C 1 C 21 (1 + A) + 2G 2 G 3 C 1 2 (1 + 2A) + G 2 C 1 2 G 1 (1 + 2A) + C 1 2 G 2 2 (1 + 2A) + G 1 G 3 C 1 2 (2A + 1) + C 1 2 G 3 2 (2A + 1) + 2G 3 2 C 21 C 1 )} b 3 = p 3 {4(2C 21 C 1 2 A(G 2 + G 3 ) + C 21 C 1 2 (G 2 + G 3 ))} Program SNAP také dokáže zjistit nulové body a póly navrženého filtru. Námi zvolený filtr má pouze jeden nulový bod z = , a tři póly p1,2 = , ± j ,6615 a p3 = , Ze zjištěných parametrů je zřejmé, že se skutečně jedná o filtr 2. řádu, čímž je tento filtr stabilní, protože má dva komplexně sdružené póly p1,2, u kterých jsou reálné části pólů záporné. Stejnou hodnotou nulového bodu z a pólu p3 dojde ke vzájemnému vyrušení. Mezní frekvence ideálního filtru je fmez. = 1 MHz a pokles výsledné kmitočtové charakteristiky je o 4 db. Následné zapojení bylo překresleno a simulováno v programu OrCAD se dvěma modely prvku DACA. Nejprve byla simulace provedena s ideálním prvkem DACA se stejnou přenosovou funkci jako v programu SNAP. Výsledná modulová charakteristika reálného prvku DACA se lišila jen nepatrně od ideálního prvku. Obr zobrazuje výsledné průběhy obou křivek. 13

28 Přenos K [db] ,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 Frekvence f [Hz] DP - ideální DP - reálná Obr Modulová charakteristika diferenční dolní propusti 2. řádu s prvkem DACA Obr Diferenční dolní propust 2. řádu s prvkem DACA při změně umístění výstupní části Na základě odborné literatury [12] bylo v navrženém filtru změněno umístění výstupní části znázorněné na Obr Simulací bylo ověřeno, že při změně umístění výstupní části se filtr chová jako pásmová propust. Mezní frekvence pásmové propusti je nastavena na hodnotu fmez. = 1 MHz s šířkou pásma 1,53 MHz. a činitelem jakosti Q =,654. Z grafu modulové charakteristiky lze vypozorovat posun o 1 db pod úrovní db hladiny. Pokles na dekádě je tedy 2 db. 14

29 Přenos K [db] ,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 Frekvence f [Hz] PP - ideální PP - reálná Obr Modulová charakteristika diferenční pásmové propusti 2. řádu s prvkem DACA Návrh diferenční horní propusti v napěťovém módu Při navržení nediferenční horní propusti 2. řádu v napěťovém módu se zapojeným operačním zesilovačem se pracovalo obdobně jako u dolní propusti s využití programu FilterPro V2.. Tab Tabulka hodnot součástek s parametry horní propusti Typ obvodu: MFB Single-Ended (vícenásobná zpětná vazba) Mezní frekvence [MHz]: 1 Činitel jakosti:,77 Typ aproximace: Butterworth R1 [kω] R2 [kω] C1 [pf] C2 [pf] C3 [pf] 1,9 2,

30 Obr Nediferenční horní propust 2. řádu s operačním zesilovačem v napěťovém módu Za pomocí transformace příčných struktur opět převedeme nediferenční strukturu na diferenční. Pasivní prvky zrcadlíme vůči zemi, a tak hodnoty prvků zůstávají beze změny. V příčné větvi se nachází pouze rezistor R2, u kterého se hodnota zdvojnásobí oproti původní hodnotě rezistoru v nediferenčním obvodě. Obr Diferenční horní propust 2. řádu s operačním zesilovačem v napěťovém módu 16

31 V posledním kroku převedeme diferenční strukturu z napěťového módu do proudového módu podle pravidel uvedených v kapitole Namísto zapojeného operačního zesilovače byl zvolen aktivní prvek DACA s proudovým zesílením A = 2. Zapojení znázorňuje Obr Výsledné zapojení bylo opět realizováno v programu SNAP, přičemž rezistory byly nahrazeny vodivostí pro jednoduší zobrazení přenosové funkce. Tab Hodnoty jednotlivých prvků G 11 = G 12 = G 1 = 1 R 1 = 1 1,9 1 3 =, S G 21 = 1 1 = R 21 4,2 1 3 =, S C 11 = C 12 = C 1 = F C 21 = C 22 = C 2 = F C 31 = C 32 = C 3 = F Obr Diferenční horní propust 2. řádu s prvkem DACA v proudovém módu Metodou vytýkání bylo dosaženo přehlednějšího tvaru přenosové funkce, která byla vygenerovanou z programu SNAP. Výslednou přenosovou funkci dělíme na koeficienty činitele a jmenovatele znázorněné v Tab

32 Přenos K [db] a = p 2 {4C 1 C 3 A(C 2 G 1 + C 3 )} a 1 = p 3 (4C 1 C 2 C 3 2 A) Tab Výsledná přenosová funkce HP v symbolickém tvaru b = 4G 1 2 G 2 (C 3 + 2C 3 A + C 2 + 2C 2 A) Čitatel Jmenovatel b 1 = p{2(4c 2 C 3 G 1 G 2 (A + 1) + C 2 2 G 1 2 (2A + 1) + 2C 2 C 3 G 1 2 (1 + 2A) + C 1 C 3 G 1 2 (2A + 1) + C 1 C 2 G 1 2 ) + C 3 2 G 1 (2G 2 +G 1 +2G 1 A)} b 2 = p 2 {2(C 3 2 G 1 (C 1 + 2C 2 +4AC 2 ) + 2C 2 2 C 3 G 1 (1 + 2A) + 2G 1 C 1 C 2 C 3 (A + 1) + 2G 2 C 2 C 3 2 )} b 3 = p 3 {2C 2 C 3 2 (2C 2 A + C 2 + C 1 )} Námi zvolený filtr má čtyři nulové body z1,2 = -2, ± j, ; z3 = ; z4 = , a čtyři póly p1,2 = , ± j ,1955; p3 = -3, ; p4 = , Ze zjištěných parametrů navrženého filtru v programu SNAP bylo ověřeno, že se skutečně jedná o filtr 2. řádu. Tím je navržený filtr stabilní, jelikož dva komplexně sdružené póly p1,2 jsou v reálné části záporné. Nulové body z3, z4 a póly p3, p4 se navzájem vyruší. Podmínku realizace horní propusti druhého řádu plní zbylé komplexní nulové body z1,2, které zde zůstaly. Vzestup kmitočtové charakteristiky je 36 db a mezní frekvence ideálního filtru je fmez. = 1 MHz. Následné zapojení bylo překresleno a simulováno v programu OrCAD se dvěma modely prvku DACA jako v předešlém případě. Z modulové charakteristiky je zřejmé, že simulované průběhy prvků DACA se liší nepatrně ,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 Frekvence f [Hz] HP - ideální HP - reálná Obr Modulová charakteristika diferenční horní propusti 2. řádu s prvkem DACA 18

33 3 STRUKTURY JEDNOTLIVÝCH PŘEVODNÍKŮ A FILTRŮ Pro simulaci jednotlivých převodníků, jenž jsou prezentovány v následujících kapitolách, slouží jako aktivní prvky převážně operační zesilovače s proudovou zpětnou vazbou, popřípadě transkonduktační zesilovače od společností Texas Instruments a Analog Devices. 3.1 Řešení převodníku napětí na diferenční proud Převodník s použitím plně diferenčního proudového zesilovače Pro převod napětí na diferenční proud použijeme plně diferenční operační zesilovač CFA (operační zesilovač s proudovou zpětnou vazbou) [13]. Ten provede převod vstupního nesymetrického napětí na dvě výstupní symetrická napětí získané přivedením nesymetrického napětí na neinvertující vstup a spojením invertujícího vstupu na zem. Jednoduché zapojení znázorňuje Obr Obr Možné řešení převodníku nediferenčního napětí na diferenční napětí s plně diferenčním zesilovačem Přenosová rovnice vypočítaná pomocí programu SNAP: K = R 1 R 3 R 3 R 4 R 2 R 4 + 2R 1 R 2 + R 1 R 3. (1.2) 19

34 3.1.2 Převodník s použitím dvou prvků CFA Další možné řešení prvního bloku s použitím dvou prvků CFA je na obr Jedná se o méně využívané zapojení, které bylo vhodné v době, kdy nebyly k dispozici operační zesilovače s diferenčními výstupy [14]. Obr Převodník napětí na diferenční se dvěma prvky CFA Přenosová rovnice vypočítaná pomocí programu SNAP: K = R 2R 4 R 5 + R 2 R 3 R 4 + R 2 R 5 R 6 + R 2 R 3 R 6 R 2 R 4 R 5 R 2 R 3 R 6 + R 1 R 4 R 5 + R 1 R 5 R 6. (1.3) 2

35 3.1.3 Převodník napětí na proud Na obě výstupní diferenční napětí převodníku napětí na diferenční napětí znázorněné na Obr nebo Obr se připojí jednoduchý převodník napětí na proud pracující s nediferenčním napětím. Toto zapojení bylo zvoleno dle odborné literatury [13] a znázorněno na Obr Obr Jednoduchý převodník napětí na proud Ideálně pro tento obvod platí: I OUT = U IN R X. (1.4) Přímý převodník napětí na diferenční proud Toto zapojení jednoduše uskutečníme díky malému počtu pasivních součástek, kde je snadné nastavení přenosu signálu. Převodník lze zrealizovat za použití dvou aktivních prvků CCII (proudový konvejor druhé generace) nebo OTA (operační transkonduktační zesilovač) a je znázorněn na Obr

36 Obr Převodník napětí na diferenční proud se dvěma prvky CCII 3.2 Převodník diferenčního proudu na napětí s použitím tří prvků CFA Z odborné literatury [14] byl vytipován převodník diferenčního proudu na napětí se zapojením tří prvků CFA. Zde na levé části obvodu jsou dva operační zesilovače, které převedou dva symetrické proudy na dvě symetrická napětí. V pravé části obvodu se nachází rozdílový zesilovač. Ten převede dvě symetrická napětí na vstupu na jednoduché napětí na výstup. Obr. 3.2 Převodní diferenčního proudu na napětí se třemi prvky CFA 22

37 Přenosová rovnice vypočítaná pomocí programu SNAP: K = R 2R 5 R 6 + R 2 R 3 R 6 + R 1 R 5 R 6 + R 1 R 4 R 5 R 3 R 6 R 7 R 3 R 4 R 7. (1.5) 3.3 Diferenční filtr v napěťovém módu Filtr byl navržen k otestování kompletního převodníku s využitím transformátorů v napěťovém módu. Tento diferenční filtr obsahuje pouze pasivní součástky [15], u nichž byly hodnoty těchto součástek vhodně upraveny pro stávající měření. Vlastnosti diferenčního filtru jsou uvedeny níže: Typ filtru: pásmová propust Mezní frekvence: 255 khz Šířka pásma: 12 khz Činitel jakosti: 2,5 R1 [kω] R2 Tab. 3.3 Hodnoty pasivních součástek R3 R4 [kω] C1 [nf] C2 [nf] C3 [nf] L [µh] ,3 47 Obr. 3.3 Schéma zapojení diferenčního filtru v napěťovém módu 23

38 3.4 Diferenční filtr v proudovém módu Pro ověření vlastností transformátorů v proudovém módu byl na fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií zapůjčen plně diferenční multifunkční filtr [16] znázorněný na Obr Diferenční filtr je tvořen třemi prvky MOTA (Multi-output transconductance amplifiers) a jedním prvkem OTRA (operational transresistance amplifier), díky kterým je možné filtr použít jak pro měření dolní, tak i pásmové propusti. Obr. 3.4 Schéma zapojení multifunkčního diferenčního filtru 24

39 4 POUŽITÉ AKTIVNÍ PRVKY 4.1 CFA (Current feedback amplifier) Na rozdíl od operačního zesilovače s napěťovou vazbou (VFA) vyniká operační zesilovač s proudovou zpětnou vazbou svou velkou šířkou pásma, někdy přesahující 1 GHz a větší rychlostí přeběhu. VFA se používá především v nízkofrekvenčních obvodech, zatímco CFA ve vysokofrekvenčních aplikací [17]. Níže následuje přehled několika vybraných prvků: Analog devices AD81 Jedná se o operační zesilovač s velkou rychlostí a nízkou spotřebou [18]. Základní parametry: Napájecí napětí: ±5 V Maximální proud na výstupu: 7 ma Rychlost přeběhu: 12 V/µs Potlačení souhlasného napětí CMRR: -54 db Šířka pásma: 88 MHz Texas Instruments THS322 Čip obvod THS322 obsahuje dva stejné obvody tzn. jedná se o dvojitý obvod [19]. Základní parametry: Napájecí napětí: ±5 V Maximální proud na výstupu: 115 ma Rychlost přeběhu: 9 V/µs Potlačení souhlasného napětí CMRR: -71 db Šířka pásma: 2 MHz Texas Instruments OPA3695 Jde o integrovaný obvod [2], se třemi stejnými obvody uvnitř čipu. Základní parametry: Napájecí napětí: ±5 V Maximální proud na výstupu: 12 ma Rychlost přeběhu: 43 V/µs Potlačení souhlasného napětí CMRR: -5 db Šířka pásma: 9 MHz 25

40 4.2 CFA s diferenčním výstupem Plně diferenční proudový zesilovač poslouží pro převod jednoduchého napětí na diferenční napětí. Tohoto je docíleno přivedením nesymetrického napětí na neinvertující vstup a spojením invertujícího vstupu na zem. Typy a vlastnosti jednotlivých plně diferenční proudových zesilovačů jsou popsány níže Analog Devices AD8138 Plně diferenční operační zesilovač AD8138 od firmy Analog Devices byl vybrán díky možnosti přenosu nediferenčního napětí na diferenční napětí a také díky přenosu diferenčních proudů na diferenční napětí [21]. Základní parametry: Napájecí napětí: ±5 V Maximální proud na výstupu: 95 ma Rychlost přeběhu: 115 V/µs Potlačení souhlasného napětí CMRR: -9 db Šířka pásma: 32 MHz Texas Instruments THS4151 Dalším testovaným zesilovačem je THS4151, který má dle katalogového listu horší vlastnosti než zesilovač AD8138 [22]. Základní parametry: Napájecí napětí: ±5 V Maximální proud na výstupu: 85 ma Rychlost přeběhu: 65 V/µs Potlačení souhlasného napětí CMRR: -83 db Šířka pásma: 15 MHz Texas Instruments THS4141 Z katalogového listu [23] vyplývají totožné vlastnosti zesilovače THS4141 jako u zesilovače THS4151 s větší rychlostí přeběhu. Základní parametry: Napájecí napětí: ±5 V Maximální proud na výstupu: 85 ma Rychlost přeběhu: 45 V/µs Potlačení souhlasného napětí CMRR: -84 db Šířka pásma: 16 MHz 26

41 4.3 OTA (Operational Transconductance Amplifier) Transkonduktanční zesilovač lze charakterizovat jako ideální zdroj proudu řízený napětím, což lze vhodně použít ve vyšších kmitočtových oblastech v řádech od stovek khz až do jednotek MHz. Transkonduktanční zesilovač je možné použít u převodníku napětí na proud. V našem případě testujeme následující typy: OPA615, OPA86 a OPA Texas Instruments OPA86 a OPA861 Obvody OPA86 a OPA861 mají stejné vlastnosti, kde obvod OPA86 obsahuje navíc buffer [24, 25]. Základní parametry: Napájecí napětí: ±5 V Rychlost přeběhu: 9 V/µs Maximální proud kolektoru: 1 ma Šířka pásma: 47 MHz Texas Instruments OPA615 Zesilovač OPA615 má větší šířku pásma a větší rychlost přeběhu [26] než předchozí typy OPA86 a OPA861. Základní parametry: Napájecí napětí: ±5 V Rychlost přeběhu: 25 V/µs Maximální proud kolektoru: 18 ma Šířka pásma: 77 MHz 4.4 Rozdílový zesilovač Zesilovač AD83 se chová jako rozdílový zesilovač při převodu vstupního diferenčního napětí na výstupní nediferenční napětí [27]. Základní parametry: Napájecí napětí: ±5 V Maximální proud na výstupu: 5 ma Rychlost přeběhu: 36 V/µs Potlačení souhlasného napětí CMRR: -1 db Šířka pásma: 85 MHz 27

42 4.5 Širokopásmové transformátory Pro převod nediferenčního signálu na diferenční signál a naopak byly použity transformátory PWB21LB a PWB31LB se stejnými vlastnostmi, jen s tím rozdílem, že transformátor PWB31LB obsahuje navíc střed vynutí na primárním vinutí transformátoru. Vlastnosti transformátorů jsou uvedeny níže [28]. Základní parametry: Maximální jmenovitý proud: 25 ma Jádro materiálu: ferit Impedanční poměr (pri:sec): 1:1 Šířka pásma:, MHz Izolační napětí: 3 V 28

43 Přenos K [db] 5 SIMULACE PŘEVODNÍKŮ 5.1 Převodník napětí na proud s prvkem OTA Převodník napětí na proud je simulován se třemi transkonduktančními zesilovači (OTA). V kapitole je na Obr zobrazeno schéma zapojení převodníku U/I. Výsledné hodnoty šířky pásem jednotlivých obvodů a hodnot rezistorů obsahuje tabulka. Níže uvedené obrázky znázorňují průběhy charakteristik v daných oblastech: střídavé, stejnosměrné a časové. Tab. 5.1 Tabulka hodnot pro převodník napětí na proud s prvkem OTA Obvod R Šířka pásma [MHz] OPA OPA OPA OPA86 OPA861 OPA ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Obr Modulová charakteristika převodníku U/I s prvky OTA 29

44 Výstupní proud Iout [A] Fáze φ [ ] OPA86 OPA861 OPA ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Obr Fázová charakteristika převodníku U/I s prvky OTA 4,E-3 3,E-3 2,E-3 1,E-3,E+ -1,E-3-2,E-3 OPA861 OPA615 OPA86-3,E-3-4,E Vstupní napětí Uin [V] Obr Převod stejnosměrného vstupního napětí na výstupní proud (DC charakteristika) 3

45 Proud I [A] 1,2E-3 8,E-4 4,E-4,E+ -4,E-4 OPA615 OPA861 OPA86-8,E-4-1,2E-3,E+ 1,E-5 2,E-5 3,E-5 4,E-5 5,E-5 Čas t [s] Obr Porovnání výstupních proudů převodníku U/I v časové oblasti Z grafů modulové a fázové charakteristiky vyplývá, že obvody OPA86 a OPA861 mají naprosto stejné průběhy, a proto se překrývají na rozdíl od obvodu OPA615. Nastavením hodnot u jednotlivých převodníků byla docílena vstupní hodnotu signálu na přenosu -6 db. Šířka pásma u obvodů OPA86 a OPA 861 byla mnohem vyšší, než bylo očekáváno, okolo 2,2 GHz, a fázová šířka pásma byla 145 MHz. U obvodu OPA615 byla šířka pásma menší než u předešlých obvodů, konkrétně 55 MHz. Fázová šířka pásma obvodu OPA615 byla 93 MHz. Obvod OPA86 byl vybrán pro další zapojení u jednotlivých převodníků. Ve stejnosměrné oblasti obvody OPA86 a OPA861 dosahují výstupního proudu v rozsahu 3,86 ma až -3,81 ma a obvod OPA615 v rozsahu 3,21 ma až -3,31 ma. Vstupní napětí generátoru harmonického spektra bylo nastaveno pro veškeré simulované převodníky převádějící napětí na proud na hodnotu 1 V s frekvencí 1 khz. V časovém průběhu má obvod OPA615 amplitudu,93 ma. Amplituda u obvodu OPA86 a OPA861 je,99 ma. 5.2 Převodník napětí na diferenční proud se dvěma prvky OTA Obvod převádějící nesymetrické napětí na diferenční proud znázorňuje Obr v kapitole Jde o zapojení se dvěma aktivními prvky OTA. Tabulka 5.2 obsahuje jednotlivé typy transkonduktanční zesilovačů se šířkami pásem a hodnotami rezistorů. 31

46 Fáze φ [ ] Přenos K [db] Tab. 5.2 Tabulka hodnot pro převodník napětí na diferenční proud se dvěma OTA Obvod R Šířka pásma [MHz] OPA OPA86 OPA ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] OPA615 výstup 1 OPA615 výstup 2 OPA86 výstup 1 OPA86 výstup 2 OPA861 výstup 1 OPA861 výstup 2 Obr Modulová charakteristika převodníku U/Idif se dvěma prvky OTA ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] OPA615 výstup 1 OPA615 výstup 2 OPA86 výstup 1 OPA86 výstup 2 OPA861 výstup 1 OPA861 výstup 2 Obr Fázová charakteristika převodníku U/Idif se dvěma prvky OTA 32

47 OPA861 výstup 1 Výstupní proud Iout [A] 4,E-3 3,E-3 2,E-3 OPA615 výstup 1 1,E-3 OPA86 výstup 1,E+ OPA615 výstup 2-1,E-3 OPA86 výstup 2-2,E-3-3,E-3 OPA861 výstup 2-4,E Vstupní napětí Uin [V] Obr Převod stejnosměrného vstupního napětí na výstupní proud (DC charakteristika) 1,2E-3 opa615 výstup 1 Proud I [A] 8,E-4 opa86 výstup 1 4,E-4 opa861 výstup 1,E+ opa861 výstup 2-4,E-4 opa86 výstup 2-8,E-4-1,2E-3,E+ opa615 výstup 2 1,E-5 2,E-5 3,E-5 4,E-5 5,E-5 Čas t [s] Obr Porovnání výstupních proudů převodníku U/Idif v časové oblasti Šířka pásma modulové charakteristiky u obvodu OPA615 byla 59 MHz a ve fázi 93 MHz. U obvodů OPA86 a OPA861 si nelze nevšimnout lepší šířky pásma 65 MHz modulově a 145 MHz fázově. Výstupní proudy Iout1 a Iout2 jsou navzájem posunuty o 18 ve fázi. Ve všech simulacích byly rozsahy jednotlivých obvodů ve stejnosměrné oblasti shodné, jako u převodníku napětí na proud s prvkem OTA. Proudová charakteristika v časové oblasti je takřka podobná, jako u zapojení převodníku napětí na diferenční proud s použitím jednoho prvku OTA. Na Obr lze pozorovat časový průběh výstupních proudů jednotlivých obvodů, kde obvod OPA615 má amplitudu,91 ma a obvody OPA86 a OPA861 dokonce 1,2 ma. 33

48 Přenos K [db] 5.3 Převodník napětí na diferenční proud se dvěma CFA doplněné o obvody OPA86 Převod napětí na diferenční proud s využitím dvou prvků CFA, kdy v první části obvodu převádíme jednoduché napětí na diferenční (viz Obr v kapitole 3.1.2) a ve druhé části použijeme prvky OPA86 pro převod napětí na proud. Zapojení převodníku napětí na proud shrnuje kapitola na Obr Veškeré hodnoty rezistorů a šířky pásem znázorňuje tabulka. Tab. 5.3 Tabulka hodnot pro převodník napětí na diferenční proud se dvěma CFA a obvody OPA86 Obvod RE1 RE2 R1 R2 R3 R4 R5 R6 Šířka pásma [MHz] AD THS OPA ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] THS322 výstup 1 THS322 výstup 2 OPA3695 výstup 1 OPA3695 výstup 2 AD81 výstup 1 AD81 výstup 2 Obr Modulová charakteristika převodníku U/Idif se dvěma prvky CFA a obvody OPA86 34

49 Výstupní proud Iout [A] Fáze φ [ ] ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] THS322 výstup 1 THS322 výstup 2 OPA3695 výstup 1 OPA3695 výstup 2 AD81 výstup 1 AD81 výstup 2 Obr Fázová charakteristika převodníku U/Idif se dvěma prvky CFA a obvody OPA86 4,E-3 3,E-3 2,E-3 1,E-3,E+ -1,E-3-2,E-3-3,E-3-4,E Vstupní napětí Uin [V] THS322 výstup 1 OPA3695 výstup 1 AD81 výstup 1 THS322 výstup 2 OPA3695 výstup 2 AD81 výstup 2 Obr Převod stejnosměrného vstupního napětí na výstupní proud (DC charakteristika) 35

50 Proud I [A] 1,2E-3 8,E-4 4,E-4,E+ -4,E-4-8,E-4-1,2E-3,E+ 1,E-5 2,E-5 3,E-5 4,E-5 5,E-5 Čas t [s] THS322 výstup 1 THS322 výstup 2 OPA3695 výstup 1 OPA3695 výstup 2 AD81 výstup 1 AD81 výstup 2 Obr Porovnání výstupních proudů převodníku U/Idif v časové oblasti Z výsledků simulací tří obvodů dopadlo nejlépe zapojení s prvkem THS322, který dosáhl v modulové charakteristice šířku pásma 85 MHz a ve fázové charakteristice 25 MHz. Druhý nejlépe dopadl obvod OPA3695 s šířkou pásma 65 MHz modulově a ve fázi měl 185 MHz. Šířka pásma u posledního měřeného obvodu AD81 byla 55 MHz modulově a 2 MHz fázově. Z Obr vyplývá, že obvody THS322 a OPA3695 mají výstupní proud téměř stejný v rozsahu 3,86 ma až -3,81 ma pro THS322 a v rozsahu 3,84 ma až -3,77 ma pro OPA3695 na rozdíl od obvodu AD81 s výstupním proudem v rozsahu 3,12 ma až -3,1 ma. Z grafu časového průběhu můžeme zjistit hodnoty amplitud u jednotlivých obvodů dosahující stejných hodnot 1 ma. 5.4 Převodník napětí na diferenční proud s použitím plně diferenčního proudového zesilovače doplněný o obvody OPA86 Jedná se o další zapojení převodníku napětí na diferenční proud se stejným principem jako v předešlé kapitole jen s využitím plně diferenčního proudového zesilovače namísto dvou prvků CFA. Zapojení plně diferenčního proudového zesilovače je zobrazeno na Obr Pro simulaci obvodů byly použity následující prvky: AD8138, THS4141 a THS

51 Fáze φ [ ] Přenos K [db] Tab. 5.4 Tabulka hodnot pro převodník napětí na diferenční proud s plně diferenčním prvkem a obvody OPA86 Obvod RX1 RX2 R1 R2 R3 R4 R5 R6 Šířka pásma [MHz] THS THS AD ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] AD8138 výstup 1 AD8138 výstup 2 THS4151 výstup 1 THS4151 výstup 2 THS4141 výstup 1 THS4141 výstup 2 Obr Modulová charakteristika převodníku U/Idif s plně diferenčním zesilovačem ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] AD8138 výstup 1 AD8138 výstup 2 THS4151 výstup 1 THS4151 výstup 2 THS4141 výstup 1 THS4141 výstup 2 Obr Fázová charakteristika převodníku U/Idif s plně diferenčním zesilovačem a obvody OPA86 37

52 8,E-3 THS4151 výstup 1 Výstupní proud Iout [A] 6,E-3 AD8138 výstup 1 4,E-3 2,E-3 THS4141 výstup 1,E+ THS4151 výstup 2-2,E-3-4,E-3 AD8138 výstup 2-6,E-3-8,E THS4141 výstup 2 Vstupní napětí Uin [V] Proud I [A] Obr Převod stejnosměrného vstupního napětí na výstupní proud (DC charakteristika) 1,2E-3 AD8138 výstup 1 8,E-4 THS4141 výstup 1 4,E-4 THS4151 výstup 1,E+ AD8138 výstup 2-4,E-4 THS4141 výstup 2-8,E-4-1,2E-3,E+ THS4151 výstup 2 1,E-5 2,E-5 3,E-5 4,E-5 5,E-5 Čas t [s] Obr Porovnání výstupních proudů převodníku U/Idif v časové oblasti Z výsledných charakteristik se nejlépe osvědčil obvod AD8138 s šířkou pásma 322 MHz v modulové charakteristice a ve fázové charakteristice 15 MHz. Obvod THS4141 má šířku pásma 168 MHz modulově a 48 MHz fázově. Nejhůře dopadl obvod THS4151 s šířkou pásma 157 MHz modulově a 45 MHz fázově. Obvody AD8138 vykazovaly velmi dobrou symetričnost výstupních proudů. Všechny obvody dosahují stejného výstupního proudu v rozsahu 7,4 ma až -7,3 ma. Amplituda u všech měřených obvodů je rovna 1 ma. 38

53 Přenos K [db] 5.5 Převodník diferenčního proudu na napětí s použitím tří prvků CFA Převodník diferenčního proudu na napětí s použitím tří aktivních prvků znázorňuje Obr Přední dva operační zesilovače převedou diferenční proudy na diferenční napětí a poslední operační zesilovač, tedy rozdílový zesilovač, je převede na jednoduché napětí. Použité hodnoty rezistorů a výsledné šířky pásem u daných obvodů obsahuje tabulka 5.5. Tab. 5.5 Tabulka hodnot pro převodník diferenčního proudu na napětí se třemi prvky CFA Obvod R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 Šířka pásma [MHz] AD THS OPA AD81 OPA3695 THS ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Obr Modulová charakteristika převodníku Idif /U se třemi prvky CFA ve střídavé oblasti 39

54 Výstupní napětí Uout [V] Fáze φ [ ] AD81 OPA3695 THS ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Obr Fázová charakteristika převodníku Idif /U se třemi prvky CFA ve střídavé oblasti THS322 OPA3695 AD81-2 -,3 -,2 -,1,1,2,3 Vstupní proud Iin [A] Obr Převod stejnosměrného vstupního proudu na výstupní napětí (DC charakteristika) se třemi prvky CFA 4

55 Napětí U [V] 1,2,8,4 -,4 AD81 THS322 OPA3695 -,8-1,2,E+ 1,E-5 2,E-5 3,E-5 4,E-5 Čas t [s] Obr Porovnání výstupních napětí převodníku Idif /U se třemi prvky CFA v časové oblasti Nejlepších výsledků dosáhl převodník s prvkem THS322 s modulovou šířkou pásma 1,16 GHz a fázovou šířkou pásma 258 MHz. Další převodník s prvkem OPA3695 vykazoval šířku pásma 84 MHz modulově a 165 MHz fázově. Poslední převodník s prvkem AD81 měl nejhorší modulovou šířku pásma 815 MHz a fázovou šířku pásma 192 MHz ze všech měřených obvodů. Z grafu DC charakteristiky převodníku Idif /U se třemi prvky CFA ve stejnosměrné oblasti lze vyvodit výstupní napětí všech obvodů v rozsahu 1,45 V až -1,45 V pro AD81, 1,6 V až -1,7 V pro OPA3695 a 1,67 V až -1,66 V. Vstupní proud na generátoru byl nastaven na hodnotu 1 ma s frekvencí 1 khz. Amplituda všech obvodů v časovém průběhu je 1 V. 5.6 Kompletní převodník v proudovém módu Kompletní převodník U/Idif Idif/U Dle výsledků simulace byly vybrány nejvhodnější části převodníků pro sestavení kompletního převodníku v proudovém módu. Pro převod nediferenčního napětí na diferenční proud byl zvolen plně diferenční proudový zesilovač AD8138 doplněný o obvody OPA86 jenž dosahovaly nejlepších vlastností z vybraných prvků viz. kapitola 5.4. Na výstupní převodník Idif/U znázorněný na obr. 3.2 byl použit obvody THS322 z důvodu dosažení nejširší šířky pásma. 41

56 Fáze φ [ ] Přenos K [db] ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Obr Modulová charakteristika převodníku U/I dif I dif /U ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Obr Fázová charakteristika převodníku U/I dif I dif /U 42

57 Napětí U [V] Výstupní napětí Uout [V] 2 1,5 1,5 -,5-1 -1,5-2 -2, -1,5-1, -,5,,5 1, 1,5 2, Vstupní napětí Uin [V] Obr Převod stejnosměrného vstupního proudu na výstupní napětí (DC charakteristika) 1,8,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8-1,E+ 1,E-5 2,E-5 3,E-5 4,E-5 5,E-5 Čas t [s] Výstupní U Vstupní U Obr Porovnání výstupního napětí se vstupní napětím v časové oblasti Simulace kompletního převodníku U/Idif Idif /U dosáhla hodnoty šířky pásma v modulové charakteristice 382 MHz. Ve stejnosměrné oblasti měl kompletní převodník výstupní napětí v rozsahu -1,6 V až 1,6 V. Vstupní napětí na generátoru harmonického signálu bylo nastaveno na 1 V s frekvencí 1 khz. Z Obr je zřejmé, že velikost amplitudy výstupního napětí je stejná jako amplituda vstupního napětí. 43

58 5.6.2 Další možné sestrojení kompletního převodníku U/Idif Idif/U Pro převod jednoduchého napětí na diferenční proud byl vybrán stejný převodník, který je uvedený v kapitole Pro převod diferenčního proudu na nediferenční napětí bylo navrženo zapojení znázorněné na Obr Plně diferenční operační zesilovač AD8138 využitý pro převod nediferenčního napětí na diferenční dokáže rovněž převést diferenční proud na diferenční napětí. Rozdílový zesilovač AD83 slouží pro získání výsledného napětí. Tento převodník bude využit i pro praktickou realizaci. Tab Hodnoty pasivních součástek převodníku U/Idif Idif/U R1 R2 R3 R Obr Převodní diferenčního proudu na napětí 44

59 Fáze φ [ ] Přenos K [db] ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Obr Modulová charakteristika převodníku U/I dif I dif /U ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Obr Fázová charakteristika převodníku U/I dif I dif /U 45

60 Napětí U [V] Výstupní napětí Uout [V] 2,5 2 1,5 1,5 -,5-1 -1,5-2 -2,5-3 -2,5-2 -1,5-1 -,5,5 1 1,5 2 2,5 3 Vstupní napětí Uin [V] Obr Převod stejnosměrného vstupního proudu na výstupní napětí (DC charakteristika),5,4,3,2,1 -,1 -,2 -,3 -,4 -,5,E+ 1,E-5 2,E-5 3,E-5 4,E-5 5,E-5 Čas t [s] Vstupní U Výstupní U Obr Porovnání výstupního napětí se vstupní napětím v časové oblasti Výsledná šířka pásma kompletního převodníku U/Idif Idif /U dosáhla 42 MHz. Z grafu DC charakteristiky bylo určeno výstupní napětí v rozsahu -2,3 V až 2,3 V. Vstupní napětí na generátoru harmonického signálu bylo nastaveno na,5 V s frekvencí 1 khz. Velikost amplitudy výstupního napětí je tedy,47 V. 46

61 5.6.3 Převodník U/Idif Idif /U s využitím transformátorů Převod nediferenčního napětí na diferenční lze snadno docílit i za použití širokopásmových transformátorů. Pro dosažení převodu diferenčního napětí na diferenční proud připojíme na jednotlivá výstupní napětí převodník U/I s obvody OPA861. Obr znázorňuje zapojení převodníku U/Idif. K dosažení výsledného nediferenčního napětí použijeme pro převod diferenčního proudu na diferenční napětí diferenční operační zesilovač AD8138, ke kterému bude připojen sériově transformátor PWB21LB, jak je vidět na Obr Tab Hodnoty pasivních součástek převodníku U/Idif R1 R2 RX1 RX2 C1 [pf] Obr Zapojení převodníku napětí na diferenční proud Tab Hodnoty pasivních součástek převodníku Idif/U R1 R2 R3 R4 R5 [kω]

62 Přenos H [db] Obr Zapojení převodníku diferenčního proudu na napětí ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Obr Modulová charakteristika převodníku U/I dif I dif /U s využitím transformátorů 48

63 Napětí U [V] Fáze φ [ ] ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Obr Fázová charakteristika převodníku U/I dif I dif /U s využitím transformátorů,5,4,3,2,1 -,1 -,2 -,3 -,4 -,5,E+ 1,E-5 2,E-5 3,E-5 4,E-5 5,E-5 Čas t [s] Vstupní U Výstupní U Obr Porovnání výstupního napětí se vstupní napětím v časové oblasti Simulace kompletního převodníku U/Idif Idif /U s využitím transformátorů dosáhla hodnoty šířky pásma v modulové charakteristice 128,9 MHz. Vstupní napětí na generátoru bylo nastaveno na,5 V s frekvencí 1 khz. V časovém průběhu si lze všimnout nepatrného fázového posunu v řádech nanosekund. Amplituda výstupního napětí je rovna,45 V. 49

64 5.7 Kompletní převodníky v napěťovém módu Kompletní převodník U/Udif Udif/U s využitím operačních zesilovačů V poslední části simulace byl sériově spojen převodník U/Udif s převodníkem Udif/U. Pro zapojení převodníku napětí na diferenční napětí byl vybrán plně diferenční proudový zesilovač, konkrétně AD8138, dosahující nejlepších vlastností při simulaci. Pro převod diferenčního napětí na jednoduché napětí byl použit zesilovač AD83. Simulace kompletního převodníku byla provedena jak s pasivním filtrem typu pásmová propust, tak i bez pasivního filtru. Hodnoty jednotlivých pasivních prvků jsou znázorněny v Tab Tab Tabulka hodnot pro kompletní převodník v napěťovém módu R1 R2 R3 R Obr Kompletní převodník s využitím operačních zesilovačů [29] 5

65 Fáze φ [ ] Přenos K [db] ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Obr Modulová charakteristika převodníku U/Udif Udif /U ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Obr Fázová charakteristika převodníku U/Udif Udif /U 51

66 Napětí U [V] Výstupní napětí Uout [V] 1,2 1,8,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8-1 -1,2-2, -1,5-1, -,5,,5 1, 1,5 2, Vstupní napětí Uin [V] Obr Převod stejnosměrného vstupního napětí na výstupní napětí (DC charakteristika) 1,8,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8-1,E+ 1,E-5 2,E-5 3,E-5 4,E-5 5,E-5 Čas t [s] Výstupní U Vstupní U Obr Porovnání výstupního napětí se vstupní napětím v časové oblasti Simulace kompletního převodníku U/Udif Udif /U dosáhla hodnoty šířky pásma v modulové charakteristice 47 MHz. Ve stejnosměrné oblasti má kompletní převodník výstupní napětí v rozsahu -1,15 V až 1,15 V. Vstupní napětí bylo nastaveno na 1 V s frekvencí 1 khz. V časovém průběhu dosahuje výstupní napětí stejnou amplitudu jako vstupní napětí, které je rovno 1 V. 52

67 5.7.2 Kompletní převodník s využitím operačních zesilovačů se zapojeným filtrem Do kompletního převodníku s použitím operačních zesilovačů byl vložen jednoduchý pasivní filtr, který se chová jako pásmová propust. Samotným simulováním pasivního filtru získáme výslednou hodnotu mezní frekvence fmez. = 255 khz. Činitel jakosti je Q = 2,5 a šířka pásma simulovaného filtru je 12 khz. Obr znázorňuje schéma zapojení kompletního převodníku včetně pasivního filtru. R1 R2 [kω] Tab Hodnoty pasivních součástek R3 R4 R5 [kω] R6 C1 [nf] C2 [nf] C3 [nf] L [µh] ,3 47 Obr Převodníku U/Udif Udif /U se zapojeným filtrem 53

68 Fáze φ [ ] Přenos K [db] ,E+2 1,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Převodník Filtr Obr Modulová charakteristika převodníku U/Udif Udif /U se zapojeným filtrem ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Převodník Filtr Obr Fázová charakteristika převodníku U/Udif Udif /U se zapojeným filtrem 54

69 Napětí U [V] 1,5 -,5-1 2,E-5 2,5E-5 3,E-5 3,5E-5 4,E-5 4,5E-5 5,E-5 Čas t [s] Výstupní U Vstupní U Obr Porovnání výstupního napětí se vstupní napětím v časové oblasti Při simulaci kompletního převodníku se zapojeným filtrem se výsledná mezní frekvence ztotožňuje se samostatně simulovaným filtrem, jak je vidět na Obr Šířka pásma se zmenšila na 61 khz a činitel jakosti vzrostl na Q = 4. Převod stejnosměrného napětí v tomto případě přes filtr neprochází. Z grafu časového průběhu je zřejmá velikost amplitudy výstupního napětí, která je rovna,8 V. Vstupní napětí bylo nastaveno na hodnotu 1 V s frekvencí 255 khz Kompletní převodník U/Udif Udif/U s využitím transformátorů Jako další možnost sestavení kompletního převodníku se jeví využití transformátorů namísto operačních zesilovačů. Jak už napovídají názvy zmíněných prvků, operační zesilovač zesílí vstupní signál na výstupu, zatímco transformátor transformuje signál z primárního vinutí na sekundární, přičemž velikost výstupního signálu závisí na poměru závitů primární a sekundární cívky. Operační zesilovač zesiluje jak střídavý, tak i stejnosměrný signál, což se neděje u transformátoru, který transformuje pouze střídavý signál. Za transformátor byl zvolen typ PWB21LB od společnosti Coilcraft. Zapojení kompletního převodníku s použitím transformátorů je znázorněno na Obr Tab Hodnoty pasivních součástek převodníku U/Udif Udif/U R1 R2 R3 [kω] R4 [kω]

70 Přenos K [db] Obr Kompletní převodník s využitím transformátorů ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Obr Modulová charakteristika převodníku U/Udif - Udif /U 56

71 Napětí U [V] Fáze φ [ ] ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Obr Fázová charakteristika převodníku U/Udif - Udif /U,5,4,3,2,1 -,1 -,2 -,3 -,4 -,5,E+ 1,E-5 2,E-5 3,E-5 4,E-5 5,E-5 Čas t [s] Vstupní U Výstupní U Obr Časový průběh převodníku U/Udif - Udif /U Výsledná šířka pásma u kompletního převodníku s využitím transformátorů se rovná 136,2 MHz. Frekvence nabývá hodnoty 1 khz. Z Obr lze vidět nepatrný pokles velikosti amplitudy výstupního napětí od vstupního napětí dosahujícího hodnoty,43 V. Tento převodník s použitím transformátorů bude využit i pro praktickou realizaci. 57

72 Přenos K [db] Kompletní převodník s využitím transformátorů se zapojeným filtrem Tento kompletní převodník byl také simulován se zapojeným jednoduchým pasivním filtrem, o kterém pojednává kapitola 3.3. Dále bylo toto zapojení využito i pro praktickou realizaci. Schéma zapojení je zobrazeno na Obr R1 R2 R3 [kω] Tab Hodnoty pasivních součástek R4 R4 R5 R6 [kω] R7 [kω] C1 [nf] C2 [nf] C3 [nf] ,3 47 L [µh] Obr Převodníku U/Udif - Udif /U se zapojeným filtrem ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Převodník Filtr Obr Modulová charakteristika převodníku U/Udif - Udif /U se zapojeným filtrem 58

73 Napětí U [V] Fáze φ [ ] ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Převodník Filtr Obr Fázová charakteristika převodníku U/Udif - Udif /U se zapojeným filtrem,5,4,3,2,1 -,1 -,2 -,3 -,4 -,5,E+ 5,E-6 1,E-5 1,5E-5 2,E-5 2,5E-5 3,E-5 Čas t [s] Vstupní U Výstupní U Obr Porovnání výstupního napětí se vstupní napětím v časové oblasti (frekvence 266,5 khz, výstupní amplituda,42 V) Simulovaný kompletní převodník U/Udif Udif /U se zapojeným filtrem dosáhl modulové šířky pásma 85 khz. Činitel jakosti je roven hodnotě Q = 3,1 a mezní frekvence se posunula na hodnotu fmez. = 266,5 khz. 59

74 6 PRAKTICKÁ REALIZACE Pro praktickou realizaci byly zvoleny především převodníky s využitím širokopásmových transformátorů ke zjištění jejich vlastností při převodu nediferenčního napětí na diferenční a naopak. Kompletní převodníky byly navrženy jak pro proudový, tak i pro napěťový mód a zároveň otestovány na jednom vybraném diferenčním filtru. K otestování vlastností převodníku v napěťovém módu byl navržen jednoduchý pasivní filtr znázorněný na Obr Pro ověření vlastností kompletního převodníku v proudovém módu byl na fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií zapůjčen plně diferenční multifunkční filtr. Poslední realizovanou deskou byl kompletní převodník U/Idif/U popsaný v kapitole Návrh desek proběhl v programu Eagle a následná výroba se uskutečnila na ústavu elektrotechniky a komunikačních technologií. Jednotlivé kompletní převodníky byly zhotoveny na každou desku samostatně, viz. příloha. Diferenční filtr v napěťovém módu se přímo umístil do kompletního převodníku U/Udif/U s využitím transformátorů znázorněných na Obr Na všech deskách se nacházely i volné plošky pro možné experimentování s jednotlivými zapojeními. Pro volné plošky byly zrealizovány provizorní cesty v podobě napájených drátků, které mohou negativně ovlivnit celkové měření jednotlivých charakteristik. Na deskách byly použity pasivní součástky z odporové řady E24 s velikostí pouzdra 126. U hodnot některých pasivních součástek mohlo dojít k drobné změně oproti použitým hodnotám v simulaci. Vstupy a výstupy na deskách byly opatřeny konektory BNC pro jejich snadné propojení např. s diferenčním kmitočtovým filtrem v proudovém módu zapojeným mezi převodníky U/Idif a Idif/U. Měření výstupního napětí u převodníků s využitím transformátorů probíhalo pomocí vysoko-impedanční sondy, která se v průběhu měření ukázala jako vhodnější právě díky své vysoké impedanci. 6

75 Přenos K [db] 6.1 Realizace převodníku U/Udif Udif /U Převodník jednoduchého napětí na napětí diferenční a zpět z diferenčního napětí na jednoduché (převodník U/Udif Udif /U) s využitím transformátorů byl zrealizován na samostatnou desku včetně diferenčního pasivního filtru v napěťovém módu. Vytvořením provizorních cest pomocí napájených drátků před i za filtrem docílíme zapojení kompletního převodníku v napěťovém módu bez použití filtru, jak je znázorněno na Obr Tato deska obsahovala širokopásmové transformátory PWB21LB schopné převodu jednoduchého napětí na diferenční a naopak. V simulaci, jak je popsáno v kapitole dosahovala šířka pásma v modulové charakteristice 136,2 MHz, přičemž změřená šířka pásma je 125 MHz. Z grafu modulové i fázové charakteristiky si lze povšimnout ideálně stejných průběhů až do vyšších kmitočtů. Dle Obr dochází při reálném měření u vyšších frekvencí k takzvanému zákmitu, na který mají vliv parazitní kapacity nacházející se na desce. Jak bylo zmíněno výše, tak i propojení jednotlivých převodníků (převodníku U/Udif a převodníku Udif/U) pomocí napájených drátků mohlo mít negativní vliv na výsledky naměřených přenosových charakteristik ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Simulace Měření Obr Změřená i simulovaná modulová charakteristika převodníku U/Udif Udif /U 61

76 Napětí U [V] Fáze φ [ ] ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Simulace Měření Obr Změřená i simulovaná fázová charakteristika převodníku U/Udif Udif /U,5,4,3,2,1 -,1 -,2 -,3 -,4 -,5,E+ 1,E-5 2,E-5 3,E-5 4,E-5 Čas t [s] Vstupní měření Výstupní měření Simulace Obr Porovnání výstupního měřeného a simulovaného napětí při frekvenci 1 khz (výstupní simulovaná amplituda 472 mv, výstupní měřená amplituda 485 mv) 62

77 Přenos K [db] 6.2 Realizace převodníku U/Udif Udif /U se zapojeným filtrem Měření se uskutečnilo podobně jako v prvním případě jen s tím rozdílem, že tentokrát měření proběhlo se zapojeným diferenčním filtrem v napěťovém módu. Jedná se o jednoduchý pasivní filtr typu pásmová propust znázorněný na Obr Při simulaci převodníku U/Udif Udif /U se zapojeným filtrem byla zjištěna mezní frekvence fmez. = 266,5 khz, přičemž šířka pásma dosáhla 85 khz a činitel jakosti je 3,1. Schéma zapojení včetně zvolených hodnot pasivních součástek je popsáno v kapitole Při poklesu o 3 decibely byla měřením zjištěna šířka pásma 94,2 khz s mezní frekvencí fmez. = 271,3 khz a činitelem jakosti 2,88. Z grafu časové charakteristiky při nastavení vstupního napětí na,5 V si můžeme povšimnout fázového posunu, ale i přesto naměřené výsledky v porovnání se simulovanými hodnotami nejsou téměř rozdílné ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Simulace Měření Obr Změřená i simulovaná modulová charakteristika 63

78 Napětí U [V] Fáze φ [ ] ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Simulace Měření Obr Změřená i simulovaná fázová charakteristika,5,4,3,2,1 -,1 -,2 -,3 -,4 -,5,E+ 5,E-6 1,E-5 1,5E-5 2,E-5 Čas t [s] Vstupní měření Výstupní měření Simulace Obr Porovnání výstupního měřeného a simulovaného napětí při frekvenci 266,5 khz (výstupní simulovaná amplituda 425 mv, výstupní měřená amplituda 36 mv) 64

79 Přenos K [db] 6.3 Realizace převodníku U/Idif Idif /U s využitím transformátorů Díky překvapivě dobrým vlastnostem transformátorů v napěťovém módu byly transformátory použity i pro realizaci převodníku U/Idif Idif /U v proudovém módu. Na Obr je znázorněno schéma zapojení převodníku U/Idif se zapojeným transformátorem PWB21LB doplněné o obvody CCII, konkrétně OPA861 zapouzdřené v pouzdře SOT23-6. Zapojený převodník Idif/U (Obr ) obsahuje diferenční obvod AD8138 zapouzdřený v pouzdře SOIC-8 a sériově připojený na širokopásmový transformátor. Pro změření vlastností převodníku U/Idif Idif /U byly výstupy převodníku U/Idif propojeny se vstupními konektory převodníku Idif/U pomocí BNC kabelů. Při simulaci kompletního převodníku šířka pásma dosahovala hodnoty 129 MHz. Zatímco u reálného měření se k těmto hodnotám nelze ani přiblížit. Na to může mít vliv mnoho faktorů. Reálná šířka pásma je 15,8 MHz. Jak bylo popsáno u předchozího zapojení, tak i zde se projevují parazitní kapacity u jednotlivých napájených součástek. Propojení převodníků pomocí BNC kabely a samotný návrh desky v programu EAGLE mohl také negativně ovlivnit výsledné naměřené přenosové charakteristiky ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Simulace Měření Obr Změřená i simulovaná modulová charakteristika převodníku U/Idif Idif /U 65

80 Napětí U [V] Fáze φ [ ] ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Simulace Měření Obr Změřená i simulovaná fázová charakteristika převodníku U/Idif Idif /U,5,4,3,2,1 -,1 -,2 -,3 -,4 -,5,E+ 1,E-5 2,E-5 3,E-5 4,E-5 5,E-5 Čas t [s] Vstupní měření Výstupní měření Výstupní simulace Obr Porovnání výstupního měřeného a simulovaného napětí při frekvenci 1 khz (výstupní simulovaná amplituda 451 mv, výstupní měřená amplituda 47 mv) 66

81 Přenos K [db] 6.4 Převodníku U/Idif Idif /U s využitím transformátorů se zapojeným filtrem Mezi převodníky U/Idif a Idif/U byl vložen multifunkční diferenční filtr znázorněný na Obr Tento filtr byl k převodníkům připojen pomocí stejně dlouhých BNC kabelů. Z grafů modulové a fázové charakteristiky je na první pohled patrné, že naměřené hodnoty se liší od předpokladů. V simulacích dosahoval převodník šířky pásma 162,2 khz s mezním kmitočtem fmez. = 117,3 khz a činitelem jakosti,723. Při reálném měřením byla naměřena šířka pásma 7,5 khz s mezní frekvencí fmez. = 128 khz a činitelem jakosti 1,8. Jelikož se zdál rozdíl mezi simulovanými a měřenými hodnotami poměrně velký, tak bylo vyzkoušeno zapojení s transformátorem PWB31LB namísto původního výstupního transformátoru v převodníku Idif/U znázorněném na Obr Tento transformátor PWB31LB navíc obsahuje střed vinutí na primárním vinutí transformátoru a jeho vlastnosti jsou stejné jako u transformátoru typu PWB21LB. Z výsledků tohoto měření jsou na Obr pro modul a Obr pro fázi vidět ještě větší rozdíly než při předešlém zapojení (šířka pásma 95,9 khz, mezní frekvence 137 khz a činitel jakosti 1,42). Měřením bylo zjištěno velmi špatné chování převodníku se zapojeným diferenčním filtrem v proudovém módu ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Simulace Měření Obr Změřená i simulovaná modulová charakteristika 67

82 Přenos K [db] Fáze φ [ ] ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 Frekvence f [Hz] Simulace Měření Obr Změřená i simulovaná fázová charakteristika ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Simulace Měření Obr Změřená i simulovaná modulová charakteristika (s použitím transformátoru PWB31LB) 68

83 Fáze φ [ ] ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 Frekvence f [Hz] Simulace Měření Obr Změřená i simulovaná fázová charakteristika (s použitím transformátoru PWB31LB) 6.5 Realizace převodník U/Idif Idif /U Pro snadnou manipulaci s deskou byly oba převodníky (U/Idif a Idif /U) zrealizovány na jednu desku obdobně jako u předchozího kompletního převodníku v proudovém módu viz. příloha. Pro převod jednoduchého napětí na diferenční a také diferenčních proudů na diferenční napětí byl použit jeden a ten samý diferenční obvod AD8138 v pouzdře SOIC-8. Stejně jako v předchozí kapitole byly k převodu Udif/Idif použity obvody OPA861. K získání výsledného napětí byl aplikován obvod AD83 se stejným typem pouzdra jako obvod AD8138. Pomocí kabelů BNC docílíme celkové zapojení, jak můžeme vidět v kapitole V simulacích dosahoval takto zapojený převodník šířku pásma 42,5 MHz, zatímco změřená hodnota šířky pásma byla značně menší 5,2 MHz. Z důvodu velkého rozdílu naměřených hodnot byly na desce změněny vybrané pasivní součástky, popřípadě byly provizorní napájené drátky nahrazeny rezistory s nízkou hodnotou odporu, ale ani přesto se nepodařilo dojít k příčině tak velkého rozdílu v šířkách pásma. Ve stejnosměrné oblasti má převodník U/Idif Idif/U téměř stejné měřené výstupní napětí jako simulované (v rozsahu -2,3 V až 2,3 V pro simulované výstupní napětí a pro měřené v rozsahu -2,25 V až 2,25 V). 69

84 Fáze φ [ ] Přenos K [db] ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Simulace Měření Obr Změřená i simulovaná modulová charakteristika převodníku U/Idif Idif /U ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Simulace Měření Obr Změřená i simulovaná fázová charakteristika převodníku U/Idif Idif /U 7

85 Napětí U [V] Výstupní napětí Uout [V] 2,5 2 1,5 1,5 -,5-1 -1,5-2 -2,5-3 -2,5-2 -1,5-1 -,5,5 1 1,5 2 2,5 3 Vstupní napětí Uin [V] Simulace Měření Obr Převod stejnosměrného vstupního napětí na výstupní napětí (DC charakteristika),5,4,3,2,1 -,1 -,2 -,3 -,4 -,5,E+ 1,E-5 2,E-5 3,E-5 4,E-5 5,E-5 Čas t [s] Vstupní měření Výstupní měření Simulace výstupní Obr Porovnání výstupního měřeného a simulovaného napětí při frekvenci 1 khz (výstupní simulovaná amplituda 467 mv, výstupní měřená amplituda 458 mv) 71

86 Fáze φ [ ] Přenos K [db] 6.6 Převodník U/Idif Idif /U se zapojeným filtrem Převodník U/Idif Idif /U byl také měřen s diferenčním filtrem v proudovém módu zapojeným mezi převodníky U/Idif a Idif /U. Výsledné průběhy měřených i simulovaných hodnot jsou znázorněné na Obr pro modulovou charakteristiku a dále Obr značí modul fáze. Z grafu modulové charakteristiky můžeme vyčíst, že při poklesu o tři decibely dosahuje převodník šířky pásma 147 khz s mezní frekvencí fmez. = 128 khz a činitelem jakosti,87. V simulaci byla zjištěna šířka pásma 165,6 khz s mezní frekvencí fmez. = 12 khz a činitelem jakosti byl roven,724. Z důvodů vzniklého zkreslení v časové oblasti nebylo možné změřit amplitudu výstupního napětí ,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 Frekvence f [Hz] Simulace Měření Obr Změřená i simulovaná modulová charakteristika ,E+2 1,E+3 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 Frekvence f [Hz] Simulace Měření Obr Změřená i simulovaná fázová charakteristika 72

87 7 ZÁVĚR Bakalářská práce přibližuje problematiku měření diferenčních signálů a jejich konverze na nediferenční podobu s cílem analyzovat jednotlivé převodníky sloužící k měření diferenčních kmitočtových filtrů v proudovém módu. Popisuje metody návrhu kmitočtových diferenčních filtrů v proudovém módu s použitím aktivního prvku DACA. Vygenerované nediferenční filtry v programu FilterPro V2. včetně parametrů byly převedeny na diferenční struktury v napěťovém módu a následně byly převedeny do proudového módu s aktivním prvkem DACA. Pro analýzu způsobu měření diferenčních kmitočtových filtrů bylo simulováno několik zapojení jednotlivých bloků pro kompletní převodník. V programu PSpice byly simulovány jednotlivé převodníky napětí na diferenční proud a převodník diferenčního proudu na napětí za použití aktivních prvků. Práce obsahuje návrhy několika kompletních převodníků, které byly simulovány jak s vybraným filtrem, tak i bez jeho použití. První převodník byl navržen s využitím transformátorů v napěťovém módu znázorněný na Obr , kde pro zapojení převodníku napětí na diferenční napětí a naopak byl vybrán širokopásmový transformátor PWB21LB. Při simulaci převodníku v napěťovém módu dosáhla šířka pásma hodnoty v modulové charakteristice 136,2 MHz. V časové oblasti při nastavení vstupního napětí na,5 V dosahovala amplituda výstupního napětí hodnoty 472 mv s frekvencí 1 khz. Pro proudový mód byl navržen převodník U/Idif Idif/U s použitím širokopásmových transformátorů sloužících pro převod jednoduchého napětí na diferenční a z diferenčního napětí na jednoduché napětí. K docílení kompletního převodníku U/Idif byly sériově připojeny na výstupy transformátorů obvody OPA861, jak je uvedeno na Obr Převodník Idif/U obsahoval nejen transformátor pro získání výstupního napětí, ale i diferenční obvod AD8138 zapojený na vstupu převodníku. Při simulaci byla naměřena šířka pásma 129 MHz, přičemž v časové oblasti dosáhla amplituda výstupního napětí hodnotu 451 mv při nastaveném vstupním napětí na generátoru s hodnotou,5 V a s frekvencí 1kHz. Poslední navržený převodník v proudovém módu byl zrealizován bez použití transformátorů. Na základě výsledných simulací bylo usouzeno, že nejvhodnější variantou je zapojení převodníku U/Idif s plně diferenčním proudovým zesilovačem AD8138 doplněným o dva převodníky napětí na proud s obvody OPA861. U převodníku Idif/U bylo zvoleno zapojení znázorněné na Obr obsahující obvod AD8138 a obvod AD83. Spojením těchto dvou převodníků jsme dostali šířku pásma 42,5 MHz. Ze stejnosměrné charakteristiky bylo určeno výstupní napětí v rozsahu -2,3 V až 2,3 V. Vstupní napětí na generátoru harmonického signálu bylo nastaveno na,5 V s frekvencí 1 khz. Velikost amplitudy výstupního napětí je tedy,47 V. Pro praktickou realizaci byly vybrány především kompletní převodníky s využitím transformátorů k zjištění jejich vlastností jak pro proudový mód, tak i pro napěťový mód. Transformátory zapojené v napěťovém módu vykazovaly velmi dobrých vlastností z porovnání se simulovanými hodnotami. V kmitočtové a fázové charakteristice se výsledné průběhy téměř shodují až do vyšších kmitočtů, kde u naměřených hodnot dochází k zákmitu. V porovnání s praktickým měřením byla zjištěna reálná šířka pásma 125 MHz. Při zapojeném diferenčním pasivním filtru v napěťovém módu byla měřením dosáhnuta šířka pásma 94,2 khz s mezní frekvencí 271 khz a činitel jakosti 2,88. Při srovnání se simulovanými hodnotami z kapitoly 6.2 lze říci, že získané měřené hodnoty jsou uspokojivé. Další měření bylo zaměřeno na převodník U/Idif Idif/U s využitím transformátorů. Tento převodník byl otestován na jednom vybraném diferenčním filtru 73

88 v proudovém módu zapůjčeném na pracovišti. Reálným měřením zapojeného převodníku U/Idif Idif/U byla zjištěna šířka pásma 15,8 MHz. Při měření převodníku se zapojeným filtrem byly naměřeny naprosto odlišné průběhy přenosových charakteristik, jak je vidět v kapitole 6.4. Simulované hodnoty získané v programu PSpice se hodně liší od naměřených hodnot z důvodu mnoha faktorů, které mohou negativně ovlivnit měřenou výslednou přenosovou charakteristiku. Mezi tyto faktory patří např., že při simulaci není možné počítat se všemi reálnými vlastnostmi, které nastávají při daném měření. Dále je to výroba desek plošných spojů, které jsou vhodné pro frekvence maximálně do 1 MHz. S konstrukcí desky plošného spoje či při jeho samotném návrhu rostou s délkou spojů jejich parazitní vlastnosti. Všechny výsledné charakteristiky jsou popsány a znázorněny v grafech v kapitole 6. Na závěr byl změřen převodník U/Idif Idif/U bez použití transformátorů, kdy byla zjištěna šířka pásma 5,2 MHz a výstupní napětí v DC charakteristice dosáhlo hodnot v rozsahu -2,25 V až 2,25 V. Značný rozdíl šířky pásma v porovnání se simulací mohl být ovlivněn z výše uvedených faktorů. Při zapojeném diferenčním filtru v proudovém módu byla měřením dosáhnuta šířka pásma 147 khz s mezní frekvencí 128 khz a činitel jakosti,87. Možné nepřesnosti při měření převodníků se zapojeným filtrem mohly vzniknout použitím zapůjčeného filtru, u kterého mohlo během času dojít k záměně hodnot u pasivních součástek. 74

89 LITERATURA [1] HÁJEK K., SEDLÁČEK J. Kmitočtové filtry. Praha: BEN-technická literatura, s. ISBN [2] DOLEČEK, J. Kmitočtové filtry, generátory signálů a převodníky dat. Praha: BEN-technická literatura, s. ISBN [3] DOSTÁL, T., Teorie elektronických obvodů, elektronická skripta FEKT VUT v Brně, Brno 26, 177 s. [4] ZBOŘIL, J. Aktivní řiditelný kmitočtový filtr v proudovém módu. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí bakalářské práce prof. Ing. Lubomír Brančík, CSc. [5] PAŠČINSKÝ, J. Aktivní kmitočtový filtr v proudovém módu. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Josef Slezák [6] SUN, Y. Design of High Frequency Integrated Analogue Filters, IET 22. [7] JEŘÁBEK, J. Kmitočtové filtry s proudovými aktivními prvky: Frequency filters with current active elements: zkrácená verze Ph.D. Thesis. V Brně: Vysoké učení technické, c s. ISBN [8] SIMON, J. Measuring balanced components with vector network analyzer ZVB, IET 24. [9] KUBÍK, M. Diferenční kmitočtové filtry s moderními aktivními prvky. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Janu Jeřábkovi, Ph.D. [1] Odkaz na webové stránky firmy Texas Instruments pro download programu FilterPro V2. < [11] KOLKA, Z. Uživatelská příručka programu SNAP verze 3.2, elektronická příručka programu, FEKT VUT v Brně, 26. [12] JIROUNEK, M. Kmitočtové filtry s diferenčním proudovým zesilovačem. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí diplomové práce Prof. Ing. Kamil Vrba, CSc. [13] ŠTORK, P. Nová řešení převodníků pro měření filtrů v proudovém módu. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací, s. Vedoucí bakalářské práce byl doc. Ing. Janu Jeřábkovi, Ph.D. [14] JEŘÁBEK, J.; VRBA, K. Diferenční převodníky U/I a I/U pro měření obvodů v proudovém módu. [online]. 211 [cit ], roč. 211, č. 4. ISSN Dostupné z:< diferencni-prevodniky-u-i-a-i-u-pro-mereni-obvodu-v-proudovem-modu/> [15] Passive band pass filter. In electronics-tutorials.ws, elektronické sdílení dokumentů na Internetu [online]. 216 [cit ]. Dostupné z URL: < 75

90 [16] LANGHAMMER, L.; ŠOTNER, R.; JEŘÁBEK, J.; DVOŘÁK, J. Single-Ended and Fully-Differential Multifunctional Frequency Filter Employing Operational Transconductance Amplifiers and Transresistance Amplifier. [17] JEMELÍK, L. Návrh měřících struktur pro obvody s diferenčními signály. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Janu Jeřábkovi, Ph.D. [18] [online]. 216 [cit ]. Datasheet AD81: 88 MHz, Low power, high speed amplifier. Dostupné z URL: < [19] [online]. 216 [cit ]. Datasheet THS322: 2-GHz, LOW DISTORTION, DUAL CURRENT-FEEDBACK AMPLIFIERS. Dostupné z URL: < >. [2] [online]. 216 [cit ]. Datasheet OPA3695: Triple Ultra- Wideband, Current-Feedback Operational Amplifier With Disable. Dostupné z URL: < [21] [online]. 216 [cit ]. Datasheet AD8138: 32 MHz, Single-ended-to-differential conversion. Dostupné z URL: < [22] [online]. 216 [cit ]. Datasheet THS4151: High-speed fully differential I/O amplifiers. Dostupné z URL: < [23] [online]. 216 [cit ]. Datasheet THS4141: High-speed fully differential I/O amplifiers. Dostupné z URL: < [24] [online]. 216 [cit ]. Datasheet OPA 86: OPERATIONAL TRANSCONDUCTANCE AMPLIFIER (OTA). Dostupné z URL: < [25] [online]. 216 [cit ]. Datasheet OPA 861: OPERATIONAL TRANSCONDUCTANCE AMPLIFIER (OTA). Dostupné z URL: < [26] [online]. 216 [cit ]. Datasheet OPA 615: Wide-Bandwidth, DC Restoration Circuit. Dostupné z URL: < [27] [online]. 216 [cit ]. Datasheet AD83: Difference amplifier. Dostupné z URL: < [28] [online]. 216 [cit ]. Datasheet PWB21BL: Surface Mount Wideband RF Transformers. Dostupné z URL: < >. [29] Sotner R., Herencsar N., Jeřábek J, Kartci A., Koton J., Dostal T. Pseudo-Differential Filter Design Using Novel Adjustable Floating Inductance Simulator with Electronically Controllable Current Conveyors. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. ISSN:

91 SEZNAM POUŽITÝCH VELIČIN, SYMBOLŮ A ZKRATEK Veličiny a symboly I in [A] vstupní proud I out [A] výstupní proud K [db] modul Idif [A] diferenční proud C [F] elektrická kapacita R elektrický odpor I [A] elektrický proud U [V] elektrické napětí U out [V] výstupní napětí U in [V] vstupní napětí fmez. [Hz] mezní frekvence f [Hz] kmitočet Zkratky CFA OTA CMRR CCII VFA MOTA OTRA Current feedback amplifier, operační zesilovač s proudovou zpětnou vazbou Operational transconductance amplifier, operační transkonduktační zesilovač Common mode rejection ratio, potlačení souhlasného rušení 2nd-generation current conveyor, proudový konvejor druhé generace Voltage feedback amplifier, napěťový zesilovač s napěťovou zpětnou vazbou Multi-output transconductance amplifiers, multi-výstupový transkonduktační zesilovač Operational transresistance amplifier, operační transrezistenční zesilovač 77

92 DACA DP PP Digitally adjustable current amplifier, digitálně řízení proudový zesilovač Dolní propust Pásmová propust 78

93 A NÁVRH DPS V PROGRAMU EAGLE Obr. A.1 Rozvržení desky převodníku U/Udif - Udif /U v programu Eagle vrstva TOP Obr. A.2 Rozvržení desky převodníku U/Idif - Idif /U s využitím transformátorů v programu Eagle vrstva TOP 79

94 Obr. A.3 Rozvržení desky převodníku U/Idif - Idif /U v programu Eagle vrstva TOP 8

95 B FOTOGRAFIE ZKONSTRUOVANÝCH PŘEVODNÍKŮ Obr. B.1 Zapojení převodníku U/Udif - Udif /U včetně filtru vrstva TOP Obr. B.2 Zapojení převodníku U/Idif - Idif /U s využitím transformátorů vrstva TOP 81

96 Obr. B.3 Zapojení převodníku U/Idif - Idif /U vrstva TOP 82