UNIVERZÁLNÍ ELEKTRONICKY PŘELADITELNÝ BIKVAD S DISTRIBUOVANOU

Transkript

1 9/ UNIVERZÁLNÍ ELEKTRONICKY PŘELADITELNÝ BIKVAD S DISTRIBUOVANOU STRUKTUROU V PROUDOVÉM MÓDU VYUŽÍVAJÍCÍ MO-CCCII Roman Šotner, Jiří Petržela, Jan Kovář Útav radioelektroniky Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Vyoké učení technické v Brně, Purkyňova 8, 6 Brno xotne@tud.feec.vutbr.cz, petrzelj@feec.vutbr.cz, xkovar3@tud.feec.vutbr.cz Abtrakt Více-výtupový a elektronicky říditelný aktivní blok je zde aplikován v univerzálním filtru ditribuované zpětnovazební truktury. Je ukázáno řešení podtatné nevýhody obvodů v proudovém módu, což je nutnot více výtupů proudových aktivních bloků. Rozáhlá škála komerčně dotupných aktivních bloků tento problém dopoud neřeší. Jou rozebrány některé vlatnoti aktivního bloku použitého pro modelování a imulaci na tranzitorové úrovni. Činnot a vlatnoti univerzálního filtru jou ověřeny imulacemi v OrCAD a zřejmá možnot elektronického ladění je vyzkoušena.. ÚVOD V proudovém módu (CM) [] e téměř nikdy nevyhneme potřebě kopírovat jeden výtupní proud do více měrů (do zpětných vazeb, za účelem čítání, apod.). Obecně jou obvodové realizace truktur v proudovém módu znatelně jednodušší, než obdobné v módu napěťovém (VM). U multifunkčních filtrů je to hlavně díky jednoduché realizaci operace čítání. Tam, kde je ve VM nutný oučtově-rozdílový zeilovač operačním zeilovačem (OZ), tačí v CM pouhý uzel. Největší problém je však nutnot několika výtupů obou polarit výtupního proudu buď přímo u aktivního bloku a nebo jako amotatné oučátky, tzv. ditributoru []. Komerčně dotupné prvky od větových výrobců tuto problematiku neumožňují řešit, protože i přeto, že jou k dipozici i aktivní bloky pro proudový mód, obahují až na vzácné výjimky pouze jediný výtup. I když je jejich jinak např. excelentní kmitočtové vlatnoti, elektronické řízení atd. předurčují k používání na vyšší kmitočty páma videa, je jejich aplikace v CM díky tomu jitým způobem omezena. Můžeme jmenovat zejména elektronicky řiditelnou proudovou náobičku (nebo-li negativní proudový konvejor [3], [4] druhé generace CCII-) EL 8 [], či známý obvod AD 844 [6], řadu trankonduktorů (OTA) [3], [7] např. LT 8 [8], diamantový tranzitor OPA 86 [9]. Jediný aktivní blok, který má k dipozici dva proudové výtupy je trankonduktor MAX 43 []. Pro aplikace v rychlých aplikacích je ai nejvhodnější, ale jeho výroba již byla zatavena. Samozřejmě lze v CM v určitých případech použít i prvky jedním výtupem. Komplikace však natane v případě, že neobejdeme bez ditribuce proudu z výtupů. V tomto případě exituje řešení takové, že použijeme několik aktivních bloků paralelně pojenými vtupy (to lze např. běžnými CCII, OTA). Značná nevýhoda je však v tom, že někdy i neúměrně narote počet aktivních bloků. Například v případě, kdy na celý filtr potačí tři prvky třemi výtupy, jich nyní potřebujeme třeba om nebo devět. Toto řešení zabírá mnoho míta, díky komplikovaným vazbám mohou natat problémy e tabilitou, je nutné řešit rozáhlejší ouběh řízení pro elektronicky řiditelné prvky a především e realizace značně prodraží. V podtatě není výrobně obtížné více výtupů vytvořit (pouze proudová zrcadla ve 47- vnitřní truktuře), výrobci ale tlačí píše k používání tandardních OZ a zeilovačů proudovou zpětnou vazbou (CFA), které e naží dotat na značně vyoké tranzitní kmitočty. Dne jou již v prodeji i prvky přeahující tranzitními kmitočty GHz. Při kontrukci filtrů a podobných obvodů e zpětnými vazbami je třeba i dávat pozor, aby tyto prvky byly tabilní při malém či jednotkovém zeílení. Zde je prezentován aktivní blok, který je vhodný pro aplikace vyžadující více výtupů.. VÍCE-VÝSTUPOVÝ ELEKTRONICKY ŘIDITELNÝ PROUDOVÝ KONVEJOR Mnohá literatura [], [], [3] e zabývá aplikací různých modifikací proudových konvejorů více výtupy. Většinou e outředí na implementaci elektronického řízení a vemě e omezují pouze na dva proudové výtupy. Princip proudového konvejoru je velmi známý a lze nalézt např. v [3], [4]. Celkem značný problém může v některých ituacích být nenulová hodnota vtupního odporu proudové vorky. U komerčních funkčních bloků to bývá řádu deítek Ω u CMOS integrovaných truktur na čipu i tovky Ω i několik kω [3], [4]. Tato hodnota je závilá na biaovacím proudu. Takové nevýhody lze výhodně využít, protože změnou tohoto odporu můžeme v určitých ituacích měnit nějakou vlatnot. Např. v případě integrátoru CCII (ať již proudového nebo napěťového) lze toto výhodně využít k elektronické kontrole čaové kontanty. Podobně pracuje např. oblíbený OPA 86 [9]. Tento typ CCII dvěma výtupy nee dle [] označení dual-output econd-generation current controlled current conveyor (DO-CCCII). Zde uvedený případ je více obecný multi-output econd-generation current controlled current conveyor (MO-CCCII), viz. obr.. Obr.. Behaviorální model MO-CCCII.

2 9/ U proudového konnvejoru CCII+ [3], [7] e dle dvojbranové definice uvažuje kladný měr proudu dovnitř. Zde je to opačně, tj. proud tekoucí do zátěže či ven z prvku je považován za kladný v ouladu obr.. Struktura bipolární technologií využívající Wilonova proudová zrcadla [] je na obr.. Jou zde k dipozici dva výtupy kladné a dva výtupy záporné polarity výtupního proudu (obr. 3). Podobným způobem lze zíkat i více výtupů, uvedené čtyři jou však pro drtivou většinu aplikací plně dotačující. Podobná truktura je použita např. v [], kde jou k dipozici pouze dva výtupy. V tomto konkrétním případě by e možná v názvu hodilo píše čtyř-výtupový CCCII, což e však moc nepoužívá, literatura uvádí u podobných prvků (ať už e jedná o OTA, CCII apod.) buďto dual-output a pro více jak dva výtupy multi-output. není ideální (rozdíl je ai, db). Oproti nekakodované realizaci protými proudovými zrcadly je to znatelně lepší (rozdíl průběhů v rovné oblati je dle analýzy i db). Mají na to záadní vliv tzv. matching error říkající jak moc e liší tranzitory v zrcadlech (jejich g m I b /V T ) a tím pádem i výtupní proudy. Zde je problém především hody výtupních proudů obou ekcí zrcadel, produkujících zápornou a kladnou polaritu, protože imulace amozřejmě předpokládá všechny tranzitory tejného typu (NPN nebo PNP) tejné. Kmitočtové vlatnoti jou velmi dobré, 3 db šířka páma při jednotkovém ziku je zhruba 3 MHz. Závilot vtupního odporu proudové vorky X na I b je na obr. 7 a nabízí využití pro elektronické řízení. Obr.. Tetovací zapojení proudového zeilovače pro zjišťování vlatnotí. Obr.. Vnitřní truktura MO-CCCII. K I [db] I b ua R x 7 Ω f -3 db 3 MHz DB(I(-Z)) DB(I(+Z3)) - Obr. 3. Značka konkrétního MO-CCCII. Na obr. 4 je výpi použitých modelů bipolárních tranzitorů ze truktury výše. Tyto modely tranzitorů jou např. použity v profeionálním makromodelu obvodu OPA 86 [9]..MODEL PNP6 PNP + IS.E-6 BF.48E+ NF.E+ VAF.8E+ + IKF.8E- ISE.33E- NE.E+ BR 3.E+ + NR.E+ VAR.93E+ IKR.E- ISC 6.6E-6 + NC.E+ RB 3.346E+ IRB.E+ RBM.4e+ + RE.37E+ RC.6E+ CJE.E-3 VJE 7.3E- + MJE 4.93E- TF.33E- XTF 3.E+ VTF 3.9E+ + ITF.639E- PTF.E+ CJC.9E-3 VJC 7.743E- + MJC.E- XCJC8.4E- TR.E- CJS 7.6E-3 + VJS 9.8E- MJS 4.93E- XTB.73E+ EG.84E+ + XTI.E+ KF.89E-6 AF.E+ FC 8.E-.MODEL NPN6 NPN + IS 7.4E-8 BF.7E+ NF.E+ VAF 7.E+ + IKF 39.7E-3 ISE 3.9E- NE.E+ BR NR.E+ VAR.4 IKR 8.7E-3 ISC 7.68E- + NC.847 RE.37E+ RB 3.346E+ IRB.E+ + RBM.4E+ RC.6E+ CJE.E- VJE.79 + MJE.46 CJC 33.8E- VJC.6666 MJC.49 + XCJC8.4E- TR 4.E- CJS 3.8E-4 FC.87 + TF.3E- XTF.49 VTF.83 ITF 4.93E-3 + TR 4.E- CJS 3.8E-4 EG.84 XTB. + XTI.78 KF 7.E- AF.E+ FC 8.73E- Obr. 4. Použité modely bipolárních tranzitorů. Pro zjišťování některých vlatnotí je aktivní blok zapojen jako proudový zeilovač jednotkovým přenoem (obr. ). Na obr. 6 jou zachyceny doažitelné kmitočtové možnoti obvodu. Je vidět, že hoda výtupních proudových odezev,e+4,e+,e+6,e+7,e+8,e+9 Obr. 6. Kmitočtová odezva při jednotkovém zeílení. R X [Ω ],E-,E-4,E-3 I b [A],E- Obr. 7. Závilot vtupního odporu proudové vorky X. 47-

3 9/ UNIVERZÁLNÍ FILTR S DISTRIBUOVANOU ZPĚTNOU VAZBOU Na obr. 8 je filtr využívající dva integrátory CCCII a ditributor rozvádějící proud do zpětných vazeb realizovaný pomocí MO-CCCII. Takto obvod doahuje přenoových funkcí typů dolní proput (DP), pámová proput (PP) a horní proput (HP). Pro doažení pámové zádrže (PZ) je nutný vtupní ditributor realizovaný pomocí MO-CCCII ve funkci protého více-výtupového ledovače, podobně jako v [6], kde je používán paivními RC články. Upravené zapojení je na obr. 9. Podobně pro přeno typu fázovací článek (FČ) na obr.. Je vidět, že opravdu pro tyto typy filtrů vytačíme e čtyřmi proudovými výtupy u aktivního prvku, přičemž amotné konvejory v integrátorech mohou být klidně jedno-výtupové komerčně dotupné CCII (např. EL 8). Přenoové funkce filtru jou K DP RC R C K PP RC, (), () Obr. 8. Více-funkční bikvad (DP, PP, HP). K HP RC R R K PZ RC + CC, (3), (4) RC K FČ RC + R RCC, () kde R R + R x a R x fce (I b). Pro charakteritický kmitočet a činitel jakoti platí ω C, Q RC. (6),(7) Obr. 9. Doplnění vtupní ditribuce pro zíkání PZ. Obr.. Modifikace pro FČ. Konkrétní realizace filtru tedy nevyužívá nikdy všechny čtyři výtupy aktivního bloku najednou (vždy max. tři) a lze ušetřit některé proudová zrcadla v obr.. V obvodových trukturách vyšších řádů této ditribuované realizace rotou nároky na počet výtupů výtupního ditributoru. 4. VÝSLEDKY POČÍTAČOVÉ ANALÝZY Filtr je navržen na f C MHz činitelem jakoti Q. Rezitory jou zvoleny R R R Ω, kondenzátory C C C pf. Dle (6) a (7) lze vypočítat, že R R R 36 Ω (tedy R x R x R x 3 Ω). Pro uvedené R x je I b I b I b ai ua (obr. 7). Řídící proudy ditributorů CCCII 3 a CCCII 4 jou ua a napájecí napětí ± V. Pokle přenou o 3 db na vyokých kmitočtech u HP natává ai na 7 MHz, což je předpokládaná použitelnot filtru. Na obr. jou docílené modulové frekvenční charakteritiky zapojení z obr. 8. Modulové frekvenční charakteritiky obvodů z obr. 9 a obr. jou na obr.. Argumentová frekvenční charakteritika fázovacího článku je na obr. 3. Elektronické ladění pomocí řídících 47-3

4 9/ proudů I b I b je ukázáno na změně mezního kmitočtu dolní proputi v rozahu ai,7 až, MHz (obr. 4). K I [db] I b3 I b4 ua Q, R L Ω 3 4 K I [db] I b I b I b ua I b3 I b4 ua f C,6 MHz Q, R L Ω PP HP DP -,E+,E+6,E+7,E+8-4 -,E+4,E+,E+6,E+7,E+8 Obr.. Modulové frekvenční charakteritiky (obr. 8). K I [db] I b I b I b ua I b3 I b4 ua f C,6 MHz Q, R L Ω,E+4,E+,E+6,E+7,E+8 FČ PZ Obr.. Modulové charakteritiky (obr. 9 a obr. ). ϕ [deg] I b I b I b ua I b3 I b4 ua f C,6 MHz Q, R L Ω,E+4,E+,E+6,E+7,E+8 Obr. 3. Fázová frekvenční charakteritika FČ.. SHRNUTÍ Obr. 4. Elektronické ladění DP. Uvedený filtr používá více-výtupové aktivní bloky, které umožní v proudovém módu realizaci nadné ditribuce výtupních proudů na přílušné uzly (vtupy integrátorů). Při řešení komerčně dotupnými bloky je ituace daleko ložitější, protože jou k dipozici jen oučátky jediným výtupem. Použitý aktivní blok MO-CCCII vyniká zejména dobrými kmitočtovými vlatnotmi, což umožňuje navrhnout filtr charakteritickými kmitočty jednotek MHz (pámo videa) a podobně jako v další literatuře zabývající e touto tématikou, lze zdánlivou nevýhodu záviloti vtupního odporu proudové vorky X na biaovacím proudu I b využít k elektronickému řízení nějaké vlatnoti aplikace (zde ladění). V konkrétním zapojení filtru lze přehledem některé proudové výtupy CCCII vyputit a tím ušetřit počet proudových zrcadel a tranzitorů. 6. PODĚKOVÁNÍ Tento přípěvek vznikl za podpory výzkumného záměru MSM 633 a grantových projektů GAČR č. /8/H7, č. /9/68 a č. /9/P7. LITERATURA [] TOUMAZOU, C., LIDGEY, E. J., HAIGH, D. G. Analogue IC deign: The current mode approach, Peter Peregrinu Ltd., London, 99 [] DOSTAL, T. Filter with Multi-Loop Feedback Structure in Current Mode. Radioengineering. 3, Vol., No. 3, pp. 6 -, ISSN [3] BIOLEK, D., SENANI, R., BIOLKOVA, V., KOLKA, Z. Active element for analog ignal proceing: Claification, Review, and New Propoal. Radioengineering. 8, Vol. 7, No. 4, pp. 3, ISSN [4] JEŘÁBEK, J., VRBA, K. Vybrané vlatnoti univerzálního proudového konvejoru, ukázka návrhu aplikace. Elektrorevue. 6, č. 6/4, pp. 9, ISSN 3 39, acceible on www: [] Interil (Elantec). EL 8CN Current-Mode Multiplier, 996, 6 p., acceible on www:

5 9/ [6] Analog Device. Monolithic Op Amp AD , 6 p., acceible on www: [7] RANDALL, L. G., SÁNCHEZ-SINENCIO, E. Active Filter Deign Uing Operational Tranconductance Amplifer: A Tutorial. IEEE Circuit and Device Magazine. 98. Vol.. pp. -3. [8] Linear Technology, LT 8 - MHz Current Feedback Amplifier with DC Gain Control. dataheet,, 994, dotupné z WWW: [9] Texa Intrument Inc. OPA 86 Wide Bandwidth Operational Tranconductance Amplifier and Buffer. 6, 3 p. acceible on www: [] Maxim Dalla Semiconductor. Wideband Tranconductance Amplifier MAX p., acceible on www: [] BIOLEK, D., SIRIPRUCHYANUN, M., JAIKLA, W. CCII and OTA baed Current-mode Univeral Biquadratic Filter. The ixth PSU Engineering Conference May 8, pp [] JAIKLA, W., SIRIPRUCHYANUN, M. Low-component Elekctronically Controlable Dual-mode Univeral Biquad Filter uing DO-CCCII. In proceeding of Aia-Pacific conference on Communication 7, pp , ISBN [3] SIRIPRUCHYANUN, M., CHANAPROMMA, C., SILAPAN, P., JAIKLA, W. BiCMOS Current-Controlled Current Feedback Amplifier (CC-CFA) and It Application. WSEAS Tranaction on Electronic, No. 6, Vol., 8, pp. 3-9, ISSN [4] ELDBIB, I., MUSIL, V. Self-Cacode Current Controlled CCII baed- Tunable Band Pa Filter. Radiolektronika 8, pp. 9-, ISBN [] BAKER, J. CMOS Circuit Deign, Layout and Simulation, IEEE Pre Serie on Microelectronic Sytem,, ISBN X [6] JEŘÁBEK, J., VRBA, K. Návrh kmitočtových filtrů pomocí integračních článků proudovými aktivními bloky. Elektrorevue ( 9, Vol. 9, No. 9,. -7. [7] PUNČOCHÁŘ, J. Operační zeilovače v elektronice. BEN Praha, 997, ISBN