elektrické filtry Jiří Petržela aktivní prvky v elektrických filtrech

Transkript

1 Jiří Petržela

2 základní aktivní prvky používané v analogových filtrech standardní operační zesilovače (VFA) transadmitanční zesilovače (OTA, BOTA, MOTA) transimpedanční zesilovače (CFA) proudové konvejory (GCC) moderní funkční bloky (DVCC, CDTA, COA, CFB) Nortonovy operační zesilovače

3 standardní operační zesilovače jsou nejpoužívanější prvky v aktivních elektrických filtrech na vyšších kmitočtem je nutno použít rychlé VFA, speciální vnitřní struktura ideální operační zesilovač je limitním případem ideálního zdroje napětí U out = A U A in a ideálního zdroje proudu I out = B I B in

4 u reálného VFA je nutno ještě uvážit A < R in < Rout > 0 popřípadě kmitočtové závislosti těchto parametrů typické hodnoty základních parametrů jsou A R 3MΩ R = 50Ω 10 6 in out Obr. 1: Blokové schéma vnitřní struktury VFA.

5 zemnící uzel je u reálného VFA realizován mezi zdroji napájecího napětí (při symetrickém napájení) při nesymetrickém napájení je často nutné vytvořit virtuální nulu v polovině napájecího rozsahu DI dva vstupy SO jeden výstup Obr. 2: Schematická značka VFA a způsob jeho napájení.

6 další parazitní jevy VFA offset drift proudová nesymetrie vstupní zbytkové proudy základním obvodem určujícím vlastnosti celého VFA je vstupní diferenční (rozdílový) zesilovač

7 standardní kmitočtová závislost zesílení má tvar A () 0ω0 A s = ωt A0ω 0 s + A ω = 0 možná nestabilita korekce kmitočtové charakteristiky 0 offsetové napětí nestandardní modulová charakteristika VFA tranzitní kmitočet Obr. 3: Pracovní charakteristika reálného VFA a kmitočtová závislost zesílení.

8 offset a drift VFA offset (zbytkové napětí) je závislý na teplotě čase, stárnutí kolísání napájecího napětí všechny tyto vlivy postihuje rovnice ΔU offset = f U U U ( ) offset offset offset ϑ, t, U N = Δϑ + Δt + ΔU N ϑ t U N

9 typické hodnoty těchto vlivů jsou U offset ϑ μv U offset μv U offset μv = 10 = 1 = 100 K t mesic U V u některých VFA lze kompenzaci ofsetu provést přídavnými obvody podle doporučení výrobce N

10 dělení moderních VFA podle základních vlastností rychlé přesné nízkošumové dělení moderních VFA podle použitých tranzistorů s bipolárními tranzistory s unipolárními tranzistory (jen na vstupu nebo obecně)

11 VFA s bipolárními tranzistory pro aktivní filtry používat pouze stabilní VFA pro A=1 (unity gain stable), a to i pro kapacitní zátěž nepoužívat nízkopříkonové VFA s horšími kmitočtovými vlastnostmi (f T ) a větším výstupním odporem všechny důležité parametry lze nalézt v katalogu

12 nejpoužívanější VFA s bipolárními tranzistory TL084 (čtveřice, f T =4MHz, napájení ±15V) NE5532 (dvojice, f T =10MHz) OPA2650, CLC440, AD8058 (f T =500MHz, napájení ±5V) AD826, LM1364 (f T =70MHz, napájení ±15V) MAA741, MAA748 (f T =1MHz, napájení ±15V) CLC445 (f T =1.2GHz)

13 Obr. 4: Část katalogového listu VFA s typovým označením TL08x.

14 Obr. 5: Obvodové zapojení jednoho VFA s označením TL08x, katalog.

15 Obr. 6: Kmitočtová odezva VFA s typovým označením TL08x, katalog.

16 VFA s unipolárními tranzistory velký vstupní odpor malé vstupní proudy větší offset (někdy až 20mV) a větší drift možnost teplotní autokompenzace a úpravy parametrů obvodu šířkou kanálu FETů technologie CMOS, BiCMOS, MOSFET-N menší příkon a napájecí napětí jednodušší vnitřní struktura

17 nejpoužívanější VFA s unipolárními tranzistory OPA356 (f T =200MHz, napájení ±7V) OPA353 (f T =44MHz) CA3130 (f T =15MHz) LTC6244 (f T =50MHz, napájení ±3V) THS4281 (ft=90mhz, nesymetrické napájení 16V) OPA643 (f T =800MHz)

18 Obr. 7: Kmitočtové odezvy VFA s označením OPA356 uvedené v katalogu.

19 základní princip OTA jedná se zdroj proudu řízený napětím (VCCS) základním parametrem je transkonduktance g m g U = g U U R ( ) R Iout = m in m 1 2 in out u reálného OTA je nutno ještě uvážit R in < Rout a kmitočtovou závislost g m g () s m gm0ω0 = s + ω < 0

20 většina OTA má možnost programování, tedy změny hodnoty transkonduktance vnějším zdrojem proudu I set I set se realizuje připojením nějakého pinu na napájecí zdroj přes rezistor patřičné hodnoty u některých OTA je problémem značně omezený dynamický rozsah vstupního napětí (řádově desítky mv) při návrhu filtru je třeba uvážit i nelinearitu g m =f(i set ) Obr. 8: Schematická značka OTA, BOTA a příklad MOTA.

21 nejpoužívanější komerčně dostupné OTA LM13700 (f T =2MHz, napájení ±18V, R in =26kΩ) CA3080 (f T =2MHz, napájení ±18V, R in =26kΩ) NE5517 (f T =2MHz, napájení ±18V, R in =26kΩ) LT1228 (f T =75MHz, napájení ±18V, R in =25MΩ) MAX436 (f T =200MHz, napájení ±6V, R in =800kΩ) OPA660 (f T =850MHz, napájení ±6V, R in =1MΩ)

22 Obr. 9: Zapojení obvodu s označením LM13700, katalog.

23 základní vlastnosti integrovaného obvodu LT1228 maximální dynamický rozsah vstupního napětí je dán napájecím napětím vstupní impedance OTA bloku je 25MΩ výstupní impedance OTA bloku je 8MΩ proud I set umožňuje nastavit hodnotu transkonduktance g m g m = 10 R set

24 Obr. 10: Kmitočtové odezvy OTA a CFA bloku obvodu LT1228, katalog.

25 základní vlastnosti integrovaného obvodu MAX435 maximální rozsah vstupního napětí je ±2.5V proud I set umožňuje omezit maximální výstupní proud pracuje bez zpětné vazby zpětná vazba neovlivňuje stabilitu OTA impedance Z t může být tvořena i kmitočtově závislým pasivním dvojpólem, například krystalem

26 Obr. 11: Princip obvodu s označením MAX435 (BOTA) a MAX436 (OTA).

27 základní vlastnosti integrovaného obvodu OPA660 užívá se i název ideální nebo diamantový tranzistor maximální dynamický rozsah vstupního napětí je odvozen z napájecího napětí +0.7V vstupní impedance OTA a sledovače je 1MΩ výstupní impedance OTA bloku je 25kΩ výstupní impedance sledovače je 7Ω

28 srovnání OPA660 s tranzistorem význam proudu I C je jiný pro U BE >0 teče I C ven z bloku OTA pro U BE <0 teče I C do bloku OTA OPA660 má mnohem větší linearitu, tedy g m je konstantní přes velký rozsah kolektorových napětí OPA660 má interně nastavený pracovní bod, pro činnost obvodu stačí menší počet obvodových prvků

29 Obr. 12: Základní informace o činnosti obvodu OPA660 a OPA860.

30 transimpedanční zesilovače jedná se zdroj napětí řízený proudem (CCVS) základním parametrem je transrezistance z t U z I R 0 R 0 out = t in in out u reálného OTA je nutno ještě uvážit a kmitočtovou závislost z t z () s R in > 0 Rout > 0 t zt0ω0 = s + ω 0

31 základní vlastnosti CFA neinvertující svorka má vysokou impedanci invertující svorka má nízkou impedanci chybový signál je proud jako zpětnou vazbu využívají rovněž rezistorovou síť mají velkou rychlost přeběhu a velký tranzitní kmitočet šířka pásma nezávisí na zesílení, neplatí GBP=konstanta

32 nejpoužívanější komerčně dostupné CFA AD844 (f T =60MHz, napájení ±18V) AD846 (f T =80MHz, napájení ±18V) AD8004 (f T =250MHz, napájení ±6V) EL2020 (f T =50MHz, napájení ±18V) EL2186 (f T =250MHz, napájení ±6V, R in =800kΩ) LT1207 (f T =60MHz, napájení ±18V)

33 Obr. 13: Základní srovnání struktury a kmitočtové charakteristiky VFA a CFA.

34 obecný tříbranový proudový konvejor (GCC) konvejor sledovač proudové zrcadlo GCC je popsán branovými rovnicemi U x = α U I = β I I = γ I y y podle hodnot parametrů α, β, γ rozdělujeme GCC do tříd α=1, β=0, γ=1 CCII+ (AD844) α=1, β=0, γ (-2, 0) CCII- (EL2082) x z x

35 konvence napětí branová napětí proti zemní svorce konvence proudů kladná orientace směrem do konvejoru konvejory modelujeme ideálními řízenými zdroji, je třeba uvážit kmitočtové závislosti přenosů proudů časová evoluce proudových konvejorů 1968, Smith a Sedra CCI 1970, Smith a Sedra CCII 1995, Fabre CCIII

36 řád konvejoru je dán počtem vstupních proudových bran druh konvejoru je dán počtem napěťových bran třída konvejoru je dána počtem všech nenulových proudů I Y konvejovaných do napěťových bran kromě proudových konvejorů existují i konvejory napěťové, nevyrábějí se (UTKO) Obr. 14: Tříbranový CC (1. řád a 1. druh), čtyřbranový CC (1. řád a 1. druh) a čtyřbranový CC (1. řád a 2. druh).

37 princip činnosti obvodu AD844 jedná se o CFA s vyvedenou kompenzační svorkou lze využít jako proudový konvejor transresistance 3MΩ transkapacitance 4.5pF Obr. 15: K principu činnosti obvodu AD844.

38 Obr. 16: Základní kmitočtové závislosti obvodu EL2082.

39 komerčně dostupné Nortonovy zesilovače LM3900 (f T =2.5MHz, napájení ±15V) LM359 (f T =30MHz, napájení ±10V) Obr. 17: Princip činnosti Nortonova zesilovače.

40 další typy aktivních prvků pro použití ve filtrech násobičky napětí (AD633, MLT04, AD834) proudové násobičky (EL4083) proudový zesilovač (COA) OTA s proudovou zpětnou vazbou (CFB) vícevýstupový proudový zesilovač s proudovým diferenčním vstupem(cdta)

41 další typy aktivních prvků pro použití ve filtrech proudový konvejor s diferenčním napěťovým vstupem a symetrickým proudovým výstupem (DVCC) xx xx xx xx

42 děkuji za pozornost otázky?