UNIVERZÁLNÍ KMITOČTOVÝ FILTR S NOVÝMI PROUDOVÝMI PRVKY CFTA

Transkript

1 9/ UNVERZÁLNÍ KMTOČTOVÝ FLTR S NOVÝM PROUOVÝM PRVKY CFTA Norbert Herencsár, Jaroslav Koton, Kamil Vrba Ústav telekomunikací, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Vysoké učení technické v Brně Purkyňova 118, 61 Brno, Česká republika {herencsn, koton, vrbak}@feec.vutbr.cz Abstrakt V tomto článku je presentována univerzální filtrační struktura s proudovým aktivním prvkem Current Follower Transconductance Amplifier (CFTA). Prezentovaný prvek vznikl kombinací proudového sledovače (CF) a transkonduktančního zesilovače se symetrickými výstupy (BOTA). V článku uvádíme i další rozšířený aktivní prvek CFTA s více proudovými výstupy realizovatelný obvodem UCC-N1B 5, který byl vyvinut na našem pracovišti. Využití uváděného aktivního prvku je prezentováno na realizaci universálního kmitočtového filtru druhého řádu typu SMO (single-input-multi-output) a MSO (multi-input-single-output), pracujících v proudovém módu. Obvodová struktura filtru se skládá ze tří aktivních a tří pasivních prvků. Obvod byl analyzován pomocí grafů signálových toků. Vlastnosti navrženého univerzálního filtru byly podrobeny citlivostní analýze a střídavé analýze v programu PSpice. 1. ÚVO V součastné době lze v odborné literatuře zaznamenat hlavní trend v oblasti návrhu analogových filtrů související se snižováním napájecího napětí integrovaných obvodů s velmi vysokou hustotou integrace, který vede ke stále větší oblíbenosti proudového módu [1], []. U obvodů pracujících v proudovém módu lze totiž při sníženém napájecím napětí udržet dostatečný odstup signál/šum, než v případě obvodů pracujících v napěťovém módu. Stále častěji jsou pak presentovány obvodové struktury, kterými lze realizovat současně více obvodových funkcí jako dolní propust, pásmová propust, horní propust a případně i pásmovou zádrž a fázovací článek. Takové struktury se označují jako multifunkční či univerzální kmitočtové filtry. O dané problematice bylo prostudováno množství literatury [3]-[19], kde jsme analyzovali presentované struktury v proudovém módu podle těchto kriterií: (i) obvodem lze realizovat základní typy filtrů (dolní propust, pásmová propust a horní propust), (ii) obvod obsahuje maximálně čtyři aktivní prvky, (iii) z důvodu snadné integrace obvodu by pasivní prvky měly být jedním koncem uzemněny, (iv) výstupní odezvy lze odebírat na přímých proudových výstupech. Výsledky průzkumu jsou uvedeny v Tab. 1. Všechny vybrané obvody odpovídají kritériu (i). Struktury v [3]- [7] se však skládají z vyššího počtu aktivních prvků a nevyhovují tak kritériu (ii). Zapojení v [3] a [4] obsahují pět aktivních prvků, struktura v [5] obsahuje šest aktivních prvků a v [6], [7] struktury obsahují až sedm aktivních prvků, což je víc než dvojnásobek v námi navržené struktuře. Velký počet aktivních prvků často způsobuje i to, že např. v zapojení [6] je rezistor nahrazen OTA zesilovačem. Jak bylo již řečeno, z důvodu snadné integrace obvodu by pasivní prvky měly být jedním koncem uzemněny. Tomuto kritériu neodpovídají obvody v [8]-[13], kdy struktury obsahují také plovoucí rezistory nebo kapacitory. Výstupní odezvy proudu jsou u obvodů z [11]-[15] snímány ve větvích vybraných pasivních prvků, které jsou bohužel plovoucí. Po podrobném průzkumu vybraných struktur bylo zjištěno, že daným kriteriím (i) až (iv) odpovídají pouze obvody v [16]-[19], kde jako aktivní prvky jsou použity proudové konvejory nebo transkonduktanční zesilovače. Struktury v [16] a [17] ale obsahují až pět pasivních prvků, což může být nevýhodou těchto zapojení. Přínosem této práce je prezentace stavebního bloku Current Follower Transconductance Amplifier (CFTA) pro návrh kmitočtových filtrů v proudovém módu a presentace struktury universálního kmitočtového filtru druhého řádu využívající tři pasivní prvky a tři aktivní prvky CFTA. Navržený universální filtr splňuje všechny čtyři uvedená kritéria. Literatura (i) (ii) (iii) (iv) [3] Obr. ano ne ano ano [4] Obr. ano ne ano ano [5] Obr. 1 ano ne ano ano [6] Obr. 1 ano ne ano ano [7] Obr. 1 ano ne ano ano [8] Obr. 1 ano ano ne ano [9] Obr. 3 ano ano ne ano [1] Obr. 1 ano ano ne ano [11] Obr. 1 ano ano ne ne [1] Obr. 7 ano ano ne ne [13] Obr. ano ano ne ne [14] Obr. 1 ano ano ano ne [15] Obr. 5 ano ano ano ne [16] Obr. ano ano ano ano [17] Obr. 1 ano ano ano ano [18] Obr. ano ano ano ano [19] Obr. 1e) ano ano ano ano [navržené zapojení] Obr. 5a) ano ano ano ano 57-1

2 9/ Tab. č. 1: Porovnání výsledků průzkumu filtračních struktur v proudovém módu a) b) Obr. č. 1: a) Behaviorální model prvku CFTA+-, b) schematická značka CFTA+-. POPS PRVKŮ CFTA A MO-CFTA deální behaviorální model prvku CFTA je uveden na Obr. 1a [], [1]. Prvek vznikl kombinací proudového sledovače (CF) [], který je vstupní částí navrženého prvku, a transkonduktančního zesilovače se symetrickými výstupy (BOTA) [3], který tvoří výstupní část prvku. Schematická značka prvku CFTA je uvedena na Obr. 1b a na Obr. a je pak uvedena realizace pomocí bloků CF a BOTA. Prvek byl definován dle branové konvence, tj. všechny proudy tečou do obvodu. Prvek má jeden nízkoimpedanční proudový vstup f. Proud ze svorky f se proudovým sledovačem přenáší na pomocnou svorku z. Napětí V z na této svorce je pomocí transkonduktance g m konvertováno na proudy, které tečou do výstupních svorek x+ a x-. Na Obr. b je M-C graf prvku CFTA+- a jeho možná náhradní realizace pomocí komerčně dostupných aktivních prvků A844 a MAX435 je uvedena na Obr. c. Maticová rovnice popisující vztahy mezi jednotlivými svorkami prvku CFTA+- je: z 1 Vz x+ gm Vx+. (1) x gm V x V f f Aktivní prvek CFTA je zjednodušenou variantou obvodu CTA (Current ifferencing Transconductance Amplifier), viz např. [4]. Bylo zjištěno, že prvek CTA je pro filtrační aplikace zbytečně obvodově složitý, protože jednoduchou úpravou zapojení s CTA lze vystačit s prvkem CFTA. V roce 1968 a 197 Smith a Sedra představili v [5] a [6] proudový konvejor první (CC) a druhé generace (CC). Proudový konvejor třetí generace (CC) zavedl Fabre v roku 1995 v [7]. V roce byl na našem pracovišti ve spolupráci s firmou AM Semiconductor esign Centre vyvinut univerzální proudový konvejor UCC [8], [9], který byl vyroben v technologii CMOS.35 µm pod označením UCC-N1B. Součástí integrovaného obvodu UCC-N1B 5 je, kromě UCC, i proudový konvejor druhé generace CC+/-. UCC je definován jako obecný osmibran, který má tři vysokoimpedanční napěťové vstupy (Y 1+, Y - a Y 3+), přičemž jeden je rozdílový (Y -) a dva součtové (Y 1+, Y 3+), jeden nízkoimpedanční vstup X a čtyři proudové výstupy (Z 1+, Z 1-, Z +, Z -). Výstupy Z 1-, Z - jsou inverzní vůči výstupům Z 1+, Z +. Prvek UCC v sobě obsahuje všechny typy známých i zatím neznámých proudových konvejorů všech generací, které lze získat propojením či uzemněním vhodných svorek [3]-[33]. ntegrovaný obvod UCC-N1B 5 je natolik univerzální, že jsme ho použili pro realizaci vícevýstupového CFTA (MO-CFTA), jehož schematická značka je uvedena na Obr. 3a. Vlastní realizace MO-CFTA pomocí UCC-N1B 5 je pak uvedena na Obr. 3b. Proudový sledovač je zde realizován pomocí CC+/- a transkonduktanční vícevýstupový zesilovač je realizován UCC, přičemž transkonduktance g m je definována odporem rezistoru R K [34]. Podle využití svorek x lze realizovat podle Obr. 3b tyto prvky: CFTA++, CFTA--, CFTA+-, CFTA+-+, CFTA-+- a CFTA+-+-. a) b) c) Obr. č. : a) Bloková schéma prvku CFTA+-, b) M-C graf prvku CFTA+-, c) možná realizace CFTA+- pomocí komerčně dostupných zesilovačů a) b) Obr. č. 3: a) Schematická značka MO-CFTA, b) jeho realizace pomocí UCC-N1B 57-

3 9/ NÁVRH FLTRU Zapojení navrženého kmitočtového filtru typu MMO (multi-input-multi-output) s CFTA je uvedeno na Obr. 4. Ve struktuře jsou všechny pasivní prvky uzemněné, což je výhodné z důvodu snazší realizovatelnosti uzemněných pasivních prvků při integraci. Obvod byl analyzován pomocí grafů signálových toků a je popsán charakteristickou rovnicí: Y Y Y + Y g g + g g g. () m m3 m1 m m3 a) Volbou pasivních prvků Y 1 pc 1, Y G, Y 3 pc 3 (varianta A) přejde rovnice () na tvar splňující podmínku realizovatelnosti kmitočtového filtru druhého řádu: p C C G + p C g g + g g g. (3) m m3 m1 m m3 V případě, že jako vstup je užita svorka N a N1 N3, lze pomocí obvodu na Obr. 4 realizovat následující přenosové funkce v proudovém módu: A-i) neinvertující dolní propust (P): pokud využijeme výstupní svorku OUT1, pak komplexní přenosová funkce proudu má tvar OUT1 m1 m m3 N g g g, (4) A-ii) neinvertující horní propust (HP): pokud využijeme výstupní svorku OUT, pak komplexní přenosová funkce OUT p C1C 3gm N, (5) A-iii) neinvertující pásmová zádrž (PZ): pokud spojíme výstupní svorky OUT OUT1 + OUT, pak komplexní přenosová funkce proudu OUT p C1C 3gm + gm1gmgm3 N. (6) Pomocí varianty A lze tedy realizovat dolní propust, horní propust a pásmovou zádrž druhého řádu. Pokud budeme mít k dispozici MO-CFTA, ať již v integrované podobě, nebo realizovaný pomocí UCC-N1B 5, můžeme funkce obvodu uvedeného na Obr. 4 dále rozšířit tak, jak je uvedeno na Obr. 5a. V případě varianty A, tj. Y 1 pc 1, b) Obr. č. 5: a) Filtr využívající MO-CFTA, b) jeho realizace pomocí UCC-N1B Obr. č. 6: M-C graf navrženého univerzálního filtru podle Obr. 5a: varianta A Y G, Y 3 pc 3 zůstávají přenosové funkce (4) až (6) v platnosti a navíc lze realizovat s využitím proudového výstupu OUT3 tyto další přenosové funkce: A-iv) invertující pásmovou propust (ipp) OUT3 1 m m3 N pc g g, (7) A-v) neinvertující fázovací článek (FČ) získáme propojením všech výstupních svorek OUT OUT1 + OUT + OUT3 a pak komplexní přenosová funkce proudu bude mít tvar OUT C1C 3gm C1 gmgm3 + gm1gm gm3 p p N. (8) Obr. č. 4: Multifunkční filtr s CFTA pracující v proudovém módu typu MMO 57-3 Navržené zapojení podle Obr. 5a je universální, tj. pomocí této struktury lze realizovat dolní, pásmovou, horní propust, pásmovou zádrž a fázovací článek druhého řádu. Řešení lze ve smyslu [19] zařadit do kategorie SMO (single-input-multi-output). Pro analýzu byla opět využita metoda grafů signálových toků. M-C graf je uveden na Obr. 6.

4 9/ Obr. č. 7: M-C graf navrženého univerzálního filtru podle Obr. 5a: varianta B Volbou pasivních prvků Y 1 pc 1, Y pc, Y 3 G 3 (varianta B) přejde rovnice () na tvar splňující podmínku realizovatelnosti kmitočtového filtru: p C C G + p C g g + g g g. (9) m m3 m1 m m3 V tomto případě uvažujeme jediný výstupní proud OUT3. Realizovatelné přenosové funkce v proudovém módu jsou následující: B-i) neinvertující dolní propust (P): pokud N N3, pak komplexní přenosová funkce proudu bude mít tvar OUT3 m1 m m3 N1 g g g, (1) B-ii) invertující pásmová propust (ipp): pokud N1 N3, pak přenosová funkce OUT3 1 m m3 N pc g g, (11) B-iii) neinvertující horní propust (HP): zvolíme-li N1 N, pak OUT3 p C1C gm3 N3, (1) B-iv) neinvertující pásmová zádrž (PZ): pokud spojíme svorky N1 a N3 bude N N1 + N3 a zvolíme-li N pak přenosová funkce OUT3 p C1C g m3 + gm1gm gm3 N, (13) B-v) neinvertující fázovací článek (FČ) získáme propojením všech tří vstupních svorek N N1 + N + N3 a komplexní přenosová funkce bude mít tvar OUT3 C1C gm3 C1 gmg m3 + gm1gm gm3 p p N. (14) Podle [19] lze tuto variantu řešení universálního filtru zařadit mezi zapojení typu MSO (multi-input-singleoutput). M-C graf je uveden na Obr CTLVOSTNÍ ANALÝZA Reálný prvek CFTA lze popsat přesněji takto: V f, z α f, x+ g mv z a x- -g mv z, (15) kde α 1 - ε i a ε i ( ε i 1) pak označuje chybu při výrobě proudového sledovače v stupní části prvku CFTA. Jsou-li uvažovány neideální vlastnosti prvků CFTA, pak charakteristická rovnice obvodu podle Obr. 5a ve variantě A má tvar: p C C G + α α pc g g m m3 + α α α g g g, 1 3 m1 m m3 (16) a pro charakteristický kmitočet ω, činitel jakosti Q a ω /Q platí: α α α g g g 1 3 m1 m m3 ω, (17) C1C 3G Q α C G g 1 3 m1, (18) αα3c1 gmgm3 ω αα3gmgm3. (19) Q C G 3 Relativní citlivosti [35] těchto parametrů na jednotlivé aktivní a pasivní prvky jsou: ω ω ω 1 Sα 1, α, α S 3 gm1, gm, g S m3 C1, C3, G, () Q Q Q Q 1 Sα S 1 α, α S 3 C3, G, g S m1 C1, gm, g m3, (1) ω ω ω Q Q Q α, α3, gm, gm3 C3, G α1, C1, gm1 S S 1, S. () Z výsledků je zřejmé, že všechny aktivní a pasivní citlivosti nejsou vyšší než jedna v absolutní hodnotě. 5. VÝSLEKY SMULACE Konkrétní řešení varianty A univerzálního filtru podle Obr. 5a s využitím obvodu UCC-N1B 5 je naznačeno na Obr. 5b. Při počítačovém ověření tohoto filtru v programu PSpice byl použit model 3. úrovně prvku UCC-N1B 5, který byl prezentován v [36]. Byly zvoleny kapacity C 1 C 3.5 nf a odpory R 1/G R K1 1/g m1 R K 1/g m R K3 1/g m3 1 kω pro charakteristický kmitočet f 318 khz s činitelem jakosti filtrů Q 1. Na Obr. 8a jsou výsledné kmitočtové charakteristiky proudových přenosů dolní, pásmové, horní propusti a pásmové zádrže. Výsledné kmitočtové charakteristiky fázovacího článku jsou pak na Obr. 8b. Skutečný charakteristický kmitočet filtrů byl f 39 khz. Z výsledků simulací je zřejmé, že výsledné řešení odpovídá teoretickým předpokladům. V oblasti vysokých kmitočtů jsou vlastnosti filtru ovlivněny reálnými vlastnostmi proudových konvejorů UCC-N1B

5 9/ Přenos (db) Přenos (db) olní propust Pásmová propust Horní propust Pásmová zádrž 1k 1k 1M 1M Frekvence (Hz) a) 1k 1k 1M 1M Frekvence (Hz) b) Obr. č. 8: Ověření vlastností universálního filtru v proudovém módu podle Obr. 5b osazeného UCC-N1B 5: a) dolní, pásmové, horní propust a pásmová zádrž, b) fázovací článek 6. ZÁVĚR Článek prezentuje univerzální kmitočtový filtr aktivním prvek CFTA. Je ukázán způsob implementace CFTA+pomocí komerčně dostupných aktivních prvků. Byla ukázána také možnost využití integrovaného obvodu UCC-N1B 5 jako vhodného stavebního prvku pro obvodovou realizaci CFTA s více proudovými výstupy. Výhodou prezentovaného zapojení je, že umožňuje realizovat všechny typy filtrů, dále nízký počet aktivních a pasivních prvků - tři aktivní a tři pasivní prvky, kdy navíc pasivní prvky jsou ve struktuře uzemněny a proudové odezvy jsou snímány na přímých proudových výstupech. POĚKOVÁNÍ Výzkum nových aktivních prvků je podporován Grantovou agenturou České republiky, projekt č. 1/9/1681 a výzkumným projektem č. MSM Ministerstva školství České republiky. Fáze ( ) LTERATURA [1] TOUMAZOU, C., LGEY, F. J., HAGH,. G. Analogue C esign: The current-mode approach. London: Peter Peregrinus Ltd., 199. [] TAKAG, S. Analog circuit designs in the last decade and their trends toward the 1st century. ECE Trans. Fundamentals, roč. E84-A, č. 1, s , 1. [3] MNAE, S., TÜRKÖZ, S. Current-mode electronically tunable universal filter using only plus-type current controlled conveyors and grounded capacitors. ETR Journal, roč. 6, č. 4, s. 9-96, 4. [4] TSUKUTAN, T., SUM, Y., FUKU, Y. Electronically tunable current-mode OTA-C biquad using twointegrator loop structure. Frequenz, roč. 6, č. 3-4, s , 6. [5] ABUELMA ATT, M. T., TASAUQ, N. A. A novel single-input multiple-output current-mode currentcontrolled universal filter. Microelectr. Journal, roč. 9, s , [6] ABUELMA ATT, M. T., BENTRCA, A. A novel mixedmode OTA-C universal filter. nt. J. Electronics, roč. 9, č. 7, s , 5. [7] SHAH, N. A., RATHER, M. F., QBAL, S. Z. SFO electronically tunable current-mode cascadable active-only universal filter. J. of Active and Passive Electronic evices, roč. 1, č. 3-4, s , 6. [8] TOKER, A., ÖZOĞUZ, S., ÇÇEKOĞLU, O. A new current-mode multifunction filter with minimum components using dual-output current conveyors. ECE Trans. Fundamentals, roč. E83-A, č. 11, s ,. [9] SAGBAS, M., FANBOYLU, K., BAYRAM, M. C. A new current-mode multifunction filter with high impedance outputs using minimum number of passive elements. Proc. of WASET, roč., s , 4. [1] SHAH, N. A., RATHER, M. F., QBAL, S. Z. Electronically tunable high output impedance current-mode universal filter. J. of Active and Passive Electronic evices, roč. 1, č., s , 5. [11] HORNG, J.-W., HOU, C.-L., CHANG, C.-M., CHUNG, W.- Y., TANG, H.-W. Current-mode multifunction filters and quadrature oscillator using unit gain cells. J. of Active and Passive Electronic evices, roč. 1, č. 3-4, s , 6. [1] MNAE, S., SAYN, O. K., KUNTMAN, H. A new CMOS electronically tunable current conveyor and its application to current-mode filters. EEE Ttransactions on CAS-, roč. 53, č. 7, s , 6. [13] ÖZCAN, S., KUNTMAN, H., ÇÇEKOĞLU, O. Cascadable current mode multipurpose filters employing Current ifferencing Buffered Amplifier (CBA). nt. 57-5

6 9/ J. Electron. Commun. (AEU), roč. 56, č., s. 67-7,. [14] KHAN,. A., ZA, M. H. Multifunctional translinear- C current-mode filter. nt. J. Electronics, roč. 87, č. 9, s ,. [15] SHAH, N. A., MALK, M. A. Voltage/Current-mode universal filter using FTFN and CFA. Analog ntegrated Circuits and Signal Processing, roč. 45, č., s , 5. [16] ÇÇEKOĞLU, O. High output impedance currentmode four-function filter with reduced number of active and passive elements using the dual-output current conveyor. Analog ntegrated Circuits and Signal Processing, roč. 8, č., s. 1-4, 1. [17] SENAN, R. New universal current mode biquad employing all grounded passive components but only two OCCs. J. of Active and Passive Electronic evices, roč. 1, č. 3-4, s , 6. [18] TSUKUTAN, T., EASAK, S., SUM, Y., FUKU, Y. Current-mode universal biquad filter using OTAs and O-CC. Frequenz, roč. 6, č. 11-1, s. 37-4, 6. [19] BHASKAR,. R., SHARMA, R. K., SNGH, A. K., SENAN, R. New dual-mode biquads using OTAs. Frequenz, roč. 6, č. 11-1, s. 46-5, 6. [] HERENCSAR, N., KOTON, J., VRBA, K., LATTENBERG,. Novel SMO type current-mode universal filter using CFTAs and CMs. n Proceedings of the 31th nternational Conference on Telecommunications and Signal Processing TSP 8, Paradfurdo, Hungary, září 8, s [1] HERENCSAR, N., KOTON, J., VRBA, K. Realization of current-mode KHN-equivalent biquad using current follower transconductance amplifiers (CFTAs). ECE Trans. on Fundamentals, accepted in 9, to be published. [] CELMA, S., SABAELL, J., MARTNEZ, P. Universal filter using unity-gain cells. Electronics Letters, roč. 31, č. 1, s , [3] GEGER, R. L., SÁNCHEZ-SNENCO, E. Active Filter esign Using Operational Transconductance Amplifiers: A Tutorial. EEE Circ. and ev. Mag., roč. 1, s. -3, [4] TANGSRRAT, W., SURAKAMPONTORN, W. Systematic realization of cascadable current-mode filters using current differencing transconductance amplifiers. Frequenz, roč. 6, č. 11-1, s , 6. [5] SMTH, K. C., SERA, A. The current conveyor: a new circuit building block. EEE Proc., roč. 56, s , [6] SERA, A., SMTH, K. C. A second generation current conveyor and its applications. EEE Trans. Circ. Theory, roč. 17, s , 197. [7] FABRE, A. Third generation current conveyor: a new helpful active element. Electronics Letters, roč. 31, č. 5, s , [8] BECVAR,., VRBA, K., VRBA, R. Universal current conveyor: a novel helpful active building block. n Proceedings of the 7th EEE nternational Conference on Telecommunications (CT), Mexico, s. 16-,. [9] FERR, G., GUERRN, N. C. Low-Voltage Low-Power CMOS Current Conveyors. London: Kluwer Acad. Publ., 3. [3] BECVAR,., VRBA, K. Novel generations of inverting current conveyor using universal current conveyor. The Technology nterface, roč. 3, č. 4,. [31] CAJKA, J., OSTAL, T., VRBA, K. General view on current conveyors. nt. Journal of Circuit Theory and Applications, roč. 3, s , 4. [3] VRBA, K., SPONAR, R., KUBANEK,. Current-mode VHF high-quality analog filters suitable for spectral network analysis. Lecture Notes in Computer Science, Networking, Springer Verlag Berlin Heidelberg, roč. 341, s , 5. [33] CAJKA, J., VRBA, K., MSUREC, J. New Universal Biquad Using UCCX evices. Frequenz, roč. 6, č. 7-8, s , 6. [34] HERENCSAR, N., VRBA, K. Current conveyors-based circuits using novel transformation method. ECE Electron. Express, roč. 4, č. 1, s , 7. [35] CHEN, W. K. The VLS Handbook. USA, Boca Raton: CRC Press,. [36] SPONAR, R., VRBA, K. Measurements and behavioral modeling of modern conveyors. nt. J. of Computer Science and Network Security, roč. 6, č. 3A, s ,