Jiří Petržela
motivace miniaturizace vytvoření plně integrovaného filtru jednotnou technologií redukce plochy na čipu snížení ceny výhody koncepce spínaných kapacitorů (SC) koeficienty přenosové funkce jsou určeny poměry kapacit, které lze udržet s přesností lepší než 0.% možnost přeladitelnosti
nevýhody obvodů SC spínací jevy vzorkovací efekt antialiasingový filtr musí platit f spinaci >>f mezni ztráty v obvodech SC přívodní vodiče vyzařování přechodné děje, nabíjení a vybíjení kapacitorů
elektronické spínače jsou realizovány MOSFETy, R on 00Ω a R off TΩ Fig. : Schematické značky a označení spínačů.
model elektronického spínače je potřeba uvážit kapacity mezi všemi eelektrodami průnik spínacích jevů do užitečného signálu Fig. 2: Schematické značky a označení spínačů.
přenosová funkce filtru se spínanými kapacitory SC filtry pracují diskétně v čase a spojitě v hodnotě přenosovou funkci lze vyjádřit v z-transformaci K ( p) U ( z) a z +... + a m 2 vystup m 2 U vstup ( ) n 2 z bn z +... + b2 z + b z + b0 z + lze ji odvodit z analogového přenosu pomocí transformace p-z, definiční vztah pt z e p ln z T z důvodu snazšího zpracování nahradíme logaritmus řadou a z + a 0
aproximující transformace BD, backward difference p T ( z ) z pt BL, bilinear p 2 T z z + z 2 2 + pt pt aproximující transformace vede na deformaci kmitočtových charakteristik metoda předzkreslení kmitočtových charakteristik
simulace uzemněného rezistoru spínaným kapacitorem sudá fáze střední hodnota proudu Q t 0 + T 0 / 2 0 + T i dt ekvivalentní odpor t t t 0 i dt ( t0 + T / 2) CU Q R ekv Q T T C Q t ( + T / 2) 0 T f C vz CU T I Fig. 3: Simulace uzemněného a plovoucího rezistoru.
simulace plovoucího rezistoru spínaným kapacitorem první sudá fáze kapacitor se nabije na Q ( t0 + T / 2) CU první lichá fáze kapacitor se nabije na Q( t + T ) CU CU C( U ) 0 2 U 2 druhá sudá fáze kapacitor se nabije na Q( t + 3T / ) CU CU C( U U ) střední hodnota proudu Q ekvivalentní odpor C( U U ) 0 2 2 ( + 3T / 2) t0 + 3T / 2 t0 + 3T / 2 t0 + 3T Q Q t0 i dt i dt i T T T t + T t + T / 2 t + T 0 0 I T C U U I 2 2 Rekv Rekv T 2 0 / 2 / 2 dt f C vz I
simulace plovoucího rezistoru spínaným kapacitorem ekvivalentní odpor prvního zapojení ( 4C) / ( f C) Rekv T / 4 ekvivalentní odpor druhého zapojení Rekv T / C / vz ( f C) vz Fig. 4: Další možnosti simulace plovoucího rezistoru.
simulace induktoru a bicistoru Fig. 5: Plovoucí induktor, zemněný bezeztrátový bicistor a ztrátový bicistor.
integrátory se spínanými kapacitory Fig. 6: Různé realizace integrátorů obvody SC.
bikvady se spínanými kapacitory Fig. 7: Kaskáda SC integrátorů, bikvad.
aplikace SC filtrů z hlediska uživatele integrovaný filtr s vyhovující kmitočtovou char. a parametry filtr sestavíme z integrovaných bloků druhého řádu filtr sestrojíme z diskrétních součástek výrobci integrovaných filtrů se spínanými kapacitory Linear Technology Maxim
kategorie filtrů se spínanými kapacitory filtry s pevně nastaveným průběhem kmitočtové char. přeladění změnou f s bez externích součástek Fig. 8: Integrované filtry s pevně nastaveným průběhem kmitočtové char.
filtry druhého řádu, Microprocessor Programmable přeladění změnou f s bez externích součástek obvody MAX260, MAX26, MAX262 obsahují dvojici filtrů druhého řádu nutnost naprogramovat f 0 (0.0Hz,40kHz) 6 bity nutnost naprogramovat Q (0.5, 90) 7 bity programuje se pomocí speciálního programu uvedeného v katalogu, například přes paralelní port PC
Fig. 9: Blokové schéma vnitřní struktury obvodu MAX260 a typické časování.
filtry druhého řádu, Resistor/Pin Programmable přeladění změnou f s s externími rezistory MAX265, MAX 266 obsahují dvě sekce filtrů druhého řádu poměr f s /f 0 každé sekce lze nastavit 6 bity celková přenosová funkce se nastavuje vnějšími rezistory
filtry druhého řádu, Resistor Programmable přeladění změnou f s a s externími rezistory MF0, LTC059, LTC060, LTC06, LTC064 obsahují dvojice integrátorů s identickými časovými konstantami typ přenosové funkce i Q je nutno nastavit vnějšími rezistory a vhodnou volbou vstupu a výstupu bloky lze přeladit v intervalu od 0.Hz do 40kHz (první typ pouze do 30kHz)
filtry druhého řádu, Resistor Programmable maximální vzorkovací frekvence je 7MHz poměr f s /f 0 lze přepínat mezi 00: a 50: volbou logické úrovně na příslušném vývodu jednotlivé typy se liší počtem dvojic integrátorů a přítomností přídavného operačního zesilovače
stejnosměrně přesné dolní propusti částečné přeladění změnou f s a externí rezistor a kapacitor LTC062 (Butterworth), MAX280 (Butterworth), MAX28 (Bessel) tvoří dolní propust pátého řádu poměr spínací a mezní frekvence je 00: mezní kmitočet lze nastavit do 20kHz obvody lze řadit do kaskády
Fig. 0: Návrh konkrétního SC filtru programem FilterCAD od Linear Technology, výsledný filtr typu pásmová zádrž.
přesný stavební blok LTC043 obsahuje čtveřici přesných spínačů a generátor spínacího signálu generátor spínacího signálu lze zablokovat a spínat externím signálem do 5MHz lze jím jednoduše realizovat různé obvody na principu spínaných kapacitorů
Fig. : Konfigurace pinů obvodu LTC043 a jedna z možností jeho aplikace, fitr typu pásmová propust.
děkuji za pozornost otázky? 2.2.2009