Abychom se vyhnuli užití diferenčních sumátorů, je vhodné soustavu rovnic(5.77) upravit následujícím způsobem

Podobné dokumenty
elektrické filtry Jiří Petržela filtry se spínanými kapacitory

Přednáška v rámci PhD. Studia

Kapacita, indukčnost; kapacitor-kondenzátor, induktor-cívka

r Odvoď te přenosovou funkci obvodů na obr.2.16, je-li vstupem napě tí u 1 a výstupem napě tí u 2. Uvaž ujte R = 1Ω, L = 1H a C = 1F.

Kompenzovaný vstupní dělič Analogový nízkofrekvenční milivoltmetr

Tel-30 Nabíjení kapacitoru konstantním proudem [V(C1), I(C1)] Start: Transient Tranzientní analýza ukazuje, jaké napětí vytvoří proud 5mA za 4ms na ka

Operační zesilovač, jeho vlastnosti a využití:

31SCS Speciální číslicové systémy Antialiasing

elektrické filtry Jiří Petržela všepropustné fázovací články, kmitočtové korektory

Výpočet základních analogových obvodů a návrh realizačních schémat

POZNÁMKY K ZADÁNÍ PREZENTACÍ - 17BBEO - TÉMA 2

Fyzikální praktikum 3 Operační zesilovač

(s výjimkou komparátoru v zapojení č. 5) se vyhněte saturaci výstupního napětí. Volte tedy

Přednáška v rámci PhD. Studia

Binární data. Číslicový systém. Binární data. Klávesnice Snímače polohy, dotykové displeje, myš Digitalizovaná data odvozená z analogového signálu

Teorie úlohy: Operační zesilovač je elektronický obvod, který se využívá v měřící, výpočetní a regulační technice. Má napěťové zesílení alespoň A u

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela obvodové funkce

Praktické výpočty s komplexními čísly (především absolutní hodnota a fázový úhel) viz např. vstupní test ve skriptech.

Impedanční děliče - příklady

MĚŘENÍ A ANALÝZA ELEKTROAKUSTICKÝCH SOUSTAV NA MODELECH. Petr Kopecký ČVUT, Fakulta elektrotechnická, Katedra Radioelektroniky

OPERA Č NÍ ZESILOVA Č E

Elektronické praktikum EPR1

Signál v čase a jeho spektrum

Operační zesilovač (dále OZ)

V následujícím obvodě určete metodou postupného zjednodušování hodnoty zadaných proudů, napětí a výkonů. Zadáno: U Z = 30 V R 6 = 30 Ω R 3 = 40 Ω R 3

- + C 2 A B V 1 V 2 - U cc

PŘECHODOVÝ JEV V RC OBVODU

Soustavy se spínanými kapacitory - SC. 1. Základní princip:

Určeno pro posluchače všech bakalářských studijních programů FS

1 U Zapište hodnotu časové konstanty derivačního obvodu. Vyznačte měřítko na časové ose v uvedeném grafu.

Obvodové prvky a jejich

APLIKACE SIMULAČNÍHO PROGRAMU ANSYS PRO VÝUKU MIKROELEKTROTECHNICKÝCH TECHNOLOGIÍ

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

do magisterské etapy programu ELEKTRONIKA A KOMUNIKACE

Operační zesilovač. Úloha A2: Úkoly: Nutné vstupní znalosti: Diagnostika a testování elektronických systémů

elektrické filtry Jiří Petržela filtry založené na jiných fyzikálních principech

Mějme obvod podle obrázku. Jaké napětí bude v bodech 1, 2, 3 (proti zemní svorce)? Jaké mezi uzly 1 a 2? Jaké mezi uzly 2 a 3?

7.1. Číslicové filtry IIR

elektrické filtry Jiří Petržela aktivní filtry

Punčochář, J.: OPERAČNÍ ZESILOVAČE V ANALOGOVÝCH SYSTÉMECH 1

Kapitola 1. Signály a systémy. 1.1 Klasifikace signálů

Zvyšující DC-DC měnič

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela analýza obvodů metodou orientovaných grafů

PŘELAĎOVÁNÍ AKTIVNÍCH FILTRŮ POMOCÍ NAPĚŤOVĚ ŘÍZENÝCH ZESILOVAČŮ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ ANALOGOVÝ SPÍNAČ PRO APLIKACE V TECHNICE SPÍNANÝCH PROUDŮ

Návrh frekvenčního filtru

PŘEDNÁŠKA 1 - OBSAH. Přednáška 1 - Obsah

Elektronický přepínač rezistorů, řízený PC

elektrické filtry Jiří Petržela aktivní prvky v elektrických filtrech

Schmittův klopný obvod

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

Úvod do zpracování signálů

Oscilátory. Návod k přípravku pro laboratorní cvičení v předmětu EO.

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

Ideální frekvenční charakteristiky filtrů podle bodu 1. až 4. v netypických lineárních souřadnicích jsou znázorněny na následujícím obrázku. U 1.

Automatizační technika. Regulační obvod. Obsah

Diskretizace. 29. dubna 2015

ISŠ Nova Paka, Kumburska 846, Nova Paka Automatizace Dynamické vlastnosti členů členy a regulátory

Analogově číslicové převodníky

Řídicí obvody (budiče) MOSFET a IGBT. Rozdíly v buzení bipolárních a unipolárních součástek

8. Sběr a zpracování technologických proměnných

Měření neelektrických veličin. Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování

2. NELINEÁRNÍ APLIKACE OPERAČNÍCH ZESILOVAČŮ

Základní zapojení s OZ. Vlastnosti a parametry operačních zesilovačů

2. Pomocí Theveninova teorému zjednodušte zapojení na obrázku, vypočtěte hodnoty jeho prvků. U 1 =10 V, R 1 =1 kω, R 2 =2,2 kω.

Měřená veličina. Rušení vyzařováním: magnetická složka (9kHz 150kHz), magnetická a elektrická složka (150kHz 30MHz) Rušivé elektromagnetické pole

Základní pasivní a aktivní obvodové prvky

Příklady: 28. Obvody. 16. prosince 2008 FI FSI VUT v Brn 1

Experiment s FM přijímačem TDA7000

ITO. Semestrální projekt. Fakulta Informačních Technologií

Publikace prezentuje nìkteré poznatky z obsáhlé oblasti analogových soustav, které v poslední dobì prodìlávají rozvoj. Z toho dùvodu ani nemùže podat

Modelování a simulace Lukáš Otte

ZDROJE MĚŘÍCÍHO SIGNÁLU MĚŘÍCÍ GENERÁTORY

Praha technic/(4 -+ (/T'ERATU"'P. ))I~~

SEMESTRÁLNÍ PRÁCE Z PŘEDMĚTU NÁVRH A ANALÝZA ELEKTRONICKÝCH OBVODŮ

Harmonický ustálený stav pokyny k měření Laboratorní cvičení č. 1

ELEKTROTECHNIKA 2 TEMATICKÉ OKRUHY

Základy elektrotechniky 2 (21ZEL2) Přednáška 1

Nespojité (dvou- a třípolohové ) regulátory

POZNÁMKY K ZADÁNÍ PREZENTACÍ - 17BBEO - TÉMA 1

Přenos pasivního dvojbranu RC

3. Měření efektivní hodnoty, výkonu a spotřeby energie

V následujícím obvodě určete metodou postupného zjednodušování hodnoty zadaných proudů, napětí a výkonů. Zadáno: U Z = 30 V R 6 = 30 Ω R 3 = 40 Ω R 3

Studium tranzistorového zesilovače

Obrázek 1 schéma zapojení měřícího přípravku. Obrázek 2 realizace přípravku

+ U CC R C R B I C U BC I B U CE U BE I E R E I B + R B1 U C I - I B I U RB2 R B2

6 Algebra blokových schémat

20ZEKT: přednáška č. 3

Přednáška 3 - Obsah. 2 Parazitní body effect u NMOS tranzistoru (CMOS proces) 2

3. Kmitočtové charakteristiky

II. Nakreslete zapojení a popište funkci a význam součástí následujícího obvodu: Integrátor s OZ

PŘÍKLAD PŘECHODNÝ DĚJ DRUHÉHO ŘÁDU ŘEŠENÍ V ČASOVÉ OBLASTI A S VYUŽITÍM OPERÁTOROVÉ ANALÝZY

Profilová část maturitní zkoušky 2015/2016

I. Současná analogová technika

Návrh toroidního generátoru

Dolní propust třetího řádu v čistě proudovém módu

TECHNICKÝ POPIS ZDROJŮ ŘADY EZ1 T 73304

10. Operační zesilovače a jejich aplikace, parametry OZ. Vlastnosti lineárních operačních sítí a sítí s nelineární zpětnou vazbou

KTE/TEVS - Rychlá Fourierova transformace. Pavel Karban. Katedra teoretické elektrotechniky Fakulta elektrotechnická Západočeská univerzita v Plzni

Transkript:

Abychom se vyhnuli užití diferenčních sumátorů, je vhodné soustavu rovnic(5.77) upravit následujícím způsobem I 1 = 1 + pl 1 (U 1 +( )), = 1 pc 2 ( I 1+( I 3 )), I 3 = pl 3 (U 3 +( )), 1 U 3 = (pc 4 +1/ 2 ) ( I 3). (5.78) Výsledné schéma realizace je uvedeno na obr.5.39, ve kterém integrátory mají dílčí přenosy H 1 =, H 2 = 1 1 + p L 1 p C 2, H 3= p L 3, 1 H 4 = (p C 4 +1/ 2 ). (5.79) I 1 I 3 H 1 H 2 H 3 H 4 U 1 U 3 Obrázek 5.39: Modifikovaná Leap-frog struktura Obecnější přístup i pro realizace pásmových propusti lze nalézt v pracech[38], [39],[32]. 5.2.5. Filtry se spínanými kapacitory Filtry se spínanými kapacitory umožňují mikroelektronickou realizaci analogového filtrunajednomčipu 9.Vmoderníchmikroelektronickýchtechnologiíchjeproblematická realizace i samotných rezistorů. Problém spočívá i v tom, že rezistory nelze jednoduše integrovat s dostatečnou přesností a reprodukovatelností. Omezení vyplývají také z relativně velkého objemu, který rezistory zaujímají na čipu a nelineární závislosti jejich odporu na přiloženém napětí. ezistorům se můžeme vyhnout aplikací obvodů se spínanými kapacitory(sc). Obvody SC jsou založeny na poznatku, že periodicky přepínaný kapacitor může simulovat chování rezistoru.naobr.5.4ajenaznačenrezistor zapojenýmezidvěrůznánapětí U 1 a. ezistorem bude podle Ohmova zákona procházet proud I= U 1. (5.8) Obr.5.4bznázorňujeekvivalentnízapojenísespínanýmkapacitorem C.Kapaci- 9 Prvníobvody,realizovanétechnologiíNMOS,uvedlanatrhfirmaINTELpočátkemosmdesátých let při realizaci účastnického kodeku telekomunikačního systému. 149

5.2. Aktivní filtry I I a f c U 1 U 1 C a) b) Obrázek 5.4: Simulace rezistoru spínaným kapacitorem torjestřídavěpřepínánnanapětí U 1 a.ychlostpřepínáníjedánahodinovým (taktovacím)kmitočtem f c.běhemprvnípolovinyspínacíperiody,kdyjekapacitorpřipojenknapětí U 1,senakapacitoruvytvořínábojovelikosti Q 1 = C U 1. (5.81) Vdruhépoloviněspínacíperiodyjekapacitorpřipojenknapětí,čímžsezmění hodnota náboje na Q 2 = C. (5.82) Včasejednéperiody T=1/f c takdojdekezměněnáboje Q=Q 1 Q 2 = C (U 1 ). (5.83) Podíl Q/Tpakudáváprůměrnýproud I a,kterýprojdezajednuperiodu I a = Q T = C (U 1 ). (5.84) T Ekvivalentníodpor eq přepínanéhokapacitorujepakdánvztahem eq = U 1 I a = T C = 1 f c C. (5.85) Z rovnice(5.85) vyplývají dvě důležité vlastnosti SC obvodů: 1.Velikost eq jemožnéměnitzměnouhodinovéhokmitočtu.tímjeumožněna snadná přeladitelnost SC filtrů. 2.Velikost eq jenepřímoúměrnávelikostikapacitypřepínanéhokapacitoru.to znamená, že velikosti časových konstant ve filtru budou záviset na podílu kapacit dvou kapacitorů(a samozřejmě na hodinovém kmitočtu), jak ukazuje následný vztah τ= C τ= C f c C. (5.86) 15 Uvedená vlastnost je velmi výhodná. Pokud bude SC filtr součástí monoliticky integrované struktury, oba kapacitory budou realizovány stejnou technologií. Lze předpokládat, že se technologické odchylky(tolerance) projeví stejným způsobem v hodnotách kapacit obou kapacitorů. Protože jsou v poměru, jejich tolerance se jen málo uplatní na konečných hodnotách časových konstant filtru.

φ 1 φ 2 φ 1 φ 2 U C 1 φ 1 U C 1 φ 2 a) b) c) Obrázek 5.41: Praktická realizace spínaného kapacitoru Na obr.5.41a je ukázána praktická realizace spínaného kapacitoru. Přepínač je nahrazen dvojicí spínačů, které jsou ovládány dvoufázovým spínacím signálem podle obr.5.41c.uhodinovéhosignálujetřebazajistit,abysefáze φ 1 a φ 2 vzájemněnepřekrývaly a nemohlo tak dojít k současnému sepnutí obou spínačů. Ve skutečnosti jsou spínače realizovány tranzistory MOS FET, jak je schematicky naznačeno na obr.5.41b. 1 Naobr.5.42jeznázorněnaukázkarealizaceintegračníhočlánkuobvo- on off T off on 1 φ 1 φ 2 U 1 C 2 U 1 C 2 a) b) Obrázek 5.42: Spojitý a spínaný integrační C článek dem SC. Výchozí zapojení je na obr.5.42a, jeho přenosová funkce má tvar (p) U 1 (p) = 1 p 1 C 2 +1. (5.87) Na obr.5.42b je uvedena jeho realizace spínaným kapacitorem. Aplikací vztahu (5.85) pro vyjádření ekvivalentního odporu získáme přenosovou funkci SC obvodu (p) U 1 (p) = 1 p C. (5.88) 2 +1 f c Užitý vztah pro vyjádření ekvivalentního odporu je jen přibližnou aproximací skutečného chování spínaného prvku. Platí za podmínky, že hodinový kmitočet je mnohem vyšší než maximální kmitočet zpracovávaného analogového signálu SC filtrem(více než 1x). Přesnější vyjádření skutečného chování SC obvodu vyplývá zúvahy,ževideálnímpřípadědocházíuscobvodukezměněstavupouzevokamžicích sepnutí spínačů a SC obvod vlastně pracuje se vzorky signálu, podobně 1 Vtechnologii CMOS je spínač realizován dvojicí komplementárních tranzistorů PMOS a NMOS. 151

5.2. Aktivní filtry jakočíslicovýfiltr 11.Kpopisuchováníobvodujemožnévyužítzákonaozachování náboje. Pro obvod na obr. 5.42b lze napsat soustavu diferenčních rovnic C 2 u 2,φ1 (n) = C 2 u 2,φ2 (n 1), (5.89) ( + C 2 )u 2,φ2 (n) = u 1,φ1 (n)+c 2 u 2,φ1 (n). (5.9) Prvnírovniceukazuje,žeběhemfáze φ 1 jenakapacitoru C 2 zachovánnáboj,který sezdevytvořilvefázi φ 2 vpředchozíperioděhodinovéhokmitočtu.kapacitor jepřipojenpřímokezdrojivstupníhonapětíaprotosenaněmvytvořínáboj úměrnýpouzevelikostitohotonapětí.druhárovniceukazuje,žeběhemfáze φ 2 se sečtounábojenakapacitorech a C 2 avýslednénapětínaparalelníkombinaci kapacitorů vynásobené součtem kapacit musí být rovno součtu nábojů, které byly nakapacitorechpředjejichspojením,tedyběhemfáze φ 1.Zrovnice(5.89)jemožné dosadit do rovnice(5.9). Získáme tak rovnici ( + C 2 )u 2,φ2 (n)= u 1,φ1 (n)+c 2 u 2,φ2 (n 1), na kterou je možné aplikovat Z-transformaci ( + C 2 ),φ2 (z)= U 1,φ1 (z)+c 2 z 1,φ2 (z), která převede diferenční rovnici na algebraickou. Z ní je možné vyjádřit přenosovou funkci SC obvodu ve tvaru,φ2 (z) U 1,φ1 (z) = + C 2 (1 z 1 ), (5.91) kde U 1,φ1 značívstupnínapětívefázi φ 1 a,φ2 značívýstupnínapětívefázi φ 2. Přenosováfunkcedofáze φ 1 budemíttvar U 1,φ1 (z) = z 1 + C 2 (1 z 1 ), (5.92) kde,φ1 značívýstupnínapětívefázi φ 1,protožezrovnice(5.89)vyplývá,že =z 1,φ2 (z). Předchozí rovnice můžeme transformovat do roviny p substitucí ovnice(5.91) přejde na tvar z= e pt.,φ2 (p) U 1,φ1 (p) = + C 2 (1 e pt ) = 1 1+ C2 (1 e pt ) 1 1+ C2 pt. (5.93) Ztétorovnicejezřejmé,žeobvodnaobr.5.42baproximujechováníobvoduna obr. 5.42a pouze pro dostatečně velký hodinový kmitočet, jak bylo uvedeno výše. 11 PřianalýzeidealizovanéhochováníSCobvodusevycházízpředpokladu,ževobvodujsou ideální spínače s nulovým odporem v sepnutém stavu a nekonečným odporem v rozepnutém stavu. Potom dochází ke změně stavu obvodu pouze v okamžicích sepnutí spínačů a proudy v obvodu mají charakter Diracových impulsů(napětí na kapacitorech se mění skokově). 152

C 2 U 1 Obrázek 5.43: SC invertující integrátor C 2 U 1 Obrázek 5.44: SC neinvertující integrátor Na obr. 5.43 je znázorněno zapojení invertujícího SC integrátoru, které používá sériové zapojení spínaného kapacitoru. Pro zapojení je možné odvodit předchozím postupem přenosovou funkci danou vztahem U 1,φ1 (z) = C 2 (1 z 1 ). (5.94) Obr. 5.44 uvádí zapojení neinvertujícího SC integrátoru. Změna z invertujícího integrátoru na neinvertující byla provedena pouhou změnou fázování dvou spínačů. Zapojení má přenosovou funkci U 1,φ1 (z) = z 1 C 2 (1 z 1 ). (5.95) Vhodnou kombinací SC integrátorů je možné realizovat přenosové funkce vyšších řádů, jak bude ukázáno v následujícím příkladu. Příklad 5.11 Obvodem SC na obr. 5.45 realizujte dolní propust s parametry vyjádřenými tolerančnímschématem: f p =4kHz, f s =12kHz, a p =1dB, a s =3dB.Hodinový kmitočetřízeníspínačůbude f c =4kHz.PoužijteCauerovuaproximaci.Nejmenší hodnotu kapacitoru volte 1 pf. 153

5.2. Aktivní filtry C 3 C 5 C 4 C 2 U 4 U 1 C 6 C 7 Obrázek 5.45: SC dolní propust 2. řádu(cauer) Řešení: Řešením aproximační úlohy a bilineární transformací(postupem uvedeným v následující kapitole věnované návrhu číslicových filtrů) lze získat přenosovou funkci H(z)=,173814 z2 +,285 z+,173814 1,91473 z 2 2,29938 z+1, Analýzou zapojení na obr. 5.45 lze dospět k přenosové funkci. (5.96) U 1,φ1 (z) = C 7 C 4 z 2 +(C 6 2 C 7 C 4 )z+ C 7 C 4 (C 4 C 5 + C 2 C 4 )z 2 +( C 3 C 4 C 5 2 C 2 C 4 )z+ C 2 C 4, (5.97) kteráplatízapředpokladu,žescobvodbudenavstupubuzenzvýstupush (sampleandhold)obvodu 12.SCobvodnenínutnéanalyzovatručně,alejemožné použít vhodný program pro symbolickou analýzu SC obvodů např.[5, 7]. Návrh SC obvoduzačínávolbouhodnotkapacitorů = C 2 = C 4 =1pF,čímžsezjednoduší funkce(5.97) na tvar U 1,φ1 (z) = C 7 z 2 +(C 6 2 C 7 )z+ C 7 (C 5 +1)z 2 +(C 3 C 5 2)z+1. (5.98) Porovnáním funkcí(5.96) a(5.98) lze získat soustavu čtyř rovnic o čtyřech neznámých C 5 +1=1,91473, (5.99) C 3 C 5 2= 2,29938, (5.1) C 7 =,173814, (5.11) C 6 2 C 7 =,285, (5.12) 12 SHobvodnazačátkuperiodyhodinovéhosignáluodeberevzorekvstupníhonapětíatuto hodnotu udržuje na výstupu po celou dobu jedné periody. 154

kde hodnoty kapacitorů budou v pf. Řešením soustavy obdržíme hodnoty kapacitzbývajícíchkapacitorů: C 5 =,9147pF, C 3 =,6154pF, C 7 =,1738pF, C 6 =,5484pF.Podosazenítěchtohodnotdofunkce(5.97)případně(5.98)je možné porovnat výsledek s výchozí přenosovou funkcí(5.96) a tím ověřit správnost výpočtu. Na obr. 5.46a je zobrazena modulová charakteristika SC filtru pro výstup plnoučárouaprovýstup U 4 tečkovanoučárou.zgrafujevidět,žemaximum nastává u obou charakteristik při jiné úrovni. Uvedený návrh není optimální z hlediska dynamických poměrů a je nutno návrh vhodným způsobem korigovat tak, aby obě maxima měla stejnou úroveň. Výpočtem byly určeny následující hodnoty maxim a jejich podíl,max =1, U 4,max =1,197, µ=,max U 4,max =,8351. 1,2 1,2 1, 1, H(e j ω/fc ),8,6,4 H(e j ω/fc ),8,6,4,2,2,2,4,2,4 f/f c a) b) f/f c Obrázek 5.46: Modulová charakteristika SC filtru Úroveňmaximamodulovécharakteristikyprovýstup U 4 jemožnékorigovat změnou hodnot kapacitorů podle následujícího předpisu, C 4 µ, C 4 µ. Výše uvedená změna neovlivní úroveň maxima modulové charakteristiky pro výstup.průběhmodulovýchcharakteristikpoprovedenékorekcijeukázánna obr. 5.46b. Nakonec zbývá upravit hodnoty kapacitorů takový způsobem, aby nejmenšíhodnotakapacitorumělapředepsanouhodnotu1pf: =6,89pF, C 2 =5,75pF, C 3 =3,54pF, C 4 =6,89pF, C 5 =5,26pF, C 6 =3,16pF, C 7 =1pF. Podrobněji je postup návrhu uveden v publikaci[3], ve které je uveden i postup minimalizace počtu spínačů v navrhovaném SC obvodu. 155