Активные фильтры с переключаемыми конденсаторами

Скачать DjVu (1,72 МБ)

Описание

Книга американских авторов посвящена реализации активных фильтров с переключаемыми конденсаторами. Приведены эквивалентные схемы для этих фильтров, синтезированы звенья первого и второго порядков. Проанализированы схемы реальных звеньев фильтров различных типов, рассмотрены особенности их применения. Дан пример разработки фильтра, изготовленного по и интегральной МОП технологии. Для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и применением фильтров с переключаемыми конденсаторами.

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Технологам и разработчикам радиоэлектронной аппаратуры до недавнего времени не удавалось создать полностью интегральные частотно-избирательные устройства. Применение традиционных LC-цепей, как известно, исключается, так как катушки индуктивности плохо поддаются микроминиатюризации. Плодотворные попытки заменить их активными LС-цепями начались в 60-х годах с появлением недорогих интегральных полупроводниковых операционных усилителей (ОУ) с удовлетворительными характеристиками. В результате были созданы активные RC-фильтры, получившие широкое распространение в диапазоне частот до десятков килогерц. Классические RС-фильтры требуют создания стабильных прецизионных RC-цепей с достаточно большими постоянными времени, что трудно обеспечить с помощью стандартной микроэлектронной технологии. Поэтому этот класс фильтров был воплощен на базе дискретных элементов или в виде гибридных конструкций, состоящих из бескорпусных интегральных ОУ и навесных конденсаторов.

Специфические свойства МОП-технологии, такие как возможность получения высококачественных конденсаторов с малыми токами утечки и операционных усилителей с малыми габаритными размерами и потребляемой мощностью, привлекли к ней внимание разработчиков фильтров. Однако непосредственная интеграция активных RC-фильтров с помощью МОП-технологии сопряжена с рядом трудностей, связанных, в первую очередь, с получением больших емкостей и сопротивлений. Так как активные RC-фильтры предназначены для диапазона частот до десятков килогерц, то потребуются постоянные времени не менее 10-5 с. МОП-конденсаторы занимают на кристалле настолько большую площадь, что, как правило, нецелесообразно получать емкости более 50 пФ. Следовательно, потребуется большое сопротивление резисторов (не менее 1 МОм), получить которое можно только на большой площади кристалла, кроме того, МОП-резисторы обычно нелинейны. Другая трудность заключается в том, что абсолютные допуски на емкости (5... 10%) и сопротивления по МОП-технологии недопустимо велики для создания прецизионных фильтров.

Для преодоления указанных трудностей резистор обычных активных RС-фильтров можно имитировать цепью, состоящей из конденсатора небольшой емкости и аналоговых ключей, переключаемых с частотой, намного превышающей частоту сигнала. Так, в конце 70-х годов появились активные фильтры с переключаемыми конденсаторами — цепи, состоящие из конденсаторов, аналоговых ключей и операционных усилителей. Следует заметить, что примерно в то же время был найден другой путь создания интегральных полупроводниковых аналоговых фильтров — появились трансверсальные фильтры на базе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Однако в настоящее время интерес к ним существенно уменьшился из-за явного преимущества фильтров с переключаемыми конденсаторами. Несмотря на то что многие из используемых в настоящее время способов построения схем с переключаемыми конденсаторами были разработаны еще 15—20 лет назад (см., например, [ДЮ, Д11]), их открытие следует датировать 1977 г., когда появились первые работы по МОП-фильтрам на переключаемых конденсаторах.

В 1979 г. появились серийные монолитные микросхемы этих фильтров. К основным достоинствам фильтров с переключаемыми конденсаторами относится следующее:

— возможность реализации по интегральной полупроводниковой технологии;

— простота сопряжения с дискретными и цифровыми устройствами;

— возможность программирования (с использованием конденсаторных матриц с цифровым программированием);

— малые площадь, занимаемая на кристалле, и потребляемая мощность.

Сравнительно недавно цепи с переключаемыми конденсаторами удалось применить и для реализации других, отличных от фильтрации, функций обработки сигналов. Появляются сложные (до 40 ОУ) устройства в полностью интегральном исполнении, содержащие наряду с фильтрами узлы АРУ, АПЧ, ЦАП, прецизионные усилители и т. п.

В отечественной литературе вопросы разработки устройств на переключаемых конденсаторах освещены пока слабо. Предлагаемая вниманию читателя книга является переводом части книги известных специалистов по активным фильтрам М. Гауси и К. Лакера «Modern Filter Design. Active RC and Switched Capacitor». В ней впервые на русском языке систематически излагаются вопросы проектирования МОП-фильтров. Книга написана в форме учебного пособия с множеством примеров, облегчающих понимание специфики рассматриваемого класса цепей, и по существу является введением в теорию и практику фильтров с переключаемыми конденсаторами. Изложение материала базируется на аналогии с активными RC-фильтрами, которые названы непрерывными аналоговыми в отличие от дискретно-аналоговых фильтров с переключаемыми конденсаторами. При этом предполагается, что читатель знаком с основами теории и практики активных /?С-филь-тров: аппроксимацией частотных характеристик, наиболее распространенными схемами звеньев второго порядка, методами реализации функций высокого порядка, особенностями применения ОУ в качестве активных элементов и т. п.

В книге рассмотрены только основные ограничения, налагаемые на схемы фильтров МОП-технологией и имитацией резисторов на основе переключаемых конденсаторов. Авторы не рассматривают ряд хотя и обычных, но важных для практики паразитных эффектов, например влияние быстродействия ключей и ОУ, просачивание тактовых импульсов и т. п. Технологические и топологические аспекты проектирования фильтров с переключаемыми конденсаторами, а также специфические паразитные эффекты обсуждены в многочисленных периодических изданиях (см. библиографию в [Д1, Д9]). Предлагаемые методы анализа и расчета не являются исчерпывающими; с другими методами, применяемыми при разработке серийных микросхем, можно познакомиться, обратившись к работам.

Книга будет полезна специалистам по радиоэлектронике, а также аспирантам и студентам вузов. Она несомненно будет способствовать внедрению в отечественную радиоаппаратуру микроэлектронных устройств на переключаемых конденсаторах.

В. И. Капустин

ВВЕДЕНИЕ

За последние несколько лет в промышленности получила широкое распространение МОП-технология производства интегральных микросхем, обеспечивающая большую степень интеграции при производстве логических схем, чем биполярная технология. С ее помощью на одном кристалле большой интегральной схемы (БИС) удается разместить десятки тысяч МОП-транзисторов. Минимально достижимые размеры отдельных элементов современных БИС составляют примерно 1 мкм, и поэтому нет сомнений, что степень интеграции будет еще более увеличиваться с последующим уменьшением стоимости цифровых и аналоговых микросхем.

Характерными свойствами МОП-микросхем являются способность хранения заряда в узле в течение нескольких миллисекунд и возможность непрерывного и неразрушаю-щего считывания заряда. Эти свойства естественны для МОП-микросхем и поэтому обеспечиваются без специальных затрат. Впервые они были использованы в динамических запоминающих устройствах с произвольной выборкой и в динамических логических устройствах (например, в динамических сдвиговых регистрах). Хранение заряда впервые применено для обработки аналоговых сигналов в сдвиговых регистрах на «пожарных цепочках». В этих устройствах аналоговый сигнал преобразуется в последовательность зарядовых пакетов, каждый из которых пропорционален выборочному значению аналогового входного сигнала. Зарядовые пакеты последовательно проходят через цепь МОП-конденсаторов; при этом заряд одного конденсатора другому передается с помощью МОП-ключей, управляемых внешним генератором импульсов. Заряды конденсаторов можно, не разрушая, считывать и суммировать с соответствующими весовыми коэффициентами, реализуя таким образом дискретный (дискретно-аналоговый) трансверсальный фильтр или фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр). Приборы с зарядовой связью (ПЗС), разработанные после «пожарных цепочек», производят подобное преобразование аналогового сигнала, но обеспечивают большую степень интеграции при лучших характеристиках [8]. Детальное рассмотрение фильтров на базе ПЗС выходит за рамки этой книги, более полную информацию можно найти в [1, 8].

Недавно найден более привлекательный способ построения дискретных фильтров на МОП-структурах в виде активных фильтров с переключаемыми конденсаторами (switched capacitor filters, SC-фильтры) [9]. Такие фильтры относятся к рекурсивным фильтрам или к фильтрам с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры), поэтому подобно активным i^C-фильтрам их применив эффективно, когда требуются высокая добротность и большая степень прямоугольное амплитудно-частотной характеристики. Кроме того, применение достаточно высокой частоты дискретизации (порядка 100 кГц и выше) позволяет снизить требования, предъявляемые к аналоговому преселектору, ограничивающему спектр входного сигнала для ослабления эффекта наложения спектров. Спектр следует ограничивать на частоте, равной половине частоты дискретизации, что можно достичь с помощью относительно простого активного RС-фильтра второго порядка. Это является одной из особенностей, которые во многих практических случаях делают SC-фильтры более предпочтительными, чем фильтры на базе ПЗС.

Кроме того, SC-фильтрам в полной мере присущи достоинства, обусловленные прецизионностью МОП-технологии. Как будет показано далее, коэффициенты передаточной функции полностью определяются отношением емкостей и значением тактовой частоты, задаваемой с большой точностью кварцевым генератором. Известно, что отношение емкостей можно выдерживать с точностью около 0,3%, их значения при соответствующей схемотехнике могут быть очень малыми, примерно 0,5 пФ. Кроме того, МОП-конденсаторы близки к идеальным: для них характерны очень малые утечки и высокая температурная стабильность. Немаловажно, что прецизионные SC-фильтры могут производиться по такой же технологии, как запоминающие устройства типа КМОП и МОП с каналом n-типа. При этом аналоговые и цифровые цепи можно размещать на одном кристалле, обеспечивая, таким образом, возможность интеграции целых систем на одном кристалле.

В этой работе рассмотрены методы анализа и проектирования активных SC-фильтров. Цепи с переключаемыми конденсаторами, как и цифровые фильтры, наиболее удобно анализировать с помощью z-преобразования. Однако SC-фильтры являются аналоговыми; так, например, для них сохраняются понятия полного сопротивления и нагрузки, которые не применяются в цифровых фильтрах. Далее будет представлена библиотека эквивалентных схем в z-области, облегчающая анализ и проектирование и, что более важно, помогающая уяснить природу цепей с переключаемыми конденсаторами. Используя эти эквивалентные схемы, можно анализировать SC-фильтры с помощью общеизвестных методов теории цепей, развитых для непрерывных активных цепей. Так же, как и для активных RC-фильтров, существует множество схем, реализующих заданную в z-области передаточную функцию. Некоторые из них, наиболее интересные и полезные для практического применения, будут рассмотрены далее.