Дата последнего обновления файла 30.09.2014

Фильтры на переключаемых конденсаторах

В статье "понятие ФНЧ прототипа" мы с вами для упрощения расчетов применили метод растягивания амплитудно-частотной характеристики фильтра по частоте. В реальных же фильтрах приходится вести проектирование на конкретную полосу частот. Это уменьшает серийность изготовления этих блоков, в результате чего приходится для каждого конкретного устройства проектировать фильтр заново, а завод, производитель микросхем не может освоить выпуск универсальных фильтров, которые пользователь мог бы настроить на свои индивидуальные нужды.

Появление фильтров на переключаемых конденсаторах позволило устранить данную проблему. Мы покупаем универсальную микросхему фильтра заданного порядка и настраиваем его верхнюю частоту на нужную нам частоту при помощи частоты тактового генератора. Типовая схема включения микросхемы — фильтра на переключаемых конденсаторах приведена на рисунке 1.


Рисунок 1. Схема включения фильтра на переключаемых конденсаторах восьмого порядка

На данной схеме приведена схема включения микросхемы MAX7404ESA американской фирмы MAXIM. Ее частота среза задается частотой тактовых импульсов, подаваемых от кварцевого генератора на вход CLK. Частота среза фильтра в 100 раз ниже частоты тактовых импульсов CLK. Пример амплитудно-частотной характеристики микросхемы MAX7404ESA при частоте среза, равной 1 кГц приведен на рисунке 2.


Рисунок 2. Амплитудно-частотная характеристика микросхемы MAX7404ESA

Таким образом при минимальных затратах площади печатной платы можно получить прекрасные характеристики узла радиоэлектронной аппаратуры. Данные микросхемы доступны в корпусах SO-8, которые занимают площадь 5×6 мм. Не менее знаменита фирма Linear Technology Corporation. Ее микросхема LTC1069 реализует эллиптический фильтр восьмого порядка. Частота среза данного фильтра в 25 раз меньше частоты тактового генератора.

Примерно такие же параметры обеспечивают отечественные микросхемы 1478ФН1У Новосибирского завода НЗПП (аналог MAX297). В этих микросхемах кроме фильтра на переключаемых конденсаторах содержится операционный усилитель, на котором можно сделать входной антиалиайсинговый фильтр.

Теперь рассмотрим принципы работы данных микросхем. Прежде всего, отметим, что фильтры на переключаемых конденсаторах — это дискретные фильтры, поэтому для их правильной работы потребуются фильтры, ограничивающие спектр сигнала на входе. В качестве подобного устройства вполне подойдет простейшая RC цепочка.

При реализации аналоговых фильтров на интегральных микросхемах основной проблемой является реализация сопротивлений большого номинала. Резисторы с большим сопротивлением занимают значительную площадь на кристалле микросхемы. Кроме того резисторы удается изготовить с меньшей точностью по отношению к конденсаторам. У них большая зависимость от температуры.

Таблица 1. Сравнительные характеристики интегральных резисторов и МОП-конденсаторов

Элемент Технология изготовления Точность изготовления, % Температурный коэффициент 10−6K−1 Коэффициент влияния напряжения 10−6В−1
Резистор Ионная имплантация с шириной 40 мкм ±0,12 400 800
Конденсатор МОП с толщиной диэлектрика 0,1 мкм ±0,06 26 10

Поэтому в качестве сопротивления были предложены конденсаторы, которые быстро переключаются со входа на выход. В качестве дополнительного преимущества, как это будет показано далее является то, что при изменении температуры значение емкости и сопротивления на переключаемом конденсаторе изменяются в противоположные стороны. В результате частота полюса фильтра не изменяется На рисунке 3 приведены схемы фильтров первого порядка с применением обычного резистора и "резистора" на переключаемом конденсаторе.


Рисунок 3. Схема фильтра первого порядка

Временные диаграммы напряжений, переключающих МОП транзисторы, использующиеся в качестве электронных ключей, приведены на рисунке 4. Они выбираются так, чтобы не перекрываться во времени.


Рисунок 4. Схема фильтра первого порядка

В схеме на обычном резисторе (рисунок 3 а) входной ток будет зависеть от номинала сопротивления резистора, а в схеме на переключаемом конденсаторе (рисунок 3 б) от номинала емкости конденсатора и частоты переключения. Чем больше будет частота переключения, тем больше будет входной ток, и тем меньше будет эквивалентное сопротивление "резистора" на переключаемом конденсаторе. Формулу для тока, протекающего через переключаемый конденсатор можно записать следующим образом:

      (1),

При этом ток, протекающий через резистор будет описываться законом Ома:

      (2),

Отсюда сопротивление переключаемого конденсатора будет равно:

      (3),

Фильтры высокого порядка обычно получают последовательным включением звеньев второго порядка. В качестве них чаще всего применяют схему Саллена-Ки. Для фильтров на переключаемых конденсаторах эта схема выглядит как показано на рисунке 5.


Рисунок 5. Схема фильтра на переключаемых конденсаторах второго порядка

Теперь поставим четыре подобных схемы друг за другом и мы получим микросхему, подобную приведенной на рисунке 1.

Вывод: Появление фильтров на переключаемых конденсаторах позволило на низких частотах получить фильтры, соизмеримые по габаритам и стабильности с кварцевыми фильтрами. При этом настройка этого вида фильтров сводится просто к выбору тактовой частоты. Сравнивая данный вид фильтра с цифровыми фильтрами мы выигрываем по энергопотреблению и габаритам. При этом я даже не рассматриваю сложность проектирования цифрового фильтра, здесь, как говорится, без комментариев. Если говорить про стабильность частотных характеристик, то при использовании особо стабильных опорных генераторов, таких как OVXO или рубидиевых стандартов частоты, то фильтры на переключаемых конденсаторах превзойдут все известные типы фильтров.

Литература:

  1. Титце У. Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. — 12-е издание. М.: Додэка XXI, 2015. - 1784
  2. П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники: Пер. с англ. - 7-е издание. - М.: БИНОМ. - 2016. - 704 с.
  3. Гауси М., Лакер К. Активные фильтры с переключаемыми конденсаторами: Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1986. — 168 с.
  4. 1478ФН1У– эллиптический ФНЧ 8-го порядка
  5. Активные фильтры фирмы MAXIM (англ.)

Вместе со статьёй "Фильтры на переключаемых конденсаторах" читают:

Понятие ФНЧ-прототипа
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/Prototip/

Аппроксимация АЧХ фильтров
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/Approks/

Схемы пассивных фильтров
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/LC/

Схемы активных RC фильтров
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/RC/

Керамические фильтры СВЧ
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/Ceramic/

Кварцевые полосовые фильтры
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/quartz/

Пьезокерамические фильтры
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/piezo/

ПАВ фильтры
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/SAW/


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2017

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс

Поиск по сайту сервисом ГУГЛ

пЕИРХМЦ@Mail.ru


Rambler's Top100