Фильтры на переключаемых конденсаторах

 

Один из недостатков биквадратных фильтров или фильтров, построенных на основе метода переменных состояния, связан с необходимостью обеспечения точного согласования конденсаторов. Если при построении схемы используются операционные усилители, то вам следует запастись парой стабильных конденсаторов (не керамических и не электролитических); для обеспечения оптимальных рабочих характеристик точность их согласования порядка 2 %. Необходимо также провести многочисленные коммутации, поскольку эти схемы содержат по крайней мере три ОУ и шесть резисторов на каждую двухполюсную секцию фильтра. С другой же стороны, можно купить фильтр в виде ИС, предоставляя право изготовителям самим решать проблему согласования конденсаторов с номиналом 1000 пФ в своей ИС. И, надо сказать, что изготовители ИС успешно решают эти проблемы, но за счет увеличения их стоимости. Например, ИС AF100‑«универсальный активный фильтр» производства фирмы National представляет собой гибридную ИС с ценой приблизительно 10 долларов за штуку.

Известен и другой способ построения интеграторов, которые составляют основу биквадратных фильтров и фильтров на основе метода переменных состояния. Главная идея заключается в использовании аналоговых МОП‑ключей, синхронизированных внешним сигналом прямоугольной формы и высокой частоты (как правило, в 100 раз выше, чем у обрабатываемых аналоговых сигналов), как это показано на рис. 5.25.

 

 

Рис. 5.25. а – интегратор на переключаемых конденсаторах; б – схема обычного интегратора.

 

На этом рисунке необычный треугольный объект представляет собой цифровой инвертор, который переворачивает прямоугольное колебание «вверх ногами», так что два МОП‑ключа замыкаются на противоположных полуволнах этого прямоугольного колебания. Анализ такой схемы весьма прост. При замыкании ключа S₁ происходит заряд конденсатора С₁ до напряжения U_вх, т. е. он сохраняет заряд С₁U_вх; на другой же половине рабочего цикла конденсатор С₁ разряжается через виртуальную землю, передавая свой заряд конденсатору С₂. Само же напряжение на конденсаторе С₂ изменяется, следовательно, на величину ΔU = ΔQ / C₂ = U_вхC₁ / C₂. Следует отметить, что выходное напряжение меняется в течение каждого цикла высокочастотного прямоугольного колебания пропорционально напряжению U_вх (изменение которого за один период прямоугольного колебания предполагается весьма незначительным), т. е. эта схема представляет собой интегратор! Легко показать, что функционирование этих интеграторов описывается приведенными на рисунке уравнениями.

_{Упражнение 5.6.  Получить представленные на рис. 5.25 уравнения.}

 

Применение переключаемых конденсаторов вместо обычных интеграторов дает два существенных преимущества. Первое, как было указано ранее, он может быть менее дорогим при реализации на кремниевой подложке, так как коэффициент передачи самого интегратора зависит только от отношения двух конденсаторов, а не их индивидуальных значений.

Вообще говоря, достаточно просто на кремниевой подложке создать пару любых согласованных элементов, в то время как получение подобных элементов (резистора или конденсатора) с точными значениями и высокой стабильностью весьма затруднительно. Вследствие, этого монолитная ИС фильтра на переключаемых конденсаторах очень дешевая, например, универсальный фильтр на переключаемых конденсаторах фирмы National (MF10) стоит 2 долл. (сравните с ценой в 10 долл. обычного фильтра AF100) и, кроме того, в одном корпусе вы получаете сразу два фильтра!

Второе преимущество фильтров на переключаемых конденсаторах состоит в возможности настройки их частоты (т. е. центральной частоты полосового фильтра или точки – 3 дБ фильтра нижних частот) изменением только частоты входного прямоугольного колебания («тактовой частоты»). Это объясняется тем, что характеристическая частота биквадратного фильтра или фильтра на основе переменных состояния пропорциональна и зависит только от коэффициента передачи интегратора.

Фильтры на переключаемых конденсаторах выпускаются как в виде специализированной, так и «универсальной» структуры. Первая структура со встроенными компонентами формирует полосовые фильтры или фильтры нижних частот, в то время как вторая имеет дополнительные промежуточные входы и выходы, так что при подключении к ней внешних элементов можно получить любую желаемую характеристику. При этом платой за такую универсальность является увеличение размера корпуса ИС и необходимость в подключении внешних резисторов.

Например, автономный фильтр Баттерворта нижних частот MF4 фирмы National выпускается в 8‑выводном DIP‑корпусе и стоит 1,3 долл., в то время как их универсальный фильтр MF5 выпускается в 14‑выводном DIP‑корпусе (цена 1,45 долл.), при этом в зависимости от выбора типа фильтра требуется 2 или 3 внешних резистора. На рис. 5.26 показано с какой легкостью можно использовать эти специализированные фильтры.

 

 

Рис. 5.26.

 

Теперь о неприятном. Фильтры на переключаемых конденсаторах имеют три «раздражающие» характеристики, которые связаны и обусловлены присутствием периодического тактового сигнала. Первое, это сквозное прохождение сигнала тактовой частоты, а именно наличие некоторого выходного сигнала (с напряжением приблизительно от 10 до 25 мВ) с частотой тактового колебания, напряжение которого не зависит от прикладываемого входного сигнала. Обычно это не имеет значения, поскольку этот сигнал значительно удален от полосы, занимаемой обрабатываемым сигналом. Если же такое сквозное прохождение тактового сигнала нежелательно, то для его подавления обычно используется простой RC‑фильтр. Вторая проблема более тонкого свойства. Если во входном сигнале присутствуют спектральные компоненты, расположенные вблизи частоты тактового колебания, то они будут «накладываться» на полосу пропускания. Сформулируем это более корректно, а именно: любые спектральные компоненты входного сигнала, которые отстоят по частоте от тактового сигнала на величину, соответствующую частотам полосы пропускания, будут присутствовать (неподавленными!) в полосе пропускания. Например, при использовании ИС MF4 в качестве фильтра нижних частот с частотой среза 1 кГц (т. е. при этом f_такт = 100 кГц) все спектральные компоненты входного сигнала в диапазоне от 99 до 101 кГц выделятся в полосе выходного сигнала, т. е. в диапазоне от постоянного тока до частоты 1 кГц. И никакой дополнительный выходной фильтр не сможет их ликвидировать!

Таким образом следует твердо уяснить, что во входном сигнале не должно быть спектральных составляющих вблизи частоты тактового колебания. Если же этого невозможно избежать, то можно как обычно использовать простой RС‑фильтр (предфильтр), поскольку частота тактового сигнала отстоит, как правило, довольно далеко от полосы пропускания. Третье нежелательное свойство, присущее фильтрам на переключаемых конденсаторах, связано с типичным снижением динамического диапазона сигнала (возрастание уровня «шума»), вследствие неполного гашения инжёкции заряда МОП‑ключа (см. разд. 3.12). В типовой ИС фильтра динамический диапазон составляет 80–90 дБ.

Как и для любой линейной схемы фильтрам на переключаемых конденсаторах (и их аналогам на трех ОУ) присущи характерные ошибки усилительных схем, а именно выходное напряжение смещения и низкочастотный шум с характеристикой вида 1/ f. Это может стать проблемой, если, например, нежелательно при подаче на фильтр нижних частот сигнала низкого уровня получать ошибки в виде колебания среднего значения его постоянной составляющей. Прекрасное решение предложили умные головы фирмы Linear Technology, которые придумали – ИС LTC1062 – «фильтр нижних частот с точным значением постоянной составляющей» (или МАХ280 с улучшенным напряжением смещения). На рис. 5.27 показан способ ее включения.

 

 

Рис. 5.27.  Фильтр нижних частот на ИС LTC1062 с «точной установкой постоянной составляющей».

 

Основная идея состоит в том, чтобы вывести фильтр из пути прохождения постоянной составляющей, пропуская низкочастотные компоненты сигнала на выход через пассивную цепь; сам же фильтр захватывает только более высокочастотные компоненты сигнала, где он заваливает характеристику, шунтируя сигнал на землю. В результате этого ошибка в постоянной составляющей равна нулю, а характерный для переключаемых конденсаторов шум присутствует только в непосредственной близости от частоты среза (рис. 5.28).

 

 

Рис. 5.28.

 

Фильтры на переключаемых конденсаторах широко предлагают такие фирмы‑изготовители как AMI‑Gould, Exar, National и EGG‑Reticon. Как правило, можно располагать частоту среза фильтра (или центр полосы пропускания) в любом месте диапазона частот от постоянного тока до нескольких десятков килогерц с помощью выбора определенного значения тактовой частоты. Сама характеристическая частота получается путем деления значения тактовой частоты на фиксированное число, обычно f_такт /50 или f_такт /100. Большинство ИС на переключаемых конденсаторах предназначено для построения фильтров нижних частот, полосовых или режекторных (полоснозаграждающих), хотя некоторые из них (например, AMI 3529) спроектированы как фильтры верхних частот. Следует отметить, что сквозное прохождение тактового сигнала и эффект дискретизации формы выходного сигнала (на частоте тактового колебания) являются особенно надоедливыми в последнем случае, поскольку они попадают в полосу пропускания.

 

Генераторы

 

 

Введение

 

Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор гармонических или каких‑либо других колебаний. Кроме очевидных случаев автономных генераторов (а именно генераторы синусоидальных сигналов, генераторы каких‑либо функций, импульсные генераторы) источник регулярных колебаний необходим в любом периодически действующем измерительном приборе, в устройствах, инициирующих измерения или технологические процессы, и вообще в любом приборе, работа которого связана с периодическими состояниями или периодическими колебаниями. Они присутствуют практически везде. Так, например, генераторы колебаний специальной формы используются в цифровых мультимерах, осциллографах, радиоприемниках, ЭВМ, в любом периферийном устройстве ЭВМ (накопители на магнитной ленте или магнитных дисках, устройство печати, алфавитно‑цифровой терминал), почти в любом цифровом приборе (счетчики, таймеры, калькуляторы и любые приборы с «многократным отображением») и во множестве других устройств, слишком многочисленных, чтобы их здесь перечислять. Устройство без генератора либо вообще ни на что не способно, либо предназначено для подключения к другому (которое скорее всего содержит, генератор). Не будет преувеличением сказать, что генераторы являются таким же необходимым устройством в электронике, как регулируемый источник питания постоянного тока.

В зависимости от конкретного применения генератор может использоваться просто как источник регулярных импульсов («часы» в цифровой системе); от него может потребоваться стабильность и точность (например, опорный интервал времени в частотомере), регулируемость (гетеродин передатчика или приемника) или способность генерировать колебания в точности заданной формы (как например, генератор горизонтальной развертки осциллографа).

В следующих разделах мы кратко рассмотрим наиболее популярные конструкции генераторов – от простых релаксационных RС‑генераторов до высокостабильных кварцевых генераторов. Мы не ставим своей целью дать полный обзор с исчерпывающими деталями, а хотим просто ознакомить вас с предметом, а также рассказать, какие генераторы и когда применяются.

 

 

Релаксационные генераторы

 

Очень простой генератор можно получить следующим образом: будем заряжать конденсатор через резистор (или источник тока), а затем, когда напряжение достигнет некоторого порогового значения, быстро его разрядим и начнем цикл сначала. С другой стороны, это можно сделать с помощью внешней цепи, обеспечивающей изменения полярности тока заряда при достижении некоторого порогового напряжения; следовательно, будут генерироваться колебания треугольной формы, а не пилообразные. Генераторы, построенные на этом принципе, известны под названием «релаксационные генераторы». Они просты и недороги и при умелом проектировании могут обеспечивать удовлетворительную стабильность по частоте.

Раньше для создания релаксационных генераторов применялись устройства с отрицательным сопротивлением, такие, как однопереходные транзисторы или неоновые лампы, теперь предпочитают ОУ или специальные интегральные схемы таймеров. На рис. 5.29 показан классический релаксационный RС‑генератор.

 

 

Рис. 5.29. Релаксационный генератор на базе ОУ.

 

Работает он просто: допустим, что при начальном включении питания выходной сигнал ОУ выходит на положительное насыщение (каким образом это произойдет – неважно). Конденсатор начинает заряжаться до напряжения U₊ с постоянной времени, равной RC. Когда напряжение на конденсаторе достигнет половины напряжения источника питания, ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения (он включен как триггер Шмитта) и конденсатор начинает разряжаться до U_ с той же самой постоянной времени. Этот цикл повторяется бесконечно, с периодом 2,2 RC, который не зависит от напряжения источника питания. Выберем ОУ с КМОП выходным каскадом (см. разд. 4.11 и 4.12), поскольку насыщение его выходных сигналов происходит точно на уровне напряжения питания. Биполярный ОУ типа LM10 также имеет максимальный удвоенный перепад выходного напряжения, но в отличие от КМОП, ОУ позволяет функционировать при полном напряжении ±15 В; однако он имеет гораздо более низкую частоту f _с (0,1 МГц).

_{Упражнение 5.7. Покажите, что этот период указан верно.}

 

Применяя для заряда конденсатора источники тока, можно получить колебания хорошей треугольной формы. Пример удачной схемы, использующей этот метод, приведен в разд. 4.29.

Иногда необходим генератор с очень низким уровнем шума (так называемый «низкий внеполосный шум»). В этом отношении хороша простая схема, показанная на рис. 5.30.

 

 

Рис. 5.30.

 

В ней используется пара КМОП‑инверторов (в виде цифровых логических схем, которые будут подробно рассматриваться в гл. 8‑11), соединение которых между собой образует некоторую разновидность RC релаксационного генератора с выходным сигналом в виде прямоугольного колебания. Реальные измерения, приведенные для этой схемы, работающей на частоте 100 кГц, показали, что плотность мощности шума в ближайшей боковой полосе (мощность на корень квадратный из герц, измеренная на 100 Гц смещения от генерируемой частоты), ниже по крайней мере на 85 дБ уровня основного колебания. Иногда встречается аналогичная схема, но при перемене местами элементов R ₂ и С. Хотя это и превосходный генератор, но он имеет крайне зашумленный выходной сигнал.

Представленная на рис. 5.31 схема имеет даже более низкий уровень шума и, кроме того, имеется возможность модулировать выходную частоту с помощью внешнего тока, прикладываемого к базе транзистора Т₁.

 

 

Рис. 5.31. Малошумящий генератор.

 

В этой схеме транзистор Т₁ функционирует как интегратор, вырабатывая на своем коллекторе сигнал асимметричной треугольной формы. Сами же инверторы работают в качестве неинвертирующего компаратора, изменяя полярность возбуждения на базе каждые полпериода. Эта схема имеет плотность шума – 90 дБ/√Гц, измеренную на частоте 100 Гц смещения от несущего колебания 150 кГц, и –100 дБ/√Гц, измеренную при смещении 300 Гц. Хотя эти схемы превосходны в отношении уровня бокового шума, генерируемая частота имеет большую чувствительность к колебаниям напряжения источника питания, чем другие рассмотренные в этой главе генераторы.

 

 

5.14. Классическая ИС таймера‑555

 

Следующий уровень сложности предполагает использование в качестве релаксационных генераторов ИС таймеров или ИС генераторов колебаний специальной формы. Наиболее популярная ИС таймера ‑ это схема 555 (и ее разновидности). Работа этой ИС часто толкуется неверно, поэтому мы дадим анализ ее работы прямо по изображенной на рис. 5.32 эквивалентной схеме. Некоторые обозначения на ней относятся к области цифровой техники (гл. 8 и следующие), поэтому вы пока еще не станете экспертом по ИС 555.

 

 

Рис. 5.32. Упрощенная эквивалентная схема ИМС 555.

 

Но принцип действия этого таймера достаточно прост. При подаче сигнала на вход ТРИГГЕР выходной сигнал переключается на ВЫСОКИЙ уровень (около U_KK) и остается в этом состоянии до тех пор, пока не произойдет переключение входа ПОРОГ; в этот момент выходной сигнал падает до НИЗКОГО уровня (около потенциала «земли») и тогда включается транзистор РАЗРЯД. Вход ТРИГГЕР включается при уровне входного сигнала меньше 1/3 U_KK, а ПОРОГ – при уровне входного сигнала больше 2/3 U_KK. Наиболее легкий способ понять работу ИС 555 – это рассмотреть конкретный пример (рис. 5.33).

 

 

Рис. 5.33. ИМС 555, включенная как генератор.

 

При включении источника питания конденсатор разряжен, поэтому ИС 555 оказывается в состоянии, когда выходной сигнал имеет ВЫСОКИЙ уровень, транзистор разряда Т₁ закрыт и конденсатор начинает заряжаться до 10 В через резисторы R_A + R_B. Когда его напряжение достигнет 2/3 U_KK, переключается вход ПОРОГ и выходной сигнал переходит в состояние НИЗКОГО уровня, одновременно происходит отпирание транзистора Т₁, разряжающего конденсатор С на землю через резистор R_B. Схема переходит в периодический режим работы, и напряжение на конденсаторе С колеблется между значениями 1/3 U_KK и 2/31 U_KK с периодом Т = 0,693(R _A + 2 R_B) С. В этом случае с выхода схемы обычно снимается колебание прямоугольной формы.

_{Упражнение 5.8. Покажите, что период колебаний не зависит от напряжения источника питания.}

 

Схема 555 представляет собой довольно приличный генератор со стабильностью около 1 %. Она может работать от единственного источника питания напряжением от 4,5 до 16 В, сохраняя стабильную частоту при изменениях напряжения источника питания, поскольку пороги следят за флуктуациями питания. Схему 555 можно применять также для формирования одиночных импульсов произвольной длительности и еще для многих целей. К тому же этот небольшой кристалл содержит простые компараторы, вентили и триггеры. В электронной промышленности даже появилась игра ‑ придумать еще новое применение схемы 555. И надо сказать, что многие в этом развлечении преуспевают.

Предостережение: ИС 555, как и другие схемы таймеров, создает мощную («150 мА) токовую помеху в цепи питания во время каждого переключения выходного сигнала. Будет весьма полезным подключить к этой интегральной схеме здоровенный шунтирующий конденсатор. Кроме того, ИС 555 имеет склонность к формированию выходного сигнала с удвоенной частотой переключений.

КМОП ИС 555. Некоторые из неприятных свойств ИС 555 (большой ток потребления от источника питания, высокий ток запуска, удвоенная частота переключения выходного сигнала и неспособность функционировать при очень низких напряжениях источника питания) были устранены в ее КМОП‑аналогах. Их можно узнать по цифрам «555», расположенным в какой‑либо части маркировки. В табл. 5.3 представлено большинство из этих схем, которые мы смогли найти, а также их наиболее важные параметры.

Следует отметить, в частности, их способность функционировать при очень низких напряжениях питания (до 1 В!) и, как правило, токе потребления. Эти кристаллы также более быстродействующие, чем исходная схема 555. Выходные КМОП‑каскады дают максимальный удвоенный перепад напряжения выходного сигнала, по крайней мере при низких токах нагрузки (отметим, что эти кристаллы не имеют мощного выходного каскада, как в типовой схеме 555). Все перечисленные кристаллы (табл. 5.3), кроме исходной схемы 555 и XR‑L555, сделаны по КМОП‑технологии. Последняя же схема является микромощной биполярной схемой 555 и проявляет свою родословную в виде здоровенной нагрузочной способности и хорошей температурной стабильности. Показанный на рис. 5.33 генератор на схеме 555 вырабатывает выходной сигнал прямоугольной формы, чей рабочий цикл (часть времени, когда выходной сигнал имеет ВЫСОКИЙ уровень) всегда больше 50 %. Это происходит вследствие того, что времязадающий конденсатор заряжается через последовательно включенную пару резисторов R_A + R_B, а разряжается (более быстро) через единственный резистор R_B. На рис. 5.34 показано, как обмануть схему 555 с тем, чтобы получить в рабочем цикле узкие положительные импульсы.

 

 

Рис. 5.34. Генератор с укороченным рабочим циклом.

 

Цепь, состоящая из комбинации диода и резистора, быстро заряжает времязадающий конденсатор через выходной каскад, разряд же его через внутренний разряжающий транзистор происходит медленно. Этот трюк пригоден только для КМОП схем 555, поскольку в этом случае необходим полный положительный перепад выходного сигнала.

При использовании для заряда времязадающего конденсатора источника тока можно создать генератор линейного («пилообразного») напряжения. На рис. 5.35 показан способ использования для этих целей простого источника тока на p‑n‑p ‑транзисторе. Пилообразный сигнал доходит до напряжения 2/3 U_KK, затем быстро спадает (разряд происходит через внутренний разряжающий n‑p‑n ‑транзистор схемы 555, контакт 7) до напряжения 1/3 U_KK, далее цикл начинается снова.

 

 

Рис. 5.35. Генератор пилообразных колебаний.

 

Отметим, что этот сигнал пилообразной формы выделяется на выводе конденсатора и необходимо обеспечить его развязку с помощью ОУ, который обладает высоким полным сопротивлением. Эту схему можно еще упростить путем замены источника тока на p‑n‑p ‑транзисторе на «диодный регулятор тока», выполненный на полевом транзисторе с p‑n ‑каналом (разд. 3.06); однако ее рабочие характеристики, а именно линейность пилообразного сигнала, будут хуже, поскольку этот полевой транзистор питается током I_{C KK} и при этом формируется не такой хороший источник тока, как на биполярном транзисторе.

На рис. 5.36 указан простой способ формирования с помощью КМОП‑схемы 555 сигнала треугольной формы.

 

 

Рис. 5.36. Генератор треугольных колебаний.

 

В предложенной схеме соединяются последовательно два регулятора тока на полевом транзисторе таким образом, чтобы получился двунаправленный регулятор тока (каждый регулятор тока ведет себя в обратном направлении как обычный диод, из‑за проводимости затвор‑сток). Следовательно, с помощью выходного сигнала с удвоенным максимальным перепадом формируется постоянный ток противоположной полярности и при этом на самом конденсаторе вырабатывается треугольное колебание (напряжение которого обычно лежит в диапазоне от 1/2 U_KK до 2/3 U_KK). Как и в предыдущей схеме, для развязки этого сигнала (источник с высоким полным выходным импедансом) используется ОУ. Следует отметить, что в этом случае необходимо применять КМОП‑схему 555, в частности при подаче на схему напряжения питания +5 В, поскольку ее функционирование зависит от максимального двойного перепада выходного напряжения. Например, напряжение выходного сигнала ВЫСОКОГО уровня биполярной схемы 555 в типовом случае ниже максимального положительного перепада на падение напряжения на двух диодах (схема Дарлингтона на n‑р‑n ‑транзисторах), что составит +3,8 В при напряжении источника питания +5 В; следовательно, остается всего 0,5 В падения напряжения (при верхнем значении сигнала) на последовательно включенную пару регуляторов тока, что явно недостаточно для включения регулятора тока (требуется приблизительно 1 В) и последовательного диода (0,6 В), построенного из полевого транзистора с р‑n ‑переходом.

_{Упражнение 5.9. Покажите, что вы уяснили работу схем, изображенных на рис. 5.35 и 5.36; для этого рассчитайте для каждой схемы частоту генерируемого сигнала.}

 

Существует еще несколько других интересных интегральных схем таймеров. Схема таймера 322 фирмы National имеет собственный встроенный прецизионный источник опорного напряжения, с помощью которого задается напряжение порога. Это объясняет его прекрасные свойства при формировании сигнала, частота которого должна быть пропорциональна току, подаваемому от внешнего источника, например с фотодиода. В состав другой разновидности таймеров входят релаксационный генератор и цифровой счетчик, с тем чтобы при формировании сигналов большой длительности избежать необходимости использования в схеме больших номиналов сопротивлений и конденсаторов. Примером таких схем могут служить схемы 74НС4060, Ехаг 2243 и Intersil ICM7242 (выпускается также фирмой Maxim). Последняя схема выполнена по КМОП‑технологии и может функционировать при токе в доли миллиампера и вырабатывать выходной импульс один раз за 128 циклов генератора. Эти таймеры (и их ближайшие аналоги) пригодны для формирования задержки сигнала в диапазоне от нескольких секунд до нескольких минут.