Analóg léptetőregiszterek és vastagréteg megvalósításuk

SZABÓ

Z O L T Á N

H í r a d á s t e c h n i k a i Ipari K u t a t ó i n t é z e t D R . S Z É K E L Y V L A D I M Í R B M E Elektronikus E s z k ö z ö k T a n s z é k

Analóg léptetőregiszterek és vastagréteg megvalósításuk ETO

Egy régi á r a m k ö r i ötlet t á m a d t fel a legutóbbi évek­ ben. Energiatároló elemek (kondenzátorok) láncola­ t á t nemlineáris eszközökkel (diódákkal, tranziszto­ rokkal) összekötve, olyan á r a m k ö r ö k a l a k í t h a t ó k k i , melyeknek közös jellemzője, hogy egy periodikus léptetőjel ü t e m é b e n , mintegy „ v e z é n y s z ó r a " minden tároló a szomszédjának adja á t energiáját. Az elv egyik elterjedt, klasszikusnak m o n d h a t ó megvalósítása öt évtizedre tekinthet vissza: ez a nagy feszültségek előállítására használatos k a s z k á d gene­ r á t o r ( l a ábra). A bemeneti jel egyik félperiódusában a folytonos, másik félperiódusában a szaggatott n y i ­ laknak megfelelő toltés-átöntés jön létre. A z á r a m ­ köri kialakítás célja: lépcsőnként , , m e g m á s z a t n i " a töltésekkel az A és B pont közti nagy feszültség­ különbséget. A másik jellegzetes elrendezés csak az utóbbi években v á l t közismertté [1]. I t t a kondenzá­ torok nem e g y m á s fölött, hanem e g y m á s mellett helyezkednek el, és (térvezérelt vagy bipoláris) tranB e é r k e z e t t : 1973. X I I . 10.

621.395.3*2:621.382.33.049.7-111

zisztorok végzik a léptetőjel ü t e m é b e n a töltés-áteme­ lést (16 ábra). H a a kondenzátorlánc első elemét egy analóg jelből v e t t m i n t á k k a l a r á n y o s töltéssel t á p ­ láljuk, az á r a m k ö r e m i n t á k a t lépteti végig a konden­ zátorok során, t e h á t analóg léptetőregiszterrel van dol­ gunk. Az u t ó b b i á r a m k ö r igen változatos alkalmazási lehetőségeket rejt m a g á b a n , széleskörű felhasználásra s z á m í t h a t az elektronikában. Az egyenletes ü t e m ű léptetés állandó késleltetést jelent a be- és kimenet között. A késleltetés m é r t é k e szokatlanul nagy lehet az egyéb áramkörökkel elérhetőkkel szemben: reális lehetőség p l . 0,1 s körüli késleltetéseket elérni a hangfrekvenciás t a r t o m á n y b a n , 100 ^s körülit a v i d e o t a r t o m á n y b a n . Az á r a m k ö r így késleltető mag­ netofonok, akusztikus késleltető vonalak kiváltója lehet. Segítségével a hangfrekvenciás t a r t o m á n y b a n is realitássá válik olyan szűrő- és korrektor á r a m ­ körök építése, amelyek késleltetőket tartalmaznak (pl. transzverzális szűrő). Sok v o n a t k o z á s b a n kihasználható az analóg lép­ tetőregiszternek az a különleges tulajdonsága, hogy késleltetése a léptetőjel frekvenciájának szabályozá­ sával széles h a t á r o k között, folyamatosan változ­ t a t h a t ó . A léptetőjel leállításával; majd újbóli meg­ indításával egy analóg időfüggvény tárolása s újbóli kiolvasása is lehetséges. (A gyakorlati kivitelnél elke­ rülhetetlen veszteségek m i a t t i t t nem gondolhatunk t ú l z o t t a n hosszú idejű tárolásra.) Leállítva a léptető­ jelet, az egyes k o n d e n z á t o r o k o n m a r a d ó töltések a bemenőjel különböző időpillanatokban v e t t m i n t á ­ ival a r á n y o s a k , vagyis a jel időben e g y m á s u t á n i m i n t á i t é r b e n elkülönülve jelentkeznek. Ez időfüggvény-térbeli függvény á t a l a k í t á s t jelent. Természe­ tesen a fordított á t a l a k í t á s is lehetséges. E k é t funk­ ció igen nagy jelentőségű a szilárdtest k é p á t a l a k í t ó eszközök szempontjából. A töltésléptetés elvét fel­ használva, m á r 106X128 felbontású képfelvevőt is m e g v a l ó s í t o t t a k [5].

\H2eu-SS1] 1. ábra. K a s z k á d g e n e r á t o r és a n a l ó g l é p t e t ő r e g i s z t e r . A nyilak a töltés-átöntések irányát mutatják

Az analóg léptetőregiszter igen jól i n t e g r á l h a t ó á r a m k ö r . MOS kivitelben egy-egy tokban t ö b b száz fokozat realizálható. Ezek az á r a m k ö r ö k a közel­ m ú l t b a n t ű n t e k fel [2], Bucket-Brigade néven (vödör­ láncnak f o r d í t h a t n á n k ; az elnevezés szellemesen utal az egyes fokozatok közti t ö l t é s - t o v á b b a d á s r a ) . A MOS k i v i t e l közeli r o k o n á n a k t e k i n t h e t ő k az ún. CCD eszközök (Charge—Coupled Devices) [3, 4 ] . Ezekben az e g y m á s szomszédságában létrehozott MOS kapacitások közötti töltés-léptetés valósul meg. Kétségtelen, hogy a leágazások nélküli, nagy kés­ leltetésű láncok realizálására az integrált MOS v á l t o ­ zat a legalkalmasabb. Ez m a g y a r á z z a , hogy az ilyen

167

H Í R A D Á S T E C H N I K A X X V . É V F . 6. SZ.

hosszú láncok előállítása csak az u t ó b b i években k e r ü l t napirendre. Ugyanakkor t é n y , hogy különböző korrektorok céljaira sokszor m á r egészen rövid, 15—30 fokozatból álló láncok is megfelelők, amelyek bipoláris IC-vel, sőt egyes esetekben a k á r diszkrét elemekkel is realizálhatók. E z é r t kissé érthetetlen, hogy az á r a m k ö r r e c s u p á n 1970—71-ben kezdtek felfigyelni, dacára n é h á n y korai, a kérdésre célzó pub­ likációnak ( p l . [6]). A B M E Elektronikus Eszközök Tanszékén 1971 tavasza ó t a foglalkozunk a bipoláris félvezetőeszkö­ zökkel felépített analóg léptetőregiszter á r a m k ö r i problémáival. Először diszkrét elemes áramkörrel p r ó b á l k o z t u n k . M i u t á n a kísérletek biztató e r e d m é n y ­ nyel zárultak, a H I K I Kísérleti G y á r t á s i Főosztályá­ nak l a b o r a t ó r i u m á b a n 4—4 fokozatot magukban fog­ laló v a s t a g r é t e g léptetőregisztereket realizáltunk.. Megkezdtük az á r a m k ö r alkalmazástechnikai kérdé­ seinek vizsgálatát, azokra a felhasználásokra helyez­ ve súlyt, amelyekben a v a s t a g r é t e g á r a m k ö r a MOS kivitel mellett versenyképes lehet. Cikkünkben először a k i a l a k í t o t t integráltkör á r a m ­ köri tulaj donságait, kapcsolástechnikai kérdéseit t á r ­ gyaljuk, majd az alkalmazási lehetőségeket érintjük, kiemelve közülük a transzverzális szűrő példáját. Végül összefoglaljuk az eddigi m u n k á n k b ó l levon­ h a t ó azon. következtetéseket, amelyek az eszköz perspektívái szempontjából lényegesek.

emitter-bázis dióda visszárama, kollektor-bázis dióda visszárama.

'EO

^co

Első vizsgálatunk célja a lánc zérus bemenetnél, t e h á t Q =0 esetén felvett á l l a p o t á n a k felmérése. Figyeljük először a léptetőjel pozitív félperiódusát: T tranzisztor bázisa U feszültségig szalad föl, a tranzisztor k i n y i t , és addig von el negatív töltést a C kondenzátorból, amíg az be

n l

L

n l

U,Cnl"

EB

feltétel teljesül. Végül t e h á t a kondenzátor feszült­ sége az U =U -U (1) C0

L

m

értékre áll be. Ugyanez t ö r t é n i k a C kondenzátor­ ral a léptetőjel negatív félperiódusában. Bekapcsolás­ kor t e h á t a kezdeti tranziens e r e d m é n y e k é n t minden k o n d e n z á t o r feszültsége az U é r t é k e t veszi fel, ezt követően töltésáramlás nincs. Ez a lánc „ ü r e s " álla­ pota. A negatív félperiódusban T tranzisztor emittere és bázisa k ö z ö t t U + U — 2Ü — U zárófeszült­ ség jelentkezik. A megengedett emitter-bázis feszült­ ség az alábbi m ó d o n korlátozza t e h á t a léptetőjel amplitúdóját: n2

c o

nl

L

U S(U L

C0

+ U )/2s*

EBL

m

L

£/

E B L

EB

/ 2 + 0,35 V .

(2)

Nézzük most a töltésléptetés f o l y a m a t á t ! A léptető­ jel negatív félperiódusában T z á r v a van. Ezalatt a C k o n d e n z á t o r b a Q negatív t ö l t é s t töltve, annak feszültsége QbJC -gye\ csökken. A pozitív félperió­ dusban T addig nyit, és addig von el negatív töl­ tést C -ből, m í g annak feszültsége az alaphelyzetet jelentő U é r t é k r e nem emelkedik. Ehhez éppen Q töltést kell elvonnia. A tranzisztor nagy á r a m erősítése folytán a negatív töltés legnagyobb része: A-Q áttöltődik C -be. A n e g a t í v félperiódusban T zár le, és a C -be j u t t a t o t t töltés A-szorosa a fentihez hasonló módon távozik T kollektorán. A t á r g y a l t fokozat t e h á t a léptetőjel negatív félperió­ d u s á b a n fogadni is, t o v á b b a d n i is képes egy-egy töltéscsomagot, méghozzá anélkül, hogy ezek bárhol egymásra töltődnének, keverednének. Az ilyen foko­ zatokból összeállított lánc valóban analóg léptető­ regiszterként m ű k ö d i k . M i u t á n k v a l i t a t í v e m e g i s m e r t ü k az áramkör m ű k ö ­ dését, vizsgáljuk meg azokat a mennyiségi összefüg­ géseket, amelyek a tervezés alapjául szolgálnak. Határfrekvencia: a láncon á t b o c s á t h a t ó maximális frekvencia a mintavételi tétel értelmében a minden­ kori léptetőfrekvencia fele. Kivezérelhetőség: a lánc kondenzátorainak U pozitív nyugalmi feszültsége nem v á l t o z h a t negatívra a (? negatív töltés rákényszerítése következtében, mert ez a balról csatlakozó tranzisztor kollektor-bázis diódájának n y i t á s á r a vezetne. A feszültség-kivezérel­ hetőség t e h á t nl

I . Működés és méretezés

n l

he

nl

E szakaszban a bipoláris tranzisztorokkal felépí­ t e t t analóg léptetőregiszter egyetlen fokozatát teszszük részletes vizsgálat t á r g y á v á . Egy ilyen fokozat k é t tranzisztorból és k é t k o n d e n z á t o r b ó l áll. A 2. á b r á n egy hosszabb lánc n-edik fokozatát látjuk. A G generátor Ui amplitúdójú szinuszos léptetőjelet kényszerít az S sínre (az á b r á n nem l á t h a t ó t o v á b b i fokozatok is ugyanezen sín és a föld közé csatlakoz­ nak).

nl

nl

co

be

he

n2

nl

n2

n2

c0

2. ábra. A n a l ó g l é p t e t ő r e g i s z t e r egy fokozata

A fokozat működésének vizsgálata során a t r a n ­ zisztorokat e g y f o r m á k n a k t e k i n t j ü k . R á j u k vonat­ kozóan a következő jelöléseket alkalmazzuk: A

EBL

168

nagyjelű, földelt bázisú áramerősítés, emitter-bázis dióda n y i t ó i r á n y ú feszült­ ségesése (%0,7 V ) , emitter-bázis dióda megengedett záró­ feszültsége,

be

AU=U =U -U s( C0

L

U

EB

EBL

- U )/2, EB

(3)

a töltés-kivezérelhetőség AQ=C AU, mln

(4)

— ahol C a lánc legkisebb k o n d e n z á t o r a . Az á r a m ­ kör lényeges tulajdonsága, hogy az egyes kondenzám i n

SZABÓ Z . - D I Í . S Z É K E L Y V . : ANALÓG LÉPTETŐI! K G J S Z T E B E K

mert a legkisebb k o n d e n z á t o r korlátozza a kivezérel­ hetőséget. A földelt végű k o n d e n z á t o r o k ( p l . C ) jellegzetes jelformáját a 3. á b r á n v á z o l t u k . A 4. á b r á n oszcillosz­ kóp-felvételt l á t u n k : egy földelt végű k o n d e n z á t o r jelformáját szinuszosan változó bemenőjel esetén. nl

f

Töltésveszteség: az egyes fokozatokon b e k ö v e t k e z ő töltésveszteség az alábbi okokra v e z e t h e t ő vissza: — áttöltési veszteség (A < 1 miatt), — a tranzisztor visszáramok okozta veszteség, — a k o n d e n z á t o r o k saját vesztesége (ezt az előbbiek mellett • elhanyagoljuk).

T_ b °9y

a

\H26>,-SS \

n

e

3

A fokozat által leadott t ö l t é s :

3. ábra. Jelforma a földolt v é g ű k o n d e n z á t o r o k o n

Oki = A{A [ Q + T ( / bK

L

E 0

+ J )] + r ( 7 c o

- A ^ b e + 2r (/ L

E O

L

+ J ), co

E 0

+ Ja,)} ~

(5)

ahol T a léptetőjel periódusideje. Ezek szerint t e h á t minden fokozaton A -szeres kivezérléscsökkenés és U=2T (l + T )/C n a g y s á g ú nullszint-eltolódás áll elő. L

2

h

E0

co

A léptetőgenerátor terhelése: az á r a m h u r k o k , ame­ lyekben egy-egy töltésléptetés létrejön, a léptető­ generátoron keresztül z á r ó d n a k . Ez meglehetősen nagy, lökésszerű á r a m t e r h e l é s t jelent a l é p t e t ő ­ generátornak. N é m i k é p p idealizált tranzisztorokat feltételezve, egy-egy fokozat áttöltési á r a m a 4. ábra. Jelforma egy földelt v é g ű k o n d e n z á t o r o n (oszcillosz­ k ó p felvétel). A l é p t e t ő f r e k v e n c i a 10 k H z , a t o v á b b í t o t t hasznos jel szinuszos

{

n l

L

cos co t, L

L

ha

arcsin 11 — ^ ^nl

0

L

nCU co L

b e

] =á cú t s jr/2, L

)

egyébként.

Az áramfelvétel l á t h a t ó a n függ az éppen l é p t e t e t t töltés nagyságától is. Ha a lánc n fokozatból áll, a léptetőjel-generátort m a x i m á l i s a n l =

dí

mindazokban az i d ő i n t e r v a l l u m o k b a n , amelyekben áttöltés folyik. H a a léptetés co körfrekvenciájú szinuszos jellel történik, az n-eá\k fokozat áramfel­ vétele a pozitív félperiódusban

toroknak nem szükséges szigorúan azonos é r t é k ű n e k lenniük, ez alkatrész-tűrés szempontjából kellemes. Mégis célszerű nagyjából azonos értékekkel dolgozni, C Uito

dí-

)

L

(6)

nagyságú áramlökések terhelhetik. Trapéz- vagy négyszögimpulzus formájú l é p t e t ő ­ jelnél a nagyobb dU /dt differenciálhányados m i a t t nagyobb csúcsáramok v á r h a t ó k , ezért m i a szinuszos léptetőjelet látjuk célszerűbbnek. Az (6) összefüggés n y i l v á n v a l ó v á tesz egy, a m ű k ö ­ dési frekvenciában m u t a t k o z ó korlátozást. Nagyobb frekvenciákon feltétlenül c s ö k k e n t e n ü n k kell a kon­ denzátorok k a p a c i t á s á t , e g y é b k é n t vagy a tranzisz­ torok árama, vagy léptetőjel-generátor terhelése t ú l ­ lépi a megengedett é r t é k e t . L

A kivitelezés a H I K I v a s t a g r é t e g technológiájával [7] t ö r t é n t . A 0,5" Xl" m é r e t ű kerámia-hordozón négy fokozatot h e l y e z t ü n k el. Az i n t e g r á l t k ö r univer­ zális alkalmazhatósága érdekében a k o n d e n z á t o r l á n c minden elemét k i v e z e t t ü k . Az á r a m k ö r kapcsolási rajza az 5. á b r á n , tokozás előtti felülnézeti képe a 6. á b r á n l á t h a t ó . Az alkalmazott tranzisztor BCW 33 típusú, ennek nagy áramerősítése kis töltésvesztesé­ get biztosít. A k o n d e n z á t o r o k k e r á m i a chip kivitelű-

2. A megvalósított integráltkör A H I K I Kísérleti G y á r t á s i F ő o s z t á l y á n a k labora­ t ó r i u m á b a n végzett kísérleteink során i n t e g r á l t k ö r formájában realizáltuk az analóg léptetőregisztert.

10 11

\H26t-SSS\

ábra. A m e g v a l ó s í t o t t i n t e g r á l t á r a m k ö r k a p c s o l á s i rajza. A z á r a m k ö r n é g y l é p t e t ő r e g i s z t e r - f o k o z a t o t tartalmaz

169

H Í R A D Á S T E C H N I K A X X V . É V F . 6. SZ.

i

6. ábra. A m e g v a l ó s í t o t t i n t e g r á l t á r a m k ö r felülnézeti ( t o k o z á s e l ő t t ) . A lapka m é r e t e 0,5" x l "

képe

ek, k a p a c i t á s u k 560 p F ± 5 % . Ez az é r t é k a hangfrek­ venciás s á v átfogására teszi alkalmassá az á r a m k ö r t ; kisebb k a p a c i t á s o k k a l megahertz nagyságrendű lép­ tetőjelek is lehetségesek. A z á r a m k ö r t ú g y alakítot­ t u k k i , hogy hosszabb láncok létrehozása céljából az egyes IC-k minden közvetítő elem nélkül egymás u t á n kapcsolhatók legyenek. Az á r a m k ö r lényegesebb adatai: léptetőjel:

Ü 4

= m a x . 2,6 V , =s400 juA/IC (10 kHz-es l é p t e t ő ­ jelnél), / = m a x . 200 k H z , kivezérelhetőség: A Ü=1,9 V , fokozatonként! töltésveszteség: 14-1,5%. L

L

p p

Az á r a m k ö r veszteségeinek kicsiny v o l t á t jól érzé­ kelteti a 7. ábra, amelyen 8 db, láncba kapcsolt IC 32 fokozatára á b r á z o l t u k egy végighaladó feszültség impulzus a m p l i t ú d ó j á t . A töltéscsökkenés a mérési pontok közé berajzolt egyenes szerinti (a feszültség­ a m p l i t ú d ó k szórása a kapacitások szórásából adódik). A k i a l a k í t o t t integrált á r a m k ö r t számítógépes ana­ lízisnek is a l á v e t e t t ü k . A T R A N Z - T R A N analízis­ programmal [8] v é g z e t t tranziens-vizsgálat e r e d m é ­ nyeit a 8. á b r á n látjuk. A t=0 időpillanatban a lánc elején belépett töltéscsomag e g y m á s t követően a 2., 4., 6. és 8. pontokra kivezetett k o n d e n z á t o r o k o n t ű n i k fel. Figyeljük meg, hogy m i u t á n a töltéscsomag végighaladt m i n d a négy fokozaton, s távozik az áramkörből, a léptetőgenerátor áramterhelése észreve­ hetően csökken. lUfmV]

\H?Sli-Ssa\

8. ábra. A z 5. ábra szerinti i n t e g r á l t á r a m k ö r tranziens visel­ k e d é s é n e k s z á m í t ó g é p e s szimulációja. A bemeneten b e t á p l á l t impulzus e g y m á s t k ö v e t ő i d ő p o n t o k b a n jelentkezik az áram­ kör 2, 4, 6 és 8 s o r s z á m ú k i v e z e t é s e i n

3. Vezérlés, lezárás, kicsatnlás Az analóg léptetőregiszter töltésvezérelt áramkör. Az alkalmazás során felmerülő első kérdés: hogyan oldjuk meg illesztését egyéb, á l t a l á b a n nem töltés­ vezérelt á r a m k ö r e i n k h e z ? E problémakört tárgyal­ j u k az alábbiakban. A vezérlés feladata: a bemenőjelből T időközön­ k é n t m i n t á t venni, s e m i n t á k k a l arányos töltéssel t á p l á l n i a lánc elejét. K é t egyszerű módszert muta­ t u n k be erre. Áramgenerátoros vezérlés: a lánc első kondenzáto­ r á t áramgenerátorral ( p l . egy tranzisztor kollektorá­ ról), a bemenőjellel a r á n y o s i .(t) á r a m m a l töltjük (9a ábra). Az egy léptetési periódus alatt befolyó töltés L

bl

7. ábra. A t ö l t é s v e s z t e s é g e k k ö v e t k e z t é b e n fellépő f e s z ü l t s é g ­ c s ö k k e n é s a 32 f o k o z a t b ó l álló l á n c m e n t é n , o mért feszültségek, — az á t l a g o s f e s z ü l t s é g c s ö k k e n é s

170

o

E megoldás h á t r á n y a , hogy a mintavétel az eredeti jel T i d ő t a r t a m r a t ö r t é n ő átlagolásával történik, L

SZABÓ Z . — D R . S Z É K E L Y V . : ANALÓG L É P T E T Ő R E G I S Z T E R E K

Ut)

\H2&-SS#\

10. ábra. K a p a c i t í v k i c s a t o l ó l i á l ó z a t . Ci<;-n a 2, 4, 6 é s 8 kap­ csok f e s z ü l t s é g é n e k s ú l y o z o t t ö s s z e g e áll elő 1

I

?

'5

1

J >

<

az 5. á b r á n ) . A hasznos jel kicsafolása nehezebb kér­ dés, különösen azért, mert a legfontosabb alkalmazá­ sokban t ö b b fokozat jelét kell egyidejűleg kicsatol­ nunk, s ezek súlyozott összegét kell előállítanunk (14. á b r a ) . Rezisztív h á l ó z a t o k k a l való előzetes kísér­ letezés u t á n végül a k a p a c i t í v kicsatolást t a l á l t u k a legjobbnak. A 10. á b r a szerinti áramkörrel a l á n c földelt k o n d e n z á t o r a i n levő feszültségek súlyozott összegét lehet a K kimeneten előállítani. A súlyozó t é n y e z ő k e t a C k o n d e n z á t o r o k h a t á r o z z á k meg. E megoldásnak k é t hibája van. E g y r é s z t így nem t u ­ dunk negatív súlyozó t é n y e z ő k e t realizálni, másrészt a kimeneten a 4. á b r á h o z hasonló formájú, megszag­ gatott jelet kapunk. A k a p a c i t í v kicsatolás 11. á b r á n l á t h a t ó , t o v á b b ­ fejlesztett v á l t o z a t a kiküszöböli ezeket a h i b á k a t . K ü l ö n gyűjtősínre csatlakoznak a pozitív és külön s

SS9I

\HiBk

9. ábra. A z a n a l ó g l é p t e t ő r e g i s z t e r bemeneti á r a m k ö r é n e k k i a l a k í t á s a . ( A z IG kapcsainak s o r s z á m o z á s a az 5. á b r a sze­ rinti), a) á r a m g e n e r á t o r o s v e z é r l é s , b) m i n t a v é t e l a l é p t e t ő j e l csúcsértékei s e g í t s é g é v e l

ami egy -íl-e-P^) P transzfer impedanciájú i n t e g r á l ó t a g b e i k t a t á s á t je­ lenti az átviteli láncba. Ez a h a t á r f r e k v e n c i á n a k az elméleti / / 2 értékhez képesti csökkenésére vezet. H á t r á n y o s t o v á b b á , hogy a léptetőfrekvencia v á l t o ­ zása az azonos bemenőfeszültséghez t a r t o z ó kivezér­ lés m e g v á l t o z á s á t hozza m a g á v a l . Mintavétel a léptetőjel csúcsértékei segítségével: a lánc k e z d e t é t most a 9Z> á b r a szerint képezzük k i . Az 1. pont feszültsége a lánc „ ü r e s " á l l a p o t á b a n L

u(t)=:U smco t+ l

U

l

co

szerint változik. A léptetőjel pozitív m a x i m u m a i n á l a D dióda nyit, és m i n t á k a t Vesz az u bemenőfeszült­ ségből. A z á r a m k ö r m ű k ö d é s e lineáris, ha a bemeneti generátor feszültsége nem haladja meg az be

be max"

••u, + u +u co

(

\H2a-SS1t\

11.''ábra. K a p a c i t í v k i c s a t o l ó l i á l ó z a t . E z az á r a m k ö r a n e g a t í v s ú l y o z ó t ó n y e z ő k e t is m e g v a l ó s í t h a t ó v á teszi, s kioltja a k i ­ menőjel léptetőfrekvenciás komponensét. (Az I C kivezetései­ nek elrendezése az 5. ábra szerinti)

(7)

értéket, és nem csökken ^be min "

:

^bemax

-

(8)

alá (U a D dióda n y i t ó irányú feszültségesése). A m i n t a v é t e l most T t ö r t r é s z e alatt megy végbe, s a kivezérlés független a léptetőjel frekvenciájától. A lezárás kérdését á l t a l á b a n elválaszthatjuk a k i csatolásétól. A lezárás csupán az utolsó fokozatból kilépő töltés elnyeletését jelenti, ami az utolsó tran­ zisztor kollektorának és bázisának összekötésével k ö n n y e n megoldható (a 9 és 10 kivezetés összekötése d

L

mmmm 12. ábra. Jelforma a 11. á b r a k i c s a t o l ó á r a m k ö r é n e k k i m e n e t é n (oszcilloszkóp f e l v é t e l ) . A l é p t e t ő j e l f r e k v e n c i á j a 10 k H z , a hasznos jelé 770 H z

171

•HÍRADÁSTECHNIKA X X V . É V F . 6. SZ.

sínre a negatív súlyozó tényezőkhöz t a r t o z ó kicsa­ toló k o n d e n z á t o r o k . E k é t sín egy differenciálerősítő plusz, i l l . minusz bemenetéhez kapcsolódik. í g y negatív súlyozó tényezők is megvalósíthatók. A 10. á b r a egyszerűbb h á l ó z a t á v a l ellentétben most a föl­ deletlen k o n d e n z á t o r o k r ó l is kicsatolunk. Ennek foly­ t á n a kimenőjel m á r nincs megszaggatva, csak a m i n ­ t a v é t e l n e k megfelelő lépcsőzöttséget m u t a t (12. ábra). A föl deletlen kondenzátorokról sajnos, a kimenetre csatolódik a léptetőjel egy h á n y a d a is; a C konden­ z á t o r feladata ezt k o m p e n z á l n i . A differenciálerősítő R bemenőellenállását lehetőleg nagyra kell beállíta­ nunk, mert az í ? C időállandó szerinti t ö r é s p o n t alatti jelfrekvenciákon ez a kicsatoló á r a m k ö r 20 d B / d e k á d meredekségű v á g á s t okoz. Szintmegfogó á r a m k ö r ö k k e l való kiegészítés egyenáramú átvitelre is alkalmassá teszi az á r a m k ö r t .

Késleltető

T

be

b e

K

4. A kapacitív csatolóhálózat A 10. á b r a l á t t á n egy aggály merülhet fel b e n n ü n k . A lánc egyes k o n d e n z á t o r a i a C kapacitásokon ke­ resztül egymással is csatolásba kerülnek. Nem zavar­ ja-e ez a csatolás a töltések mozgását, nem teszi-e diszperzivvé a késleltető vonalat? Az a l á b b i a k b a n m e g n y u g t a t ó választ adunk e kérdésre, egyben a ka­ pacitív csatolóhálózat méretezését is érintjük. Gon­ d o l a t m e n e t ü n k a léptetőregiszter á l t a l á n o s a b b á r a m ­ köri kialakításához is elvezet. h A h á l ó z a t o t most a 13. ábra szerint általánosított formában tekintjük. C és C csak kondenzátorokból álló, egyébként tetszőleges m-pólusok. E kapacitív hálózatok 1, . . . , n csomópontjai az eddigi C , i l l . C k o n d e n z á t o r o k n a k felelnek meg. Nevezzük ezeket léptető pontoknak. A z n + 1, . . . , m csomópontok kimenetek. A z m-pólusba lépő töltések és a kapocsfe­ szültségek közti összefüggés: s

nl

Qi = C U u

ill.

fi

U-C-fQj,

i

k

Ay, = '

1

t

2

feszültségváltozás áll elő. A regiszter soron következő léptetőperiódusa addig von el töltést a léptetőpon­ tokról (és csakis azokról), amíg vissza nem áll e pon­ tok eredeti feszültsége. Az ehhez elvonandó töltés­ mennyiség: n

Q,= -CL AU^ U

- QU-ZCLu í=l

m

2- CatQKk,

(10)

k=n+l

ahol CLjj a C h á l ó z a t 1, . . . , n csomópontjaira vonat­ kozó a d m i t t a n c i a m á t r i x l//co-szerese nyitott n + 1, m kapcsok esetén. Természetesen ugyanilyen összefüggéseket í r h a t u n k fel a C részhálózatra vonat­ kozóan is. A (9) és (10) összefüggésekből levonható lényeges következtetéseink az a l á b b i a k : — terheletlen kimenőpontokkal, t e h á t a QK = 0 feltétellel, minden egyes léptetőponton a betöltöttel azonos töltést kapunk vissza. Az egyes léptetőpontok között csatolás nincs, diszperzió nem lép fel; — terheletlen kimenőpontokkal az m-edik kime­ net feszültsége: t

m

2Cí QL + 1=1

14. ábra. A transzverzális szűrő k é t l e h e t s é g e s felépítése: a) kicsatolás a k é s l e l t e t ő v o n a l megcsapolásairól, b) t á p l á l á s a k é s l e l t e t ő v o n a l m e g c s a p o l á s a i n

n2

ahol C j a C kapacitív részhálózat a d m i t t a n c i a m á t r i x á n a k l//co-szerese. A h á l ó z a t o t az Z-edik léptető­ ponton QL[, a A-adik k i m e n ő p o n t o n QK töltéssel töltve, az egyes csomópontokon n

\HZB>t-SSn\

CtfQKt

(9)

k=n+l

i=i

az egyes léptetőpontokon befolyt töltések sú­ lyozott összegével arányos. A súlyozó tényezők a C kapacitív részhálózat impedanciamátrixa m-edik sorának elemei. Megszorítás, hogy csak pozitív súlyozótényezők valósíthatók meg; — C-nek t ö b b kimenőpontja lehet, mindegyiken m á s és m á s súlyfüggvény realizálható; — az m-edik kimenőpontra kényszerített töltés az n \H26^-SS13]

13. ábra. A z a n a l ó g l é p t e t ő r e g i s z t e r á r a m k ö r i k i a l a k í t á s ú n a k á l t a l á n o s í t á s a . G és C ' t e t s z ő l e g e s k a p a c i t í v m - p ó l u s o k

172

súlyozó tényezők szerint megoszló töltéseket

SZARÓ Z.—-DK. S Z É K E L Y V . : ANALÓG

LÉPTETŐREGISZTEREK

j u t t a t a l é p t e t ő p o n t o k r a . Megtehetjük, hogy e pontot kimenet helyett b e m e n e t k é n t használ­ j u k fel. í g y a transzverzális szűrő m ó d o s í t o t t el­ rendezéséhez j u t u n k (146 ábra). Mindaddig, amíg a 10. ábra szerinti kicsatoló háló­ zatot alkalmazzuk, és a C csatolókondenzátorok k i ­ csik a hálózat többi k o n d e n z á t o r á h o z képest, a C értékek elemi ú t o n s z á m í t h a t ó k . A számítás során nem szabad megfeledkeznünk az (5) szerinti töltés­ veszteségről — a súlyozó tényezőket ennek megfelelő­ en korrigálni kell. H a az erősebb kicsatolás végett viszonylag nagy C értékeket akarunk beállítani, vagy ha a hálózat összetettebb (pl. kénytelenek va­ gyunk a tranzisztor-kapacitásokat is figyelembe venni), a számítás bonyolulttá válik. Ebben az eset­ ben a kapacitásértékek m e g h a t á r o z á s á r a célszerű számítógépet használni. s

s

s

fo

5. Alkalmazási példák

\H26't-SS15\

Az áramkör sokrétű alkalmazási lehetőségei közül a transzverzális szűrőt mutatjuk be egy példa kap­ csán részletesebben. Egy sor m á s a l k a l m a z á s t csupán megemlítünk. A transzverzális szűrő ismert m ó d o n egy sokmegcsapolású késleltető vonalból és egy összegzőből áll. Az utóbbi a megcsapolásokon megjelenő feszültségek súlyozott összegét állítja elő (14a ábra). A h á l ó z a t eredő súlyfüggvénye:

s(t) =

2S d(t-h), i

15.

ábra.

Ideális

aluláteresztő

amplitúdó-

és

fázismenete

rontja el a rendszer futási idő k a r a k t e r i s z t i k á j á t (lásd [9], a szimmetrikus echopárra v o n a t k o z ó meg­ állapítások). A sin x/x súlyfüggvényt +n, 2n, ?>n, 4?r-ig realizáltuk. E négy esetben m é r t a m p l i t ú d ó ­ k a r a k t e r i s z t i k á k a t a 16a á b r á n mutatjuk be. A leg[dB]

(11)

ami az S, súlyozó tényezők megválasztásával elvi­ leg tetszőlegesen beállítható. A gyakorlati k i v i t e l ­ nél természetesen mindig mutatkoznak k o r l á t o k ; az analóg léptetőregiszterrel t ö r t é n ő megvalósítás esetén ezek a k ö v e t k e z ő k : — a késleltető megcsapolásainak véges sűrűsége miatt a transzverzális szűrő frekvencia-karak­ terisztikája / = l / f szerint periodikus. H a az alkalmazott késleltető analóg léptetőregiszter, annak f /2 határfrekvenciája elnyomja az így adódó n e m k í v á n a t o s á t v i t e l e k e t ; — a léptetőregiszter kivezérlő, m i n t a v e v ő á r a m ­ köre a léptetőfrekvencia közelébe eső jelkom­ ponenseket a szűrő á t e r e s z t ő t a r t o m á n y á b a ke­ veri le; — a léptetőregiszter véges hosszúsága korlátozza a megvalósítható súlyfüggvény hosszát; — a kimenőjel a léptetőjel felharmonikusainak megfelelő zavaró komponenseket tartalmaz.

f = i0kHz L

-10 — ±T —±2ir .— t3ir

-20

—

tt>r

L

Az alábbiakban a 8 db IC-ből összeállított, 32 foko­ zatból álló lánccal nyert e r e d m é n y e i n k e t mutatjuk be. A lánc vezérlése a 9fi ábra szerinti, kicsatoló á r a m ­ köre a 11. á b r á n l á t h a t ó megoldású volt. A kimeneten egyetlen RC taggal s z ű r t ü k a léptetőjel felharmonikus komponenseit. Először a 15. á b r a szerinti a m p l i t ú d ó és fázismenetű ideális aluláteresztőt p r ó b á l t u k meg­ valósítani. A frekvenciamenetet Fourier-transzformálva, sin x/x jellegű súlyfüggvény adódik. A reali­ zálás során ezt m i n d k é t oldalán c s o n k í t a n u n k kell. Szimmetrikus csonkítást alkalmaztunk, mert ez nem

30

j

i

i i i ii

100

J—L

1000

1000

'

[Hz]

f[Hz] \H26 ,-SS16b\ l

16. ábra. A n a l ó g léptetőregiszterrel m e g v a l ó s í t o t t , ideális alul­ á t e r e s z t ő t k ö z e l í t ő szűrő frekvenciamenete: a) a m p l i t ú d ó m e n e t , a sin x/x s ú l y f ü g g v é n y k ü l ö n b ö z ő hoszs z ú s á g ú t ö r e d é k e i n e k realizálása e s e t é n b) f á z i s m e n e t a leghosszabb, + 4;r-ig m e g v a l ó s í t o t t s ú l y f ü g g ­ v é n y esetén

173

H Í R A D Á S T E C H N I K A X X V . É V F . 6. SZ.

N é h á n y t o v á b b i alkalmazásnak csak az ötletét vetjük fel i t t : — analóg jelek soros-párhuzamos átalakítása (idő­ osztásos t ö b b c s a t o r n á s átvitel, képátviteli prob­ lémák); — t ö b b s z i n t ű szinkron logikai á r a m k ö r ö k reali­ zálása; — időfüggő jelek gyorsítása, lassítása ( p l . hang­ rögzítő nyávogás kiegyenlítése); — keringető analóg memória (pl. oszcilloszkópba építhető emlékezőegység, de i t t m é g t ö b b kér­ dés megoldatlan); — függvény generátorok; — elektronikusan v á l t o z t a t h a t ó iránykarakterisz­ tikájú akusztikai rendszerek (a phased-arrayradar hangfrekvenciás analogonja); — torzításmérő. A felsorolt alkalmazások lehetőségek, amelyek az áramkörrel v a l ó r a v á l t h a t ó k , de amelyek megvalósí­ t á s a n y i l v á n még hosszú k u t a t á s t igényel, sok gyakor­ lati p r o b l é m á t vet fel. 1000

f[Hz] \H2M-SSt7\

17. ábra. A l é p t e t ő f r e k v e n e i a v á l t o z t a t á s á v a l a s z ű r ő széles frekvenciatartományban hangolható. Az amphtúdókarakterisztika a l é p t e t ő f r e k v e n c i a v á l t o z á s á v a l a r á n y o s a n e l t o l ó d i k , de e g y é b v á l t o z á s t nem szenved

hosszabb megvalósított súlyfiiggvény esetén az alul­ áteresztő vágási meredeksége k b . 300 d B / d e k á d . Erre az esetre a fázismenetet is lemértük, ami kielégítően lineáris (16í> ábra). A rendszer zajtávolsága 52 dB (zajon i t t elsősorban j felharmonikusait kell érteni). A nemlineáris torzítás 90%-os kivezérlésnél 1,5% volt. A szűrő h a n g o l h a t ó s á g á t demonstrálja a 17. á b r a : a m p l i t ú d ó á t v i t e l 5,10 és 20 kHz-es léptetőfrekveneiával. Megkíséreltünk ideális aluláteresztőt megvalósí­ tani, de m é g a leghosszabb súlyfüggvényű m e g é p í t e t t h á l ó z a t z á r ó t a r t o m á n y b e l i csillapítása sem volt t ö b b , m i n t 25 d B . Egy másik kísérletünkben t r a p é z alakú átviteli k a r a k t e r i s z t i k á t k ö z e l í t e t t ü n k ; így a z á r ó t a r t o m á n y csillapítására a jóval kedvezőbb 38 dB érték a d ó d o t t (18. ábra). Előbbi p é l d á i n k b a n kifejezetten a frekvenciatar­ t o m á n y b a n megfogalmazott követelményekre ter­ v e z t ü n k transzverzális szűrőt. A z erre vonatkozó ter­ vezési és tolerancia-számítási módszereik kidolgozot­ tak, hozzáférhetők [9, 10]. Máskor i d ő t a r t o m á n y b e l i adatokból, p l . egy korrigálandó átvivőrendszer súly­ függvényéből kell kiindulnunk. Ilyenkor a dekonvolució módszerével (pl. [11]) h a t á r o z h a t j u k meg azt a reciprok súlyfüggvényt, ami a szűrő megcsapolásai­ nak száma s a zajviszonyok ismeretében az optimális korrekciót jelenti. Az analóg léptetőregiszter rekurrens szűrők [12] megvalósítására is alkalmas. H a erre van szükségünk, az utolsó fokozatból kilépő töltést nem nyelőbe vezet­ j ü k , hanem visszacsatoljuk a lánc elejére. í g y olyan súlyfüggvényeket realizálhatunk, amelyekben ugyan­ az a függvényszakasz exponenciálisan csökkenő am­ plitúdóval periodikusan ismétlődik. L

174

G. Következtetések Az analóg léptetőregiszter bemutatott áramköri megvalósításával kapcsolatban eddigi vizsgálataink alapján az alábbi megállapításokat t e h e t j ü k : — az á r a m k ö r bipoláris eszközökkel is felépít­ hető úgy, hogy minőségi jellemzői a gyakorlati felhasználást lehetővé teszik; — a vastagréteg IC technika alkalmas arra, hogy segítségével ilyen á r a m k ö r ö k e t realizáljunk; — az áramkörrel felépített szűrők és korrektorok m á r az első kísérletek alapján reális alkalmazási [dB]

f = 10kHz L

-10

-20

-30

-40 i

I M I I

.11 i

100

1000

f[Hz] ÍHÍ6i<-SS1B\

18. ábra. T r a p é z f o r m á j ú a m p l i t u d ó á t v i t e l közelítése. A z alul­ á t e r e s z t ő v á g á s i m e r e d e k s é g é b e n tett e n g e d m é n y a z á r ó ­ t a r t o m á n y b e l i csillapítás j a v u l á s á h o z vezet

SZABÓ Z.—DR. S Z É K E L Y V . : ANALÓG LÉPTETŐREGISZTEREK

területnek látszanak a vastagréteg kivitel szá­ mára ; — az á r a m k ö r szinte kínálja m a g á t a nagyobb fokú integrálásra. Az áramkör gazdasági vizsgálatát t o v á b b i , részle­ tes alkalmazástechnikai k u t a t á s o k n a k kell m é g meg­ előzniük. A n n y i azonban m á r ma is világosan látszik, hogy a bipoláris vastagréteg k i v i t e l ott lehet verseny­ képes a monolitikus MOS Bucket Brigade-del, ahol kis fokozatszámra van szükség, és ahol a minden lép­ t e t ő p o n t j á v a l kivezetett, modulokból összerakható lánc verzatilitását k i tudjuk használni. I R O D A L O M [1] Sangster, F. L . J.—Teer, K.: Bucket-brigade electronics ncw possibilities for delay, time-axis conversion and scanning. I E E E J . Solid-St. Circ., V . SG—4, No. 3, pp. 131—136 (1969) [2] Sangster, F. L . J.: The "bucket-brigade delay line", a shift register for analogue signals. Philips Techn. R e v . , V . 31. No. 4, pp. 97—110 (1970)

[3] Tompsett, M. F.—Amelio, G. F.—Smilh, G. E.: Gharge coupled 8-bit shift register. A p p l . P h y s . Letters, V . 17, No. 3, pp. 111—115 (1970) [4] Forgács G.—Lőrinczy A.—Tüttő P.: T ö l t é s - t o y á b b í t á s ú e s z k ö z ö k — a f é l v e z e t ő t e c h n i k a új i r á n y a . H í r a d á s t e c h ­ nika, V . 24, No. 7, pp. 202—206 (1973) [5] Séquin, C. H.: Interlacing in charge-coupled imaging devices. I E E E T r a n s . on E l . Dev., V . E D — 2 0 , No. 6, pp. 535—541 (1973) [6] Hofheimer, R. W.: Transistor-capacitor shift register. Semiconductor Products, V . 3, No. 7, pp. 31—32 (1960) [7] Dálnoki G.—Walton G.: S z i g e t e l ő a l a p ú hibrid i n t e g r á l t á r a m k ö r ö k . H í r a d á s t e c h n i k a , V . 23, No. 11, pp. 346—350 (1972) [8] Bt. Tarnay K.—dr. Székely V.: A T R A N Z - T R A N nem­ lineáris á r a m k ö r a n a l í z i s program. H í r a d á s t e c h n i k a , V . 24, No. 9, pp. 257—264 (1973) [9] Sallai Gy.: A d a t á t v i t e l i ö s s z e k ö t t e t é s e k k i e g y e n l í t é s e t r a n s z v e r z á l i s s z ű r ő v e l . H í r a d á s t e c h n i k a , V . 22, No. 4, pp. 103—114 (1971) [10] Sallai Gy.: A t r a n s z v e r z á l i s szűrő tolerancia-analízise. H í r a d á s t e c h n i k a , V . 24, No. 7, pp. 193—201 (1973) [11] Székely V.: A d e k o n v o l u c i ó és m é r é s t e c h n i k a a l k a l m a z á s i l e h e t ő s é g e i . I I I . Országos Elektronikus Műszer- és M é ­ r é s t e c h n i k a i Konferencia k i a d v á n y a , pp. 1—10 (1972) [12] Kormos I.: D i g i t á l i s szűrők, H í r a d á s t e c h n i k a , V . 24, No. 9, pp. 269—276 (1973)