elektrické filtry Jiří Petržela aktivní prvky v elektrických filtrech

elektrické filtry Jiří Petržela aktivní prvky v elektrických filtrech

elektrické filtry

aktivní prvky v elektrických filtrech

základní aktivní prvky používané v analogových filtrech • standardní operační zesilovače (VFA) • transadmitanční zesilovače (OTA, BOTA, MOTA) • transimpedanční zesilovače (CFA) • proudové konvejory (GCC) • moderní funkční bloky (DVCC, CDTA, COA, CFB) • Nortonovy operační zesilovače

elektrické filtry


standardní operační zesilovače jsou nejpoužívanější prvky v aktivních elektrických filtrech na vyšších kmitočtem je nutno použít rychlé VFA, speciální vnitřní struktura ideální operační zesilovač je limitním případem ideálního zdroje napětí U out = A ⋅ U in

A→∞

a ideálního zdroje proudu I out = B ⋅ I in

B→∞

elektrické filtry


u reálného VFA je nutno ještě uvážit A<∞

Rin < ∞

Rout > 0

popřípadě kmitočtové závislosti těchto parametrů typické hodnoty základních parametrů jsou A ≈ 106

Rin ≈ 3MΩ

Rout = 50Ω

Obr. 1: Blokové schéma vnitřní struktury VFA.

elektrické filtry


zemnící uzel je u reálného VFA realizován mezi zdroji napájecího napětí (při symetrickém napájení) při nesymetrickém napájení je často nutné vytvořit virtuální nulu v polovině napájecího rozsahu DI – dva vstupy

SO – jeden výstup

Obr. 2: Schematická značka VFA a způsob jeho napájení.

elektrické filtry


další parazitní jevy VFA • offset • drift • proudová nesymetrie • vstupní zbytkové proudy základním obvodem určujícím vlastnosti celého VFA je vstupní diferenční (rozdílový) zesilovač

elektrické filtry


standardní kmitočtová závislost zesílení má tvar A0ω0 A(s ) = ωT = A0ω0 s + A0ω0 možná nestabilita offsetové napětí

korekce kmitočtové charakteristiky nestandardní modulová charakteristika VFA

tranzitní kmitočet

Obr. 3: Pracovní charakteristika reálného VFA a kmitočtová závislost zesílení.

elektrické filtry


offset a drift VFA offset (zbytkové napětí) je závislý na • teplotě • čase, stárnutí • kolísání napájecího napětí všechny tyto vlivy postihuje rovnice ΔU offset = f (ϑ , t , U N ) =

∂U offset ∂ϑ

Δϑ +

∂U offset ∂t

Δt +

∂U offset ∂U N

ΔU N

elektrické filtry


typické hodnoty těchto vlivů jsou ∂U offset ∂ϑ

= 10

μV

∂U offset

K

∂t

=1

μV

∂U offset

mesic

∂U N

= 100

μV V

u některých VFA lze kompenzaci ofsetu provést přídavnými obvody podle doporučení výrobce

elektrické filtry


dělení moderních VFA podle základních vlastností • rychlé • přesné • nízkošumové dělení moderních VFA podle použitých tranzistorů • s bipolárními tranzistory • s unipolárními tranzistory (jen na vstupu nebo obecně)

elektrické filtry


VFA s bipolárními tranzistory pro aktivní filtry používat pouze stabilní VFA pro A=1 (unity gain stable), a to i pro kapacitní zátěž nepoužívat nízkopříkonové VFA s horšími kmitočtovými vlastnostmi (fT) a větším výstupním odporem všechny důležité parametry lze nalézt v katalogu

elektrické filtry


nejpoužívanější VFA s bipolárními tranzistory • TL084 (čtveřice, fT=4MHz, napájení ±15V) • NE5532 (dvojice, fT=10MHz) • OPA2650, CLC440, AD8058 (fT=500MHz, napájení ±5V) • AD826, LM1364 (fT=70MHz, napájení ±15V) • MAA741, MAA748 (fT=1MHz, napájení ±15V) • CLC445 (fT=1.2GHz)

elektrické filtry


Obr. 4: Část katalogového listu VFA s typovým označením TL08x.

Obr. 5: Obvodové zapojení jednoho VFA s označením TL08x, katalog.

elektrické filtry


Obr. 6: Kmitočtová odezva VFA s typovým označením TL08x, katalog.

elektrické filtry


VFA s unipolárními tranzistory velký vstupní odpor

malé vstupní proudy

větší offset (někdy až 20mV) a větší drift možnost teplotní autokompenzace a úpravy parametrů obvodu šířkou kanálu FETů technologie CMOS, BiCMOS, MOSFET-N menší příkon a napájecí napětí jednodušší vnitřní struktura

elektrické filtry


nejpoužívanější VFA s unipolárními tranzistory • OPA356 (fT=200MHz, napájení ±7V) • OPA353 (fT=44MHz) • CA3130 (fT=15MHz) • LTC6244 (fT=50MHz, napájení ±3V) • THS4281 (fT=90MHz, nesymetrické napájení 16V) • OPA643 (fT=800MHz)

Obr. 7: Kmitočtové odezvy VFA s označením OPA356 uvedené v katalogu.

elektrické filtry


základní princip OTA jedná se zdroj proudu řízený napětím (VCCS) základním parametrem je transkonduktance gm I out = g mU in = g m (U1 − U 2 )

Rin → ∞

u reálného OTA je nutno ještě uvážit Rin < ∞

a kmitočtovou závislost gm

Rout < ∞

g m 0ω0 g m (s ) = s + ω0

Rout → ∞

elektrické filtry


většina OTA má možnost programování, tedy změny hodnoty transkonduktance vnějším zdrojem proudu Iset Iset se realizuje připojením nějakého pinu na napájecí zdroj přes rezistor patřičné hodnoty u některých OTA je problémem značně omezený dynamický rozsah vstupního napětí (řádově desítky mV) při návrhu filtru je třeba uvážit i nelinearitu gm=f(Iset)

Obr. 8: Schematická značka OTA, BOTA a příklad MOTA.

elektrické filtry


nejpoužívanější komerčně dostupné OTA • LM13700 (fT=2MHz, napájení ±18V, Rin=26kΩ) • CA3080 (fT=2MHz, napájení ±18V, Rin=26kΩ) • NE5517 (fT=2MHz, napájení ±18V, Rin=26kΩ) • LT1228 (fT=75MHz, napájení ±18V, Rin=25MΩ) • MAX436 (fT=200MHz, napájení ±6V, Rin=800kΩ) • OPA660 (fT=850MHz, napájení ±6V, Rin=1MΩ)

Obr. 9: Zapojení obvodu s označením LM13700, katalog.

elektrické filtry


základní vlastnosti integrovaného obvodu LT1228 maximální dynamický rozsah vstupního napětí je dán napájecím napětím vstupní impedance OTA bloku je 25MΩ výstupní impedance OTA bloku je 8MΩ proud Iset umožňuje nastavit hodnotu transkonduktance gm 10 gm = Rset

Obr. 10: Kmitočtové odezvy OTA a CFA bloku obvodu LT1228, katalog.

elektrické filtry


základní vlastnosti integrovaného obvodu MAX435 maximální rozsah vstupního napětí je ±2.5V proud Iset umožňuje omezit maximální výstupní proud pracuje bez zpětné vazby zpětná vazba neovlivňuje stabilitu OTA impedance Zt může být tvořena i kmitočtově závislým pasivním dvojpólem, například krystalem

elektrické filtry


Obr. 11: Princip obvodu s označením MAX435 (BOTA) a MAX436 (OTA).

elektrické filtry


základní vlastnosti integrovaného obvodu OPA660 užívá se i název ideální nebo diamantový tranzistor maximální dynamický rozsah vstupního napětí je odvozen z napájecího napětí +0.7V vstupní impedance OTA a sledovače je 1MΩ výstupní impedance OTA bloku je 25kΩ výstupní impedance sledovače je 7Ω

elektrické filtry


srovnání OPA660 s tranzistorem význam proudu IC je jiný pro UBE>0 teče IC ven z bloku OTA pro UBE<0 teče IC do bloku OTA OPA660 má mnohem větší linearitu, tedy gm je konstantní přes velký rozsah kolektorových napětí OPA660 má interně nastavený pracovní bod, pro činnost obvodu stačí menší počet obvodových prvků

elektrické filtry


Obr. 12: Základní informace o činnosti obvodu OPA660 a OPA860.

elektrické filtry


transimpedanční zesilovače jedná se zdroj napětí řízený proudem (CCVS) základním parametrem je transrezistance zt U out = zt I in

Rin → 0

u reálného OTA je nutno ještě uvážit Rin > 0

a kmitočtovou závislost zt

Rout > 0

zt 0ω0 z t (s ) = s + ω0

Rout → 0

elektrické filtry


základní vlastnosti CFA • neinvertující svorka má vysokou impedanci • invertující svorka má nízkou impedanci • chybový signál je proud • jako zpětnou vazbu využívají rovněž rezistorovou síť • mají velkou rychlost přeběhu a velký tranzitní kmitočet • šířka pásma nezávisí na zesílení, neplatí GBP=konstanta

elektrické filtry


nejpoužívanější komerčně dostupné CFA • AD844 (fT=60MHz, napájení ±18V) • AD846 (fT=80MHz, napájení ±18V) • AD8004 (fT=250MHz, napájení ±6V) • EL2020 (fT=50MHz, napájení ±18V) • EL2186 (fT=250MHz, napájení ±6V, Rin=800kΩ) • LT1207 (fT=60MHz, napájení ±18V)

Obr. 13: Základní srovnání struktury a kmitočtové charakteristiky VFA a CFA.

elektrické filtry


obecný tříbranový proudový konvejor (GCC) konvejor

sledovač

proudové zrcadlo

GCC je popsán branovými rovnicemi Ux = αUy Iy = β Ix

Iz = γ Ix

podle hodnot parametrů α, β, γ rozdělujeme GCC do tříd • α=1, β=0, γ=1 • α=1, β=0, γ∈(-2, 0)

CCII+ (AD844) CCII- (EL2082)

elektrické filtry


konvence napětí – branová napětí proti zemní svorce konvence proudů – kladná orientace směrem do konvejoru konvejory modelujeme ideálními řízenými zdroji, je třeba uvážit kmitočtové závislosti přenosů proudů časová evoluce proudových konvejorů • 1968, Smith a Sedra

CCI

• 1970, Smith a Sedra

CCII

• 1995, Fabre

CCIII

elektrické filtry


řád konvejoru je dán počtem vstupních proudových bran druh konvejoru je dán počtem napěťových bran třída konvejoru je dána počtem všech nenulových proudů IY konvejovaných do napěťových bran kromě proudových konvejorů existují i konvejory napěťové, nevyrábějí se (UTKO)

Obr. 14: Tříbranový CC (1. řád a 1. druh), čtyřbranový CC (1. řád a 1. druh) a čtyřbranový CC (1. řád a 2. druh).

elektrické filtry


princip činnosti obvodu AD844 jedná se o CFA s vyvedenou kompenzační svorkou lze využít jako proudový konvejor transresistance 3MΩ transkapacitance 4.5pF

Obr. 15: K principu činnosti obvodu AD844.

elektrické filtry


Obr. 16: Základní kmitočtové závislosti obvodu EL2082.

elektrické filtry


komerčně dostupné Nortonovy zesilovače • LM3900 (fT=2.5MHz, napájení ±15V) • LM359 (fT=30MHz, napájení ±10V)

Obr. 17: Princip činnosti Nortonova zesilovače.

elektrické filtry


další typy aktivních prvků pro použití ve filtrech • násobičky napětí (AD633, MLT04, AD834) • proudové násobičky (EL4083) • proudový zesilovač (COA) • OTA s proudovou zpětnou vazbou (CFB) • vícevýstupový proudový zesilovač s proudovým diferenčním vstupem(CDTA)

elektrické filtry


další typy aktivních prvků pro použití ve filtrech • proudový konvejor s diferenčním napěťovým vstupem a symetrickým proudovým výstupem (DVCC) • xx • xx • xx • xx

děkuji za pozornost otázky? © 21.12.2009

elektrické filtry Jiří Petržela aktivní prvky v elektrických filtrech

Recommend Documents