Переключаемыми конденсаторами

Большое внимание в программе Micro CAP V уделено моделированию цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств. Имеются модели логических элементов всех типов, триггеров, счетчиков импульсов, программируемых логических матриц, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Так, например, предусмотрена возможность моделирования цифровых фильтров и фильтров на переключаемых конденсаторах. В последней версии программы Micro CAPV-2 значительно расширена библиотека компонентов, в которую входят больше 10 тысяч электронных компонентов ведущих фирм США, Европы и Азии.

схемы на ИНУН, или управляемого источника, затем рассмотрим построение фильтров на основе метода переменных состояния, выпускаемых в виде интегральных схем различными фирмами-изготовителями, и наконец, упомянем о двойном Т-образном фильтре с высоким избирательным подавлением («фильтр-пробка») и о некоторых интересных новых направлениях в области реализации фильтров на переключаемых конденсаторах.

5.11. Фильтры на переключаемых конденсаторах

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 специали-

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 /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 ЯС-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 инжекции 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 l/f. Это может стать проблемой, если, например, нежелательно при подаче на фильтр нижних частот сигнала низкого

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 /такт/50 или /такт/100. Большинство ИС на переключаемых конденсаторах предназначено для построения фильтров нижних частот, полосовых или

Резонатор на переключаемых конденсаторах. На 5.38 показан способ использования ИС фильтра на переключаемых конденсаторах MF5 в режиме само-

В автоматике, связи, информатике, радиоэлектронике все большее применение находят электрические схемы, выполняющие функции отрицательных резисторов, отрицательных емкостей, заземленных и незаземленных имитированных индуктивных элементов без потерь и с потерями, частотно-зависимых индуктивных и емкостных элементов второго порядка (ЧЗОС), а также высокоомных резистивных элементов, имитированных переключаемыми конденсаторами. Реализуют эти элементы обычно с помощью схем с ОУ и выполняют на относительно малые токи. Рассмотрим, как их можно осуществить.

ж) Высокоомные резисторы, имитированные переключаемыми конденсаторами. В настоящее время электронные схемы часто выполняют методами интегральной технологии, создавая на одном кристалле много резисторов, конденсаторов, транзисторов, диодов, ключей.

AD7882 Последовательного приближения с переключаемыми конденсаторами 16 ±0,50 ±0,50 2,5 0,4

с переключаемыми конденсаторами и используются для питания маломощных нагрузок.

постоянного тока и затем за счет изменения состояния ключей подключения заряженного конденсатора последовательно к другому конденсатору (повышение напряжения) или обратной полярностью к выходу (инвертирование). Преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами обладают определенными преимуществами (нет индуктивностей) и некоторыми недостатками (низкая мощность, малые пределы регулирования, ограниченное напряжение). Мы обсудим их несколько позже в этой же главе.

6.23. Преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами (зарядовый насос)

В разд. 6.19 мы рассмотрели импульсные источники питания, упомянув их странную способность вырабатывать выходное постоянное напряжение, большее чем входное или даже противоположной полярности. Там мы упомянули также, что преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами могут делать то же самое. Что же это такое «переключаемые конденсаторы»?

6.58. Инвертор напряжения с переключаемыми конденсаторами. С, и С2- внешние танталовые конденсаторы емкостью -10 мкФ.

6.59. Выходное напряжение инвертора с переключаемыми конденсаторами иод нагрузкой значительно уменьшается.

Рис 6.60. Сдвоенный источник с переключаемыми конденсаторами. Аналогичным образом включается LT1026, но при этом Яныж « 100 Ом, а емкость конденсаторов всего 1 мкФ.

Существуют еще несколько интересных ИС с переключаемыми конденсаторами. МАХ680 фирмы Maxim-это сдвоенный источник, который вырабатывает +10 В (до 10 мА) от +5 В ( 6.60). Похожая схема LT1026 фирмы LTC формирует выход + 20 В (до 20 мА) и использует меньшие емкости (1 мкФ вместо 20 мкФ). Схема LT1054 фирмы LTC сочетает преобразователь с переключаемыми конденса-