Научтруд
Войти

Фильтры на переключаемых конденсаторах

Автор: Махлин Александр

Фильтры

на переключаемых конденсаторах

Александр МАХЛИН

amakhlin@pec.spb.ru

В последнее время в печати и Интернете все чаще встречаются упоминания о фильтрах на переключаемых конденсаторах. Вероятно, многим читателям было бы полезно разобраться в том, что же это такое. В статье дается краткое объяснение основных принципов действия таких фильтров и практические примеры их применения.

Фильтры на переключаемых конденсаторах — это класс устройств дискретно-аналоговой обработки сигналов, где входное напряжение дискретизируется только по времени, по уровню же оно сохраняется непрерывным. В этот класс также входят линии задержки и умножители напряжения на переключаемых конденсаторах. Первым и главным достоинством подобных фильтров является простота регулировки частоты среза с помощью микропроцессорных систем управления. Дело в том, что частота среза линейно зависит от подаваемой на фильтр тактовой частоты. Да, да, не удивляйтесь, теперь и у аналогового фильтра есть тактовая частота. Кстати, именно поэтому их иногда еще называют синхронными фильтрами. Второе важное преимущество — отсутствие резисторов и индуктивностей в схеме фильтра. Известно, что резисторы больших номиналов трудно реализовать в микросхемах. Более того, фильтр на переключаемых конденсаторах занимает в 9 раз меньшую площадь на кристалле, чем его цифровой 8-разрядный эквивалент, и при этом имеет лучшие параметры.

Теперь, когда основные преимущества раскрыты, имеет смысл разобраться в принципе действия такого фильтра. Прежде всего, рассмотрим обыкновенный ИС-фильтр на ОУ (рис. 1).

Здесь частота среза зависит от двух физических величин — емкости конденсатора и сопротивления резистора. Допустим, необходимо время от времени изменять параметры фильтра. Нет проблем, — ответите вы, — ставим переменный резистор, и задача решена. Однако согласитесь, изменить сопротивление микрометрового резистора на кристалле не так уж и просто, не говоря о конденсаторе. Особенно, если это необходимо сделать с помощью микроконтроллера. Не единственным, но лучшим решением данной проблемы является замена резистора конденсатором и двумя ключами. На первый взгляд не понятно. Но, как и всегда в подобных случаях, на помощь приходит математика. Чтобы понять, как работает эта схема, рассмотрите рис. 2, на котором показан конденсатор, соединенный двумя ключами с двумя источниками напряжения У2 иУ1.

Переместив разность напряжений (падение напряжений) в левую часть уравнения, получим:

(У!-У2)/1 = 1/(С^ськ) = к,

что доказывает, что данная схема является аналогом резистора. Величина сопротивления обратно пропорциональна частоте переключения. Схема такого решения интегрального фильтра приведена на рис. 3. Вместо ключей применены МОП-транзис-торы, работающие в противофазе. Здесь важно отметить, что противофазные сигналы не должны перекрываться по времени, потому что в случае, если оба ключа замкнуты одновременно, схема теряет работоспособность.

Рис. 2. Пример замены резистора конденсатором и двумя ключами

Если ключи 81 и 82 замыкаются в противофазе, то заряд, передаваемый от У2 к У1, выражается формулой:

Дд = ад-УО.

Если процесс переключения повторяется N раз во времени 1 то количество заряда, передаваемое в единицу времени, будет равно:

ДдШ = С^У^У^Ш.

Слева мы видим отношение заряда к единице времени, что является определением тока 1, а справа — количество переключений, которое можно выразить частотой £. Переписанное выражение будет иметь вид:

1 = С1(У2-У1^СЬК.

Что касается реальных схемных решений, то они существуют уже достаточно давно. Например, фирма Linear Technology разработала неплохую линейку синхронных фильтров. Рассмотрим одну из наиболее удачных разработок — микросхему LTC1564. Эта микросхема позволяет регулировать частоты среза фильтра и коэффициент усиления внутреннего ОУ с помощью микроконтроллера. Изделие отличается полным отсутствием внешних элементов, при этом являясь фильтром восьмого порядка! Необходимы лишь конденсаторы в цепи питания. Схема включения изображена на рис. 4.

Аналоговый сигнал подается на вход IN. Коэффициент усиления и частота среза задаКОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 &2008

0,1 мкф

Gain code

1 r ~\\
16 115 I 14 I 13 I 12 I 11 I 10 I 9

IN AGNDV+ RST G3 G2 G1 GO LTC1564

OUT V- EN HOLD F3 F2 F1 F0

1 Î2 Î3 [4 Î5 Гб l~7 l~8
0,1 мкф

Frequency code

VРис. 4. Схема включения микросхемы LTC1564

ются 4-разрядными кодами на входах G0-G3 и F0-F3. Выходной сигнал снимается с входа OUT. Как видите, схема предельно проста. Единственное неудобство заключается в том, что все значения частот среза являются фиксированными. Этого недостатка лишена тактируемая модель фильтра LTC1069-7 той же фирмы Linear Technologies. Здесь есть всего 1 вход управления, а частота среза фильтра задается тактовой частотой. Зависимость такая: частота среза в 25 раз меньше тактовой частоты. Схема включения фильтра изображена на рис. 5.

Рис. 5. Схема включения фильтра

Считаем важным отметить, что в России тоже производятся такие фильтры. Новосибирский завод полупроводников разработал и освоил их массовое производство. Отметим один из них — 1478ФН1У. Кроме того, в Зеленограде производятся микросхемы декодеров DTMF-синалов (двухтональные частотные посылки; используются для передачи информации в телефонии) на переключаемых конденсаторах КР1008ВЖ18.

В заключение хотелось бы сказать несколько слов о возможном будущем технологии дискретно-аналоговой обработки сигналов. Несмотря на то, что сейчас очень широко распространены методы цифровой обработки, они в некоторых случаях избыточны — такова плата за универсальность. Кроме того, цифровые сигнальные процессоры по субъективным оценкам специалистов не способны обеспечить такое же высочайшее качество обработки звуковых сигналов, как у аналоговых устройств. В то же время, в области вычислительной техники развивается теория нечеткой логики, где нет определенных ответов «да» и «нет», то есть нет дискретных значений. Это требует кардинально нового подхода к конструированию вычислительных схем. В свете всего вышеперечисленного дискретно-аналоговая обработка сигналов, объединяющая основные достоинства аналоговых и цифровых методов, представляется весьма перспективной. ■

fCLK = 2>5 МГц

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 6 &2008

www.kit-e.ru

Другие работы в данной теме:
Научтруд |