1. februarja, 2019

Uporaba filtrov s preklapljajočimi kondenzatorji za prihranek prostora in izboljšanje učinkovitosti

Digi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2019_271_39

Analogni senzor pošlje signal za internet stvari (IoT) in preden se lahko v pretvorniku analognih v digitalne signale (ADC) izvrši digitalizacija, projekti obdelave potrebujejo določeno raven obdelave signala. Toda ta raven obdelave analognega signala je lahko zajetna, draga, nepravilna in, glede na temperaturo, nezanesljiva. Z uporabo filtrov s preklapljajočimi kondenzatorji (switched capacitor filters) pa lahko oblikovalci te težave znatno ublažijo in poenostavijo proces oblikovanja.

Da bi zagotovili ustrezno omejitev pasovne širine signala senzorja pred pretvornikom ADC, so potrebni nizkoprepustni filtri antialiasa. Tipičen pasiven nizkoprepustni filter zahteva zajetne tuljave in velik kondenzator, medtem ko aktivni uporovno-kapacitivni (RC) filtri potrebujejo visoko vrednost časovnih konstant RC. V obeh primerih filter postane občutljiv na tolerance komponent RC in temperaturno stabilnost.

Poleg tega je težko uveljaviti vrednosti uporov z zadostno natančnostjo znotraj integriranega vezja. Posledica tega so zasnove integriranih vezij (IC) z zunanjimi upori in kondenzatorji, s čimer se poveča število komponent, stroški, zapletenost in obseg filtra.

Za rešitev teh težav naj oblikovalci razmislijo o arhitekturi s preklapljajočimi kondenzatorji, da povečajo natančnost in prostorninsko zmogljivost filtrov. Te zasnove z natančno reguliranimi preklapljajočimi elementi nadzorujejo prenos naboja med kondenzatorji, kar jim nudi ustreznik upora. Kondenzatorji in z njimi povezani preklopi so preprosto izvedljivi v monolitni obliki.

Članek navaja teorijo delovanja filtrov s preklapljajočimi kondenzatorji (SCF-ji) kot drugo možnostjo pasivnim in aktivnim filtrom. Predstavljene so tudi vzorčne rešitve za prikaz načina njihove uvedbe.

Kaj je alias?
Vzorčni podatkovni sistemi, vključno s pretvorniki ACD in DAC, se morajo skladati s Nyquistovim kriterijem, ki navaja, da mora biti naprava vzorčena pri frekvenci, ki je več kot dvakrat večja od najvišje frekvence ob vhodu. Če Nyquistov kriterij kršimo z vzorčenjem pri prenizki frekvenci, se bo v pasovni širini frekvence filtra pojavil nezaželen lažen signal (diagram 1).

Zgornji diagram prikazuje signal časovnega območja (levo), vzorčenega pri frekvenci, ki je več kot dvakrat večja od pasovne širine signala. Pogled frekvenčnega prostora na desni prikazuje, da je signal osnovnega pasu od DC do fBW ločen od spodnje slike stranskega pasu o frekvenci vzorčenja fS.

Spodnji diagrami prikazujejo aliasno stanje. Signal časovnega območja (levo) je vzorčen več kot dvakrat manj kot signal pasovne širine, kar krši Nyquistov kriterij. V spektru frekvenc (desno) pa se je vzorčna frekvenca pomaknila proti levi strani in odseva nižjo frekvenco vzorčenja. Spodnji stranski pas slike o vzorčni uri se zdaj prekriva s signalom osnovnega pasu, kar njegov spekter kvari z lažnimi signali. Ko privede do tega, izvornega signala ni več moč obnoviti.

Za preprečevanje aliasa obstajata dve pogosto uporabljeni metodi. Ena lahko z uporabo nizkoprepustnega filtra omeji pasovno širino vhoda v pretvornik ADC. Tukaj nastopi SCF. Možno je tudi toliko povečati frekvenco vzorčenja, da zagotovimo, da slednja močno preseže pasovno širino vhodnih signalov.

SCF-ji, konfigurirani kot nizkoprepustni filtri, občudovanja vredno preprečujejo alias, vendar so tudi sami vzorčni podatkovni sistemi, zato se morajo skladati s Nyquistovim kriterijem. Vendar pa se SCF-ji aliasu izognejo tako, da zahtevajo, da je vzorčna frekvenca petdeset do stokrat večja od pasovne širine vhodnega signala. To zagotovi primeren zaščitni pas za preprečevanje aliasa. Če je uporabljena nižja vzorčna frekvenca, se lahko za preprečevanje aliasa pred uporabo SCF-ja uporabi preprost antialiasni filter. V večini primerov so ti filtri tako preprosti kot enopolni nizkoprepustni filter RC.

Preklapljajoči kondenzator proti filtru neprekinjenega časa
Z uporabo preprostega enopolnega nizkoprepustnega RC filtra je SCF-je preprosto primerjati s filtri neprekinjenega časa (diagram 2).

Zgornji shema prikazuje preprost enopolni nizkopropustni RC filter. Pasovna širina z -3 decibeli (dB) je izražena kot enačba 1:

271 39 02 300x77 - Uporaba filtrov s preklapljajočimi kondenzatorji za prihranek prostora in izboljšanje učinkovitosti

Enačba 1

 

Nizkofrekvenčne meje filtrov bodo zahtevale večje vrednosti upora. Če bi takšen upornik vključili v monolitni IC, bi bila toleranca upora 20 % do 50 %.

Nižji shema v diagramu 1 je uvedba preklapljajočega kondenzatorja enakega nizkoprepustnega filtra. Stikali S1 in S2 poganjajta neprekrivajoči se uri ϕ1 in ϕ2, ki imata frekvenco fS. S1 najprej poveže vhodni kondenzator C2 z vhodom VIN. Nato se odpre S1 in zapre S2, kar C2 omogoči deljenje svojega naboja s C1. Naboj, prenesen od vhoda (VIN) do izhoda (VOUT), se izračuna z uporabo enačbe 2:

271 39 03 300x47 - Uporaba filtrov s preklapljajočimi kondenzatorji za prihranek prostora in izboljšanje učinkovitosti

Enačba 2

Povprečen tok med vhodom in izhodom je časovni integral naboja, kakor je prikazano v enačbi 3:

271 39 04 300x30 - Uporaba filtrov s preklapljajočimi kondenzatorji za prihranek prostora in izboljšanje učinkovitosti

Enačba 3

To je izjava Ohmovega zakona glede toka skozi vezje preklapljajočega kondenzatorja. Iz te izjave se z uporabo enačbe 4 izračuna ekvivalentni upor:

271 39 05 300x131 - Uporaba filtrov s preklapljajočimi kondenzatorji za prihranek prostora in izboljšanje učinkovitosti

Enačba 4

 

Torej za 200 kilohertzev (kHz) taktne frekvence in 5 pikofaradov (pF) preklapljajočega kondenzatorja je ekvivalentni upor 1 megaohm (MΩ).

Če slednjega v enačbi zamenjamo s pasovno širino enopolnega nizkoprepustnega filtra, dobimo različico SCF, prikazano v enačbi 5:

271 39 06 300x104 - Uporaba filtrov s preklapljajočimi kondenzatorji za prihranek prostora in izboljšanje učinkovitosti

Enačba 5

 

V konfiguraciji preklapljajočega kondenzatorja je pasovna širina odvisna od vzorčenja ali taktne frekvence in od razmerja med preklapljajočim kondenzatorjem C2 in integriranim kondenzatorjem C1. V monolitni strukturi IC upornike zamenjajo kondenzatorji in stikala manjše vrednosti. Oba od teh elementov je relativno preprosto vključiti v IC, saj na čipu zavzemata le majhen prostor.

Mejna frekvenca filtra je sorazmerna z vzorčno frekvenco takta, tako da se takt lahko uporabi za uglasitev filtra, kar je z vidika prilagodljivosti pomembna funkcija. Uporaba visokokakovostnega vira za vzorčnitakt zagotavlja natančnost in stabilnost frekvence takta ter s tem kotno frekvenco filtra.

Poleg tega je treba tudi upoštevati, da je mejna frekvenca sorazmerna z razmerjem kapacitivnih vrednosti, ki lahko v strukturi IC ustrezajo ravni tolerance < 0,1 %. Istočasno na kondenzatorje vplivajo tudi temperaturne spremembe, razmerje pa običajno ostane konstantno.

Gradniki filtra s preklapljajočim kondenzatorjem
Filtri so zgrajeni okrog odzivnih elementov, konfiguriranih kot integratorjev. Zasnova filtra na splošno pridobi pol za vsak integrator. Preklapljajoči kondenzatorji nadomestijo uporne elemente v zasnovi analognega integratorja (diagram 3).

Preklapljajoči kondenzator se uporablja za zamenjavo upora v analognem integratorju. Zamenjava se izvede z uporabo dveh CMOS FET-ov, ki ju poganjata neprekrivajoča se takta j1 in j2.

V praksi se lahko analogni filtri, kot je dvopolna spremenljivka univerzalnega stanja, izvršijo kot filtri s preklapljajočimi kondenzatorji CMOS (diagram 4).

SCF (B) je pravzaprav funkcionalni blokovni diagram dvojnega univerzalnega SCF Texas Instruments MF10CCWMX/NOPB. Tudi ta, tako kot filter spremenljivke analognega stanja, vsebuje dve integratorski ravni na razdelek. V tem primeru so to integratorji s preklapljajočimi kondenzatorji. Vsak razdelek lahko uvede dvopolni filter drugega reda z največjo mejno frekvenco 30 kHz. Povezovanje dveh razdelkov omogoča realizacijo filtra četrtega reda v enojnem paketu IC. To ne zahteva nobenih zunanjih kondenzatorjev, ampak samo upornike, Zahteva pa uro z vsaj 50- ali 100-krat večjo mejno .

Primer izvedbe SCF uporablja oba razdelka MF10, da ustvari 1 kHz nizkoprepustnega filtra (diagram 5).

Integracija in preklapljajoči kondenzatorji so integrirani v 20-pi ICju. Edine zunanje komponente, uporabljene za nastavljanje značilnosti filtrov, so upori. Ta zasnova vezja z uporabo enojne zaloge 10 voltov konfigurira MF10. Frekvenca takta je stokrat večja kot 1 kHz mejna frekvenca.

Oblikovanje s SCF-ji
Dobavitelji lahko ponudijo orodja za oblikovanje, ki pospešijo fazo oblikovanja. Takšen primer je gradnik IC dvojnega univerzalnega filtra Analog DevicesLTC1060, ki ga podpira simulacijski program LTspice XVII podjetja (diagram 6).

Analog Devices za gradnik filtra LTC1060 vključuje model spice. Je dvojni, univerzalni IC SCF, ki doseže do 30 kHz z maksimalno hitrostjo takta 500 kHz. Vsak razdelek filtrov vsebuje dva integratorja, ki zagotavljata dva pola na razdelek. S svojimi šestimi operacijskimi načini ga je moč konfigurirati kot nizkoprepustni, visokoprepustni, pasovno prepustni ali pasovno zaporni filter. Primer zasnove združuje oba razdelka IC, da ustvari štiripolni nizkoprepustni filter 200 Hz s taktom 10 kHz. Zasnova uporablja samo sedem uporov in nič kondenzatorjev ali tuljav.
Poleg teh univerzalnih filtrov so na voljo še SCF-ji z določenimi vrstami filtrov in fazne konfiguracije filtrov, ki so na voljo pri glavnih dobaviteljih, so Besselova, Butterworthova, eliptična in linearna.

Sklep
Kot je prikazano, SCF-ji nudijo natančen spektralni nadzor, ki ga je moč zlahka izvesti na integrirano vezje. Zagotavljajo učinkovitost delovanja, izboljšanje velikosti in stroškov v primerjavi z analognimi RC filtri, v primeru aktivnih filtrov pa to dosežejo brez potrebe po zunanjih odzivnih komponentah. Močna prednost je v tem, da se lahko s spreminjanjem frekvence takta frekvenčne značilnosti filtrov spremenijo v realnem času.

www.digikey.com
Tags: