CC BY
90Расчет и реализация входных и выходных фильтров
для программируемых аналоговых схем Anadigm
Александр ЩЕРБА
shcherba@prosoft.ru
В статье описываются особенности работы дискретных аналоговых систем, построенных на базе переключаемых конденсаторов. Приведены схемы и даны расчеты входных и выходных фильтров нижних частот, необходимых для устранения эффекта наложения спектра и подавления нежелательных гармоник в выходном сигнале.
Особенности работы схем на переключаемых конденсаторах
Программируемые аналоговые микросхемы производства Апа^ш работают на схемах с переключаемыми конденсаторами. Схемы на переключаемых конденсаторах (СПК) построены на принципе замещения резисторов конденсаторами. Такое решение позволяет использовать интегральные технологии и хорошо отработанный процесс производства высокодобротных МОП-кон-денсаторов вместо интегральных резисторов, которые занимают большую площадь на кристалле ИМС, имеют низкую точность и сильную зависимость от температуры окружающей среды и времени эксплуатации. Для МОП-конденсаторов характерны малые токи утечки и температурная стабильность. Тот факт, что для СПК важно не абсолютное значение емкостей, а только отношение между ними, делает возможным создание интегральных схем обработки аналоговых сигналов высокой степени интеграции с абсолютными значениями емкостей менее 10-12 мкФ.
На рис. 1а представлена упрощенная блок-схема устройств на переключаемых конденсаторах. Вначале аналоговый сигнал поступает на фильтр нижних частот ФНЧ1, устраняющий эффект наложения спектров, затем с помощью устройства выборки хранения от аналогового сигнала берутся дискретные во времени значения входного сигнала с частотой ^, потом сигнал направляется на вход схемы с переключаемыми конденсаторами. После необходимой обработки сигнал поступает на устройство выборки хранения УВХ2, выполняющее функции фильтра нулевого порядка, и далее — на аналоговый восстанавливающий фильтр нижних частот ФНЧ2, который производит сглаживание кусочно-постоянного сигнала [2].
При проектировании схем на переключаемыми конденсаторах необходимо учитывать следующие особенности:
1. Сквозное прохождение сигнала тактовой частоты переключения конденсаторов. Как правило, тактовая частота переключения конденсаторов значительно (в 30 раз) удалена от верхней границы частоты обрабатываемого сигнала и легко удаляется аналоговым фильтром низких частот на выходе СПК.
2. Спектральные компоненты входного сигнала, которые отстоят по частоте от тактового сигнала переключения конденсаторов на величину, соответствующую частотам полосы пропускания, будут присутствовать на выходе в виде разностной составляющей между частотой полезного сигнала и частотой переключения конденсатора (эффект наложения спектров). Это означает, что если входной сигнал с верхней границей полезного сигнала 1 кГц будет содержать паразитный сигнал с частотой от 99 до 101 кГц, то при частоте переключения конденсаторов 100 кГц на выходе в спектре полезного сигнала появится паразитный сигнал. Такие спектральные компоненты удаляются фильтром низких частот на входе СПК.
3. Наличие шума на выходе СПК из-за неполного гашения инжекции заряда МОП-клю-чей. Поэтому динамический диапазон ограничен: 100-140 дБ.
Реализация фильтров для ПАИС Anadigm AN121E04/AN221E04
Все аналоговые сигналы от внешних источников заводятся в ПАИС Апа^ш через ячейки ввода/вывода (рис. 2). На базе ячеек ввода/ вывода можно реализовать самостоятельные конфигурируемые модули, в том числе усилители и программируемые фильтры нижних частот (ФНЧ). Для конфигурирования ячейки ввода/вывода в режим ФНЧ необходимо с помощью меню настроек ячеек ввода/
Ш Ш
Рис. 2. Условное обозначение ячеек ПАИС 2-го поколения: а) входной ячейки; б) выходной ячейки
Рис. 1. а) Блок-схема отработки сигнала на схемах с переключаемыми конденсаторами; б) спектр входного сигнала; в) спектр выходного сигнала
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 ’2009
Рис. 3. Меню настроек ячейки ввода/вывода для ПАИС 2-го поколения
Рис. 5. Фильтры нижних частот, реализованные с помощью встроенных дифференциальных усилителей ПАИС: а) входной фильтр; б) выходной фильтр
вывода (рис. 3) выбрать режим работы “Low Pass Filter” («Фильтр нижних частот»), а с помощью окна “Corner Frequency” установить нужную частоту среза. Важно, чтобы частота среза не была ниже верхней границы частоты полезного сигнала.
Реализация фильтров для ПАИС Anadigm AN131E04/AN231E04
В отличие от 2-го поколения, ПАИС 3-го поколения не имеют встроенных фильтров нижних частот. Для реализации фильтров в ПАИС 3-го поколения предусмотрены встроенные дифференциальные усилители во входных ячейках (рис. 4, таблица).
Эти усилители позволяют сконструировать входные и выходные цепи фильтров низких частот, используя только пассивные компоненты (рис. 5). Для этого необходимо выполнение 4 условий:
Таблица. Основные электрические характеристики дифференциальных усилителей
Обозна- чение м му X Ми Типовое Максимум
Выходное напряжение, В Vinouta 0,125 - 2,875
Дифференциальное входное/ выходное напряжение, В Vdiffioa - - ±2,75
Эквивалентное напряжение смещения, мВ Vofseti 2,85 - 13,9
Эквивалентное напряжение смещения в режиме автокалибровки нуля, мВ Voffset AZ - 0,5 1,0
Усиление с разомкнутой петлей обратной связи, дБ Av - 103 -
Коэффициент подавления синфазной составляющей входного сигнала, дБ CMRR 60 - -
Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания, дБ PSSR 60 - -
Скорость нарастания дифференциального выходного напряжения, В/мкс Slew - 50 -
Частота единичного усиления, МГц UGB 63 - -
Входное сопротивление, МОм Rin 10 - -
Выходное сопротивление, Ом Rout - 33 -
1) Входной сигнал должен быть дифференциальным.
2) В целях уменьшения шума входной фильтр должен быть 2-го порядка.
3) Входной сигнал должен быть униполярным с постоянной составляющей +2 В.
4) Амплитуда сигнала на выходе фильтра не должна превышать +3 В.
Значение номиналов фильтра нижних частот рассчитывается исходя из частоты среза фильтра РС, коэффициента передачи С и добротности (2 (обычно 2 = 0,707). Как правило, тактовая частота значительно превышает верхнюю частоту полезного сигнала, поэтому для эффективной фильтрации достаточно применять фильтр Баттерворта 2-го порядка. Данный тип фильтра обладает отличной линейностью в полосе пропускания.
Расчет номиналов проводится по следующим формулам:
R2 = GxR
R3 = R1G/(G+1)),
Q = (Q(G+1))/(nGFcRi), C2 = 1/(4nGFCRQ),
где FC — частота среза фильтра; G — коэффициент передачи фильтра; Q — добротность фильтра (Q = 0,707 для фильтра Баттерворта).
Для примера приведем расчетные данные фильтра нижних частот: FC = 15 кГц; G = 3; R1 = 10 кОм; R2 = 30 кОм; R3 = 7,5 кОм; Q = 0,7071; C1 = 2,0 нФ; С2 = 0,25 нФ.
Рекомендации по выбору компонентов
Следует использовать конденсаторы с диэлектриком NPO или COG, а также поверхностный монтаж для минимизации паразитных емкостей. Нужно избегать применения емкостей менее 10 пФ. Предпочтительны ме-талло-пленочные резисторы с маленьким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Точность компонентов должна быть лучше, чем 1%.
Заключение
При проектировании схем с использованием переключаемых конденсаторов необходимо учитывать специфику работы аналоговых дискретных систем. Для уменьшения шумов нужно применять фильтры нижних частот для входного и выходного сигналов. При использовании рекомендуемой тактовой частоты необходим фильтр 2-го порядка, построенный на базе ресурсов ПАИС. ■
Литература
1. AN121E04/AN221E04 Field Programmable Analog Arrays. User Manual. www.anadigm.com
2. Гауси М., Лакер К. Активные фильтры с переключаемыми конденсаторами / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1986.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7 '2009
www.kit-e.ru
