П.А. Ушаков,
(Ижевский государственный технический университет)
В первой половине 80-х годов прошлого столетия вопрос о перспективности применения аналоговых фильтров рассматривался с известной долей скептицизма, что было обусловлено бурным развитием цифровых методов обработки. Однако в последнее время, особенно при разработке и выпуске небольших серий заказных или полузаказных микросхем, цифровые реализации далеко не всегда оказываются экономически выгодными. В то же время простые и малопотребляющие, а следовательно дешевые аналоговые фильтры, ориентированные на изготовление по интегральным технологиям, позволяют не только эффективно решать задачи частотной селекции, но и могут быть выполнены на одном кристалле с цифровой частью радиосистемы.
В этой связи возникает задача нахождения таких конфигураций аналоговых активных RC-фильтров (ARC-Ф), которые бы при небольших габаритах и малом энергопотреблении обеспечивали реализацию передаточных функций высоких порядков с возможностью электронной перестройки частотных характеристик.
В данной работе предлагается схема звена ARC-Ф, построенного с применением структурно-неоднородного RC-ЭРП и операционного транскондуктивного усилителя (ОТУ), отвечающая решению поставленной выше задачи, и рассмотрена методика его синтеза.
Известно, что эллиптические фильтры обеспечивают требования к характеристике затухания при наименьшем числе звеньев. Поэтому с точки зрения минимизации размеров и уменьшения потребляемой мощности целесообразно, чтобы звенья ARC-Ф имели передаточную функцию с нулями передачи. Для работы в диапазоне частот сотни мегагерц целесообразно вместо традиционных ИНУН (в виде ОУ или транзисторных повторителей напряжения) использовать операционные транс-кондуктивные усилители (ОТУ), представляющие собой ИТУН. Поэтому была предложена и исследована схема звена ARC-Ф на ОТУ, в цепь обратной связи которого был включен многослойный структурно-неоднородный RC-ЭРП.
Комплексно-сопряженные нули передаточной функции ARC-Ф в этой схеме формируются за счет секционирования RC-ЭРП со структурой слоев R-C-NR. При определенном значении N каждая секция дает пару комплексно-сопряженных нулей передачи на частоте, которая зависит от постоянной времени секции. Для того чтобы секции не влияли на частоты нулей друг друга, между секциями со структурой слоев R-C-NR формируются вспомогательные секции со структурой слоев R-C-0. В результате получается сложный структурно-неоднородный RC-ЭРП, который можно реализовать в едином технологическом цикле как конструктивно законченный элемент.
Пара высокодобротных комплексно-сопряженных полюсов образуется за счет положительной обратной связи, которой охвачен ОТУ. Частота полюса и его добротность изменяются при изменении передаточной проводимости ОТУ.
Синтез звена ARC-Ф производится с помощью методов эволюционного проектирования и заключается в определении соотношения длин секций структурно-неоднородного RC-ЭРП, обеспечивающего заданное положение нулей передаточной функции и необходимый уровень затухания в нулях. После этого путем изменения величины передаточной проводимости ОТУ задается требуемая добротность и частота пары комплексно-сопряженных полюсов. Если на второй стадии синтеза не удается получить требуемые частотные характеристики, то процесс итерационно повторяется.
Предлагаемая схема звена ARC-Ф, содержащая только два элемента (ОТУ и RC-ЭРП), может быть полностью изготовлена по интегральной МОП-технологии. Как известно, постоянную времени RC-ЭРП, выполненного в виде МОП-структуры, можно изменять под действием электрического поля. Поэтому значительные погрешности изготовления пассивных RC-ЭРП, характерные для полупроводниковой технологии, в этом случае могут быть скомпенсированы. Кроме этого появляется возможность использования этих звеньев в построении адаптивных аналоговых ARC-фильтров.
Сравнивая характеристики традиционных ARC-Ф, нули передачи которых реализуются с помощью 2-Т мостов на RC-ЭСП, и характеристики предложенного эллиптического ФНЧ на основе ОТУ и RC-ЭРП. можно сделать следующие выводы. Количество нулей передачи, а следовательно затухание в полосе заграждения может быть у одного звена фильтра при одном структурно-неоднородном RC-ЭРП таким же, как у фильтров на RC-ЭСП 4-5-го порядка. Имеется возможность электронной перестройки как положения нулей, так и положения полюсов передаточной функции звена.
Для практической реализации предложенного звена ARC-Ф необходимо исследовать вопросы чувствительности частоты и добротности полюса передаточной функции звена к воздействию дестабилизирующих факторов, вопросы оценки шумовых свойств звена и разработать адекватные математические модели RC-ЭРП, выполненных на основе МОП-технологии.
|
