Расчет и реализация входных и выходных фильтров для программируемых аналоговых микросхем ПАИС Anadigm
Особенности работы схем на переключаемых конденсаторах
Программируемые аналоговые микросхемы производства Anadigm 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-конденсаторов 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 fC, 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].
Рис. 1. а) Блок-схема отработки сигнала на схемах с переключаемыми конденсаторами; б) спектр входного сигнала; в) спектр выходного сигнала
При проектировании схем на переключаемыми конденсаторах необходимо учитывать следующие особенности:
- 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.
- 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.
- Наличие шума на выходе СПК из-за неполного гашения инжекции заряда МОП-ключей. Поэтому динамический диапазон ограничен: 100-140 дБ.
Рис. 2. Условное обозначение ячеек ПАИС 2-го поколения: а) входной ячейки; б) выходной ячейки
Реализация фильтров для ПАИС Anadigm AN121E04/AN221E04
Все аналоговые сигналы от внешних источников заводятся в ПАИС Anadigm 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/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.
Рис. 3. Меню настроек ячейки ввода/вывода для ПАИС 2-го поколения
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:
- Входной сигнал должен быть дифференциальным.
- В целях уменьшения шума входной фильтр должен быть 2-го порядка.
- Входной сигнал должен быть униполярным с постоянной составляющей +2 В.
- Амплитуда сигнала на выходе фильтра не должна превышать +3 В.
Рис. 4. Условное обозначение ячеек ввода/вывода для построения фильтров нижних частот ПАИС 3-го поколения: а) входных; б) выходных
Значение номиналов фильтра нижних частот рассчитывается исходя из частоты среза фильтра Fc, коэффициента передачи G и добротности Q (обычно Q = 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.
Рис. 5. Фильтры нижних частот, реализованные с помощью встроенных дифференциальных усилителей ПАИС: а) входной фильтр; б) выходной фильтр
Расчет номиналов проводится по следующим формулам:
R2 = G×Rp R3 = R1(G/(G+1)),
Q = (Q(G+1))/(nGFcR1),
C2 = 1/(4nGFcR1Q),
где FС — 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; С = 2,0 нФ; С2 = 0,25 нФ.
Таблица. Основные электрические характеристики дифференциальных усилителей
Обозначение | Минимум | 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 | — |
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
- AN121E04/AN221E04 Field Programmable Analog Arrays. User Manual. www.anadigm.com
- Гауси М., Лакер К. Активные фильтры с переключаемыми конденсаторами / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1986.