Курсовая работа на тему: Предварительные замечания. Основные свойства R-фильтров второго порядка

Введение

Внедрение SiGe технологии в широкую инженерную практику открывает объективные возможности построения твердотельных элементов и устройств диапазона высоких и сверхвысоких частот. Причем это относится не только к простейшим узлам, но и к более сложным устройствам, где реализация нужных функциональных свойств и совокупности количественных показателей обеспечивается применением специальных цепей обратной связи с глубоким возвратным отношением.

Важным дополнительным технологическим ограничением, существенно влияющим на схемотехнику таких устройств, является минимизация числа контактных площадок, потребляемой мощности при сохранении импедансных соотношений. Кроме этого, можно также с уверенностью утверждать, что изменяется не только структура, но и схемотехника базовых активных элементов, необходимых для построения более сложных функциональных устройств. Именно поэтому, за исключением диапазона рабочих частот, потенциально достижимые иные качественные показатели усилителей, преобразователей напряжения - ток (ПНТ) и ток - напряжение (ПТН) окажутся более низкими. Применительно к устройствам частотной селекции - активным фильтрам, амплитудным и фазовым корректорам - такой вывод существенно влияет на возможный набор альтернативных способов их схемотехнической реализации. Например, при создании высокоселективных (высокодобротных) фильтров или корректоров невозможно использовать гираторы на ПНТ, а ориентация на RLC-базис в частотозадающих цепях из-за индуктивности приводит к недопустимому увеличению площади кристалла.

Сомнительно также и применение структур с решающими усилителями. Несмотря на относительно низкое влияние частоты единичного усиления усилителей на основные параметры конечных устройств низкое значение частотозадающих резисторов (102 Ом) приводит к необходимости развивать в выходных каскадах большие (101 мА) токи.

Для уменьшения поэлементной чувствительности, позволяющей повысить точность реализации частотных характеристик, в структуре фильтров высокого порядка обычно используются дополнительные межзвенные связи [3]. Однако в области относительно высоких частот, когда отношение центральной частоты (частоты настройки) к относительной ширине полосы пропускания соизмеримо с частотой единичного усиления, использование таких обратных связей оказывается невозможным. Именно поэтому основным способом построения активных фильтров и корректоров является каскадирование секций (звеньев) второго и первого порядков.

Собственная компенсация влияния частоты единичного усиления существенно уменьшает соответствующую чувствительность параметров звеньев второго порядка и поэтому расширяет диапазон рабочих частот фильтра. Этот путь построения селективных устройств и СФ блоков представляется естественным при условии, что компенсирующие обратные связи не приводят к заметному уменьшению запаса устойчивости по фазе, необходимому для устойчивой работы схемы.

Именно поэтому при разработке соответствующих ОУ необходимо учитывать "электрическую длину" как по основным, так и по дополнительным контурам обратной связи [9]. Например, принципиальная схема звена полосового типа практически точно удовлетворяет этому критерию, поэтому при практической ее реализации необходим дифференциальный ОУ с относительно невысокой скоростью нарастания выходного напряжения.

Максимальное выходное напряжение фильтра будет определяться только этим параметром, т.к. эффект "перенапряжений" в схеме звена отсутствует. Кроме этого , уровень синфазного напряжения ОУ2 достаточно мал и определяется отношением максимального выходного напряжения фильтра к дифференциальному коэффициенту усиления ОУ.

Поэтому при разработке ОУ можно руководствоваться неравенствами

которые справедливы при полной компенсации влияния П1=2πf1 как на частоту, так и на затухание полюса.

Для построения звена полосового фильтра для систем связи при условии реализации соответствующих СФ блоков в технологическом процессе SGB25VD с параметрами, указанными в табл. 1, был разработан ОУ с дополнительными (не указанными в табл. 1) параметрами Δφ=330; I0 =10 мА; Еп =±2,0 В; Rн min = 50 Ом.

Учитывая невысокую нагрузочную способность ОУ и низкое значение статического коэффициента усиления, при расчете звена необходимо учитывать влияние этих параметров:

Поэтому при моделировании схемы фильтра в среде Cadence использовались следующие номиналы пассивных элементов:

С1=С2=0,2 пФ; R1=3,2 кОм; R2=50 Ом; R3=100 Ом; R4=650 Ом; R5=∞.

Таблица 1

Результаты проектирования звена

для технологического процесса SGB25VD

Базовые

параметры

Основные параметры фильтра

Основные параметры ОУ

fр, (Гц)

К0

Uвых max, (мВ)

f1, (ГГц)

v, (В/мкс)

Ксн, (Дб)

Расчет

Моделирование

Погрешность, (%)

Приведенные в табл. 1 результаты демонстрируют хорошую сходимость экспериментальных и расчетных значений. Дополнительно отметим, что в настоящем фильтре второго порядка Q*fр=3,4 ГГц, что только в 2,5 раза меньше частоты единичного усиления ОУ. Именно этот интегральный показатель и характеризует качество схемотехнического решения задачи [5, 12].

Полученные результаты позволяют сделать достаточно важные для схемотехники СФ блоков с узлами частотной селекции выводы.

Во-первых, структуры с собственной и взаимной компенсацией уменьшают требования к активным элементам и создают дополнительные степени свободы при схемотехническом проектировании СВЧ ОУ.

Во-вторых, собственная компенсация позволяет повысить общую стабильность характеристик устройства частотной селекции. Напримерчувствительность основных параметров фильтра к нестабильности всех компонентов схемы не превышает 0,5, а при С1=С2 чувствительность добротности к этим параметрам нулевая, что можно использовать, в частности, и для функциональной настройки звена на заданную частоту полюса.

Наконец, и это самое главное, работоспособность в ВЧ и СВЧ диапазонах схем с собственной и взаимной компенсацией является важным аргументом для широкого внедрения в соответствующих СФ блоках узлов и устройств с комплексом обратных связей, направленных на обеспечение необходимых функциональных зависимостей как СФ блоков, так и СнК в целом. Однако дальнейшее расширение диапазона рабочих частот требует пересмотра подхода к схемотехническому проектированию этого класса устройств.

Оглавление

- Предварительные замечания

- Основные свойства R-фильтров второго порядка

- Особенность схемотехники звеньев R-фильтров нижних частот

- Синтез структур R-звеньев с дополнительными частотнозависимыми цепями

- Синтез ФНЧ третьего порядка с дополнительными RС-цепями Библиографический список

Список литературы

- Максимович, Н.Г. Методы топологического анализа электрических цепей Текст / Н.Г. Максимович. - Львов : Изд-во Львовского ун-та, 2010. - 258 с.

- Масленников, В.В. Избирательные RС-усилители Текст / В.В. Масленников, А.П. Сироткин. - М. : Энергия, 2010. - 215 с.

- Мееров, М.В. Синтез структур систем автоматического регулирования высокой точности Текст / М.В. Мееров. - М. : Наука, 2007. - 423 с.

- Немудров, В.Г. Системы на кристалле. Проектирование и развитие Текст / В.Г. Немудров, Г. Мартин. - М. : Техносфера, 2008. - 216 с.

- Остапенко, А.Г. Анализ и синтез линейных радиоэлектронных цепей с помощью графов Текст / А.Г. Остапенко. - М. : Радио и связь, 2009. - 280 с.

- Прокопенко, Н.Н. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей Текст / Н.Н. Прокопенко, А.С. Будяков. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 230 с.

- Прокопенко, Н.Н. Архитектура и схемотехника с собственной и взаимной компенсацией импедансов Текст / Н.Н. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк. - Шахты : Изд-во