Содержание к диссертации
Введение
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Особенности применения и основные классы интегральных аналоговых фильтров 15
1.2. Основные этапы и методы синтеза аналоговых частотно-избирательных устройств 29
1.3. Метод элементной имитации
1.3.1. Классификация преобразователей импенданса М
1.3.2. Основные методы реализации ARC-фильтров на преобразователях импедансов .3?
1.3.3. Синтез SC-фильтров методом элементной имитации (Общие положения метода) 4 Я
1.3.4 Особенности синтеза ТУ-С-фильтров методом элементной имитации .62
1.4. Шумы в микроэлектронных аналоговых фильтрах
1.4.1. Шумовые свойства ARC-фильтров ?3
1.4.2. Анализ шумов в SC - фильтрах 79
1.4.3. Анализ дискретных шумов «выборки-запоминания» в SC-цепях .87
1.4.4 Особенности анализа шумов в ТУ-С-фильтрах 04
1.5. Нелинейные искажения в микроэлектронных аналоговых фильтрах
1.5.1. Анализ искажений в «слабо» нелинейном режиме в ARC-фильтрах ВЬ
1.5.2. Анализ искажений в «слабо» нелинейном режиме в SC-фильтрах 98
1.5.3. Анализ искажений в «слабо» нелинейном режиме в ТУ-С-фильтрах Щ
1.6. Цели и задачи работы 1$
2. СИНТЕЗ ARC-ФИЛЬТРОВ МЕТОДОМ ЭЛЕМЕНТНОЙ ИМИТАЦИИ
2.1. Введение 108
2.2. Синтез пассивных фильтров-прототипов
2.2.1. Вводные замечания
2.2.2. Синтез ПФ - прототипов со структурой «Фильтр сосредоточенной селекции»
2.2.3. Синтез ПФ - прототипов с минимальным количеством индуктивностей
2.3. Реализационные особенности и основные свойства обобщенных конвертов импеданса
2.3.1. Условия реализуемости и схемотехника ОКИ 1S6
2.3.2. Анализ устойчивости обобщенных конверторов импеданса 134
2.3.3. Анализ влияния частотных ограничений ОУ на свойства ОКИ ,йй
2.3.4. Шумовые свойства ОКИ І50
2.3.5. Анализ ОКИ в «слабо» нелинейном режиме ^
2.4. Синтез ARC-фильтров нижних частот
2.4.1. Общие положения метода "75?
2.4.2. Анализ шумовых свойств ФНЧ 1Ы
2.4.3. Анализ нелинейных искажений в ФНЧ ibZ
2.4.4. Пример реализации ФНЧ І&5
2.4.5. Особенности реализации широкополосных ФНЧ У?Э
2.4.6. Реализация ФНЧ на имитаторах ЧЗОС с одним операционным усилителем 175
2.5. Синтез полосовых ARC-фильтров
2.5.1. Методы синтеза ПФ /#3
2.5.2. Синтез полосовых ARC-фильтров методом Сарага 189
2.5.3. Анализ шумовых свойств ПФ 195
2.6. Выводы І98
3. СИНТЕЗ SC-ФИЛЬТРОВ МЕТОДОМ ЭЛЕМЕНТНОЙ ИМИТАЦИИ
3.1. Введение
3.2. Анализ SC-цепей методом ориентированного беспетлевого графа
3.3. Анализ SC-имитаторов индуктивности с учетом паразитных емкостей 212
3.4. Анализ шумовых свойств SC-имитаторов
3.4.1. Анализ собственных шумов SC-имитатора взвешенной индуктивности 219
3.4.2. Анализ собственных шумов SC-имитатора заземленной индуктивности 22^
3.4.3. Анализ собственных шумов SC-имитаторов резистивных импедансов 225~
3.5. Анализ нелинейных свойств SC-имитаторов индуктивностей 229
3.6. Синтез SC-фильтров высокого порядка
3.6.1. Синтез SC-фильтров нижних частот 236
3.6.2. Синтез полосовых SC-фильтров со структурой «фильтр сосредоточенной селекции» 243
3.6.3. Синтез полосовых SC-фильтров по прототипу с минимальным количеством
индуктивностей 24 f
3.1. Анализ шумов в SC-фильтрах, реализованных методом элементной имитации
3.7.1. Общие положения ^62
3.7.2. Анализ собственных шумов SC-фильтров на имитаторах импедансов 26S"
3.8. Анализ нелинейных искажений в лестничных SC-цепях 2&Э
3.9. Экспериментальная проверка результатов 2?2
3.10. Выводы 2?о
4. СИНТЕЗ СТ-ФИЛЬТРОВ НА ОСНОВЕ ТРАНСКОНДУКТИВНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
4.1. Вводные замечания
4.2. Анализ МОП-цепей методом ориентированного беспетлевого графа 284.
4.3. Сопоставительный анализ схем ТУ по уровню нелинейных искажений
4.3.1. Классификация транскондуктивных усилителей *№
43.2. Анализ схем ТУ первой группы 238
4.3.3. Анализ схем ТУ второй группы ^06
4.4. Сопоставительный анализ схем ТУ по шумовым характеристикам 313
4.5. Влияние системы автоподстройки на динамические характеристики ТУ 324
4.6. Реализация ТУ-С-фильтров методом элементной имитации 330
4.7. Анализ шумов и искажений в «слабо» нелинейном режиме в ТУ-С-фильтрах
4.7.1. Шумовые и нелинейные свойства имитаторов индуктивностей 33?
4.7.2. Особенности анализа шумов и нелинейных искажений в ТУ-С-фильтрах 342
4.8. Выводы 375
Заключение
Список литературы
- Особенности применения и основные классы интегральных аналоговых фильтров
- Синтез пассивных фильтров-прототипов
- Анализ SC-имитаторов индуктивности с учетом паразитных емкостей
Особенности применения и основные классы интегральных аналоговых фильтров
Современные методы обработки сигналов и достижения в области интегральных технологий во многом определяют текущее состояние и перспективы развития радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Благодаря высокой эффективности ведущее положение занимают цифровые методы обработки, известным преимуществом которых является возможность аппаратной реализации на основе МОП-технологий. Именно это позволяет успешно решать ряд ключевых проблем радиоэлектороники - миниатюризацию изделия и уменьшение потребляемой мощности. В табл. 1.1 представлены данные, характеризующие темпы и динамику изменений технологических параметров основных классов радиотехнических устройств [1, 2]. Если во второй половине 80-х годов степень интеграции составляла 106 элементов на кристалл, то к 1995 году этот показатель вырос в четыре раза при уменьшении минимальной ширины линий рисунков топологии МОП-микросхемы с 1,5 мкм до 0,35 мкм. "Проблема микроминиатюризации в радиоэлектронике является перманентной," - отмечается в работе [3, с. 145]. Действительно, вопросы микроминиатюризации широко обсуждаются как в периодической литературе [4], так и на крупных международных конференциях. В частности, на пленарных заседаниях симпозиума по технологии СБИС, проходившем в июне 1995 года в Kyoto, Япония, были заслушаны доклады, посвященные реализации микросхем с размерами элементов менее 0,1 мкм [5]. Таким образом, отмеченные тенденции и быстрый рост показателей качества, в первую очередь повышение степени интеграции и уменьшение минимальных размеров элементов, позволяют прогнозировать дальнейшее продвижение и активное внедрение интегральных устройств и систем в практические разработки.
Синтез пассивных фильтров-прототипов
Согласно введенной классификации преобразователей импедансов, можно выделить следующие типы ARC-фильтров, реализуемых методом элементной имитации:
1. ARC-фильтры на инверторах импедансов (гираторах);
2. ARC-фильтры на конверторах импедансов (ОКИ);
3. ARC-фильтры на имитаторах импедансов.
Общим этапом синтеза фильтров любого типа является поиск структуры пассивного прототипа. Однако, используемые схемы преобразователей в каждом случае различны. При этом потенциальные реализационные возможности преобразователей импедансов обусловливают возможные способы синтеза структур прототипов. Наибольшей универсальностью обладают методы синтеза, ориентированные на применение ОКИ, поскольку в этом случае могут быть синтезированы ARC-фильтры по тем же прототипам, что фильтры на гираторах, а также дополнительно ARC-фильтры на ЧЗОС. При этом следует учитывать, что по потребляемой мощности и количеству корпусов микросхем ARC-фильтры обоих типов примерно эквивалентны: обычно интегральные гираторы реализуются в одном корпусе, содержащем два ИТУН; конвертор импеданса также может быть собран на основе одной микросхемы, содержащей пару ОУ, например, 140УД20, 574УД2 и т.д. В этой связи применение ARC-фильтров на гираторах целесообразно при разработке частно-избирательных устройств с расширенным диапазоном рабочих частот, поскольку схемы на основе ИТУН являются более широкополосными. В иных случаях реализации ARC-фильтров на ОКИ более предпочтительны. Методы синтеза ARC-фильтров на имитаторах импедансов не обладают высоким уровнем универсальности, так как схема имитатора позволяет реализовывать лишь один заданный тип входного импеданса. Применение имитаторов импедансов оправдано при построении низкочастотных ARC-фильтров либо в комбинации с ОКИ. Кроме того, при использовании в качестве прототипа RLC-цепей второго порядка применение ОКИ позволяет синтезировать звенья для реализации каскадных фильтров [10, 12, 13, 68, 256- 260]. Таким образом, методом элементной имитации на основе единого схемотехнического блока-ОКИ можно проектировать как каскадные, так и некаскадные структуры. При заданном прототипе основные свойства таких фильтров, включая устойчивость, диапазон рабочих частот, уровни собственных шумов и нелинейных искажений, определяются свойствами ОКИ. Это обстоятельство делает необходимым подробное изучение конверторов с последующей оптимизацией их схемотехники, алгоритмов расчета и т.д.
В соответствии со сказанным, в первой части главы рассмотрены методы синтеза (в части задачи реализации) прототипов полосовых фильтров. Особое внимание уделено синтезу структур с равнономинальными индуктивностями. Данное обстоятельство важно с позиции микроэлектронной технологии, поскольку имитатор каждого индуктивного импеданса или ЧЗОС представляет собой законченный схемотехнический блок, и следовательно, при реализации микросхемы достаточно осуществить разметку подложки или кристалла лишь для одного из имитаторов, далее повторяя полученную разводку необходимое число раз. Поскольку процедура проектирования аналоговых микросхем до сих пор полностью не автоматизирована, то использование унифицированных блоков упрощает этап проектирования.
В следующем параграфе приведены результаты анализа собственно ОКИ, используемые далее при исследовании характеристик и построении ARC-фильтров методом элементной имитации. Как отмечалось в пункте 1.2, второй этап синтеза фильтров подразумевает реализацию оптимальной цепи, по критерию минимизации линейных искажений, шумов, нелинейных искажений. В этой связи рассмотрено влияние неидеально стей ОУ на свойства преобразователей импедансов, шумовые и нелинейные свойства преобразователей.
Несмотря на то, что основное внимание уделено синтезу ФНЧ и ПФ, как наиболее практически значимым типам фильтров, приведенные результаты и методы могут быть использованы в реализациях ФВЧ, заграждающих и иных классов цепей.
Анализ SC-имитаторов индуктивности с учетом паразитных емкостей
Проведем анализ двухфазных SC-имитаторов индуктивностей табл. 1.2, 1.3 с учетом паразитных емкостей нижних обкладок рабочих конденсаторов и паразит ных емкостей ключей Срі. На рис.3.8 показаны соответствующие эквивалентные схемы МОП-элементов, где СPi.— изображены пунктиром. Схемотехника имитаторов, представленных в табл. 1.2, позволяет выбрать полярности рабочих конденсаторов так, чтобы емкость нижней обкладки шунтировалась малым выходным сопротивлением ОУ и повторителей напряжения или нейтрализовывалась "эффектов виртуальной земли". Это обстоятельство определяет нечувствительность всех SC-имитаторов заземленной индуктивности, приведенных в табл. 1.2, к паразитной емкости нижней обкладки конденсаторов. Анализ с учетом паразитных емкостей ключей показал, что в состав эквивалентных схем имитаторов табл. 1.2 в частотной области входят как резистивные, так и реактивные потери. Принципиальным является зависимость резистивной составляющей входных сопротивлений от частоты рис.3.9. При реализации SC-фильтра изменение величин эквивалентных потерь элементов в диапазоне частот требует применения оптимизационных алгоритмов расчета прототипа для компенсации возникающих искажений характеристик фильтра. К сожалению, задача оптимизации плохо формализуема для цепей высокого порядка поскольку "априори" трудно определить значения весовых коэффициентов, количество и расположение частотных точек анализа, число шагов. Это неизбежно приводит к итерационной процедуре расчета и не гарантирует успех.
С другой стороны, если предположить, что резистивные потери частотно-независимы, то схема RLC-прототипа может быть синтезирована с использованием метода предыскажений. В этой связи рассмотрим далее SC-имитатор заземленной индуктивности, эквивалентная схема которого содержит частотно независимые потери.
На рис.3.10 представлен ранее не исследованный, и поэтому не вошедший в табл. 1.2 SC-имитатор заземленной индуктивности. Схема представляет собой вариант имитатора взвешенной индуктивности [94,95], реализованный с помощью эквивалентных преобразований исходной цепи, у которой один из входов предполагается заземленным. Приведенная схема не чувствительна к емкостям нижних обкладок конденсаторов. Пунктиром изображены паразитные емкости ключей Cpi, /=1,2,3, причем выделены только те из них, которые должны быть учтены. Влияние остальных паразитных элементов, включая емкости нижних обкладок конденсаторов, нейтрализуется малым выходным сопротивлением ОУ, повторителей напряжения и эффектом виртуальной земли. Определим входную проводимость схемы в z-области с помощью графов. На рис.3.11,я приведен ориентированный беспетлевой граф SC-имитатора, построенный согласно
