Параметрический синтез и реализация микроэлектронных аналоговых фильтров на преобразователях импедансов

• Автор: Коротков, Александр Станиславович
• Шифр специальности: 05.12.17
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 386 с. : ил

Оглавление
Введение
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Особенности применения и основные классы интегральных аналоговых фильтров
1.2. Основные этапы и методы синтеза аналоговых частотно-избирательных устройств
1.3. Метод элементной имитации
1.3.1. Классификация преобразователей импенданса
1.3.2. Основные методы реализации ARC-фильтров на преобразователях импедансов
1.3.3. Синтез SC-фильтров методом элементной имитации
(Общие положения метода)
1.3.4 Особенности синтеза ТУ-С-фильтров методом элементной имитации
1.4. Шумы в микроэлектронных аналоговых фильтрах
1.4.1. Шумовые свойства ARC-фильтров
1.4.2. Анализ шумов в SC - фильтрах
1.4.3. Анализ дискретных шумов «выборки-запоминания» в SC-цепях
1.4.4 Особенности анализа шумов в ТУ-С-фильтрах
1.5. Нелинейные искажения в микроэлектронных аналоговых фильтрах
1.5.1. Анализ искажений в «слабо» нелинейном режиме в ARC-фильтрах
1.5.2. Анализ искажений в «слабо» нелинейном режиме в SC-фильтрах
1.5.3. Анализ искажений в «слабо» нелинейном режиме в ТУ-С-фильтрах
1.6. Цели и задачи работы
2. СИНТЕЗ ARC-ФИЛЬТРОВ МЕТОДОМ ЭЛЕМЕНТНОЙ ИМИТАЦИИ
2.1. Введение
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
2.3.2. Анализ устойчивости обобщенных конверторов импеданса
2.3.3. Анализ влияния частотных ограничений ОУ на свойства ОКИ
2.3.4. Шумовые свойства ОКИ
2.3.5. Анализ ОКИ в «слабо» нелинейном режиме
2.4, Синтез ARC-фильтров нижних частот
2.4.1. Общие положения метода
2.4.2. Анализ шумовых свойств ФНЧ
2.4.3. Анализ нелинейных искажений в ФНЧ
2.4.4. Пример реализации ФНЧ
2.4.5. Особенности реализации широкополосных ФНЧ
2.4.6. Реализация ФНЧ на имитаторах ЧЗОС с одним операционным усилителем
2.5. Синтез полосовых ARC-фильтров
2.5.1. Методы синтеза ПФ
2.5.2. Синтез полосовых ARC-фильтров методом Сарага

2.5.3. Анализ шумовых свойств ПФ
2.6. Выводы
3. СИНТЕЗ ЬС-ФИЛЬТРОВ МЕТОДОМ ЭЛЕМЕНТНОЙ ИМИТАЦИИ
3.1. Введение
3.2. Анализ 5С-цепей методом ориентированного беспетлевого графа
3.3. Анализ 5С-имитаторов индуктивности суметом паразитных емкостей
3.4. Анализ шумовых свойств БС-имитаторов
3.4.1. Анализ собственных шумов 8С-имитатора взвешенной индуктивности
3.4.2. Анализ собственных шумов 8С-имитатора заземленной индуктивности
3.4.3. Анализ собственных шумов 8С-имитаторов резистивных импедансов
3.5. Анализ нелинейных свойств БС-имитаторов индуктивностей
3 .6. Синтез БС-фильтров высокого порядка
3.6.1. Синтез 8С-фильтров нижних частот
3.6.2. Синтез полосовых БС-фильтров со структурой
«фильтр сосредоточенной селекции»
3.6.3. Синтез полосовых БС-фильтров по прототипу с минимальным количеством индуктивностей
3.7. Анализ шумов в БС-фильтрах, реализованных методом элементной имитации
3.7.1. Общие положения
3.7.2. Анализ собственных шумов БС-фильтров на имитаторах импедансов
3.8. Анализ нелинейных искажений в лестничных БС-цепях
3.9. Экспериментальная проверка результатов
3.10. Выводы
4. СИНТЕЗ СТ-ФИЛЬТРОВ НА ОСНОВЕ ТРАНСКОНДУКТИВНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
4.1. Вводные замечания
4.2. Анализ МОП-цепей методом ориентированного беспетлевого графа
4.3. Сопоставительный анализ схем ТУ по уровню нелинейных искажений
4.3.1. Классификация транскондуктивных усилителей
4.3.2. Анализ схем ТУ первой группы
4.3.3. Анализ схем ТУ второй группы
4.4. Сопоставительный анализ схем ТУ по шумовым характеристикам
4.5. Влияние системы автоподстройки на динамические характеристики ТУ
4.6. Реализация ТУ-С-фильтров методом элементной имитации
4.7. Анализ шумов и искажений в «слабо» нелинейном режиме в ТУ-С-фильтрах
4.7.1. Шумовые и нелинейные свойства имитаторов индуктивностей
4.7.2. Особенности анализа шумов и нелинейных искажений в ТУ-С-фильтрах
4.8. Выводы
Заключение
Список литературы
Введение.
Актуальность темы. Существенные изменения, произошедшие в течение последних лет во всех областях радиотехники, в том числе в теории фильтрации, в первую очередь связаны с активным внедрением МОП-технологий. Этим объясняется необходимость разработки принципиально новых методов синтеза частотно-избирательных устройств, ориентированных на микроэлектронное исполнение. В первой половине 80-х годов вопрос о перспективности применения аналоговых фильтров рассматривался с известной долей скептицизма, что было обусловлено бурным развитием цифровых методов обработки сигналов. Однако, практические решения и внедрение фильтров на переключаемых конденсаторах (БС-фильтров) и интегральных фильтров с автоподстройкой (СТ-фильтров) доказали высокую конкурентоспособность аналоговых систем фильтрации и во многом определили основные направления развития данной области радиотехники.
Отдавая должное высокому качеству, надежности, универсальности цифровых фильтров, нельзя не отметить ряд существенных проблем, возникающих при их использовании. В первую очередь это связано со сравнительно высоким энергопотреблением цифровых фильтров, что особенно проявляется с повышением рабочих частот и приводит к естественному удорожанию оборудования, а в переносной аппаратуре ограничивает время работы до перезарядки или смены элементов питания. С другой стороны, постоянное совершенствование интегральных технологий, уменьшение минимальных типовых размеров МОП-элементов делают необходимым тщательный анализ общей структуры радиосистемы с последующей оптимизацией по стоимостным показателям и выбором аналоговых и цифровых способов реализации отдельных устройств. Подобная ситуация обусловлена двумя обстоятельствами: внедрение новых технологических методов позволяет существенно повысить потребительские качества, снизить массу и габариты изделий, но одновременно новые технологии, в большинстве своем, являются более дорогостоящими. Поэтому цифровые реализации далеко не всегда оказываются экономически выгодными, например, при разработке и выпуске небольших серий заказных или полузаказных

“и О А

- конвертор импенданса.
этому матрица каждой схемы имитатора имеет индивидуальный вид и сформулировать условия, которым удовлетворяют элементы матрицы в общем случае не представляется возможным.
В зависимости от знака отношения параметров Аи/А22 или Ai2/A2i определяют:
1. Конвертор (инвертор) положительного импенданса: А\!А22 > 0 , А21А2 >
2. Конвертор (инвертор) отрицательного импенданса: Ап!Агг < 0 ,А21А2 <
Таким образом, можно изобразить следующие [А]-матрицы преобразователей:
О А~
" - инвертор импенданса.
А21 О J
Необходимо отметить, что представленные соотношения соответствуют предположению об идеальности активных элементов, используемых в схемах. Далее приведен более детальный анализ условий, накладываемых на элементы матриц преобразователей, с учетом реальных параметров усилителей.
Частным случаем выделенных классов трехполюсников является хорошо известный гиратор, первоначально предназначенный для реализации невзаимных цепей (Tellegen B.D.H., 1948). Анализ свойств гиратора показал, что с его помощью можно осуществлять преобразование емкостной нагрузки в индуктивное входное сопротивление. Таким образом, гиратор можно классифицировать как инвертор импеданса. Отмеченные схемы преобразователей составляют основу схемотехники интегральных аналоговых ARC- и ТУ-С фильтров, синтезированных методом элементной имитации.
Рассмотрим с аналогичных позиций SC-преобразователи импеданса. В г-области «-фазная /«-полюсная SC-цепь описывается системой пхт уравнений, поэтому в простейшем случае двухфазного управления (п=2) SC-двухполюсник (т-1) характеризуется матрицей входных проводимостей [Гвх] второго порядка и системой двух уравнений, которые в матричной форме имеют вид:
М = [Ут)[Ц],
где [/], [U] - векторы г-изображений входных тока и напряжения в 1- и 2-ой фазах: [/]=
,Ph '[/’(г)
/2( г) _U'-{ 2)_
[ГВх]- матрица г-изображений элементов [7]-матрицы SC-двухполюсника, которая