CS205351B1 - Integrated active filtre - Google Patents

Description

ČESKOSLOVENSKA SOCIALISTICKÁ REPUBLIKA (W) POPIS VYNÁLEZU K AUTORSKÉMU OSVĚDČENÍ 20(5351 (11) (Bl) (51) Int. Cl.3 H 03 H 7/00 (22) Přihlášeno 17 01 78(21) (PV 312—78) OŘAD PRO VYNÁLEZYA OBJEVY (40) Zveřejněno'31 03 80(45) Vydáno 30 03 80 (75)

Autor vynálezu HIRŠL JINDŘICH ing., Hradec Králové,HRUBÝ JAROSLAV ing. CSc.a NOVOTNÝ VLADIMÍR ing., Praha (54) Integrovaný aktivní filtr 1

Vynález se vztahuje k integrovaným aktiv-ním filtrům RC se zesilovači, zvláště k tako-vým, které realizují přenosové funkce 2. řá-du.

Jsou známy dvě možnosti, jak se mohouintegrované aktivní filtry vyrábět Někdy sevyrábí podle požadavků zákazníka celý filtrcharakterizovaný přenosovou funkcí n-téhořádu Jako jediný obvykle hybridně integro-vaný obvod. Na substrátu jsou vytvořeny ak-tivní i pasivní prvky, pasivní prvky jsouvhodným technologickým postupem nasta-veny na požadované hodnoty. Problémemje značná variabilita požadavků na filtry.Tímto způsobem lze tudíž vyrábět ekono-micky pouze takové filtry, které se použí-vají ve velikých sériích. Proto se využívámožnosti rozložit složité přenosové funkcena kombinaci jednodušších typů dílčích pře-nosových funkcí. Tento přístup potom vedena výrobu tzv. selektivních standardizova-ných funkčních bloků. Tyto funkční blokyjsou vlastně elementárními filtry s přeno-sovými funkcemi obvykle 2. řádu. Funkčníbloky jsou navrženy tak, aby umožňovalyrealizaci některého ze základních typů díl-čích přenosových funkcí například dolní,horní a pásmové propusti, popřípadě obecnébikvadratické funkce. Z těchto bloků jdepotom různými metodami, v podstatě staveb- 2 nicovým způsobem, vytvářet složitější filtrys přenosovými funkcemi vyšších řádů. Jezřejmé, že pokud požadavky kladené na vý-sledný filtr lze splnit funkcí 2. řádu, splývápojem funkčního bloku s pojmem celéhofiltru. Z tohoto důvodu je často užíván ter-mín „aktivní filtr“ i pro funkční bloky.

Podle způsobu výroby a použití lze funkč-ní bloky rozdělit na tzv. zákaznické typy,tzv. univerzální typy a typy, jejichž para-,metry jsou nastaveny v určitých hodnoto-vých řadách. Zákaznické funkční bloky, stejně jako jiždříve zmíněné celé zákaznické filtry, jsoudodávány s parametry podle specifikace zá-kazníka Jako Jediný integrovaný ,obvod. Proodběratele je jejich použití nejpohodlnější,protože tyto funkční bloky nebo celé filtrynepotřebují ke své činnosti žádné vnějšíprvky ani nemusí být zákazníkem nastavo-vány. Příprava výroby zákaznického typu jevšak zdlouhavá a přirozeně i nákladná. V sé-riích nižších než asi 5 000 kusů za ,rok jsouceny a dodací lhůty zákaznických funkčníchbloků většinou jíž nepřijatelné. niverzální funkční bloky jsou navrženytak, aby je.ich parametry, popřípadě i typreahzované přenosové funkce, bylo možno; ustavit v co nejširším rozsahu připojenímtWnýc^ vnějších pasivních prvků. Bez 205351 < í? ií' i? π 2053S1 / 3 těphto, vnějších prvků, nejsou obvyklé schop-ny funkce. Výhodou je, že tyto filtry lze- vy-rábět levně,, ve- velkých sériích, protože ně-kolik málo typů těchto tzv. univerzálníchfunkčních, blpků umožňuje pokrýt velmi ši-roké spektrum požadavků na filtry. Nevý-hodou je právě nutnost použití dodatečnýchvnějších prvků, které zvětšují rozměry fil-trů,, zvyšují' pracností a ovlivňují stabilituparametrů, Situaci výrazně zhoršuje i sku-tečnost, že vnější prvky musí být obvyklenastaveny velmi přesně. To působí značnépotíže právě okruhu odběratelů, pro., kterýjsou univerzální typy určeny, protože titoodběratelé většinou nejsou na - přesné na-stavování parametrů .technicky, vybaveni.Všestranná použitelnost těchto typů je tu-díž vykoupena závažnými nedostatky. Někteří výrobci se snaží o určité .kom-promisní řešení mezi zákaznickými a uni-verzálními funkčními bloky výrobou blpků,jejichž parametry jsou nastaveny,v určitýchhodnotových, řadách. Protože těmito para-metry jsou minimálně kritický kmitočet f0,činitel jakosti Q, a popřípadě i typ přenoso-vé funkce funkčních bloků, je zřejmé, žesnaha pokrýt tímto způsobem úrčitou oblastpožadavků vede k rozsáhlému a nepřehled-nému sortimentu výrobků, což zpětně sni-žuje sériovost dosahovanou u jednotlivýchtypů. To se ovšem, nepříznivě promítá i doceny. Navíc se i zde často stává, že typizo-vaný výrobek svými parametry , nevyhovujekonkrétním požadavkům odběratele,-kterýpotom musí opět použít vnějších dostavova-cích prvků, z čehpž také plynou, i když vmenší míře, potíže již zmíněné u univerzál-ních funkčních bloků.

Mnohé z těchto nevýhod odstraňuje inte-grovaný aktivní filtr, podle vynálezu, rea-lizující přenosovou funkci 2. řádu tvořenýobvodovou strukturou se třemi Jnvertující-mi zesilovači, jedním oddělovacím zesilova-čem, alespoň dvěma kondenzátory ,a nejmé-ně šesti odpory, při čemž dva1 kondenzátoryspojují. vstup a výstup dvou Invertujícíchzesilovačů, jeden odpor je zapojen mezivstup a výstup zbývajícím zesilovačem, třiodpory vždy spojují výstup jednoho z inver-tujících, zesilovačů, s následujícím, invertu-jícím zesilovačem, jeden z odporů je para-lelně připojen k jednomu z kondenzátorů,jeden z odporů spojuje, vstup filtru se vstu-pem jednoho z invertujících zesilovačů avstup oddělovacího zesilovače je spojen svýstupem filtru, přičemž všechny invertu-jící zesilovače a oddělovací zesilovač jsouvestavěny do, jediného, integrovaného obvo-du, k jehož vývodům jsou přivedeny výstu-py a vstupy všech zesilovačů, jehož podstataspočívá v tom, že alespoň še,st vývodů z ře-čeného, integrovaného-, obvodu je spojenos nejméně šesti vývody z dalšího integrova- ného obvodu; 'tento integrovaný obvod ob-sahuje tři v sérii propojené odpory, obakonce této trojíce odporů jsou spojeny s vý-vody téhož; integrovaného ob vodu a . s vý-vody téhož integrovaného obvodu jsou spo-jeny i oba uzly mezi oběma dvojicemi odpo-' rů, přičemž do již řečeného integrovanéhoobvodu jšou vestavěny nejméně · další ' dvaodpory., jejichž konce jsou přivedeny'k sa-mostatným vývodům ^ téhož integrovaného.obvodu.

Podle vynálezu může také být jeden konecdo Série zapojené trojice odporů spojen svýstupem prvního invertujícího zesilovače -adruhý konec řečené trojice je propojen sevstupem, dalšího invertujícího zesilovače,přičemž uzel mezi první dvojicí odporů jespojen se vstupem zbývajícího invertujícího·zesilovače a uzel spojující další dvojici od-porů je,.spojen, s výstupem téhož invertujicí-hozesilovače..

Integrované obvody tvořící aktivní filtrmohou být zhotoveny vrstvou nebo monoli-tickou technologií, je však zvlášť výhodné,aby integrovaný obvod obsahující pouze pa-sivní prvky byl zhotoven některou z vrstvo-vých. technologií, zejmé.na technologií ten-kých nebo tlustých' vrstev. Je dále možné,aby kondenzátory, které spojují vstup a vý-stup invertujících zesilovačů, byly buď ve-stavěny do integrovaného obvodu s odpory,nebo aby byly obsaženy v dalším samostat-ném integrovaném: obvodu. Tyto kondenzáto-ry je také možné připojit k integrovanémuobvodu se zesilovači jako vnější diskrétníprvky.

Integrovaný aktivní filtr podle vynálezu má řadu výhodných vlastností. Integrovanýobvod, obsahující zesilovače je jednotný pro·velmi širokou oblast parametrů a typů pře-nosových funkcí. Výrobce může tudíž tutouniverzální součást vyrábět ve velkých sé-riích a její cena bude nízká. • Integrovaný obvod, respektive obvody, ur-čující parametry přenosové funkce, je jed-noduchý a obsahuje pouze pasivní prvky.Při výrobě mohou být parametry pasivníchprvků .výrazně zlepšeny a stabilizovány ipoužitím takových technologických operací,které by aktivní prvky poškodily nebo zni-čily. Je například možné použít dvoufázovékalibrace odporů a obvody vystavit tepel-ným cyklům. Odpory netvoří uzavřené smyč-ky, proto mohou být snadno individuálněměřeny a kalibrovány bez obtíží a rizik vy-skytujících se u stávajících aktivních filtrů. V některých případech je výhodné rozdě-lení pasivní části do dvou ; integrovanýchobvodů. Odporová struktura totiž může býtrealizována tenkovrstvou technologií, což přináší další zlepšení parametrů.

Vzhledem k jednoduchosti a snadné kali- brovatelnosti pasivní části .určující paramet- 205351

S B ry přenosové funkce ji lze snadno modifi-kovat podle konkrétních požadavků. Výšeuvedené skutečnosti umožňují překonat nej-závažnější nevýhodu stávajících provedenízákaznických aktivních filtrů. Integrovanéaktivní filtry podle vynálezu je totiž možnov zákaznickém provedení ekonomicky vy-rábět i již v sériích od 100 ks výše. Podlevynálezu je však také možno vyrábět aktiv-ní filtry univerzálního typu i typu -s para-metry odstupňovanými v hodnotových řa-dách.. S výhodou je také možno vytvářet filtry,ve kterých lze k jedné aktivní části pře-pojovat několik částí pasivních a tak eko-nomicky, měnit přenosovou funkci. Příklady provedení aktivních filtrů podlevynálezu jsou schematicky znázorněny navýkresech, kde na obr. 1 je provedení ak-tivního filtru realizujícího dolní propust, naobr. 2 je aktivní filtr realizující horní pro-pust, na obr. 3 je aktivní filtr realizující pás-movou propust, na obr. 4 je provedení inte-grovaného obvodu obsahujícího dva odporya dva kóndenzátory a na obr. 5 je- integro-vaný obvod obsahující úplnou pasivní částRC. Příklad možného provedení dolní propus-ti .podle vynálezu je na obr. 1. Odporovástruktura s prvním odporem 3,. druhým od-porem 4, třetím odporem. 5, čtvrtým odpo-rem 6 a pátým odporem 7 je soustředěnav integrovaném obvodu 9 a ve druhém inte>-grovaném obvodu 1 je první invertující ze-silovač . 10, druhý invertující zesilovač 11 átřetí invertující zesilovač 12 a oddělovacízesilovač 13. Signál je přiváděn na vstupnísvorku 2, výstupní signál je odebírán z vý-stupní svorky 8. spojené s výstupem oddělo-vacího. zesilovače 13, Vstupní svorka 2 jépres první odpor 3 spojena se vstupem prv-ního , invertujícího zesilovače 10, který jerovněž přes pátý odpor 7 spojen s výstupemtřetího invertujícího zesilovače 12. Výstupprvního invertujícího zesilovače 10 je přesdruhý odpor- 4 spojen se vstupem druhéhoinvertujícího zesilovače 11, mezi jehož, vstupa „výstup je zapojen třetí odpor . 5. Výstupdruhého invertujícího zesilovače 11 je dálepřes Čtvrtý odpor 6 spojen se vstupem tře-tího invertujícího zesilovače 12. Mezi vstupa výstup prvního invertujícího zesilovače 10je zapojen tlumicí odpor 16 paralelně s prv-ním kondemzátorem 14. Mezi vstup a výstuptřetího invertujícího zesilovače 12 je zapojendruhý kondenzátor 15. Na výstup třetíhoinvertujícího zesilovače 12 je připojen vstupoddělovacího zesilovače 13. První kondenzá-tor 14, dtuhý kondenzátor 15 a kondenzátor16 jsou diskrétní součástky připojené vně kintegrovaným obvodům. Příklad možného provedení horní propustipodle vynálezu je na obr. 2. Integrované ob- vody 1 a 3 s.e shodují s integrovanými obvo-dy podle obr.; l.: Vstupní signál je opět při-veden na vstupní svorku 2, výstupní signálje odebírán z výstupní svorky 8 spojené svýstupem oddělovacího; zesilovače 13. Vstup-ní svorka 2 jé přes odpor 3 spojena se vstu-pem druhého zesilovače 11 a přes odpor 17se vstupem prvního zesilovače 10, který jetaké přes odpor 7 propojen s výstupem tře-tího zesilovače 12. Výstup zesilovače 10 jepřes odpor 4 propojen se vstupem zesilova-če 11. Mezí vstup a výstup prvního zesilo-vače 10 jsou zapojeny paralelně odpor 16a kondenzátor 14, mezi vstup a výstup dru-hého zesilovače 11 je zapojen odpor 5, me-zi vstup a výstup třetího zesilovače 12 jepřipojen kondenzátor 15. Výstup druhéh©zesilovače 11 je spojen se vstupem oddělo-vacího zesilovače 13 a přes odpor 6 se vstu-pem třetího zesilovače 12. Kondenzátory 14a 15 a odpory 16 a 17 jsou diskrétní' sou-částky připojené vně k integrovaným ob-’vodům. ' 7 Příklad možné realizace pásmové propustipodle vynálezu jé na obr. 3. Provedení šezcela shoduje s provedením dolní propustipodle obr. 1 až na to, že vstup oddělovacíhozesilovače 13 je místo k výstupu třetího ze-silovače 12 připojen k výstupu druhého ze-lovače 11.

Na obr, 4 je integrovaný obvod 101 obsa-hující kondenzátory 114 a 115 a odpory116 a 117. Integrované kondenzátory 114 a115 a odpory. 116 a. 117 odpovídají elektric-.ky diskrétním kondenzátorům .14 a 1,5 a od-,pórům 16 a 17. z provedení, aktivních filtrůpodle obr. 1,,2 -a 3. S použitím integrovanýmobvodů 1, 9 a . 101 lze vytvořit opět .dolní,horní a pásmovou, pr.epust s elektrickým za-pojením shodným .-jako v příkladech uvede-ných na obr.. 1, '2 „a 3, až na to, že, diskrétníodpory 16 a 17 a-kondenzátory 14 a 15 jsounahrazeny odpory 116 a 117 a kondenzátory114 a 115 integrovanými, v obvodu 101. , .

Na obr. 5 je znázorněn integrovaný obvod,201. obsahující odpory 203, 204, 205, 206,207, 216, 217 a kondenzátory 214 a ,215., kte-;ré· elektricky. odpovídá jí diskrétním odporům,.3, 4, 5, 6, 7, 16, 17 a kondenzátorům 14 a 15z příkladů provedení aktivních filtrů podleobr. 1, 2 á 3. Integrovaný obvod 201. je opat-řen vývody 31;;32, 33,, 34, 35,:.36^.-37^;38, 39.Odpor 203 je připojen mezi vývody 31 a 32,odpor 204 mezi vývody 35 a 36,-odpor 205mezi vývody 36 a 37, odpor 206 mezi vývody37 a 38, odpor 207 mezi vývody 34 a 39, od-por 216 mezi vývody 34 a 35, odpor 217 me-zi vývody 33 a 34, kondenzátor 214 mezi vý-vody 34 a 35 a kondenzátor 215 mézi vý-vody 38 a 39. S použitím integrovaných ob-vodů 1 a 201 lze vytvořit opět dolní, hornía pásmovou propust bez diskrétních prvků.Elektrická zapojení se shodují se zapojením

Claims (2)

1. 205351 7 podle příkladů uvedených na obr. i, 2 a 3až na to„ že odpory 3,4/5, 6, 7, 16 a 17 jsounahraženy odpory 203, 204,, 205, 206, 207,216 a 217 integrovanými v obvodu 201 a dis-krétní kondenzátory 14 a 15 jsou nahraženykondenzátory 214 a 215 integrovanými v ob-vodu 201. Činnost filtru podle-vynálezu lze objasnitna příkladu dolní propusti znázorněné naobr. 1. Aktivní filtr obsahuje dva integrá-tory a jeden invertor zapojené v kaskáděv uzavřené zpětnovazební smyčce. Účinkemzpětné vazby,-se vytváří dvojice komplexněsdružených pólů přenosové funkce. Zesilo-vače potřebné k vytvoření integrátorů a in-vertoru stejně jako zesilovač, který sloužík impedančnímu oddělení výstupu ze smyč-ky od zátěže, tvoří aktivní část filtru a jsouvytvořeny v integrovaném obvodu 1. Pasiv-ní část filtru obsahuje prvky spoluvytváře-jící integrátory a invertor a určující týp aparametry přenosové funkce. Pět odporů 3,4, 5, 6, 7 pasivní části je integrováno v ob-vodu 9. Jeden integrátor je vytvořen s po- před m ě t

   1. Integrovaný aktivní filtr realizující pře-nosovou funkci 2. řádu tvořený obvodovoustrukturou se třemi invertujícími zesilovači,jedním oddělovacím zesilovačem, alespoňdvěma kondenzátory a nejméně šesti odpo-ry, přičemž dva kondenzátory spojují vstupa výstup dvou invertujících zesilovačů, je-den odporuje zapojen mezi vstup a výstupzbývajícího zesilovače, tři odpory vždy spo-jují výstup jednoho z invertujících zesilo-vačů s následujícím invertujícím zesilova-čem, jeden z odporů je paralelně připojenk .jednomu z kondenzátorů, jeden z odporůspojuje vstup filtru se vstupem jednoho zinvertujících zesilovačů a vstup oddělova-cího zesilovače je spojen s výstupem filtrů,přičemž všechny Invertující zesilovače a od-dělovací zesilovač jsou vestavěny do jedi-ného integrovaného obvodu, k jehož vývo-dům jsou přivedeny výstupy a vstupy všechzesilovačů, vyznačený tím, že alespoň šestvývodů z řečeného integrovaného obvodu(1) je spojeno s nejméně šesti vývody z dal-šího integrovaného obvodu (9)', tento integ- 8 užitím zesilovače 10, odporů 7 a 16 a kon-denzátoru 14. Druhý integrátor je tvořen ze-silovačem 12, odporem 6 a kondenzátorem15. Invertor je\realizován zesilovačem 11 aodpory 4 a 5, Vstupní signál se přivádí zevstupní svorky 2 přes odpor ,3 na vstup ze-silovače 10, Výstupní signál se odebírá zezpětnovazební smyčky prostřednictvím od-dělovacího zesilovače 13 připojeného vstu-pem k výstupu zesilovače .12 a výstupem kvýstupní svorce 8. Činitel jakosti Q a kritic-ký kmitočet f0 přenosové funkce souvisejícís hodnotami odporů 4, 5, 6, 7, 16 a konden-zátorů 14 a 15. Uvedené příklady nevyčerpávají všechnymožné varianty integrovaných aktivních fil-trů podle vynálezu. Pasivní i aktivní částilze s velkou variabilitou sdružovat a tak vy-tvářet rozmanité. požadované typy filtrů. Integrovaný aktivní filtr podle vynálezuje určen pro telekomunikační techniku, mů-že však být použit všude tam,, kde še po-:užívají elektrické kmitočtové filtry. . > ynálezu rovaný obvod obsahuje tři v sérii propojeněodpory 4, 5 a 6), oba konče této trojice od-'pórů jsou spojeny s vývody téhož integro-vaného obvodu a s vývody téhož integrova-ného obvodu jsou spojeny i oba uzly mezioběma dvojicemi odporů (4, 5 a '5, 6), při-čemž do již řečeného integrovaného obvodu (9) jsou vestavěny nejméně další dva odpo-ry (3, 7), jejichž konce jsou přivedeny k sa-mostatným vývodům téhož integrovanéhoobvodu.
2. 2. Integrovaný aktivní filtr podle bodu 1,vyznačený tím, že jeden konec do série za-pojené trojice odporů (4, 5 a 6) je spojens výstupem prvního invertujíčího zesilovače (10) a druhý konec řečené trojice je pro- pojen se vstupem dalšího invertujíčího zesi-lovače (12), přičemž uzel mezi první dvo-jicí odporů (4, 5) je spojen sě vstupem zbý-vajícího invertujíčího zesilovače (11) a uzelspojující další dvojici odporů (5, 6), je spo-jen s výstupem téhož invertujíčího zesilova-če. , 5 výkresů