Уменьшение статических погрешностей.

НаРис. 7.41 показана схема УВХ, снабженная дополнитель­ными цепями подстройки сме­щения нуля выборки и шага хра­нения. Резистором R_H подстраиваются величина и знак компенсирующего заряда, сооб­щаемого конденсатору хранения при переводе УВХ в режим хра­нения. Это дает возможность скомпенсировать заряд переклю­чения коммутатора УВХ. Рези­стор R₀ позволяет подстроить нуль в режиме выборки.

45. Устройства на переключаемых конденсаторах.

В последнее время наблюдается исключительно быстрый рост производства и применения МОП-структур, имеющих много преимуществ перед биполяр­ными схемами. У МОП-структур большой входной импеданс, и они управля­ются напряжением (в отличие от биполярных схем, управляемых током). Ком­плементарные МОП-структуры практически не потребляют мощностивстатическом режиме. Технология МОП-структур обеспечивает большую плот­ность упаковки, чем биполярных. Наконец, эта технология позволяет простым способом реализовать в ИМС конденсаторы относительно большой емкости. Такие МОП-конденсаторы в сочетании с МОП-ключами позволяют заменить резисторы в некоторых типах ИМС и построить аналоговые вычислительные схемы со значительно лучшими точностными и эксплуатационными характе­ристиками. Замена резисторов конденсаторами,в частности, позволяет повы­сить точность аналоговых и аналого-цифровых устройств и уменьшить количе­ство внешних элементов, подключаемых к микросхеме.В Табл. 7.3*представлены сравнительные характеристики интегральных резисторов и МОП-конденсаторов[7.4].

Высокая точность изготовления интегральных МОП-конденсаторов и их стабильность способствовали тому, что в последние годы получили развитие способы обработки сигналов, использующие явление дискретного переноса зарядов. Один из путей реализации этих способов состоит в применении схем с переключаемыми конденсаторами.

Рассмотрим реализацию аналогового интегратора с применением переклю­чаемого конденсатора. НаРис. 7.42а приведена схема обычного аналогового интегратора.

Передаточная функция этой схемы имеет вид

, (7.5)

а частотная характеристика

(7.6)

НаРис. 7.42б показан интегратор, в котором резистор R₁ имитируется с по­мощью схемы с переключаемым конденсатором. Этот интегратор работает сле­дующим образом. Коммутатор периодически переключается из положения 1 в положение 2 и обратно с периодом T. В момент пТ конденсатор С₁ заряжается до напряженияV_IN(nT), поэтому накопленный на нем заряд составляет C₁V_IN(nT). После переключения коммутатора из положения 1 в положение 2 в момент nT+T/2 конденсатор С₁ разряжается на вход ОУ с конденсатором С₂ в обратной связи. Поскольку входное дифференциальное напряжение и входные токи идеального ОУ равны нулю, конденсатор C₁ разрядится полностью и его заряд суммируется с зарядом, накопленным на конденсаторе С₂. В результате в момент (n+1)T справедливо следующее уравнение зарядов:

(7.7)

Здесь знак «-» обусловлен отрицательной обратной связью. Применив к обеим частям уравнения (7.7) z- преобразование, получим уравнение

(7.8)

Полученная из этого уравнения передаточная функция имеет вид

. (7.9)

Представляет интерес сравнение свойств интеграторов, показанных на Рис. 7.42. Подставляя в (7.9) z=exp(jwT), получаем

. (7.10) При выражение в скобках в знаменателе правой части уравнения (7.10) неограниченно приближается к j .Таким образом, для частот входного сигнала низких относительно частоты переключения коммутатора f=1/T можно приближенно записать

. (7.11)

Сравнивая выражения (7.6) и (7.11), находим, что в схеме наРис. 7.42бком­мутируемый конденсатор имитирует входной резистор схемы наРис 7.42а с со­противлением, равным Т/С₁. Поэтому, увеличивая частоту переключения ком­мутатора, мы уменьшаем эквивалентную постоянную времени интегрирования интегратора.

Применение интеграторов с переключаемыми конденсаторами в ИМС фильт­ров вместо обычных интеграторов дает два существенных преимущества.

Во-первых, коэффициент передачи интегратора зависит только от отноше­ния двух конденсаторов, а не от их абсолютных величин. Вообще говоря, мож­но достаточно просто создать на кремниевой подложке ИМС пару любых одно­типных согласованных элементов, в то время как получение разнотипных элементов (резистора и конденсатора) с точными значениями и высокой ста­бильностью весьма затруднительно (различия температурных коэффициентов сопротивления (ТКС) и емкости (ТКЕ) могут быть значительными!). Поэтому ИМС фильтров на переключаемых конденсаторах значительно дешевле. На­пример, фильтр нижних частот (ФНЧ) 8-го порядка на ИМС МАХ291 (с пере­ключаемыми конденсаторами) стоит почти в 5 раз дешевле аналогичного фильтра на двух ИМС МАХ270 (RС-интеграторы).

Второе преимущество фильтров на переключаемых конденсаторах состоит в возможности настройки их характеристической частоты (т. е. центральной час­тоты полосового фильтра или точки —3 дБ фильтра нижних частот) изменением только тактовой частоты. Это объясняется тем, что характеристическая частота фильтра, построенного на основе метода переменных состояния, пропорцио­нальна коэффициенту передачи интегратора (или, что тоже, обратно пропор­циональна постоянной времени интегрирования). Это позволяет выпускать фильтры 8-го порядка в корпусе с восемью выводами без внешних времязадаю- щих элементов (например, МАХ291), в то время как ИМС фильтров с RC-инте­граторами имеют значительно больше выводов и требуют подключения значи­тельного количества точных резисторов (например, микросхема МАХ274 имеет 24 вывода; ее типовая схема включения содержит 15 внешних резисторов).

В заключение несколько слов о недостатках фильтров на переключаемых конденсаторах. Такие фильтры имеют два неприятных свойства, которые обу­словлены присутствием периодического тактового сигнала. Первое — это сквозное прохождение сигнала тактовой частоты, а именно, наличие некоторо­го выходного сигнала (с напряжением приблизительно 10...25 мВ) с частотой тактового колебания, напряжение которого не зависит от прикладываемого входного сигнала. Чаще всего это не имеет существенного значения, поскольку этот сигнал значительно удален от полосы, занимаемой обрабатываемым сиг­налом (обычно разработчики ИМС задают частоту коммутации в 100 раз (реже в 50 раз) больше характеристической частоты фильтров). Если же такое сквоз­ное прохождение тактового сигнала нежелательно, то для его подавления обыч­но используют простой непрерывный ФНЧ первого или второго порядка. В со­став ИМС фильтров на переключаемых конденсаторах обычно включают неинвертирующий повторитель, на котором может быть построен такой фильтр, например по схеме Саллена-Ки.

Вторая проблема более тонкого свойства связана с наложением спектров входного сигнала. Любые компоненты входного сигнала, которые отличаются от частоты тактового сигнала на величину, соответствующую ширине полосы пропускания фильтра, не будут подавлены. Например, при использовании ИМС МАХ291 в качестве ФНЧ с полосой 1 кГц и тактовой частотой 100 кГц все спектральные компоненты входного сигнала, лежащие в диапазоне от 99 до 101 кГц, за счет биений с тактовой частотой будут перенесены в полосу частот от постоянного тока до частоты 1 кГц. Поэтому в случае, если в спектре входно­го сигнала есть заметные компоненты с частотами, близкими к тактовой часто­те, перед входом фильтра следует включить предварительный аналоговый фильтр нижних частот.