Takterzeugung für Filter mit geschalteten Kondensatoren
Im Takt
Fortschritte bei den Prozesstechnologien für Halbleiter und beim Schaltkreisdesign haben die Preise für Filter mit geschalteten Kondensatoren um den Faktor 3 reduziert. Neue Filter bieten zudem niedrigen Energieverbrauch und unipolare Versorgung bis hinunter zu 3 V.
Die Realisierung eines SCF (Switched Capacitor Filter) ist einfach. Zuerst muss der Typ ausgewählt werden. Festantwort, 5- oder 8-poliger Butterworth, Bessel, Chebyschev oder elliptische Filter (Cauer) sind leicht erhältlich, ebenso universelle SCF mit frei einstellbaren Eigenschaften. Danach folgt man den Angaben im Datenblatt über Stromversorgung, Stützkondensatoren und Signalkopplung, bevor die passende Taktfrequenz für die Anwendung ausgesucht wird. Einzelne SCFs haben integrierte Taktgeber und brauchen wenige externe Komponenten (z. B. MAX280), aber die meisten Anwendungen benutzen externe Taktgeber mit CMOS-Ausgang, um die Eckfrequenzen des Filters festzulegen. Dabei gibt es viele weitere Methoden, um das Taktsignal für einen SCF einzustellen. Die gängigen Möglichkeiten werden im folgende Artikel beschrieben.
Geeignete Takteigenschaften
Der erste wichtige Parameter beim Takten eines SCF ist das Tastverhältnis des Taktgebers. Abweichungen von dem bei den meisten Herstellern mit 40 bis 60 Prozent spezifizierten Bereiches führen zur ungewünschten Sättigung des Elements mit geschaltetem Kondensator, was Signalverzerrung, falsche Filterantwort und Signaldämpfung hervorrufen kann. Die meisten Quellen halten von sich aus ein 50 Prozent Tastverhältnis ein; wenn nicht, kann dies durch eine entsprechende Schaltung erzwungen werden. Eine andere wichtige Eigenschaft ist die Anstiegs- und Abfallzeit des Taktes. Diese fallenden und steigenden Flanken sollten schnell an den Schaltschwellen des Takteinganges vorbeiziehen. Ist dies nicht der Fall, kann ein Signaljitter im internen Taktsignal auftreten, was unvorhersehbare Störungen im Ausgangsspektrum des Filters hervorrufen kann. Bei den meisten HCMOS-Bausteinen ist die Ausgangsgeschwindigkeit und -symmetrie ausreichend, um dieses Problem zu vermeiden. Es ist auch wichtig zu überprüfen, ob die Eingangsschwellen des Filters mit den Ausgangsschwellen des Taktgebers kompatibel sind. Wenn mit unipolarer Versorgung und einem Filterdesign für bipolare Versorgung gearbeitet wird, können unerwartete Anforderungen an diese Eingangsschwellen auftreten. Zur Sicherheit sollte das entsprechende Datenblatt des Filters zu Rate gezogen werden.
Quarzoszillatoren
Quarzoszillatoren (XCO) bieten den einfachsten Weg, die Eckfrequenz eines Filters festzulegen. Diese Methode ist einfach, wenn ein Quarzoszillator mit der gewünschten Frequenz verfügbar ist; aber Platz, Kosten und Lieferzeiten sind die Kehrseite der Medaille. Nur eine kleine Anzahl Frequenzen ist verfügbar, und kundenspezifischen XCOs sind nur bei sehr hochvolumigen Projekten rentabel.
Traditionelle XCO brauchen eine Leiterplattenfläche von 13 x 19 mm bei einer Höhe von 6,4 mm, wogegen neuere XCOs in Gehäusen vergleichbar einem IC angeboten werden. In Mikroprozessorsystemen kann eventuell der gleiche Taktgeber für den Prozessor und den Filter verwendet werden, was Platz und Kosten spart.
Digitale Teiler
Bei vielen Filtern fällt die geforderte Taktfrequenz außerhalb des Bereichs verfügbarer Standardfrequenzwerte für XCOs. Ein digitaler Teiler kann dabei einen zufriedenstellenden Takt für solche Anwendungen zur Verfügung stellen. Drei Typen sind frei verfügbar: Asynchrone Binärzähler, voreinstellbare synchrone Zähler und programmierbare Zähler.
Asynchrone Binärzähler sind am leichtesten anzuwenden, sind aber nicht sehr flexibel. Sie teilen über mehrere Stufen fortschreitend das Eingangssignal durch 2. Dabei ändert jede Stufe den Zustand bei der steigenden Flanke der vorangestellten Stufe. Asynchrone Binärzähler sind nur dann geeignet, wenn die verfügbare Taktfrequenz geteilt durch die Exponent-Werte von zwei (2, 4, 8, 16 usw.) die gewünschte Frequenz ergibt. Bei geeigneten Anwendungen ist der asynchrone Binärzähler einfach aufzubauen (Bild 1). Ein Standard-IC (74HC161) teilt einen Takt von 2 MHz auf 125 kHz. Die Ausgangsspannungen und -symmetrien eines HC161 sind ideal für unipolar versorgte Filter. Für 3-V-Anwendungen ist ein MAX7505 als Filter und ein 74VHC4040 anstelle des 76HC161 geeignet.
Wenn die gewünschte Taktfrequenz ein Vielfaches des verfügbaren Taktes, aber nicht durch zwei teilbar ist, kann ein voreinstellbarer synchroner Zähler verwendet werden. Normalerweise als 4-bit Baustein erhältlich, zählt er von einem voreingestellten Wert hinunter bis 0. So ist ein einziger Baustein in der Lage, durch ganze Zahlen im Bereich von 2 bis 31 zu teilen. Für größere Teiler können mehrere Bausteine kaskadiert werden. Um ein 50-prozentiges Tastverhältnis zu erhalten, sollte die letzte Stufe eine Binärdivision ausführen. Im Beispiel (Bild 2) teilen zwei 4-bit 74HC161 Zähler ? der erste teilt um 6, der zweite um 8 ? einen 16.384 MHz Takt auf 340.6 kHz herunter. Die resultierende Eckfrequenz ist ideal für Anwendungen in der Telekommunikation.
Der ultimative digitale Teiler ist der programmierbare Zähler. Ursprünglich als Peripheriebaustein für 8-bit Mikroprozessoren entwickelt, wird dieser Baustein noch bei vielen Datenspeicher-Karten für PCs angewendet. Einer der Anfangsbausteine, der 8053, wurde abgelöst vom 8054 und hat ? als sparsame CMOS-Ausführung 80C54 ? immer noch viele Bezugsquellen. Er besteht aus drei 16-bit breiten Vielzweckzählern mit durch Software programmierbaren Funktionen und Zählintervallen. Mit diesen drei Stufen können eine Vielzahl von Zählerkombinationen eingestellt werden. Sollte der 80C54 einmal nicht die nötige Konfiguration von Taktquellen und Zähler bereitstellen gibt es wahrscheinlich keine weitere Realisierungsmöglichkeit.
Phasenregelkreise (PLL)
Die Erzeugung eines Filtertaktes von einer niedrigeren Frequenz führt zu einem Zusatznutzen. Weil der Takt und alle niedrigeren Frequenzen synchronisiert sind, kommt es nicht zu Rauschen im Signalpfad aufgrund von Schwebungen. Ein Zeitduplex (TDD) System, das bei 8 kHz arbeitet, kann beispielsweise leicht eine Taktfrequenz von 320 kHz erzeugen.
Anwendungen mit SCFs haben vorbestimmte Arbeitspunkte und keine Modulationen, so ist die Entwicklung von PLL für Filter leichter als für andere PLL-Anwendungen. SCF-Taktfrequenzen erlauben es auch, den weitverbreiteten 4046-Teiler zu verwenden. Dieser CMOS-Schaltkreis (CD4046, MC14046, 74HC4046 etc.) ist leicht an einen bestimmten Arbeitspunkt mit externen Widerständen und Kondensatoren angepasst. Die Zugabe eines externen Teilers vervollständigt die PLL.
RC-Oszillatoren
Wenn der SCF keine Eigentaktung hat, kann in Systemen, in denen die Genauigkeit der Eckfrequenz keine bedeuteten Rolle spielt, ein RC-Oszillator eine geeignete Lösung sein. Dabei sollte man jedoch die unvorhersehbare Ausgangsfrequenz eines einstufigen RC-Oszillators und digitale Gatter mit Hysterese, die die Hysteresespannung sehr ungenau spezifiziert haben, vermeiden. Anstelle eines einstufigen sollte ein Oszillator in Ringstruktur verwendet werden, der aus einer ungeraden Anzahl von Inverterstufen, gefolgt von einzelnen RC-Tiefpässen, aufgebaut ist. Das Signal an jedem der digitalen Eingänge schwingt von Masse nach VCC und überschreitet zügig die Schaltschwelle, wodurch eine stabiler, stromsparende Taktgeber mit bestimmbaren Ausgang entsteht (Bild 3).
Ein analoger Komparator bietet eine weitere Möglichkeit. Seine hohe Impedanz und hohe Verstärkung in Verbindung mit einer externen Hystereseschaltung liefert einen hochgenauen Oszillator (Bild 4). Die Funktionsweise basiert auf einer einfachen RC-Zeitkonstanten, was eine Feinabstimmung der Ausgangsfrequenz über ein Potentiometer ermöglicht. Dabei ist die Frequenz eine lineare Funktion des Widerstandswertes. Weil die positive Rückkopplung bei ±33 Prozent liegt, ist die Oszillator-Periodendauer nahe bei 67 Prozent der Zeitkonstante, die durch R1 und C1 gebildet wird. So kann die Ausgangsfrequenz annähernd als fOUT = 1/R1C1 beschrieben werden.
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