Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

material1 / different / Chung-Yu Wu - Analog Circuit Design

.pdf
Скачиваний:
61
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
29 Мб
Скачать
☆

14-40 CHUNG-YU WU

SCF:

14-41 CHUNG-YU WU

General Procedures for the approximate design of SC ladder filter

:1. A doubly terminated LC two-port is designed from

the SCF specifications can be prewarped using the relation:

 

 

 

 

Wa =

2

sin(

ωT

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

which represents the frequency transformation due to

the LDI transformation implicit in the design

produce.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Inverting SC integrator + Noninverting SC integrator

 

 

H(z)=

 

(C

/ C

)

 

 

 

 

 

 

(C / C

)

noninv

z−1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

inv

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 − z−1

 

 

 

 

1− z−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

− Kz −1

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

− K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1 − z

−1

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(z

 

− z−

 

 

)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

Ton z=ejωT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

jωT

 

 

 

 

 

 

 

 

+ K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

> H(e

 

 

)=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4sin2 (ωT / 2)

 

 

 

 

 

 

LDI mapping (Lossless discrete integrator):

 

 

Sa=

1

 

(z − z−1 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2T

 

 

1

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− z−

 

 

 

 

If

is used

 

> Sa=

 

 

(z

 

 

 

)

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

T

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

Sin(ωT )

 

 

 

 

 

 

 

> ωa=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T / 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2.The state equations of the LCR circuit are found. The signs of the voltage and current variables must be chosen

such that inverting and noninverting integrators alternate in the implementation. If inductor loops exit, the inductive node currents can be used.

14-42 CHUNG-YU WU

4.The block diagram or signal flow graph (SFG) is constructed from the state equations. It is then transformed (directly or via the active-RC circuit) into the SCF.

5.If necessary, additional circuit transformations can be performed to improve the response of SCF.

§14-10 Exact Design of SC Ladder Filters

* Ladder synthesis based on the bilinear Sa-to-z transformation

Sa=

2

 

z −1

(1)jωa─axis >unit circle

 

 

 

 

T

 

z +1

 

 

 

 

 

 

 

 

(2)preserves the flatness of PB and SB

§14-10.1 Third-order SCF (Low-pass with finite transmission zero)

C2'=C2+CL2

-CL2= −T 2

4L2

-V1

 

 

 

−

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

Sa

(C1

'

)

 

 

 

 

+C2

 

 

-I

=

s

C

 

−

1

 

[V

L 2

 

 

 

2

 

 

a

 

 

 

sa L2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V1 +Vin

+ saC2′V3

− I

 

 

2 ,

 

 

Rs

 

 

 

−V3 ],

 

 

V3=

−1

 

′

 

 

V3

 

 

− sa C2

V1

− I2

+

 

.

sa (C2′+C3)

 

 

 

 

 

 

RL

LCR Prototype Circuit:

14-43 CHUNG-YU WU

Flow diagram

The center block has the transfer function:

H(Sa)=SaCL2-

1

=

 

1− Sa

2 L2CL2

= −

1−(SaT / 2)2

Sa L2

 

Sa L2

Sa L2

 

 

 

 

Transformation of the blocks into SC circuits:

(1)Finding Q-V relations of all blocks and branches in the Sa domain.

(2)Transforming the Q-V relations into the z-domain.

(3)Realizing the transformed z-domain equations into SC circuits.

Five different blocks:

(a) The input branch 1Rs

14-44 CHUNG-YU WU

Q

(S

)=

1

V

1

Rs

 

in

a

 

in Sa

Qin (z)= T z +1Vin (z)

2 z −1 Rs

> (1-z-1)Qin = 2TRs (1+z-1)Vin(z)

C

qin(tn)-qin(tn-1)= 2s [Vin(tn)+Vin(tn-1)]

SC realizations:

Optional. To guarantee the charge flow only when φ1=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ1

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

CS/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

 

 

s

:

 

s

[Vin (tn ) −Vin (tn −1 )]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

Vin

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

Virtual

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cs : Cs Vin (tn-1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ground

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

* Not stray insensitive.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

Cp + Cs not Cs

(b) The feedback branch

 

Rs ,

RL

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cs

 

 

 

 

Cs

 

Vin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Virtual

 

−

 

: −

[Vin (tn ) −Vin (tn−1 )]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2

 

 

 

ground

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

-C /2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2 CS

 

 

 

φ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cs: CsVin(tn)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cs

[Vin(tn)+Vin(tn-1)]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

* Stray insensitive.

(c)The branches SaC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q =CS

 

1

 

 

 

=C

 

 

 

 

 

Only a C is required.

a Sa

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(d) The blocks -

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SaC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

 

= −C > OP with a feedback capacitor C.

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

has been merged into the feedback capacitors

(e) The center block

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-I2=-

1

−(Sa T

2)

2

(V1-V3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sa L2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q(Sa)=

− I2

= −

 

1 −(Sa T 2)2

(V1-V3)

 

 

 

 

 

 

 

S

a

 

 

 

 

 

S 2 L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

Q(z)

 

 

 

= −

 

 

 

1 −[(z −1) /(z +1)]2

= −

4CL 2 Z

V (z) −V (z)

(4L /T 2 )[(z −1) /(z +1)]2

(z −1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

4CL

2

(V

−V )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆Q(z)=(1-z

 

)Q(z)=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆Q(z)

 

 

 

 

4C

L 2

z−1

 

 

 

 

 

−

 

− 4C

 

/ C

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

=(−Cz

1 )(

 

 

 

 

L2

 

 

 

)(C)

 

 

 

V

−V

 

1 − z−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 − z−1

 

 

 

 

 

 

 

 

3

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Realizations:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-V1

 

ψ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ2

 

 

 

Virtual

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

groundC2/4C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L2

 

 

 

 

 

 

 

ψ1

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ2

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

ψ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ1 ψ2

Virtual Q ground

V3 ψ2

The final realization is shown in the next page.

*This circuit is not fully stray insensitive.

*The negative capacitor − C2s

CA and CB, respectively.

 

 

 

CA=C1+C2' −

Cs

 

CB=C2'+C3

−

Cs

 

 

2

 

 

2

* Why C2', -CL2 ?

To create a block which is realizable by SC circuit.

14-45 CHUNG-YU WU

ψ1

C

ψ2

C

ψ1

SCF:

ψ2

CS / 2

Vin

ψ

ψ2

 

 

1

CS

ψ1 ψ2

C

ψ1 ψ2

C'2

C'2

C

ψ1 ψ2

CS

CA

- +

CB

- +

CC

- +

CL

14-46 CHUNG-YU WU

ψ2 ψ1

C

ψ1 ψ2

C

ψ2 ψ1

Vout

The complete bilinear ladder circuit equivalent to the LCR circuit

14-47 CHUNG-YU WU

§14-10.2 Bandpass LCR filters

C1

C3

LC prototype Circuit: V1

L1

2

V2

V

 

 

3

I2

IL2

 

 

IL3

L

C2

L2

3

 

-V2 can be produced as:

I2

C2

I2

+ -

-V2

I2=(SC1+

1

) (V1-V2)+(SC3+

1

 

) (V3-V2)-

V2

SL

SL

 

SL

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

3

 

 

 

Note that

1 −(Sa T

2)2

 

is realizable !

Sa L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>I2(S)=S[(C1+CL1)V1+(C1+C3+CL1+CL3)(-V2)+(C3+CL3)V3]

+ ( 1 − T 2 s ) [Γ1V1+(Γ1+Γ2+Γ3)(-V2)+ Γ3V3]

S 4

Where CLi ≡ T 2 , Γi= 1 4Li Li

First Term:

Q2'(S)=(C1+CL1)V1+(C1+C3+CL1+CL3)(-V2)+(C3+CL3)V3 Can be realized by unswitched capacitors.

Second Term:

 

 

T z +1

2

 

T 2

][Γ1V1+(Γ1+Γ2+Γ3)(-V2)+ Γ3V3]

Q2"(Z)=[(

 

 

)

 

 

−

4

 

 

 

 

 

2 z −1

 

 

 

 

=

 

T 2 z−1

 

[Γ1V1+(Γ1+Γ2+Γ3)(-V2)+ Γ3V3]

(1 − z−1 )2

 

 

 

 

 

 

 

14-48 CHUNG-YU WU

The same as before but now three functions are superposed together. ( ∆Q2 "/V1 , ∆Q2 "/(−V2 ), ∆Q2 "/V3 )

Conditions:

C4C7

= T 2

= 4CL1 ;

C5C7

=T 2 (

1

+

1

+

1

) = 4(CL1 +CL2 +CL3 )

C

 

 

 

C8

 

L2

 

 

8

L

 

 

L1

 

L3

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C6C7 = T 2 = 4CL3

C8 L3

Stage providing Q2”(z):

V1

-V2

V3

 

 

LC prototype circuit:

 

 

 

 

 

 

 

C

C

C6

 

C1

 

C3

 

4

 

5

 

 

V2

V

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V1

 

 

 

 

 

 

 

L1

C2

L3

 

 

 

 

 

 

L2

 

 

C8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q "(z)

 

 

 

 

 

 

C7

2

Vitrual

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ground

 

 

 

SC realization:

Design equations:

 

 

 

c1

c3

 

 

CL1=T2/(4Li)

 

 

 

 

 

 

 

c1=C1+CL1

 

 

 

 

 

 

 

 

c2=C1+C2+C3+CL1+CL2+CL3

 

 

 

c3=C3+CL3

 

 

 

 

V1

c2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c8

CL1

 

 

 

 

 

Vt=-V2

V

 

c4= 4 c

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c =

4 c8

(C

 

+C

 

+C

 

c4

c5

c6

 

 

 

 

)

 

 

 

5

c

7

 

L1

 

L2

 

L3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c c6= 4 c8 CL3

7

c7, c8

arbitrary

c7

c8

 

 

 

 

 

Vb

LC prototype circuit with RS:

RS

Vin

C1

L1

14-49 CHUNG-YU WU

C2

V2

L2

SC realization:

Vin c1

c

 

8

c

c3

c4

 

2

 

 

 

-V1

 

 

c5

c

7

c6

 

 

V2

c9

Design equations:

C

 

∆

T 2

, C

∆

T

 

4L

R

 

 

 

Li

 

s

 

s

 

 

 

 

i

 

 

 

c1=

Cs

,

c2=c3=C9

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

c4=C1+C2+CL1+CL2-CS/2

c5=4 cc6 (CL1 +CL2 )

7

c8=C2+CL2

c c9=4 c6 CL 2

7

c6, c7 arbitrary

Соседние файлы в папке different