Схема изменения значений пассивных компонентов в электронных цепях (варианты)
Изобретение относится к пассивным электронным компонентам с переменными характеристиками. В настоящей системе предусмотрено изменение значения пассивных компонентов в электронных цепях. Технический результат: повышение контроля над точностью параметров или точно установленных значений характеристик компонентов или рабочих характеристик и изменение их значений в результате старения компонента, истории работы и изменений условий окружающей среды. Пассивные компоненты могут быть выбраны в диапазоне от стандартных резисторов, конденсаторов и индуктивностей до сложных структур, таких как линии передачи и объемные резонаторы. Выбор значения и его изменений может осуществляться либо динамически при работе схемы, или как одновременная часть процесса изготовления, определяемая требованиями конкретного применения. Схему цифроаналогового преобразователя (ЦАП) используют для цифрового ввода данных выбора значения и для управляемого выбора значения с разрешением этого значения в зависимости от разрешающей способности ЦАП. Альтернативный вариант воплощения предусмотрен для работы на высоких частотах. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 15 ил.
Часть раскрытия данного патентного документа содержит материал, который защищен авторским правом. Владелец авторского права не возражает против факсимильного воспроизведения любым лицом патентного документа или раскрытия патента в том виде, как он представлен в патентных файлах или регистрационных записях Ведомства по патентам и товарным знакам, но в остальном сохраняет все авторские права.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящая система относится к области пассивных электронных компонентов с переменными характеристиками.
Уровень техники
В ходе развития электронных средств их собственные характеристики и последствия, связанные с присутствием пассивных компонентов с фиксированными значениями характеристик, оказывали влияние на рабочие параметры цепей. Эти характеристики включают в себя допустимые отклонения, суммирование отклонений, относительно высокую стоимость использования высокоточных компонентов, дополнительные цепи, требуемые для обеспечения контроля над точностью параметров или точно установленных значений характеристик компонентов или рабочих характеристик и изменения значений компонентов или рабочих характеристик в результате старения компонента, истории работы и изменений условий окружающей среды.
На фиг.1 иллюстрируется идеализированное решение в форме переменного резистора R100, переменного конденсатора С100 и переменной индуктивности L100. Эти компоненты можно было бы сравнить по их свойствам с современными пассивными устройствами, которые они могли бы заменить, но значение характеристик которых можно было бы регулировать для обеспечения приблизительно номинальных рабочих параметров в пределах широко изменяющихся рабочих условий. Возможность изменений рабочих характеристик может реализовываться либо как часть процесса изготовления, или изменения могут осуществляться динамически во время фактической работы, это определяется в зависимости от конкретного случая. Представленное полезное применение касается получения оконечной согласованной нагрузки (Z100) для структуры (TL100) линии передачи.
В результате признанных в течение длительного времени преимуществ, связанных с использованием переменных пассивных компонентов, были разработаны технологии, обеспечивающие эти характеристики при использовании решений из известного уровня техники. Эффективность технологий, в общем, ограничивается конкретными типами компонентов в пределах ограниченного диапазона рабочих условий, таких как частота или уровень мощности. Один пример переменного резистора с цифровым управлением из предшествующего уровня техники показан на фиг.2А. Переключаемая резисторная схема используется с управляющими FET (ПТ, полевой транзистор), таким образом, что при переключении одного или больше ПТ в положение "включено" резисторы подключаются параллельно, что уменьшает эффективные значения сопротивления комбинации. Резисторные схемы более часто воплощены как последовательности структур с одним или больше ПТ, используемых для шунтирования нежелательных резисторов в цепи. Для резисторов управление выбором значения гораздо проще осуществляется при последовательном соединении. Переключаемые структуры конденсаторов обычно выполняют как параллельные сети, что также упрощает управление при выборе значения.
В других вариантах воплощения компоненты с переменным значением характеристики реализуют определенную функцию, но могут оказывать существенное влияние на схему или ограниченные рабочие параметры. На фиг.2В иллюстрируется использование канального сопротивления ПТ, используемого в качестве переменного резистора (следует отметить, что резистор R206 представляет собой переменный резистор, который воплощает определенную форму управления напряжением затвора). Среди нежелательных характеристик такого подхода можно отметить большое количество неиспользуемых компонентов и характеристик переключателей на основе ПТ. Когда выбирают определенное значение, обычно имеется множество неиспользуемых компонентов. Как правило, это не составляет большую проблему для интегрированной резисторной схемы, но схемы на основе переключаемых конденсаторов могут потребовать использования дискретных конденсаторов для реализации больших значений, которые увеличивают стоимость и занимают место на печатной плате, которое можно было бы использовать для функционирующих цепей.
Переключающие ПТ также могут представлять существенные проблемы. Если их сделать малыми для минимизации места, занимаемого микросхемой, они проявляют тенденцию вносить значительное сопротивление, что усугубляется из-за быстрого увеличения сопротивления при росте температуры (чувствительность, проявляющаяся в еще большей степени схемой, представленной на фиг.2В). Если размеры ПТ увеличивают для снижения сопротивления, они занимают больше места. В любом случае, существует тенденция минимизации количества переключаемых устройств (наиболее часто применяют 4-битные, при обычно наблюдаемом максимальном количестве 8 бит), что, таким образом, снижает разрешающую способность значения параметра компонента.
На фиг.2С иллюстрируется варактор, который выполняет функцию управляемого переменного конденсатора. Варианты воплощения требуют управляющего напряжения постоянного тока и изоляцию от постоянного тока. Использование, в общем, ограничивается применением в радиочастотных цепях, где малая емкость диода при обратном смещении перехода позволяет получить соответствующие значения для работы цепи.
Индуктивности являются компонентами, для которых особенно трудно воплотить возможность изменения параметра, поскольку они часто намотаны вокруг материала магнитного сердечника. Модификация геометрической взаимосвязи между материалом сердечника и витками обеспечивает возможность регулирования индуктивности. Однако возможность регулирования обычно представляет собой механическую установку, регулировка в реальном времени в значительной степени невозможна, особенно на высоких частотах.
Значительная проблема, связанная с реализацией возможности изменения значения параметра компонента, связана с накоплением энергии. Величина энергии является функцией от значения параметра компонента (первичного или паразитного по своей природе). Изменение значения параметра компонента обычно приводит к переходу энергии между механизмами накопления, связанными с определенным типом пассивного компонента, в результате чего существенно понижается скорость работы цепи. Для многих вариантов применения было бы чрезвычайно полезным обеспечить возможность изменения кажущегося значения параметра компонента так, чтобы не требовалось существенного преобразования энергии.
Поэтому было бы чрезвычайно предпочтительным воплотить возможность изменения значения параметра для обычных пассивных компонентов с высокой разрешающей способностью при низких затратах.
Сущность изобретения
Настоящая система представляет собой электронную схему с цифроаналоговым преобразователем (DAC, ЦАП), которая обеспечивает средство детектирования тока, протекающего через пассивный компонент, и источник или потребитель дополнительного тока, так что значение параметра пассивного компонента выглядит изменяющимся относительно его фактического или фиксированного значения. При этом не предполагается, что термин "фиксированное значение" относится к отсутствию изменений значения параметра пассивного компонента при изменении условий окружающей среды или условий применения в схеме или включает в себя вариации исходных допустимых отклонений. Термин "фиксированное значение" означает мгновенное фактическое значение компонента (или характеристик компонента) в конкретной цепи и под воздействием фактических условий окружающей среды, в которых он работает, а не неизменяющееся значение.
В настоящей системе используется обратная связь таким образом, что дополнительный ток отслеживает ток, протекающий через пассивный компонент. ЦАП функционирует как источник дополнительного тока и/или подает его непосредственно или выполняет функцию опорного элемента для внешней схемы управления током. Цифровые входные сигналы ЦАП выполняют функцию установки коэффициента усиления ЦАП и, таким образом, обеспечивают возможность регулировки с высоким разрешением эквивалентного значения параметра переменного компонента. Разрешение, равное или больше чем 24 бита, может быть реализовано в случае, когда разрешение, прежде всего, ограничивается комбинированной рабочей частотой ЦАП и разрешением в каждом конкретном варианте применения.
В одном или больше вариантах воплощения настоящая система подключена к пассивному компоненту с фиксированным значением параметра, включенному в электронную схему, в результате чего работа настоящей системы делает работу электронной схемы, по существу, эквивалентной работе, которая осуществлялась бы в случае измененного значения параметра пассивного компонента с фиксированным значением.
В одном или больше вариантах воплощения настоящей системы значение параметра пассивного компонента с фиксированным значением представляет собой линейный компонент.
В одном или больше вариантах воплощения настоящей системы значение пассивного компонента с фиксированным значением представляет собой нелинейный компонент.
В одном или больше вариантах воплощения настоящей системы пассивный компонент с фиксированным значением имеет характеристику активного компонента, такую как емкость полупроводникового перехода.
В одном или больше вариантах воплощения настоящей системы трансимпедансный усилитель измеряет ток, протекающий через пассивный компонент с фиксированным значением.
В одном или больше вариантах воплощения настоящей системы выход трансимпедансного усилителя соединен с опорным входом напряжения ЦАП.
В одном или больше вариантах воплощения настоящая система включает в себя измеряющий ток резистор, включенный последовательно с пассивным компонентом с фиксированным значением.
В одном или больше вариантах воплощения настоящей системы сигнал обратной связи от измеряющего ток резистора соединен с опорным входом напряжения ЦАП.
В одном или больше вариантах воплощения настоящая система включает в себя ЦАП, который представляет собой непосредственный источник или потребитель тока от узлов цепи, заканчивающих последовательную комбинацию пассивного компонента с фиксированным значением и измеряющего ток резистора.
В одном или больше вариантах воплощения настоящая система включает в себя ЦАП, который обеспечивает опорный ток для внешней схемы управления, которая представляет собой источник или потребитель тока из узлов цепи, оканчивающих последовательную комбинацию пассивного компонента с фиксированным значением и измеряющего ток резистора.
В одном или больше вариантах воплощения настоящая система включает в себя внешнюю схему управления с односторонним измерением тока и одиночным выходом для управления параллельно подключенным пассивным компонентом с измеряющим ток резистором, соединенным с землей.
В одном или больше вариантах воплощения настоящая система включает в себя внешнюю схему управления с дифференциальным измерением тока и дифференциальными выходами для управления последовательно подключенным пассивным компонентом с измеряющим ток резистором с плавающим параметром.
В одном или больше вариантах воплощения настоящая система включает в себя внешнюю схему управления для варианта применения с большим током, включающую в себя один или больше усилителей выходного тока, имеющих дифференциальные входы и дифференциальные выходы.
В одном или больше вариантах воплощения настоящей системы пассивный компонент с фиксированным значением представляет собой распределенную структуру, такую как линия передачи, объемный резонатор, щелевая линия, согласующий шлейф, волновод или антенна.
В одном или больше вариантах воплощения настоящей системы более чем один ЦАП управляет подачей или отбором тока от одной пары узлов.
В одном или больше вариантах воплощения настоящей системы сигнал обратной связи для измерения тока отбирают от пассивного компонента, подключенного между узлами, в который ток не подают дополнительно и не удаляют в ответ на сигнал обратной связи для измерения тока.
В одном или больше вариантах воплощения настоящей системы настоящая система генерирует сигналы, которые подают между двумя или больше пассивными компонентами с фиксированным значением.
В одном или больше вариантах воплощения один или больше переменных компонентов в настоящей системе изменяют как функцию частоты, так что схема выполняет функцию следящего фильтра.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена иллюстрация ряда компонентов с переменными характеристиками, реализуемыми в различных вариантах воплощения настоящей системы.
На фиг.2А показана принципиальная схема переключаемой резисторной цепи.
На фиг.2В показана принципиальная схема реализации переменного резистора на основе ПТ.
На фиг.2С показана принципиальная схема реализации конденсатора переменной емкости на основе варактора.
На фиг.3А показана принципиальная схема последовательно подключенного резистора с фиксированным значением.
На фиг.3В показана принципиальная схема параллельно подключенного резистора с постоянным значением, с одним заземленным выводом.
На фиг.3С показана принципиальная схема резистора по фиг.3А, в которую встроен резистивный вариант воплощения функции измерения тока в соответствии с настоящей системой.
На фиг.3D показана принципиальная схема резистора по фиг.3В, в которую встроен резистивный вариант воплощения функции измерения тока в соответствии с настоящей системой.
На фиг.3Е показана принципиальная схема цепи по фиг.3С, в которой резистор с постоянным значением заменен конденсатором с постоянным значением.
На фиг.3F показана принципиальная схема цепи по фиг.3D, в которой резистор с постоянным значением заменен конденсатором с постоянным значением.
На фиг.3G показана функциональная блок-схема одного варианта воплощения настоящей системы.
На фиг.3Н показана функциональная блок-схема одного варианта воплощения настоящей системы с «плавающим» измеряющим ток резистором.
На фиг.3I показана функциональная блок-схема предпочтительного варианта воплощения настоящей системы, включающей измерение тока с нулевым импедансом.
На фиг.3J показана упрощенная принципиальная схема функции трансимпедансного усилителя, показанной на фиг.3I.
На фиг.4А показана принципиальная схема, иллюстрирующая использование значения параметра переменного компонента для управления амплитудой выходного сигнала.
На фиг.4В показана принципиальная схема, иллюстрирующая средство реализации возможности изменения параметра компонента, который представлен на фиг.4А.
На фиг.4С показана принципиальная схема, иллюстрирующая альтернативное средство реализации возможности изменения параметра компонента, который представлен на фиг.4В.
На фиг.5А показана принципиальная схема варианта воплощения настоящей системы с одним выходом.
На фиг.5С показана принципиальная схема варианта воплощения настоящей системы с дифференциальным выходом.
На фиг.6 показана функциональная блок-схема варианта воплощения настоящей системы с переменным резистором.
На фиг.7 показана функциональная блок-схема варианта воплощения переменного резистора в соответствии с настоящей системой, с переменной полярностью подачи тока.
На фиг.8 показана функциональная блок-схема варианта воплощения переменного резистора в соответствии с настоящей системой, с возможностью точной регулировки.
На фиг.9 показана функциональная блок-схема варианта воплощения переменного резистора в соответствии с настоящей системой, предназначенного для работы с большим током.
На фиг.11 показана функциональная блок-схема настоящей системы, иллюстрирующая соединение для передачи сигнала с разомкнутым контуром из второго пассивного компонента в первый переменный пассивный компонент.
На фиг.12 показана иллюстрация радиочастотных характеристик варианта воплощения следящего фильтра в соответствии с настоящей системой.
На фиг.13 показана иллюстрация частотных характеристик промежуточной частоты варианта воплощения следящего фильтра в соответствии с настоящей системой.
На фиг.14 показана функциональная блок-схема обобщенной системы приемника, в которой используются обычные фильтры.
На фиг.15 показана функциональная блок-схема обобщенной системы приемника по фиг.14, выполненной с множеством вариантов воплощения следящих фильтров в соответствии с настоящей системой.
Подробное описание изобретения
Настоящая система предназначена для обеспечения пассивных компонент с переменным параметром, с высокой разрешающей способностью, цифровым выбором значения и управлением. В следующем описании множество конкретных деталей представлено для обеспечения более полного описания вариантов воплощения системы. Однако для специалистов в данной области техники очевидно, что система может быть выполнена на практике без использования этих конкретных деталей. В других случаях хорошо известные свойства не были описаны подробно для того, чтобы не затруднять понимание системы. Если только здесь не будет отмечено другое, обычные компоненты и соединения, обозначенные обычными обозначениями, функционируют так же, как и в каждой цепи.
Настоящая система представляет собой схему цифроаналогового преобразователя, который обеспечивает возможность динамического изменения видимого значения пассивных компонентов для цепи, к которой они подключены, в широком диапазоне электронных схем с аналоговым и смешанным сигналом. Термин "фиксированное значение" не означает, что значение компонента не изменяется при изменении рабочих условий или условий окружающей среды, а скорее представляет значение параметра компонента во время работы в схеме без функционирования настоящей системы, для изменения его видимого значения. Термин "пассивные компоненты" представляет либо отдельные дискретные пассивные части или пассивные характеристики других компонентов, таких как диоды, биполярные транзисторы, ПТ и т.д. Пассивные компоненты могут быть линейными или нелинейными.
При воплощении настоящей системы учитывается, подключен ли один из выводов пассивного компонента к земле (или к плавающей опорной точке, или к узлу возврата). Компоненты, подключенные к земле, обычно проще изменять, имеется более широкий выбор вариантов воплощений, чем для пассивного компонента с произвольным подключением.
Один элемент настоящей системы представляет собой средство измерения тока, протекающего через пассивный компонент с фиксированным значением, видимое значение которого требуется изменять. Одно примерное средство для измерения тока состоит в добавлении измеряющего ток резистора с малым значением, который подключен последовательно с пассивным компонентом. На фиг.3А-3F иллюстрируются некоторые из различных конфигураций пассивных компонентов, в каждой из которых последовательно подключен добавочный измеряющий ток резистор.
Один вариант воплощения настоящей системы иллюстрируется на фиг.3G. ЦАП 310 представляет собой ЦАП с выходом тока, с входом опорного напряжения VREF. Резистор 320 измерения тока подключен последовательно с пассивным компонентом 330 с фиксированным значением. Напряжение на резисторе 320 является представлением тока, протекающего через пассивный компонент 320, и прикладывается к опорному входу ЦАП 310. В пределах полосы пропускания опорного усилителя ЦАП выходной ток поддерживает такую же характеристическую форму, в виде функции от времени, как и ток, протекающий через пассивный компонент с фиксированным значением. Таким образом, выход ЦАП эквивалентен пассивному компоненту с фиксированным значением такого типа, как пассивный компонент 330, подключенному параллельно пассивному компоненту 330. Значение "добавленного параллельного компонента" определяется путем масштабирования выходного тока ЦАП по входным цифровым установкам ЦАП. Для некоторых вариантов воплощения видимая величина компонента с фиксированным значением может быть изменена внутри цикла, вплоть до определенной частоты.
Как показано на фиг.3G, выходы ЦАП перекрестно соединены таким образом, что положительный выходной ток ЦАП протекает в том же направлении, что и положительный ток, протекающий через измерительный резистор. Если пассивный компонент представляет собой конденсатор, представленная конфигурация будет приводить к тому, что значение параметра конденсатора будет выглядеть большим. Если пассивный компонент представляет собой резистор или индуктивность, такая видимая параллельная комбинация будет иметь меньшее значение. Если положительный и отрицательный выходы ЦАП поменять местами, как показано на фиг.8, видимое значение конденсатора будет уменьшаться, а видимое значение резистора или индуктивности будет увеличиваться. Таким образом, настоящая система позволяет легко получать отрицательные значения компонентов. Изменение значения, конечно, является динамическим по своему характеру и не приводит к накоплению энергии.
На фиг.3Н иллюстрируется альтернативный вариант воплощения с плавающим резистором измерения тока.
В варианте воплощения, показанном на фиг.3G, обычно используется 3 заземленных компонента. Вариант воплощения, предназначенный для использования с незаземленными компонентами, описан ниже. Следует отметить, что добавление любого сопротивления, включенного последовательно с пассивным компонентом 330, может оказать влияние на рабочие характеристики цепи в некоторых вариантах применения. Одна альтернатива раскрыта ниже в варианте воплощения измерения тока с использованием трансимпедансного усилителя. Кроме того, ЦАП обычно не предназначены для применения такого типа и работают с использованием постоянного опорного напряжения. В результате, полоса пропускания опорного входного усилителя может быть ограничена (приблизительно 500 кГц). Однако в некоторых более новых ЦАП такая полоса пропускания составляет 10 МГц. Вариант воплощения для плавающих компонентов обеспечивает прямое средство для исключения ограничения полосы пропускания опорного усилителя и воплощения настоящей системы, работающей на радиочастотах.
Вариант воплощения измерения тока с трансимпедансным усилителем
На фиг.3I и 3J иллюстрируется способ измерения тока в параллельных компонентах с заземленным выходом, в случае когда возможно их воплотить. В пределах полосы пропускания трансимпедансного усилителя ток измеряют, когда вывод пассивного компонента поддерживается в виртуально заземленном состоянии. Использование трансимпедансного усилителя позволяет избежать деградации рабочих характеристик, связанных с присутствием измеряющего ток резистора или любого напряжения смещения, связанного с опорным усилителем ЦАП, которые могут быть или не могут быть легко корректируемыми.
Широкополосные трансимпедансные усилители могут быть реализованы с соответствующим образом разработанной обратной связью. При этом желательно, чтобы схема трансимпедансного усилителя была интегрирована в интегральную схему ЦАП с внешним выбором обратной связи пользователем. На фиг.3J иллюстрируется вариант воплощения трансимпедансного усилителя 350.
Схема эквивалента переменного компонента
На фиг.4А показана схема, которая иллюстрирует один из способов, предназначенных для использования и воплощения переменного компонента. VSOURCE1 представляет собой источник напряжения, генерирующий произвольную выходную форму колебаний в узле N401. Выходное напряжение V0 в узле N402 является представлением напряжения в узле N401 с уменьшенной амплитудой. Уменьшение амплитуды обеспечивается цепью резистивного делителя, состоящей из резистора R401, который соединяет узел N401 с узлом N402, и эквивалентом резистора, который состоит из параллельной комбинации резисторов R402 и R403, которые соединяют узел N402 с землей. Резистор R402 является переменным и используется для компенсации вариаций значений резисторов R401 и R403, обеспечивая, таким образом, желательное отношение напряжений в узлах N401 и N402. Ток, протекающий через резистор R402, представляет собой IR402.
Эквивалентная цепь для поддержания отношения напряжений в узлах N401 и N402 показана на фиг.4В. Второй источник VSOURCE2 напряжения соединяет узел N403 с землей и последовательно подключен к резистору R404, который соединяет узел N403 с узлом N402. Источник напряжения VSOURCE2 и резистор R404 работают вместе таким образом, что ток через резистор R404 представляет собой IR402 так же, как и ток, протекающий через резистор R402 по фиг.4А. Таким образом, комбинация источника VSOURCE2 напряжения и резистора R404 представляет собой функциональный эквивалент переменного резистора R402. Обычно выход источника VSOURCE2 напряжения является переменным, и значение резистора R404 является фиксированным.
На фиг.4С показано альтернативное представление схемы, показанной на фиг.4В. Источник ISOURCE2 тока соединяет узел N402 с землей и заменяет последовательную комбинацию источника VSOURCE2 напряжения и резистора R404. Подаваемый ток представляет собой IR402, так что источник тока представляет собой функциональный эквивалент переменного резистора R403 по фиг.4А. Для вариантов воплощения, представленных на фиг.3G, 3Н, 3I, 6, 7, 8, 10 и 11, источник ISOURCE2 тока обеспечивается непосредственно выходом ЦАП, соответствующим выходу тока. Для варианта воплощения, иллюстрируемого на фиг.9, источник ISOURCE2 тока обеспечивается комбинацией выходом тока ЦАП ЦАП 310 и усилителем 900А тока.
Вариант воплощения для выбора значения типичного пассивного компонента
Как описано выше, доступные в настоящее время ЦАП часто ограничены в использовании для варианта воплощения, иллюстрированного на фиг.3G, и варианта воплощения с трансимпедансным усилителем, представленного на фиг.3I. Это может быть связано с ограниченной полосой пропускания аналогового опорного входа. Хотя некоторые устройства имеют опорную полосу пропускания, составляющую несколько МГц, большинство из них ограничено частотой приблизительно 500 кГц. Для настоящей системы это может ограничить их использование вариантами применения для обработки звука или эквивалентными вариантами.
Варианты воплощения, иллюстрируемые на фиг.5А и 5С, представляют варианты воплощения для реализации наивысшего уровня скорости и рабочей характеристики при исключении ограничений опорными значениями ЦАП. В этих вариантах воплощения используются ЦАП в конфигурации, предназначенной для установки коэффициента усиления дифференциального усилителя. Дифференциальный усилитель выполняет функцию входа или измерительного элемента.
На фиг.5А показана несимметричная версия, предназначенная для использования с компонентами, которые осуществляют шунтирование на землю. На фиг.5С показана более общая двусторонняя схема, которая может использоваться с компонентами, включенными между 2 произвольными узлами цепи. Цепь, показанную на фиг.5С, также можно использовать с заземленным опорным входом, вместо варианта, представленного на фиг.5А. Обе эти конфигурации имеют дополнительное преимущество, позволяющее исключить проблему ограниченной полосы пропускания для опорного входного сигнала. Каждая из них имеет входную цепь на основе высокоскоростного дифференциального усилителя, который позволяет использовать стандартные ЦАП, с опорным уровнем постоянного тока, обычно заземленным. Конфигурация, показанная на фиг.5А, представляет собой версию с одним выходом конфигурации, представленной на фиг.5С.
Вариант воплощения для больших значений тока
В дополнение к ограниченной полосе пропускания опорного входа другая проблема при использовании ЦАП из уровня техники состоит в их ограниченной возможности вырабатывать выходной ток. Во множестве вариантов применения переменных компонентов просто требуются большие уровни тока чем 20 миллиампер, которые обычно представляют собой максимальный выходной ток для большинства ЦАП. Одно из решений проблемы большого тока могло бы заключаться в простом увеличении возможностей по выходному току ЦАП. Однако такой подход может использоваться только для достижения ограниченного увеличенного тока, поскольку он мог бы повлиять на сущность и реализацию интегральных схем ЦАП и их функций. Тем не менее значения переменного компонента в равной степени требуются для применения в цепях с большими токами, как и в вариантах применения с маломощной цифровой обработкой и в системах связи.
Общее решение включает в себя добавление дифференциального усилителя тока к выходу управляемого ЦАП, как показано на фиг.9. Положительный выход ЦАП у ЦАП 310 соединен с положительным входом дифференциального усилителя 900А тока. Отрицательный выход ЦАП у ЦАП 310 соединен с отрицательным входом дифференциального усилителя 900А тока. Положительный выход усилителя 900А тока соединен с резистором R602 в узле N301. Отрицательный выход усилителя 900А тока соединен с землей в узле N200. Как и в предыдущих конфигурациях, выходы усилителя 900А тока можно менять местами так, что при этом отрицательный выход будет подключен к узлу N301 и положительный выход будет подключен к земле в узле N200, если только соответствующее изменение будет выполнено в цифровом входе ЦАП в схеме ЦАП 310.
Для применения с большими токами может потребоваться использовать усилитель 900А тока. Для применений с умеренно большим током до нескольких ампер можно избежать необходимости в использовании отдельного усилителя 900А путем использования альтернативного варианта воплощения. Две формы такого альтернативного варианта воплощения представлены на фиг.5А и 5С, которые воплощены при использовании выходных схем с одним большим током или с множеством меньших токов, сформированных на основе двухтактных токовых зеркал. При использовании альтернативных вариантов воплощения, показанных на фиг.5А и 5С, для решения проблемы ограниченной способности по току ЦАП получается дополнительное преимущество, связанное с тем, что одновременно исключается ранее описанная проблема ограниченной полосы пропускания опорного входа.
Выбор значения параметра компонента с использованием множества вариантов управления
На фиг.11 иллюстрируется конфигурация, в которой два отдельных ЦАП используются для изменения одиночного компонента. Строго говоря, такая конфигурация изменяет форму колебаний тока, протекающего через пассивный компонент 330А, который изменяется таким образом, что он больше не может выглядеть как пассивный компонент того же типа. Это явление может быть уменьшено, если пассивный компонент 330В будет того же типа, что и 330А.
Такая конфигурация вряд ли получит широкое применение, поскольку типичные процедуры калибровки под управлением цифрового контроллера 300 позволяют получить те же результаты, что и добавленная схема со смешанным сигналом. Использование множества вариантов управления обладает намного большим потенциалом для сведения сигналов в одну цепь.
Варианты схем для отслеживания частоты в режиме реального времени
Широкое разнообразие электронных схем либо генерируют, или являются избирательно чувствительными к сигналам на разных частотах. Примеры представляют собой генераторы переменной частоты или фильтры. Практически любые системы, в которых происходит передача сигналов по каналу, используют один или больше настраиваемых фильтров. Настройка требует либо механического перемещения настраиваемого элемента, или использования динамически следящего устройства.
Примеры динамических следящих устройств включают в себя системы частотно-фазовой подстройки или устройства, которые выполнены с возможностью влияния на значение реактивного сопротивления в схеме. Пример устройства последнего типа может включать в себя варактор, который функционирует для настройки эффективной резонансной частоты линии передачи или резонатора.
Исторически использовался ряд подходов для решения основной проблемы дифференциации требуемого сигнала от соседних сигналов и источников шумов. На фиг.12 иллюстрируется сигнал в пределах полосы пропускания. В этих условиях соотношение сигнал/шум хорошее, и подходят стандартные подходы для его обработки. На фиг.13 иллюстрируется более типичная ситуация, упрощенная до трех сигналов переменного напряжения. Сигнал на частоте ниже F1 обычно в достаточной степени ослабляется таким образом, что он не составляет проблему, если только он в исключительных случаях не будет иметь довольно большую мощность. Из двух оставшихся сигналов, находящихся внутри полосы пропускания, если требуемый сигнал меньший из двух, должен происходить процесс выбора, иначе больший сигнал будет доминировать в процессе детектирования.
Типичный процесс выбора иллюстрируется на фиг.14. Выбор выполняется путем смешивания широкополосного, усиленного и отфильтрованного принятого сигнала, с выходом локального генератора LO1400 для генерирования суммарных и разностных частот. Фильтр F1402 установлен после смесителя и обычно выполнен так, чтобы пропускать разностную частоту и ослаблять суммарную частоту.
Одна проблема, возникающая при таком подходе, связана с тем фактом, что смесители представляют собой нелинейные устройства. Если сигнал помехи будет достаточно большим, смеситель будет работать в режиме сжатия, и выходная амплитуда меньшего, требуемого сигнала будет сильно ослаблена. В результате, требуется, чтобы смеситель имел очень высокую характеристику IP3 и, в результате, уменьшенную способность обрабатывать очень малые сигналы.
На фиг.15 иллюстрируется вариант воплощения динамически настраиваемых фильтров, установленных в трех разных местах. Возможность сделать входные фильтры F1500 и F1501 узкополосными по сравнению с фильтрами, которые обычно передают всю полосу пропускания системы, по существу, уменьшает взаимные помехи от других источников сигнала/шума. Например, если следящие фильтры имеют полосу пропускания 10% от обычной полосы пропускания, мощность "шумов" по сравнению с мощностью требуемого сигнала внутри полосы пропускания следящего фильтра обычно уменьшается в 10 раз, если предположить использование в обычном перегруженном диапазоне частот сотового телефона, в качестве примера. Это значительно уменьшает требования IР3, уменьшает помехи взаимной модуляции и позволяет обеспечить более высокую чувствительность для сигналов с малой амплитудой. Использование следящего/регулируемого фильтра после смесителя позволяет получить намного более узкую полосу пропускания, поскольку изменения компонентов, связанные с процессами изготовления, можно уменьшить до незначительного уровня.
Каскадный процесс с двойным преобразованием, в котором используются две смещенные промежуточные частоты, обычно используют для повышения избирательности. Динамически регулируемые фильтры, используемые с каскадной селекцией, значительно улучшают отношение сигнал/шум по сравнению с основным подходом, представленным на фиг.15. Очевидно, существует множество реактивных цепей, используемых для фильтрации или другой манипуляции с частотными характеристиками таких систем. Следующее описание фокусируется на самой простой и легко воплощаемой форме регулируемого фильтра, параллельной L-C цепи, с заземленным опорным входом.
Для поддержания заданного импеданса фильтра необходимо независимо управлять обоими компонентами L и С. Обычно это требует использования двух ЦАП и двух цепей обратной связи. При измерении и при управлении обоими типами реактивных компонентов становится возможным управлять как центральной частотой, так и импедансом схемы одновременно, что, таким образом, обеспечивает возможность регулирования частоты и управления импедансом на любой заданной частоте в пределах полосы пропускания. В особых случаях два измерительных тока могут подаваться по цепям обратной связи с использованием одиночного буфера тока к общему узлу.
В другом варианте воплощения используются одиночные ЦАП и цепь обратной связи, которая влияет на характеристики схемы, а не на отдельные компоненты L и С. Для множества LC параллельных колебательных контуров один узел заземляют по переменному току и сигнал подают к другому. Такая схема может функционировать как простой узкополосный режекторный фильтр. Известно, что все компоненты имеют паразитное сопротивление, связанное с ними, и в данном примере их два. Применение ЦАП и система обратной связи ко всему фильтру позволяют уменьшить эффективное паразитное сопротивление схемы, без изменения значений отдельных элементов и не влияя на резонансную частоту цепи. В результате, получают очень высокое значение Q без нагрузки и низкие значения вносимых потерь для схемы. Низкие потери и более высокое значение Q позволяют использовать более узкие полосы пропускания фильтра, что также позволяет обеспечить некоторые преимущества, связанные с сильно охлаждаемыми цепями с низким уровнем тепловых шумов и большей частотной избирательностью. Такую структуру можно применять в более сложных структурах схем, поскольку они позволяют в большей степени приблизиться к функциям идеальных компонентов, чем при использовании существующих системных структур цепей.
Таким образом, выше были описаны пассивные компоненты с переменными характеристиками, обладающие высокой разрешающей способностью, цифровой выбор значения и цифровое управление.
1. Схема изменения значений пассивных компонентов в электронных цепях, содержащая пассивный компонент, подключенный между первым узлом и вторым узлом; ЦАП, первый выход которого соединен с первым узлом, а второй выход соединен с третьим узлом, и имеющий опорный вход, соединенный со вторым узлом; контроллер, соединенный с ЦАП; и измерительный резистор, подключенный между вторым узлом и третьим узлом.
2. Схема по п.1, в которой третий узел заземлен.
3. Схема по п.1, в которой пассивный компонент представляет собой резистор.
4. Схема по п.1, в которой пассивный компонент представляет собой конденсатор.
5. Схема по п.1, в которой пассивный компонент представляет собой индуктивность.
6. Схема по п.1, в которой опорный вход представляет собой вход опорного напряжения.
7. Схема по п.1, в которой контроллер представляет собой цифровой контроллер для управления ЦАП.
8. Схема изменения значений пассивных компонентов в электронных цепях, содержащая измерительный резистор, соединенный между первым узлом и вторым узлом; ЦАП, первый выход которого соединен с первым узлом, а второй выход соединен с третьим узлом, и опорный вход которого соединен со вторым узлом; контроллер, соединенный с ЦАП; и пассивный компонент, подключенный между вторым узлом и третьим узлом.
9. Схема по п.8, в которой третий узел заземлен.
10. Схема по п.8, в которой пассивный компонент представляет собой резистор.
11. Схема по п.8, в которой пассивный компонент представляет собой конденсатор.
12. Схема по п.8, в которой пассивный компонент представляет собой индуктивность.
13. Схема по п.8, в которой опорный вход представляет собой вход опорного напряжения.
14. Схема по п.8, в которой контроллер представляет собой цифровой контроллер, предназначенный для управления ЦАП.
