Nuevo filtro universal de tiempo continuo con rango de frecuencia ampliado

El LTC1562 original, descrito en el número de febrero de 1998 de esta revista, es un filtro compacto, cuádruple de 2º orden, universal, de tiempo continuo, con precisión de CC y programable por el usuario, para el rango de frecuencias de 10kHz-150kHz. El LTC1562 ha introducido bloques de construcción de filtros operacionales, cuya entrada de tierra virtual, salidas de carril a carril y componentes R y C de precisión internos satisfacen diversos requisitos y aplicaciones de los filtros de forma compacta.^{1, 2, 3}

El diseño del LTC1562 requería elegir los valores R y C internos y los amplificadores internos, y estos elementos se optimizaron para minimizar el ruido de banda ancha. El LTC1562-2 es un nuevo producto con el mismo diagrama de bloques, distribución de pines y embalaje, pero optimizado para frecuencias de filtro más altas: de 20kHz a 300kHz. Los componentes internos de precisión R y C y los amplificadores son diferentes en el LTC1562-2. Además de cubrir una octava completa de frecuencias (150kHz-300kHz) por encima del rango del LTC1562, el LTC1562-2 también solapa la utilidad del LTC1562 en el rango de 20kHz a 150kHz. En este rango de frecuencias, el LTC1562-2 suele reducir la distorsión de la señal grande a costa de un ruido ligeramente mayor que el LTC1562. Por ejemplo, un filtro pasa-bajos Butterworth doble de 100kHz con una alimentación de ±5V, construido con el LTC1562-2 y ligeramente cargado, tenía una distorsión del 2º armónico de -103dB y una distorsión del 3º armónico de -112dB a 20kHz con una salida de 1V_RMS (2.8V_P-P), y mantuvo una baja distorsión incluso con oscilaciones de salida que se acercaban a la tensión de alimentación completa (distorsión armónica total, o THD, de -83dB a 9,7V_P-P de la liberación).

Por tanto, el LTC1562-2 es el producto elegido para aplicaciones por encima de 150 kHz, así como para aplicaciones en el rango de 20 kHz-150 kHz que son especialmente sensibles a la distorsión. Tanto el LTC1562 como el LTC1562-2 pueden sustituir a los filtros LC o a los filtros construidos con amplificadores operacionales de alto rendimiento y condensadores y resistencias de precisión, con una superficie total de montaje en placa de 155 mm² (0,24 pulgadas)²)-más pequeño que una moneda de diez centavos (la moneda americana más pequeña).

El LTC1562-2 se parece y se diferencia del LTC1562 en lo siguiente

• Las piezas tienen configuraciones de pines y esquemas idénticos (cuatro bloques de filtros operacionales de 2º orden programables independientemente, con entradas virtuales a tierra y salidas de carril a carril).
• En ambos productos, el usuario puede programar el parámetro de la frecuencia central del filtro (f₀) en un amplio rango, utilizando valores de resistencia que varían con la f₀ cambia hacia arriba o hacia abajo de un centro de diseño valor. En el LTC1562, este centro de diseño f₀ es de 100kHz; para el LTC1562-2, el valor es de 200kHz.
• El LTC1562 está optimizado para un ruido más bajo, el LTC1562-2 para frecuencias más altas. Así, una sola sección LTC1562 puede proporcionar una SNR de 103dB en un ancho de banda de 200kHz (Q = 1), mientras que una sola sección LTC1562-2 soporta una SNR de 99dB en 400kHz.
• Cada chip contiene una precisión R
  y componentes de precisión C equivalentes a
  ocho condensadores de 0,25% de tolerancia
  condensadores de tolerancia y cuatro resistencias de tolerancia del 0,5%, así como doce amplificadores operacionales con salidas de carril a carril y una excelente linealidad de alta frecuencia.
• Ambos circuitos funcionan con una alimentación nominal total de 5V a 10V (simple o dividida). Las aplicaciones de una sola fuente pueden utilizar una tensión de referencia de tierra de media fuente generada en el chip.
• Ambos chips disponen de un modo de desconexión que reduce la corriente de alimentación a cero, excepto las fugas de la unión inversa (del orden de 1µA en total).

La Figura 1 es un diagrama general y la Figura 2 es un diagrama seccional del LTC1562-2. Estos diagramas son idénticos a los del LTC1562, excepto los valores de los componentes de precisión internos de la figura 2. En el LTC1562-2, R1 es 7958Ω y C es 100pF. Las resistencias externas pueden combinarse con una sección LTC1562-2, como se muestra en la Figura 2, para definir una respuesta de filtro de segundo orden con parámetros estándar f₀q y la ganancia. Las ecuaciones y procedimientos de diseño se indican en la hoja de datos del LTC1562-2. Por ejemplo, en la figura 2, R2 define f₀; R_Qun múltiplo de R2, define a Q; y Z_EN define tanto la ganancia como la función del bloque. Los bloques de tres terminales minimizan el número de piezas externas necesarias para las secciones completas de 2º orden con f₀q y ganancia.

Una resistencia para Z_EN en la Figura 2 da respuestas simultáneas de paso bajo (en V3) y paso banda (en V1). En la hoja de datos se describen otras formas de aprovechar la entrada virtual de tierra INV. Por ejemplo, como la salida V1 de la figura 2 tiene un desplazamiento de fase de 180º a la frecuencia central definida por el usuario, f₀la adición de una salida V1 y una ruta de alimentación desde la fuente de la señal da como resultado una respuesta de muesca,² o con una ponderación diferente, allpass (ecualización de fase), como se utiliza en la figura 5 más adelante en este documento. El uso de condensadores junto con la capacitancia de suma de la entrada INV proporciona otras técnicas potentes para las respuestas de cero y de muesca (que, a su vez, permiten el filtrado elíptico de paso alto y paso bajo). Por ejemplo, las dos salidas de cada sección de 2º orden tienen una diferencia de fase de 90°, por lo que sumar V1 a través de un condensador y V2 a través de una resistencia, en la entrada virtual de tierra de otra sección, proporciona la misma opción de muesca o paso total mencionada anteriormente, pero sin dedicar una sección adicional al cambio de fase.⁴ Las figuras 5 y 9, descritas más adelante, utilizan este método de muescas RC. Además, un condensador para Z_EN en la Figura 2 da resultados simultáneos paso alto y las respuestas de paso de banda; el condensador define la ganancia de tensión, no las frecuencias críticas, con una relación de la forma Ganancia = C_EN/100pF en el LTC1562-2. Las señales de bajo nivel pueden aprovechar la capacitancia de ganancia incorporada, lo que aumenta la SNR del filtro con bajas amplitudes de tensión de entrada. Esta capacidad de adaptar el uso de cada bloque y sus constantes de tiempo incorporadas recuerdan a un amplificador operacional, de ahí el término "filtro operacional"

El rendimiento de CC incluye un desplazamiento típico de entrada-salida de 3 mV y salidas que oscilan (bajo carga) a unos 100 mV de cada carril de alimentación. Un punto de referencia interno de media potencia (la patilla AGND) genera una tensión de referencia para las entradas y salidas en aplicaciones de alimentación única. El pin de apagado (SHDN) acepta niveles lógicos CMOS y, en 20µs, pone al LTC1562-2 en un modo de "reposo", en el que el chip consume aproximadamente 1µA (la pieza pasará por defecto a este estado si el pin se deja abierto). El troquel de 16 pines está empaquetado en un SSOP de 20 pines (los pines adicionales en el SSOP son conexiones de sustrato, que deben volver a la alimentación negativa para obtener el mejor rendimiento).

Los siguientes ejemplos de aplicación son adecuados para frecuencias de esquina específicas, que pueden modificarse escalando adecuadamente los componentes externos, como se describe en la hoja de datos del LTC1562 y en los artículos de aplicación.^{2, 3} Puedes obtener ayuda de un experto en aplicaciones llamándonos al 408-954-8400, x3761. Los números de las clavijas de las siguientes figuras corresponden al encapsulado SSOP de 20 patillas, en el que las clavijas 4, 7, 14 y 17 (no mostradas) están siempre unidas al raíl de alimentación negativo. Al igual que ocurre con otros filtros, para conseguir niveles bajos de ruido y distorsión se requiere una construcción eléctricamente limpia (y un equipo capaz de medir este rendimiento).

Cada mitad del circuito que se muestra en la figura 3 proporciona una reducción de ganancia de paso bajo convencional de 4º orden (24dB por octava) con un ancho de banda extremadamente plano. Este diagrama incluye las conexiones de la fuente de alimentación para una fuente de alimentación dividida de ±5V, una de las opciones disponibles para cualquier aplicación del LTC1562-2 (la Figura 5, en una aplicación diferente, muestra las conexiones para una única fuente de 5V). El circuito de la figura 3 es una variación de frecuencia más alta de un filtro paso bajo Butterworth doble de 100 kHz que utiliza el LTC1562, que apareció en el número de febrero de 1998 de Tecnología lineal revista,¹ y en la hoja de datos del LTC1562. La figura 4 muestra la respuesta en frecuencia medida de uno de los dos filtros de la figura 3. Este circuito de ±5V admite entradas y salidas de carril a carril, con un ruido de salida de unos 60µV_RMSpara una SNR máxima de 95dB (frente a los 100dB del LTC1562 equivalente con la mitad de ancho de banda). La THD en un 1V_RMS salida (2,8V_P-P) se midió en -87dB a 50kHz y -72dB a 100kHz.

La comunicación de datos y algunas aplicaciones de antialiasing y reconstrucción de señales requieren filtros con respuestas controladas en fase (o en el dominio del tiempo). El circuito de la figura 5 realiza una respuesta de ganancia de paso bajo en raíz-coseno elevada (figura 6). Para las comunicaciones de datos, la respuesta al impulso de este filtro en el dominio del tiempo (Figura 7) se aproxima, en tiempo continuola propiedad ideal de tipo Nyquist de cruzar el cero en un intervalo de tiempo que es igual a 1/(2f_C). Cuando se utiliza como filtro de conformación de impulsos, esta respuesta tiene la propiedad especial de producir una interferencia intersimbólica (ISI) mínima entre impulsos de datos sucesivos a una velocidad de datos de 2f_C (512 kbits/segundo o ksímbolos/segundo para la Figura 5), limitando al mismo tiempo el espectro transmitido a un ancho de banda cercano al mínimo teórico, que es f_C ⁵ Además, la adquisición de datos o señales (antes de la conversión A/D) o la reconstrucción (después de la conversión D/A) pueden beneficiarse de la respuesta de fase lineal (es decir, del retardo de grupo constante) (normalmente, la variación del retardo de grupo es de ±300ns en el ancho de banda de 0 a f_Ccomo se muestra en la Figura 8).

El filtro de la figura 5 consigue estas propiedades precediendo una sección de paso bajo de sexto orden (los cuartos C, A y D del chip LTC1562-2, en ese orden) con una respuesta de paso total de segundo orden para linealizar la fase. Esta combinación ilustra dos usos prácticos de las entradas de tierra virtual del LTC1562-2. Combinando dos vías de alimentación (R_FF1 de la entrada y R_B1 de una sección de paso de banda en el barrio "B" del LTC1562-2) se utiliza para conseguir una ecualización de paso total. Posteriormente, R_IN4 y C_IN4 añade dos señales con una diferencia de fase de 90º desde las dos salidas del cuadrante "A", con una diferencia de fase adicional de 90º provocada por el condensador, para obtener una muesca en la banda de parada a una frecuencia deseada.⁴ La figura 5 funciona con una única tensión de alimentación de 5V a 10V (la patilla AGND proporciona una referencia de tierra semipotenciada integrada) y tiene una THD de -80dB a 50kHz para una tensión de 500mV_RMS con una fuente de alimentación de 5V.

En la figura 9, tres muescas de respuesta por debajo de la frecuencia de corte suprimen la banda de parada y permiten una banda de transición estrecha en un filtro pasaaltos de 175 kHz, cuya respuesta en frecuencia medida se muestra en la figura 10. Cada muesca se produce sumando dos corrientes diferentes de 180º en una entrada de suma de tierra virtual "INV", con una corriente que fluye a través de un conector R_EN y el otro (de diferente tensión que el primero) a través de un C_EN.⁴ Este circuito sólo tiene 44µV_RMS figura de ruido de salida en un ancho de banda de 1MHz y THD de -70dB con una señal de 200kHz y 0,5V_P-P de salida, que funciona con una alimentación total de 5V.

Aunque está fuera del rango de 300 kHz f₀ en el límite recomendado para obtener la mejor precisión, este filtro de paso bajo Butterworth de sexto orden doble de 400 kHz (Figura 11) ilustra un extremo del ancho de banda disponible del LTC1562-2 con algunos compromisos. La alta f₀ requiere valores de resistencia inusualmente pequeños, lo que da lugar a una carga más pesada y a un aumento de la distorsión del LTC1562-2; también fue necesario ajustar la R_Q de las resistencias de la figura 11 hacia abajo para corregir el aumento de Q que se produce cuando la f₀ es muy alta.

El circuito de la figura 11 complementa los ocho polos del filtro del LTC1562-2 conduciendo las cuatro entradas virtuales de tierra INV desde redes R-C-R en forma de "T" (en lugar de resistencias) y obteniendo así polos reales adicionales (un método descrito en el documento de aplicación original del LTC1562¹ y hoja de datos). Dos de estos polos reales sustituyen al par de polos Q = 0,518 de una configuración convencional de polos Butterworth de 6º orden, con buena precisión. La respuesta en frecuencia medida de una sección de 6º orden se muestra en la figura 12. Con una alimentación de ±5V, este circuito permite entradas y salidas de carril a carril y tiene una THD, a 1V_RMS (2.8V_P-P) de -92dB a 50kHz y -79dB a 100kHz. El nivel de ruido de salida es de 44µV_RMS en un ancho de banda de 800kHz o 98dB por debajo de la salida máxima sin recortar.

Referencias

1. Hauser, Max. "El filtro universal de tiempo continuo desafía los diseños discretos" Tecnología lineal VIII:1 (febrero de 1998), pp. 1-5 y 32.

2. Sevastopoulos, Nello. "Cómo diseñar filtros de alto orden con muescas en la banda de parada utilizando el filtro operacional cuádruple LTC1562, parte 1" Tecnología lineal VIII:2 (mayo de 1998), pp. 28-31.

3. Sevastopoulos, Nello. "Cómo diseñar filtros de alto orden con muescas en la banda de parada utilizando el filtro operacional cuádruple LTC1562, parte 2." en la sección Ideas de diseño de este número de Tecnología lineal.

4. Hoja de datos final del LTC1562.

5. Por ejemplo: Schwartz, Mischa Transmisión de información, modulación y ruidocuarta edición, pp. 180-192. McGraw-Hill 1990.

Agradecimientos

Philip Karantzalis y Nello Sevastopoulos, del grupo de Diseño de Filtros Monolíticos y Aplicaciones del LTC, aportaron ejemplos de aplicación.