FILTROS DE CAPACITORES CONMUTADOS1 FILTROS DE CAPACITORES CONMUTADOS Jonathan Henao Londoño Electrónica II departamento de Electrónica Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia Email:[email protected] Abstract—Se presenta un breve diseño y una correspondiente simulación de un filtro pasa bajos utilizando capacitores conmutados con el fin de ejemplificar su uso puesto que ofrecen grandes ventajas a los circuitos de filtros tradicionales. El filtro tiene una ganancia unitaria y una frecuencia de corte de 300Hz, el cual tendría diversas aplicaciones como por ejemplo se podría utilizar en una etapa de filtrado para un bajo electríco pues éste es su rango de frecuencia de operación tanto que las demás frecuencias del espectro auditivo se considerarían ruido. Index Terms—filtros conmutados, pasa bajos I. I NTRODUCCION XISTEN varios tipos de filtros pero éstos tienen propiedades que dificultan su fabricación puesto que la mayoría depende de elementos como resistencias que hacen que no sea práctico ni viable fabricar en un integrado compacto, sin embargo la solución hasta ahora para dicho problema la tienen los llamados "filtros conmutados" o "filtros de capacitor conmutado" que funcionan bajo las mismas bases teoricas de los filtros activos pero con una topología que utiliza transistores MOS y capacitores para su funcionamiento. E Figure 1. Suiche II. M ARCO TEORÍCO Los filtros conmutados básicamente se aprovechan de una señal de reloj para conmutar a alta velocidad el estado de un capacitor que reemplazará una resistencia. El funcionamiento de un capacitor conmutado consiste en que la carga almacenada por el capacitor en un nodo va a ser transmitida hacia otro nodo por medio de dos interruptores que van a ser activados mediante una señal de reloj Como se muestra en la figura 1 Cuando se encuentra el SW1 cerrado y SW2 abierto, el capacitor se carga a un voltaje v1. La carga almacenada es Q1 = CSv1. Luego cuando tenemos cargado el capacitor y el SW1 se abre y el sw2 se cierra entonces se descarga hacia Q2 = CSv2. Una cantidad de carga igual a Q= Q1-Q2 se transfiere entonces del terminal 1 al terminal 2. Los interruptores SW1 y SW2 son dos transistores MOS (ver figura 2)que son exitados por un reloj bifásico Φ cuya frecuencia es mucho mas alta que la frecuencia de la señal que se va a filtrar. Si el periodo es muy corto se puede pensar que el proceso es casi continuo y definir una resistencia equivalente entre V1 y V2. Your name is with xyz Department. . . Figure 2. suiche mos Lo explicado anteriormente es el principio básico de funcionamiento de un filtro basado en capacitores conmutados puesto que las topologías de los diferentes filtros son las mismas de los diseños de filtros activos tipicos. III. D ISEÑO DEL AMPLIFICADOR Vamos a utilizar la topología típica de un integrador con perdidas (ver figura 3) el cual Deseamos que tenga una ganacia unitaria y una frecuencia de corte de 300Hz. Primero para el filtro de la figura 3 filtro RC tenemos que la ganancia de dicho Filtro es Q= R2 =1 R1 1 Ahora la relación de el capacitor C1*R2= ω Dónde ω = 2 ∗ π ∗ f =600*π En éste orden tenemos que dicha frecuencia debe ser mucho mayor a las que tengamos en la señal para que esta no se distorsione por lo tanto la escogemos de 100Khz y obtenemos: 1 Cs1 = Fs ∗R1 = 0.5u 10u) *capacitores C1 3 5 20p Cs1 2 0 0.ac dec 25 1 20k .337pf y como R1 = R2 entonces Cs2 = Cs1 = 0. Amplificador RC Suponiendo un valor típico de éste tipo de filtros para el capacitor C1=20pf obtengo que R2=R1=26. Vin 1 0 AC 3V VCC 6 0 12 VEE 7 0 -12 Vclok a 0 pulse(0 3v 0 10p 10p 0.probe .377p *suiches S1 1 2 a 0 smos S2 2 3 b 0 smos S3 3 4 a 0 smos S4 4 5 b 0 smos *Amplificador X2 0 3 6 7 5 LM324 .5u 10p 10p 0. Respuesta en frecuencia Donde en la figura 5 se observa que obtenemos lo que esperabamos donde la ganancia es unitaria puesto que la amplitud de entrada es de 3v y la frecuencia de corte aparece en los 300Hz que queriamos. un amplificador operacional común y los correspondientes capacitores hallados anteriormente.1) .337pf Obteniendo así el circuito de la figura 4.model smos VSWITCH(RON=0. Ahora procederemos a obtener los respectivos capacitores conmutados que reemplazarán a R1 y R2. . a continuación se presenta la descripción del circuito para el netlist: *FUENTES Figure 6.377p Cs2 4 0 0. para ésta labor vamos utilizar suiches mos conmutados. Figure 4. Amplificador con capacitores suichados IV. entonces según la teoría descrita por diversos autores referenciados en la bibliografía tenemos que la relación para la resistencia y el nuevo capacitor correspondiente será: 1 R= Fs ∗Cs Dónde Fs es la frecuencia del reloj que va suichar los transistores.53MΩ y tengo el filtro activo típico RC de la figura 3.end Luego de correr el probe se pueden obtener las siguientes gráficas: Figure 5.FILTROS DE CAPACITORES CONMUTADOS 2 Figure 3.lib *ANAISIS AC . Magnitud en decibelios En la figura 6 se observa el comportamiento del filtro graficada su magnitud en decibelios con un comportamiento razonablemente bueno para el tipo de aplicaciones que prendemos ejemplificar.5u 10u) Vclokneg b 0 pulse(0 3v 0. SIMULACIÓN Y ANÁLISIS Con la ayuda de spcie se pueden obtener las curvas del comportamiento del filtro diseñado anteriormente.01 ROFF=1e7 VON=3 VOFF=0. Smith. Demystifying Switched-Capacitor Circuits 2) Sedra. pudiendolo implementar en áreas tan exigentes como el procesamiento de señales de audio o de instrumentos que entreguen señales débiles y sensibles al ruido. Notas para un curso de Circuitos eléctricos II.FILTROS DE CAPACITORES CONMUTADOS 3 V. VI. Este tipo de circuitos puede ofrecer gran practicidad puesto que es sencillo hacer el cambio de la topología del circuito calculado con cualquiera de las teorías existentes hacerca de los filtros típicos a los filtros de capacitores conmutados ya que como se mostró en la simulación obtendríamos un muy buen desempeño del filtro.quinta edición. B IBLIOGRAFÍA 1) Liu. C ONCLUCIONES La utilización de capacitores conmutados ofrece grandes ventajas en la mejora de los filtros RC comunes puesto que con la tegnología actual en semiconductores es posible lograr capacitancias pequeñas y exactas ahorrandose además espacio puesto que ya no vamos a tener resistencias de grandes valores. 3) Jesús Francisco Vargas Bonilla Norman César Mercado Cruz. mejorando tambien el hecho de que podemos trabajar con voltajes y corrientes pequeños tanto en la señales de entrada como en las de la alimentación de los circuitos logrando así un bajo consumo de potencia que abre mucho mas el campo de utilización de dichos circuitos. . Circuitos Microelctrónicos. Mingliang.