Esigenze tecnologiche nei circuiti SC


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Malgrado gli innegabili vantaggi in termini di possibilità di controllo esterno, vantaggi che si ottengono con una minima complicazione circuitale, i filtri SR (descritti nella precedente pagina di questo sito) non hanno larga diffusione per una serie di motivi in parte connaturati alla tecnica stessa. Due aspetti più di altri determinano questa mancata presenza applicativa.

In primo luogo i commutatori, realizzati prevalentemente con dispositivi MOSFET, hanno caratteristiche statiche tali da essere significativamente diversi dai componenti ideali come per semplicità è stato supposto sin qui. Questo significa che quando i MOSFET sono nello stato "chiuso", ovvero in conduzione, presentano una resistenza bassa ma non nulla così come quando sono nello stato "aperto", ovvero in interdizione, presentano una resistenza elevata ma non infinita. Se questo non rappresenta un inconveniente per un singolo dispositivo ne deriva un problema rilevante dal fatto che la resistenza Req con la quale rappresentiamo i deviatori non è uguale per ogni dispositivo anche nel caso dell'integrazione di questi su un unico chip. Le variazioni tra MOSFET si accentuano agli estremi del duty-cycle aumentando di fatto le tolleranze di funzionamento del circuito. A fianco di questa incertezza anche le resistenze R associate in serie od in parallelo ai deviatori si caratterizzano per un inadeguato accoppiamento di valori tra componenti non potendo essere realizzate oltre una certa precisione all'interno dei circuiti integrati a causa delle tecnologie utilizzate nel creare e modificare il substrato semiconduttore che forma la base del chip. In presenza pertanto di filtri di ordine elevato non sarebbe possibile, se non con costi significativi, ottenere un adeguato traking tra le diverse sezioni.

In secondo luogo un problema sorge dal tipo di controllo delle reti SR, come si è illustrato la determinazione delle caratteristiche dei filtri viene a dipendere in maniera diretta dal duty-cycle del segnale di clock Fck. Sebbene progettare un oscillatore a frequenza fissa e duty-cycle variabile sia semplice vi è la difficoltà di definire e misurare questo parametro con una adeguata precisione come richiesto per le operazioni di sintonizzazione del filtro. Per duty-cycle prossimi a 0 oppure ad 1 non è infatti immediato quantificarne il valore a meno di notevoli complicazioni circuitali.

Per queste ragioni si è cercato un metodo diverso per poter operare il controllo sui componenti dei filtri attivi con l'obiettivo di mantenere i vantaggi di flessibilità e semplicità espressi dai circuiti SR senza però che questi si accompagnino ai svantaggi ora espressi.

La soluzione viene dai circuiti a capacità commutata, switched capacitor (SC), dove vengono impiegate delle reti composte da deviatori e condensatori che operano dinamicamente in modo tale da simulare le caratteristiche di una resistenza. Nei circuiti SC scompaiono pertanto le resistenze abbinate alla parte di commutazione venendo sostituite da condensatori. I condensatori possono essere realizzati nei circuiti integrati con una elevata precisione, a parità di costo con le resistenze, e consentono di superare i limiti delle reti SR.

Nei circuiti SC infatti il duty-cycle del segnale di clock è fissato sempre a 0.5 ovvero viene fatto uso di un segnale composto da un'onda quadra perfetta. Per controllare il comportamento equivalente della rete viene in questo caso fatta variare la frequenza del clock Fck esistendo un rapporto proporzionale e costante tra questo parametro e la frequenza F0 del filtro.

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