Circuiti a capacità commutate: gli schemi reali


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Per passare dal semplice circuito, analizzato nella pagina pecedente di questo sito, ad una reale rete utilizzabile nella pratica per implementare una funzione di filtro si deve risolvere il problema delle capacità parassite, inevitabilmente presenti in qualsiasi realizzazione, che per la loro imprevedibilità che deriva da una serie di fattori di geometria e tecnologia di costruzione può degradare sensibilmente la caratteristica di selezione che viene imposta con il rapporto tra C1 e C2.

Per risolvere tale inconveniente si utilizza un circuito di commutazione più complesso che fa uso di quattro deviatori anzichè due controllati dal clock in una particolare sequenza che consente di ridurre drasticamente l'effetto negativo dovuto alle capacità parassite presenti in vari punti all'ingresso dell'amplificatore operazionale. Lo schema di riferimento è visibile di seguito, si notino le diverse capacità parassite indicate con CP1-4 e diversamente posizionate:

Capacità parassite in un circuito

Capacità parassite in un circuito

Il circuito opera nel modo seguente. La capacità CP1 viene resa ininfluente ai fini del funzionamento dell'integratore facendo in modo che il segnale all'ingresso provenga da una sorgente che idealizza un generatore di tensione e come tale caratterizzato da una resistenza interna nulla o molto bassa, questo è ottenuto con grande facilità ponendo una stadio buffer con amplificatore operazionale prima dell'integratore. In questo modo la reattanza di CP1 non altera il resto del circuito in quanto posta in parallelo ad un ideale cortocircuito.

Similmente CP4 trovandosi ai capi degli ingressi invertente (-) e non invertente (+) dell'amplificatore primario viene a collocarsi in un punto di massa virtuale, in assenza di differenza di tensione, e come tale risulta trascurabile a tutti gli effetti pratici.

Per quanto concerne CP2 nella condizione operativa illustrata nello schema, con i deviatori SP chiusi e SD aperti, risulta in parallelo a C1 e di conseguenza alla sorgente di segnale in ingresso. Mentre CP3 viene cortocircuitata. Nella seguente fase di Fck quando i deviatori hanno cambiato posizione, con SP aperti e SD chiusi, CP2 viene cortocircuitata mentre CP3 risulta in parallelo a C1 e di conseguenza alla massa virtuale presente tra gli ingressi dell'amplificatore.

Nel complesso il circuito descritto vede solo i condensatori C1 e C2 scambiarsi delle cariche elettriche, ovvero delle correnti, senza che le capacità parassite svolgano un ruolo attivo e quindi alterino il funzionamento dell'integratore. Inoltre si osservi che quando C1 viene commutato tra le due posizioni, seguendo le condizioni logiche del segnale di clock, ne viene anche scambiata l'armatura collegata a massa così che la carica immagazzinata, dovuta alla tensione V1, appare al terminale invertente (-) dell'amplificatore operazionale con polarità invertita. L'amplificatore integrerà la tensione V2 invertendola ulteriormente. Nel suo complesso il circuito proposto risulta non invertente mentre quello originario, di seguito riproposto per comodità, è di tipo invertente:

Integratore nella forma originaria

Volendo realizzare il medesimo funzionamento anche nello schema SC con quattro deviatori si deve utilizzare un circuito modificato che propone una diversa sequenza di commutazione:

Circuito modificato nella sequenza di commutazione

Circuito modificato nella sequenza di commutazione

Si dispone ora di due integratori, l'uno invertente e l'altro no, entrambi caratterizzati dalla insensibilità alle capacità parassite. Viene così a semplificarsi la realizzazione di filtri complessi in quanto non si rende necessario l'uso di buffer di inversione, cioè con sfasamento di 180 gradi tra ingresso ed uscita, qualora le fasi dei segnali in alcuni punti del circuito risultino opposte a quanto richiesto dalla tipologia adottata.

Con i due blocchi funzionali presentati si possono implementare tutti i tipi di filtri scegliendo tra strutture specifiche per un determinato tipo di risposta, ad esempio passa-basso, e strutture invece polifunzionali standard che consentono, per mezzo di più uscite e determinati collegamenti di configurazione, di fare operare i circuiti in uno tra i quattro modi fondamentali.

Del primo tipo si porta quale esempio lo schema di un filtro passa-banda che impiega due integratori SC e sette condensatori opportunamente interconnessi. Di seguito il circuito, si osservi che sono quattro i diversi condensatori commutati che consentono di determinare i parametri funzionali del filtro, ovvero la sua curva di risposta in ampiezza e frequenza:

Schema del filtro passa-banda a capacità commutate

Schema del filtro passa-banda a capacità commutate

Per illustrare con maggiori dettagli la reale implementazione di questo filtro nello schema a seguire riportiamo lo stesso circuito nel quale però ai simboli dei deviatori si sono sostituiti dei MOSFET con il compito di operare come interruttori comandati dalla tensione di gate. Una opportuna rete di polarizzazione e di distribuzione del segnale di clock, qui rappresentata dal solo buffer con due uscite di cui una negata per ottenere uno sfasamento di 180 gradi tra i segnali, consente il pilotaggio di questi dispositivi nei due stati di acceso (ON, in conduzione) e spento (OFF, in interdizione):

Schema del filtro passa-banda con i MOSFET di commutazione

Schema del filtro passa-banda con i MOSFET di commutazione

Sotto l'aspetto progettuale con maggiore frequenza è necessario disporre di blocchi multifunzione facilmente adattabili per operare come filtri di 2° ordine indifferentemente nei modi passa-basso, passa-alto, passa-banda ed elimina-banda. Sono questi i classici filtri universali, divenuti un punto di riferimento già nelle implementazioni attive convenzionali non SC, che grazie alle innegabili doti di flessibilità riscuotono un grande interesse. Si tratta dell'analogo SC dei filtri a variabile di stato realizzati con tre o quattro amplificatori operazionali impiegati in una configurazione che prevede due integratori ed un punto di somma dei segnali. Una delle versioni adottate per ottenere questo tipo di funzionamento tramite un circuito a capacità commutate è qui raffigurata nelle sue linee essenziali:

Schema del filtro a variabile di stato a capacità commutate

Schema del filtro a variabile di stato a capacità commutate

Sono realizzabili risposte con approssimazioni di vario tipo come Butterworth e Bessel che consentono di ottimizzare il funzionamento del filtro per gli obiettivi richiesti dall'applicazione in termini di comportamento in fase ed ampiezza, sempre mantenendo la sintonizzazione tramite il clock esterno. L'intero circuito è disponibile, con diverse varianti, in forma integrata in dispositivi con un ridotto numero di pin presenti nel portafoglio prodotti di molti fabbricanti. E' possibile inoltre porre in serie più sezioni così che un solo componente realizzi filtri di ordine elevato.

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