На кристалле старого фильтра Harris HF-10 видна сетка из 72 одинаковых квадратных конденсаторов. Зачем аналоговой микросхеме столько маленьких ёмкостей, если ток обычно задают резисторы? На кристалле резисторы занимают много места, а их параметры трудно точно контролировать. В MF10 и совместимом с ним HF-10 часть резисторов заменили конденсаторами, которые поочерёдно подключаются к разным участкам схемы.

Разобрал микросхему и восстановил схему одного фильтра инженер Кен Ширрифф. Он вскрыл один керамический корпус Harris с маркировкой HF-10 и кодом даты 1985 года, изучил кристалл под микроскопом, а для рассмотрения транзисторов снял слой металла. Это подробный инженерный разбор конкретного экземпляра, а не рецензированное исследование и не серия измерений. Сверить реконструкцию помогают даташит MF10-N и техническое руководство производителя по MF10.

Ток, передаваемый порциями

Представим конденсатор, который переключается между входом и усилителем. В первой фазе тактового сигнала он заряжается до входного напряжения. Во второй передаёт накопленный заряд дальше. Заряд за один цикл пропорционален ёмкости и напряжению: Q = C·V. Если циклы повторяются с частотой f, средний ток пропорционален произведению f·C·V. Поэтому в идеализированной модели такая переключаемая цепь ведёт себя как резистор с сопротивлением R ≈ 1/(f·C).

Это не настоящий резистор, а удобное описание среднего эффекта. Чем выше частота тактов или больше ёмкость, тем больше заряда передаётся за секунду, то есть тем ниже эквивалентное сопротивление. В интеграторе фильтра переключаемый узел заменяет входной резистор, а конденсатор обратной связи остаётся обычным. Меняя частоту тактов, микросхема управляет постоянной времени без крупных высокоомных резисторов на кристалле.

В руководстве National Semiconductor, позднее опубликованном Texas Instruments, описан тот же принцип: за период передаётся заряд V·C, а эквивалентное сопротивление зависит от периода тактового сигнала. Для MF10 частота фильтра обычно равна одной пятидесятой или одной сотой частоты внешнего такта. В некоторых режимах, согласно даташиту, отношение можно настраивать внешними резисторами.

Почему важнее отношение, чем точная ёмкость

Абсолютная ёмкость на микросхеме может меняться из-за особенностей производства. Для фильтра, однако, важно отношение ёмкости переключаемой цепи к ёмкости интегратора. Если обе ёмкости сформированы на одном кристалле похожим способом, их отношение контролировать легче, чем каждое значение по отдельности. Производитель поясняет, что постоянная времени переключаемого интегратора зависит от отношения этих ёмкостей, которое проще точно выдержать, когда они расположены на одном кристалле.

В реконструкции HF-10, которую выполнил Кен Ширрифф, видны 72 одинаковые ячейки. Некоторые соединены группами по восемь, образуя более крупные конденсаторы. Сборка из одинаковых элементов может дать более предсказуемое отношение ёмкостей, чем изготовление двух конденсаторов разных размеров. Но оценка согласования до ±0,01%, которую приводит автор, взята из книги по аналоговой компоновке, а не получена при измерении вскрытого HF-10. Примерная ёмкость одной ячейки, около 5 пФ, тоже является оценкой автора, а не спецификацией производителя.

В реконструированной схеме есть и другая деталь: переключаемый конденсатор может менять полярность подключения. В четырёхключевой конфигурации пластины соединяются так, что узел не только переносит заряд, но и инвертирует напряжение. По объяснению Ширриффа, такая схема компенсирует часть паразитных ёмкостей, то есть нежелательных ёмкостных связей между участками кристалла. Это описание принципа работы, а не отдельное измерение того, насколько именно схема повышает точность конкретного фильтра.

Тактовый сигнал тоже требует аккуратности

Переключение создаёт помехи. На кристалле Harris Ширрифф обнаружил экранирующий слой и изолирующие кольца вокруг групп транзисторов. Они уменьшают распространение помех через кремниевую подложку. Тактовые фазы устроены так, чтобы два ключа не открывались одновременно: между выключением одного и включением другого есть небольшая пауза. Без неё входы могли бы ненадолго соединиться напрямую и исказить сигнал.

Такой фильтр работает с дискретными выборками: обрабатывает сигнал порциями, а выход меняется ступенями с частотой такта. Даташит предупреждает об алиасинге. При нём слишком высокочастотная составляющая входного сигнала может отразиться в более низкую частоту и выглядеть как настоящий сигнал. При необходимости спектр на входе ограничивают дополнительным фильтром. Поэтому модель эквивалентного резистора объясняет основной принцип, но не все ограничения реальной схемы.

Точность не равна идеалу

Кварцевый генератор может обеспечить стабильный такт, но он не устраняет погрешности самой микросхемы. В даташите MF10-N для отношения частоты такта к центральной частоте указана типичная погрешность ±0,2%. Гарантируемые пределы зависят от варианта устройства: в таблице приведены значения ±0,6% или ±1,5%. В техническом руководстве типичное согласование центральной частоты между приборами составляет ±0,2%. Это характеристики MF10-N из документации, а не результаты измерений старого экземпляра Harris HF-10.

На точность и работу фильтра также влияют добротность, смещения, режим и частота такта. Производитель отдельно предупреждает о ступенчатой форме выходного сигнала и возможном алиасинге. Поэтому утверждение, что частота очень точна благодаря кварцу, требует уточнения: стабильный источник тактового сигнала помогает, но результат всё равно ограничен параметрами фильтра.

Вскрытие HF-10 показывает, как аналоговую функцию можно построить из дискретно переключаемых элементов: конденсатор переносит заряд, а частота переключения задаёт его средний поток. Одна микросхема не доказывает стабильность всех партий и не подтверждает заявленные автором оценки разброса. Но вместе с документацией она наглядно раскрывает инженерную логику MF10: использовать хорошо согласованные отношения ёмкостей, управлять временем тактом и отдельно бороться с помехами. Описание методов исследования, включая границы выборки и проверяемость результатов, разобрано также в статье о воспроизводимости исследований.

Источники

Концептуальная схема двух фаз переключения: конденсатор поочерёдно заряжается от входного напряжения и передаёт заряд дальше; частота переключения и ёмкость определяют эквивалентное сопротивление.

Фото: manseok_Kim / Pixabay