الهندسةهندسة الاتصالات

المرشح المكثف المبدل Switched Capacitor Filter

تتطلب الإشارات التماثلية من مستشعرات إنترنت الأشياء “IoT” ومشاريع المصنّعين مستوى معيناً من معالجة الإشارات قبل الرقمنة في المحول التماثلي إلى الرقمي “ADC”، ومع ذلك يمكن أن تكون مرحلة معالجة الإشارات التماثلية ضخمة ومكلفة وغير دقيقة وغير مستقرة فوق درجة الحرارة، وباستخدام مرشحات المكثفات المبدلة لمقاومة التعرج يمكن للمصممين التخفيف بشكل كبير من هذه المشكلات مع تبسيط عملية التصميم.

 

أساسيات المرشح المكثف المبدل

 

هناك حاجة إلى مرشحات تمرير منخفضة لمنع التعرج للتأكد من أنّ إشارات المستشعر محدودة النطاق بشكل صحيح قبل “ADC“، حيث يتطلب مرشح المرور المنخفض النموذجي محاثات ضخمة ومكثفاً كبيراً ومن جانبهم تتطلب مرشحات المقاومة النشطة “RC” ثوابت زمنية كبيرة القيمة “RC”، وفي كلتا الحالتين يصبح المرشح حساساً لتحمل مكون “RC” واستقرار درجة الحرارة.

 

وبالإضافة إلى ذلك يصعب تنفيذ قيم المقاوم الكبيرة بدقة معقولة داخل الدوائر المتكاملة، حيث ينتج عن هذا تصميمات “IC” بمقاومات ومكثفات خارجية، وبالتالي زيادة عدد المكونات والتكلفة والتعقيد وحجم المرشح، ولحل هذه المشكلات يجب على المصممين التفكير في معماريات المكثف المحول لزيادة الدقة والكفاءة الحجمية للمرشحات، حيث تتحكم هذه التصميمات في نقل الشحنة بين المكثفات بعناصر تبديل موقوتة بدقة توفر ما يعادل المقاومة.

 

كما يتم تحقيق المكثفات والمفاتيح المرتبطة بها بسهولة في شكل متآلف، ويتم استعمال نظرية تشغيل مرشحات المكثف المحول “SCFs” كبديل للمرشحات السلبية والنشطة.

 

  • “IoT” هي اختصار لـ “Internet of things”.

 

  • “SCF” هي اختصار لـ “Switched Capacitor Filter”.

 

  • “IC” هي اختصار لـ “Integrated circuit”.

 

  • “RC” هي اختصار لـ “resistor capacitor”.

 

  • “ADC” هي اختصار لـ “Analog to digital converter”.

 

مبدأ عمل المرشح المكثف المبدل

 

يجب أن تتوافق أنظمة البيانات التي تم أخذ عينات منها بما في ذلك “ADCs” و”DACs” مع معايير “Nyquist”، والتي تنص على أنّه يجب أخذ عينات من الجهاز بأكثر من ضعف أعلى تردد موجود عند الإدخال، كما أنّه عندما يتم أخذ عينات بتردد أكبر من ضعف عرض النطاق الترددي للإشارة يُظهر عرض مجال التردد أنّ إشارة النطاق الأساسي من “DC” إلى “fBW” مفصولة عن صورة النطاق الجانبي السفلي حول تردد الاعتيان “fS”.

 

كما تظهر الأرقام حالة مستعارة، حيث يتم أخذ عينات من إشارة المجال الزمني أقل من ضعف عرض النطاق الترددي للإشارة في انتهاك لمعايير “Nyquist”، وفي الطيف الترددي تحرك تردد أخذ العينات إلى اليسار ممّا يعكس معدل أخذ عينات أقل، كما يتداخل النطاق الجانبي السفلي للصورة حول ساعة أخذ العينات مع إشارة النطاق الأساسي التي تلوث طيفها بإشارات زائفة، وبمجرد حدوث ذلك لا يمكن استرداد الإشارة الأصلية.

 

هناك طريقتان شائعتان لمنع التشويش، كما يمكن للمرء أن يحد من المدخلات إلى “ADC” باستخدام مرشح تمرير منخفض، وهذا هو المكان الذي يأتي فيه “SCF” ومن الممكن أيضاً زيادة معدل العينة بما يكفي لضمان أن معدل العينة يتجاوز عرض النطاق الترددي لإشارات الإدخال بشكل كبير.

 

تكوين “SCFs” كمرشحات تمرير منخفض تقوم بعمل رائع في منع التشويش لكنّها أيضاً أنظمة بيانات مأخوذة من العينات، ولذا يجب أن تتوافق مع معايير نيكويست، ومع ذلك تتجنب “SCFs” التشويش من خلال اشتراط أن يكون تردد أخذ العينات من خمسين إلى مائة ضعف عرض النطاق الترددي لإشارة الإدخال.

 

كما يوفر هذا نطاق حماية مناسباً لمنع التشويش، حيث إذا تم استخدام تردد أقل لأخذ العينات فيمكن استخدام مرشح صقل بسيط قبل “SCF” لمنع التشويش، وفي معظم الحالات يمكن أن تكون هذه المرشحات بسيطة مثل مرشح تمرير منخفض “RC” أحادي القطب.

 

وفي تكوين المكثف المحول يعتمد عرض النطاق الترددي على أخذ العينات أو تردد الساعة وكذلك نسبة المكثف المحول C2 إلى مكثف الدمج C1، وفي بنية “IC” متجانسة يتم استبدال المقاومات بمكثفات ومفاتيح ذات قيمة صغيرة ومن السهل نسبياً دمج هذين المكونين في “IC”، حيث لا يشغلان سوى مساحة صغيرة على الشريحة.

 

يتناسب تردد القطع للمرشح مع تردد ساعة أخذ العينات لذا يمكن استخدام الساعة لضبط المرشح وهي ميزة مهمة من حيث المرونة، ويضمن استخدام مصدر عالي الجودة لساعة أخذ العينات دقة واستقرار تردد الساعة وبالتالي زاوية المرشح.

 

كما أنّ تردد القطع يتناسب مع نسبة قيم السعة التي يمكن الحفاظ عليها بمستوى التسامح “<0.1%” في بنية “IC”، حيث تؤثر تغيرات درجة الحرارة على المكثفات في نفس الوقت وتميل النسبة إلى البقاء ثابتة.

 

  • “DAC” هي اختصار لـ “digital to analog converter”.

 

  • “DC” هي اختصار لـ “direct current”.

 

  • “fBW” هي اختصار لـ “frequency Bandwidth”.

 

  • “fS” هي اختصار لـ “frequency Sampling”.

 

تطور عمل المرشح المكثف المبدل

 

تعتبر الدوائر ذات المكثف المحول مناسبة للغاية لمعالجة الإشارات التماثلية مقاومة أفضل واستجابات تردد عالية الدقة ومنطقة رقاقة صغيرة، كما تعد المرشحات والمقارنات وتحويل الطاقة للحوسبة والاتصالات وإنترنت الأشياء “IoT” بعضاً من تطبيقات دارات المكثف المبدلة الشائعة.

 

وتستخدم هذه الدائرة مكثف بتبديل للمساعدة في معالجة إشارة الوقت المنفصلة، ويتضمن مفاتيح يتم فتحها وإغلاقها للسماح بنقل الشحنة داخل وخارج المكثف، وعادةً ما تتحكم الساعات غير المتداخلة في المفاتيح للتأكد من نقل الشحنة الذي يمكن التنبؤ به أو الذي يمكن التحكم فيه.

 

كما تشتمل الدائرة النموذجية للمكثف المحول على مكثف ومفتاحين وتقوم المفاتيح بتوصيل المكثف بالتناوب بجهد الإدخال والإخراج، وخلال كل فترة تبديل يتم نقل الشحنة من الإدخال إلى الإخراج على تردد الساعة، لذلك تعمل دائرة مكثف التبديل كمقاوم يتم التحكم فيه بواسطة قيمة المكثف وتردد التبديل.

 

مزايا مرشح مكثف مبدلة

 

  • تسمح دوائر المكثف المحول بتصميم مقاومة محكومة بإحكام على الرقاقة، بناءً على تردد الساعة وقيمة المكثف.

 

  • يوفر مساحة مع تحقيق قيم مقاومة عالية. يتطلب استخدام المقاومات الفعلية قدرًا أكبر من مساحة السيليكون.

 

  • حقق دقة استجابة تردد تصل إلى “0.1%” مع مرشحات مكثف بتبديل.

 

  • تسمح مطابقة مكونات “IC” المتشابهة مثل المكثف بالمكثف بدلاً من مكونين مختلفين مثل المكثف إلى المقاوم بهذا المستوى من الدقة.

 

  • وفي المقابل يمكن لمرشح الوقت المستمر الذي يستخدم الثوابت الزمنية “RC” للتحكم في التردد أن يسبب تغيرات في التردد تصل إلى “20%” بسبب عدم التطابق بين المقاومات والمكثفات.

 

  • أسهل في التنفيذ الموثوق به مع نطاق أوسع من القيم ممّا يجعله بديلاً مثالياً للمقاومات التقليدية في أي تطبيق دائرة متكاملة.

 

  • وبالمثل من الممكن ضبط قيمة المقاوم المكافئة عن طريق تغيير سرعة الساعة.

 

  • تتمتع الدوائر ذات المكثف المحول بالخصائص الصحيحة لتصميم الدوائر المتكاملة للفلاتر الإلكترونية والمقارنات ومحولات الطاقة وأنظمة الاتصالات والتطبيقات الأخرى.

 

  • إنّها توفر استجابات تردد دقيقة يصعب تحقيقها باستخدام دوائر المقاوم إلى المكثف.

 

  • نطاقها الديناميكي هو أيضاً سمة مهمة.

المصدر
Introduction to Analog and Digital Communications/ Simon HaykinData Communication and Computer NetworkWIRELESS COMMUNICATIONS/ Andreas F. MolischTheory and Problems of Signals and Systems/ Hwei P. Hsu, Ph.D./ JOHN M. SENIOR Optical Fiber Communications Principles and Practice Third Edition

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى