คณะเทคโนโลยีอุตสาหกรรม...

วารสารวชาการคณะเทคโนโลยอตสาหกรรม : เทพสตร I-TECH ปท 11 ฉบบท 2 กรกฎาคม - ธนวาคม 2559

วงจรกรองความถหลายหนาทในโหมดกระแส 3 อนพต 1 เอาตพต โดยใช DDCCศภวฒน ลาวณยวสทธ1, พนดา อทกศร2, วรศรา ลขตลอชา 2, บญชา ศรวโรจน3, สมชาย ศรสกลเตยว 4 และ ธาดา คำาแดง5

1 สาขาวชาเทคโนโลยไฟฟา คณะเทคโนโลยอตสาหกรรม มหาวทยาลยราชภฏเพชรบร2 สาขาวชาวศวกรรมสารสนเทศและการสอสาร คณะเทคโนโลยอตสาหกรรม มหาวทยาลยราชภฏเทพสตร3 สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยธนบร4 สาขาวชาวศวกรรมคอมพวเตอร คณะวศวกรรมศาสตรและสถาปตยกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลอสาน5 สาขาวชาอตสาหกรรมศกษา คณะเทคโนโลยอตสาหกรรม มหาวทยาลยราชภฏเทพสตร

บทคดยอบทความนนำาเสนอโครงขายวงจรกรองความถหลายหนาทสามอนพต-หนง

เอาตพต โดยใช DDCC ประกอบดวยตวตานทาน และตวเกบประจทตอลงกราวนด วงจรสามารถใหการตอบสนองการทำางานได 5 ฟงกชน คอ ฟงกชนกรองผานความถสง กรองผานความถตำา กรองผานแถบความถ กรองหยดแถบความถ และกรองผานทกความถ สามารถควบคมความถธรรมชาต และควอลตเฟคเตอรไดอยางเปนอสระจากกน สมรรถนะของวงจรกรองความถทนำาเสนอถกทดสอบผานการจำาลองผลการทำางานดวยโปรแกรม PSpice โดยใชเทคโนโลยทรานซสเตอร (CMOS) ขนาด 0.18µm TSMC ผลการทดสอบวงจรทไดมความสอดคลองกบทคาดการณไวในทางทฤษฎ

คำาสำาคญ: โครงขายวงจรกรองความถหลายหนา, DDCC


Multi-input single-output current-mode multifunction filter using DDCCSupawat Lawanwisut1, Panida Utoksiri2, Warissara Likitluecha2, Bancha Sriviroj3 , Somchai Srisakultiew4 and Tada Comedang51Department of Computer Electronics Technology, Faculty of Industrial Technology, PhetchaburiRajabhat University2Department of Information and Communication Engineering, Faculty of Industrial Technology, Thepsatri University 3Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Thonburi University4Department of Computer Engineering, Faculty of Engineering and Architecture, Rajamangala University of Technology Isan5Department of Industrial Education, Faculty of Industrial Technology, Thepsatri University

AbstractThis paper describes the multifunction filter network

with three-inputs single-output configuration employing differential difference current conveyor (DDCC) with grounded resistors and capacitors , availability of low pass, band pass, high pass, band stop and all pass filter responses, the quality factor and nature frequency can be tuned independently. The theoretical results are verified by PSpice simulator using 0.18 µm TSMC (CMOS) technology parameters. The given results agree well with the theoretical anticipation.

Keywords: Multifunction filter network, Differential difference current conveyor (DDCC)

3


1.บทนำาวงจรกรองความถเปนวงจรหนงทม

ความสำาคญในระบบการประมวลผลสญญาณแอนะลอกซงถกนำามาใชอยางแพรหลายในหลายสาขางาน เชน งานอเลกทรอนกส ระบบสอสาร ระบบควบคมและเครองมอวด [1] โดยเฉพาะวงจรกรองความถทสามารถใหผลตอบสนองการกรองความถไดหลายหนาทในโครงสรางวงจรเดยวกนหรอเรยกวาวงจร กรองความถหลายหนาทนนไดรบความสนใจเปนอยางมากในสาขางานระบบเครอขาย ทผานมามวงจรกรองผานทกความถนำาเสนอโดยใชอปกรณแอคทฟทแตกตางกน [1-7] วงจรกรองกรองความถหลายหนาทโดยใชออปแอมปเปนวงจรพนฐานจะทำางานไดทความถทจำากด นอกจากนออปแอมปเปนวงจรขนาดใหญและซบซอนซงเมอนำามาสรางเปน วงจรรวมจะใชพนทชปมาก ดงนนมความพยายามออกแบบวงจรกรองผานทกความถโดยใชอปกรณแอคทฟแบบอนๆ

ในป 2004, Jianping Hu [8] differential difference current conveyor (DDCC)โดยใชเทคโนโลยทรานซสเตอร (CMOS)ขอดของวงจร DDCC เชน สามารถสรางฟงกชนบวกและลบแรงดนไดโดยงายอนพตอมพแดนซสงจงสะดวกตอการนำาไปตอคาสเคดอนดบสงขนเปนตน

ดงนนในบทความน ผวจยมจดมงหมายเพอจะสงเคราะหและออกแบบวงจรกรองความถหลายหนาทในโหมดกระแส 3 อนพต 1 เอาตพต โดยใช DDCC เพอใหวงจรสามารถควบคมคาความถธรรมชาตและคาควอลตแฟกเตอรไดอยางเปนอสระตอกน วงจรทนำาเสนอจะถกตรวจสอบการทำางาน ดวยโปรแกรม PSpice เพอยนยนทฤษฎทนำาเสนอ

2. ทฤษฎและหลกการ2.1 วงจร DDCC

เนองจากวงจรทนำาเสนอประกอบไปดวยอปกรณหลกคอ DDCC มสญลกษณดงรปท 1 หวขอนจงขอกลาวถง DDCC พอสงเขป ความสมพนธของกระแสและแรงดนของ DDCC แสดงดวยสมการท (1)

รปท 1 สญลกษณของ DDCC

(1)\* MERGEFORMAT

4


2.2 การออกแบบโครงขายวงจรกรองความถ

ออกแบบโครงขายวงจรกรองความถ ประกอบดวยวงจรดฟเฟอรเรนชเอเตอรแบบไมมการสญเสย (Lossless Differentiator) ตอรวมกบวงจรรวมสญญาณ และวงจรขยายสญญาณ (Amplifier) โดยการจดบลอกไดอะแกรมในลกษณะคาสเคดกน ดงแสดงในรปท 2

รปท 2 บลอกไดอะแกรมการสงเคราะหโครงขาย

วงจรกรองความถ

จากรปท 2 สามารถเขยนสมการถายโอนฟงกชนไดดงน

(2)\* MERGEFORMAT

จากสมการท (2) จะไดคาความถธรรมชาตและควอลตแฟคเตอรดงน

(3)\*MERGEFORMAT

2.2 วงจรดฟเฟอรเรนซเอเตอรและวงจรขยายกระแส

การออกแบบวงจรดฟเฟอรเรนชเอเตอรทไมมการสญเสยแบบบวกในครงนจะใชอปกรณแอคทฟ DDCC1 วงจร ตวเกบประจ 1 ตวตอลงกราวนด และตวตานทาน 1 ตว ดงรปท 3 ซงจะไดฟงกชนถายโอนดงน

(4)\* MERGEFORMAT

รปท 3 วงจรดฟเฟอรเรนซเอเตอรแบบบวกท

ไมมการสญเสย

การออกแบบวงจรดฟเฟอรเรนชเอเตอรทไมมการสญเสยแบบลบในครงนจะใชอปกรณแอคทฟ DDCC1 วงจร ตวเกบประจ 1 ตวตอลงกราวนด และตวตานทาน 1 ตว ดงรปท 4 ซงจะไดฟงกชนถายโอนดงน

5


(5)\*MERGEFORMAT

รปท 4 วงจรดฟเฟอรเรนซเอเตอรแบบลบทไมมการสญเสย

การออกแบบวงจรขยายกระแสจะใชอปกรณแอคทฟ DDCC 1 วงจร และตวตานทาน 2 ตว ดงรปท 5 ซงจะไดฟงกชนถายโอนดงน

(6)\* MERGEFORMAT

รปท 5 วงจรขยายกระแส

3. วงจรกรองความถทนำาเสนอโครงขายวงจรกรองความถหลาย

หนาทสามอนพต-หนงเอาตพตทไดจากการออกแบบ ซงผลตอบสนองความถทางเอาตพตประกอบดวย ฟงกชนกรองผานความถสง ฟงกชนกรองผานความถตำา ฟงกชนกรองผานแถบความถ ฟงกชนกรองหยดแถบความถ และฟงกชนกรองผานทกความถ ดงแสดงในรปท 6 และหาฟงกชนถายโอนไดดงน

(7)\* MERGEFORMAT

แทนคาสมการ (7) ใน สมการท (2) จะได

(8)\* MERGEFORMAT

จากสมการท (8) การกรองความถทงหาแบบสามารถกำาหนดไดตามตารางท 1 ดงนนวงจรทนำาเสนอสามารถสรางการกรองความถไดหาแบบในวงจรเดยวจาก

6


สมการท (2) จะไดคาความถธรรมชาตและควอลตแฟคเตอรดงน

(9)\* MERGEFORMAT

รปท 6 วงจรกรองความถหลายหนาททนำาเสนอ

4. ผลการจำาลองการทำางานวงจรกรองความถหลายหนาทสาม

อนพต-หนงเอาตพต ไดใชเทคโนโลยทรานซสเตอร 0.18µm TSMC มโครงสรางวงจรดงรปท 7 โดยใชโปรแกรม Pspice จำาลองการทำางาน เพอเปนการทดสอบและยนยนสมรรถนะของวงจรทนำาเสนอ ใชแหลงจายแรงดน ±1.75 V และคาพารามเตอรของอปกรณพาสซฟไดแกC1=C2=1nF,

และ R1=100kΩ, R2= 1kΩ, และ R3=R4= 500kΩ ตามลำาดบ

รปท 7 โครงสรางภายในของ DDCC ทใชในการจำาลองการทำางาน [9]

การทดสอบผลการตอบสนองของสญญาณความถ โดยปอนอนพตเปนสญญาณไซนหรอ AC กำาหนดกระแส ตามตารางท 1 พบวาวงจรสามารถตอบสนองฟงกชนกรองความถทง 5 แบบ คอ ฟงกชนกรองผานความถสง กรองผานความถตำา กรองผานแถบความถ กรองหยดแถบความถ และกรองผานทกความถf0 วงจรทำางานตอบสนองความถเทากบ 3.01MHz ความถคตออฟดานตำา หรอ fCL เทากบ 2.85MHz ความถคตออฟดานสง หรอ fCH เทากบ 3.26MHz และ Q=1 ดงแสดงในรปท 8 และ การทดสอบการตอบสนองทางเฟสของวงจร โดยวดจากฟงกชนกรองผานทกความถเพอยนยนการทำางานของวงจรวานำามาใชเปนวงจรเลอนเฟสได

7


จรง นำาผลทไดจากการวดมาทำาการพลอตกราฟเพอแสดงผลการตอบสนองทางเฟสแตละชวงความถแสดงในรปท 9

ตารางท 1 การกำาหนดกระแสอนพต

ฟงกชนกรองความถ

กระแสอนพต

IOut Iin1 Iin2 Iin3

LPF 1 1 1HPF -1 0 0BPF 0 -1 0BSF 0 -1 1APF 0 2 1

รปท 8 ผลตอบสนองความถของโครงขายทนำาเสนอ

รปท 9 ผลตอบสนองทางเฟสของฟงกชนกรองผานทกความถ

รปท 10 ผลตอบสนองทางขนาดของฟงกชนกรองแถบความถผานเมอ

เปลยนแปลงคา R3

การทดสอบสมรรถนะการควบคมควอลตแฟคเตอรดวยการปรบคา R3=1kΩ, 3kΩ, และ 5kΩ ตามลำาดบโดยทดสอบทฟงกชนกรองผานแถบความถ พบวาวงจรใหการตอบสนองความถธรรมชาต หรอ f0 เทากบ 3.01MHz เหมอนกนแตคาควอลตแฟคเตอรมการเปลยนแปลง ดงแสดงในรปท 10 สวนในรปท 11 แสดงผลตอบสนองทางขนาดของฟงกชนกรองแถบความถผาน เมอเปลยนแปลงคา R1 =1kΩ, 3kΩ, และ 5kΩ จากผลการจำาลองพบวา สามารถปรบความถธรรมชาตไดอยางอสระจากคาควอลตแฟกเตอรสอดคลองกบสมการท (9) รปท 12 เปนผลการจำาลองผลตอบสนองเชงเวลาของวงจรกรองความถทนำาเสนอ โดยปอนสญญานไซน 7µA ทความถ 3MHz

8


รปท 11 ผลตอบสนองทางขนาดของฟงกชนกรองแถบความถผานเมอ

เปลยนแปลงคา R1

รปท 12 ผลตอบสนองเชงเวลาของวงจร ตอสญญานไซน

ทความถ 3MHz

5. สรปผลการทดสอบวงจรกรองความถทนำา

เสนอดวยโปรแกรม PSpice ทมโครงสรางของ DDCC ใชเทคโนโลยทรานซสเตอร 0.18µm TSMC สมรรถนะของวงจรถกตองตามหลกทฤษฎและ ตรงตามวตถประสงคทตงไว โดยมรายละเอยดขนตอนและผลการทดสอบโดยสรปไดดงน จากการทดสอบพบวาวงจรสามารถตอบสนองการทำางานได 5 ฟงกชน ไดแก ฟงกชนกรองผานความถสง กรองผานความถตำา กรองผานแถบความถ กรองหยดแถบความถ และกรองผานทกความถ สามารถควบคมคาความถธรรมชาตและคาควอลตแฟกเตอรไดอยางเปนอสระตอกน

6. เอกสารอางอง

[1]M. Kumngern, and S. Junnapiya, “Tunable voltage-mode multifunction biquadratic filter with three inputs single output employing three single-ended OTAs and two capacitor,” The 4th International Conference on Intelligent System Modeling and Simulation, 2013, pp. 642-645.

[2]Y.H. Ghallab, M.A. El-Ela, and M. Elsaid, “A novel universal voltage-mode filter With three inputs and single output using only two operational floating current conveyor,” The 12th International Conference on Microelectronics, 2000, pp. 95-98.

[3]J.W. Horng, “High-input impedance voltage-mode universal biquadratic filterusing three plus-type CCIIs,” IEEE Transactions on Circuits and Systems, 2001, pp. 996–997.

[4]M. Sagbas, and M. Koksal, “An electronically tunable voltage-mode universal filter using two current conveyors,” Research in Microelectronics and Electronics, 2006, pp. 137-140.

[5]M. Kumngern, M. Somdunyakanok, and P. Prommee, “High-input

9


impedance voltage-mode multifunction filter with three-input single-output based on simple CMOS OTAs,” IEEE International Symposium on Communications and Information Technologies, 2008, pp. 426-431.

[6]W.Y. Chiu, and J.W. Horng, “High-input and low-output impedance voltage-mode universal biquadratic filter using DDCCs,” IEEE Transactions on Circuits and Systems, 2007, pp. 649-652.

[7]M. Kumngern, and S. Junnapiya, “Voltage-mode universal filter with three-input single-output using DDCCs,” IEEE Transactions on Circuits and Systems, 2010, pp. 746-749.

[8]J. Hu, Y. Xia, T. Xu and H. Dong, “A New CMOS Dif-ferential Difference Current Conveyor and Its Applica-tions,” 2004 International Conference on Communica-tions, Circuits and Systems, Vol. 2, 2004, pp. 1156-1160.

[9]S. Maheshwari, A. Gangwar, “Versatile Voltage-Mode Universal Filter Using Differential Difference Current Conveyor” Circuits and Systems, 2011, Vol. 2, pp. 210-216.

10

คณะเทคโนโลยีอุตสาหกรรม...

Documents