Интегральный программируемый фильтр Советский патент 1983 года по МПК H03H15/00 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к устройствам обработки сигналов, и может быть использовано в качестве универсального унифицированного узла при построении устройств частотной селекции, устройств обработки псевдослучайных сигналов, радиолокационных сигналов и т.п.

Известен интегральный трансверсальный фильтр, содержавши сдвиговый регистр и регистр аналоговых ячеек, соединенных с выходными весовыми шинами суммирования. Этот интегральный трансверсальный фильтр позволяет запрогра шровать весовые коэффициенты рри изготовлении фильтра. Но такая nporpaNwa является жесткой, раз и навсегда заданной 1.

Недостатком этого фильтра является невозможность перепрограммирования весовых коэффициентов, т.е. изменения их в процессе эксплуатации устройства.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является . интегральный програич даруемый фильтр, который содержит N ячеек, шину питания, входную шину, первую и вторую тактовые шины, первую и вторую весовые шины суммирования каждая ячейка этого фильтра включает ячейку опорного регистра с первым и втоpbw отводами, а также аналоговую ячейку, содержащую изк)ерительный транзистор, запоминающий конденсатор, первый и второй управляющие транзисторы, затвор, первого управля10ющего транзистора подключен к первому отв,оду ячейки опорного регистра, а затвор второго управлякяцего транзистора - к второму отводу. Это устройство позволяет производить обра4с ботку радиотехнических, радиолокационных, гидролокационных и т.д. сигналов с помощью единичных (полог жительных и отрицательных) весовых коэффициентов, которые могут быть перепрограммированы в процессе ра20боты устройства 23.

К недостаткам известного интегрального программируемого фильтра относятся большой уровень нелинейных искажений выходного сигнала и

25 малое время хранения аналоговой информации. Нелинейные искажения возникают из-за нелинейности зависимости тока стока от напряжения затвор исток полевого транзистора, а время

хранения аналоговой информации (при заданной погрешности) определяется токами утечки элементов устройств, которые в значительной степени зависят от температуры этих элементов Целью изобретения является увели чение времени хранения информации и уменьшения уровня нелинейных иска жений выходного сигнала. Поставленная цель достигается те 3fTO в интегральный программируемый фильтр, содержащий опорный регистр с парафазными отводами в каждой из N ячеек, ансшоговый регистр, состоящий из N ячеек, каждая из которых содержит измерительный транзистор, сток которого подключен к шине питания, управляющие транзисторы, затвор первого из которых соединен с первым отводом соответствуюией ячейки опорного регистра, а затвор второго управляющего транзистора соединен со вторым отводом этой же ячейки опорного регистра, а также весовые шины суммирования/ введен сканируклций регистр, содержащий N ячеек, в каждую ячейку аналогового регистра введен дополнительный изме рительный транзистор, дополнительны управляющие транзисторы и шесть ком мутаторов, при этом исток измерител ного транзистора подключен к первом контрольному выходу ячейки через первый коммутатор, а к первой и вто рой весовым, шинам суммирования через второй ко1 алутатор, затвор измерительного транзистора соединенс первым входом ячейки через третий коммутатор, сток дополнительного из мерительного транзистора соединен с шиной питания, его исток подключен через четвертый коммутатор ко второму контрольному выходу ячейки, а через пятый коммутатор - к весовы шинам суммирования, а затвор через шестой коммутатор - к второму входу ячейки, при этом затвор первого дополнительного управляющего транзистора соединен со вторым отводом яче ки опорного регистра, а ее первый отвод подключен к затвору второго дополнительного управляющего транзистора, входы управления первого, третьего, четвертого и шестогоком:мутатЬров соединены с отводами ячей ки сканирующего регистра, входы управления второго коммутатора соединены с истоками и стоками управляющих транзисторов, входа управления пятого коммутатора подключены к сто кам и истокам дополнительных управляющих транзисторов, первые и вторые входы ячеек аналогового регистра соединены соответственно с перво и второй входными шинами аналоговог регистра, а первые и вторые контрол ные выходы аналоговых ячеек соедине ны соответственно с первой и второй Контрольными выходными шинами аналогового регистра. На фиг. 1 приведена функциональная схема интегрального программиру.емого фильтра, на фиг, 2 - временные диаграммы работы устройства. Интегральный программируемый фильтр содержит три регистра 1, 2 и 3 соответственно опорный, аналоговый и сканирующий, регистр 1 состоит из N ячеек 4-1, ..., 4-N с двумя (парафазными) отводами; регистр 2 Достоит из N ячеек, каждая из которых содержит шесть транзисторов: 5-1, ..., 5-N и 6-1, ..., 6-N управляющие, 7-1, ..., 7-N - измерительные, 8г1, ... 8-N и 9-1, ..., 9-N - дополнительные управляющие и 10-1, ..., 10-N - дополнительный измерительный, и шесть коммутаторов 11-1, ..., 11-N, 12-1, ..., 12-N, 13-1. ..., 13-N, 14-1, ..., 14-N, 15-1, ..., 15-N и 16-1, ..., 1б-м; регистр 3 состоит из N ячеек 17-1, ..., 17-м; и шины; входную 18 и выходную 19 регистра 1) входную 20 и выходную 21 регистра 3 питания 22, первую 23 вхо&ную, вторую 24 входную, первую 25 контрольную выходную, вторую 26 контрольную выходную, первую 27 стробирования, вторую 28 стробирования, третью 29 стробирования, первую 30 весовую суммирования и вторую 31 весовую суммирования регистра 2. Устройство работает следующим образом. Выходной .сигнал интегрального программируемого фильтра для k-rd такта работы где 0 (k) i-я выборка входного сигнала, h (k) - весовой коэффициент, равный +1 или минус 1, Выборка входного сигнала осуществляется с помощью регистра 3. С этой целью на шину 20 поступает от внешнего источника входной селекторный импульс, в результате этого на отводе первой ячейки 17 регистра 3 появляется селекторный импульс выборки (фиг. 2а). На следующем такте работы селекторный импульс (фиг. 2б) появляется на отводе следующей ячейки регистра 3. В результате последовательного сдвига по ячейкам регистра 3 селекторный импульс последовательно появляется на отводах соответствующих ячеек (фиг. 2в-2д). Под воздействиемсеекторного импульса (фиг. За) и стробирующего импульса (фиг. 2е), поступающего на шины 27 и 29, осуществляется запись выборок входного сигнала (фиг. 2и) в первую ячейку регистра 2. Рассмотрим детально запись выборки входного сигнала только на запоминающем конденсаторе, образованном емкостью затвора транзистора 7-1, лервой ячейки регистра 2, так как запись выборок на остальных за, поминающих конденсаторах происходит аналогично. Управляющий импульс (фиг. 2а) поступает с отвода первой ячейки регистра 3 на управляющие входы коммутаторов 11-1 и 13-1. Стро бирующий импульс (фиг. 2е) поступает на стробирукядий вход коммутатора 11-1 с шины 27, а на стробирующий вход коммутатора 13-1 - с шины 29. Под воздействием этих импульсов оба коммутатора замыкаются, в резуль тате чего затвор транзистора 7-1 подключается к первому входу ячейки (шине 23), а исток - к первому контрольному выходу (шине 25). Так как все подобные коммутаторы осталь ных ячеек регистра 2 в это время разомкнуты, то фактически в течение действия стробирующего и селекторного импульса, первый контрольный выход ячейки является первым контрол ным выходом всего устройства, а пер вый вход ячейки - первым входом уст ройства. Поэтому через коммутатор 11-1 на внешний регулирующий элемент (например, операционный усилитель) поступает ток, пропорционгьльный напряжению на затворе транзисто ра 7-1. Коммутаторы 14-1 и 16-1 управляющими входами подключены анало гично коммутаторам 11-1 и 13-1 соот ветственно и замкнуты. Через коммутатор 14-1 на противоположный вход регулирующего элемента (по шине 26) поступает ток стока транзистора 10Выход регулирующего элемента устанавливает такое напряжение на затворе транзистора 10-1 (на шине 24), при котором токи стоков транзисторов 7-1 и 10-1 практически равны токам источников входного сигнала (с точностью до коэффициента усиления регулирующего элемента). Напряжение на затворе транзисторов 7-1 и 10-1 фиксируется после окончания стробирующего импульса в результате размыкания коммутаторов 11-1, 13-1, 14-1 и 16-1. Диаграмма входного сигнала показана на фиг. 2и, причём сплсяиной ли нией показан сигнал, который подает ся на первый вход аналогового регис ра (щина 23), а пунктиром - сигнал, сдвинутый на 180 , который подается на второй вход аналогового регистра (шина 24). Установка тока через транзистор 7-1 перв.ой ячейки под воздействием управляющего и стробирующего импуль сов показана на фиг. 2k сплошной линией, а пунктиром - установка тока транзистора 10-1. Аналогичао осуществляется установка значений токов через остальные измерительные транзисторы аналогового регистра, что показано на фиг. 2л-2н. Рассмотрим формирование выходного сигнала устройства. Код весовых коэффициентов (фиг. 2р) поступает на вход (шину 18) регистра 1, последовательно сдвигается и в каждой ячейке 4-1, ..., 4-N значение кода появляется на отводах. Если, например, в первой ячейке 4-1 на первом отводе потенциал соответствует 1, то на втором - О. В результате .этого открываются транзисторы 5-1 и 9-1, & транзисторы 6-1 и 8-1 закрыты. Поэтому под воздействием стробирующего импульса (фиг. 2ж), поступающего с шины 28, коммутатор 12-1 подключает исток Транзистора 7-1 к шине 31, а транзистор 10-1 к шине 30. Если на первом отводе потенциал соответствует О, то на втором отводе - 1. Вс 1едствие этого открываются транзисторы 6-1 и 8-1, а транзисторы 5-1 и 9-1 - закрыты. Поэтому при поступлении с шины 28 стробирующего импульса (фиг. 2ж) исток транзистора 7-1 подключается к ишне 30, а транзистор 10-1 к шине 31. Аналогично работают и остальные ячейки интегрального программируемого фильтра. Таким образом, на каждом такте работы некоторые измерительные транзисторы подключены к шине 30 (соответствующие им дополнительные измерительные транзисторы подключены к шине 31), остальные - к шине 31 (соответствующие им дополнительные измерительные транзисторы, при этом подключены к шине 30). В результате р. по шине 31 протекает ток S ,-| Зр , соответствующий сумме t З-.,- Ь; для «ц Wl J ц 0 по шине 30 - ток н соответствующий сумме S. Зм/ hj лпя hj -1. Для получения требуемого для фильтра соотношения необходимо вычесть из значения 5 значение S , что может быть осуществлено, например, операционным усилителем. Результирукяций ток показан на фиг. 2с, где максимальный выброс соответствует корреляционному всплеску, характеризующему фазовое совпадение входного сигнала относительно весовой кодовой последовательности. Шины 19 и 21 позволяют наращивать устройство при обработке псевдослучайных сигналов с большой базой. . Благодаря тому, что введен сканирующий регистр каждая ячейка интегрального программируемого филь тра содержит два и-змерительных транзистора, возможна автокомпенсация теплового тока измерительных транзисторов. Это достигается тем, что в-каждой ячейке аналогового регистра независимо от кода в опорном регистре к первой весовой шине подключен один измерительный транзистор, а к второй - другой. Заряд запоминающих конденсаторов осуществля ется с помощью отводов сканирукяцего регистра. Так как топологически пер вая часть аналоговой ячейки, включающая первый измерительный транзис тор , первый, -второй и третий коммутаторы идентичны второй ее части, включающей дополнительный измерительный транзистор, а также четвертый , пятый и шестой коммутатор, то тепловые токи разряжают запоминакяцие .конденсаторы одинаково. Ввиду этого разность потерь инфо мационных токов за счет тепловых .то ков равна нулю, что повьшавт время хранения информации. Введение сканирующего регистра, дополнительного измерительного тран зистора и пятого коммутатора позволяет снизить нелинейные искажения, вызванные квадратичной зависимостью токов транзистора от напряжения на затворе измерительного транзистора. Испытания интегрального программируемого фильтра в диапазоне темйе ратур (-60) - (+70) показали, что время хранения по сравнению с извес ным устройством увеличено в 3-4 .ра за, а нелинейные искажения уменьшены на порядок. Это позвоялет пример но в 3-4 раза уменьшить уровень аппаратурных затрат при построении фильтров различного назначения. Осо бенно существенным оказывается выигрыш при обработке длинных последо вательностей псевдослучайных сигналов с базой 1000-2000 элементов, гд удельный вес внешних устройств запи си и считывания мал по сравнению с общим числом ячеек, интегрального программируемого фильтра. Формула изобретения Интегральный программируемый фильтр, содержащий опорный регистр с дяумя отводами в каждой из N ячеек, аналоговый регистр, состоящий из N ячеек, каждая из которых содержит измерительный транзистор, сток которого подключен к шине питания, управляющие транзисторы, затвор первого из которых соединен с первым отводом соответствующей ячейки опорного регистра, а затвор второго управляющего транзистора соединен с вторым отводом этой же ячейки опорного регистра, а также весовые шины суммирования, отличающийс я тем, что, с целью увеличения времени хранения информации и уменьшения уровня нелинейных искажений выходного сигнала, в него введен сканиругаций регистр, содержащий N ячеек, в каждую ячейку аналогового регистра введен дополнительный измерительный транзистор, дополнительные управляющие транзисторы и шесть коммутаторов, при этом исток измерительного транзистора подключен к первому контрольному выходу ячейки через первый коммутатор, а к первой и второй весовым шинам суммирования через второй коммутатор, затвор измерительного транзистора соединен с первым входом ячейки через третий коммутатор, сток дополнительного и измерительного транзистора соединен с шиной питания, его исток подключен чербз четвертый коммутатор к второму контрольному выходу ячейки, а через пятый коммутатор - к весовым шинам суммирования, а затвор через шестой коммутатор - к второму входу ячейки, при этом затвор первого дополнительного управлякадего транзистора соеди-г ней с вторым отводом ячейки опорного регистра, а ее первый отвод подключен к затвору второго дополнительного управляющего транзистора, входы управления первого, третьего, четвертого и шестого коммутаторов соединены с отводом ячейки сканирукяцего регистра, входы управления второго коммутатора соединены с истоками и стоками управляющих транзисторов, входы управления пятого коммутатора подключены к стокам и истокам дополнительных управляющих транзисторов, первые и вторые входы ячеек аналогового регистра соединены соответственно с первой и второй входными шинами аналогового регистра, а первые и вторые контрольные выходы аналоговых ячеек соединены соответственно с первой и второй контрольными выходными шинами аналогового регистра. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3819958, кп. 307-304, 25.06.74. 2.Патент ОПА № 3953745, кл. 307-221С, 27.04.76 (прототип).

МЧ