CH491541A - Elektrische Filterschaltung - Google Patents

Elektrische Filterschaltung

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CH491541A
CH491541A CH126268A CH126268A CH491541A CH 491541 A CH491541 A CH 491541A CH 126268 A CH126268 A CH 126268A CH 126268 A CH126268 A CH 126268A CH 491541 A CH491541 A CH 491541A
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Andreas Dr Jaumann
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Siemens Ag
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Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
    Elektrische      Filterschaltung   Die Erfindung bezieht sich auf eine weitere Ausbildung der    elektrischen   Filterschaltung des Hauptpatentes, bei der    ein   über ein    frequenzselektives   Netzwerk gegengekoppelter Operationsverstärker vorgesehen ist.

   Wesentlich für diese im Hauptpatent vorgeschlagene elektrische    Filterschaltung   ist,    dass   der Operationsverstärker    zumindest   im Eingang oder im Ausgang ein, ein Gegentaktverhalten    aufweisendes   Anschlussklemmenpaar hat, dass das im    Gegenkopplungsweg   liegende Netzwerk zumindest eine Brückenschaltung enthält, die durch    Schaltelemente   des Netzwerkes in Verbindung mit dem    Gegentaktverhalten   aufweisenden    Anschlussklem-      menpaar   gebildet ist, und dass die einzelnen Zweige dieser Brückenschaltung derart in der    Frequenzabhängig-      keit   ihres    Scheinwiderstandes   unterschiedlich sind,

   dass wenigstens    ein      Nullstellenpaar   der    Dämpfungsfunktion   der    Übertragungsdämpfung   hierdurch festgelegt ist. 



  Der    vorliegenden      Erfindung   liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Filterschaltung in der Weise weiterzubilden, dass hinsichtlich der Verteilung der Polstellen und Nullstellen in der komplexen    Frequenzebene   mehr Freiheit    erhalten   wird und/oder dass    bestimmte   Schaltelemente, wie Kondensatoren und    Widerstände   in ihren elektrischen    Werten   innerhalb der Filterschaltungen gleich oder weitgehend gleich gemacht werden können. 



  Ausgehend von einer    Filterschaltung   dieser    Art   wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung    dadurch   gelöst,    dass   die Eingangs-    und/oder      Ausgangsklemme   jeweils mit mehreren    verschiedenen   Brückenpunkten ihrer zugehörigen    Brückenschaltung   über entsprechend bemessene Kopplungswiderstände    verbunden   ist und/oder    dass   wenigstens zwei    Gegenkopplungswege   vorgesehen sind, die zu verschiedenen Brückenpunkten einer Brückenschaltung führen. 



  Nachstehend wird die    Erfindung      beispielsweise   näher    erläutert.   



  Die    Dämpfungsfunktion      eines   Tiefpasses vom Grade 2n oder eines Bandpasses vom Grade n hat folgende Form: 
 EMI1.45 
 Die Wurzeln des    Zählerpolynoms   sind die komplexen Nullfrequenzen    p"   =    -ao        jcvo   des Filters; die Wurzeln des    Nennerpolynoms   sind die Polfrequenzen    p-   =      jcu@   des Filters. Da die Koeffizienten    A",      B.   als Funktionen der    Widerstände   R und der Kondensatoren C reelle Zahlen sind, treten die Eigenfrequenzen immer in    konjugiert   komplexen Paaren auf. 



  Man kann nun die am Eingang bzw. Ausgang des Verstärkers angeordnete Brücke, bestehend aus den Netzwerken Z"    Z2   und Z, so bemessen, dass bei n vorgeschriebenen Frequenzen am Brückenpunkt x    Brük-      kengleichgewicht   auftritt. Wenn man nun den Punkt x über einen Ein- bzw.    Auskopplungsleitwert   mit dem Eingangs- bzw.    Ausgangspol   des Filters verbindet, so    sind   diese Frequenzen die Polfrequenzen der    Dämp-      fungskurve      Uli   = 0, weil über eine abgeglichene Brücke keine Spannung eingespeist oder ausgekoppelt werden kann. 



     Führt   man dagegen vom Gleichgewichtspunkt x einen    Gegenkopplungsleitwert   zum Ausgang bzw. zum Eingang des Verstärkers    zurück,   so kann man dadurch Nullstellen der    Dämpfungskurve      erzeugen,   weil dann ,bei den    Abgleichfrequenzen   der Brücke die Gegenkopplung unwirksam wird und die (unendlich gross vorausgesetzte) Verstärkung voll zur Geltung kommt (Uli = -)- Um ein Brückengleichgewicht bei n Frequenzen herstellen zu können, müssen die    Brückenimpedanzen      (Z1,      Zy,   Z,) mindestens 2n Kondensatoren und 2n    Widerstände   enthalten (kanonische    Schaltung)

  .      Am   anderen Brückenpunkt Y wird dann im    allgemeinen   bei n anderen Frequenzen    ebenfalls      Brückengleichgewicht   eintreten. Doch kann man diese Frequenzen in einer kanonischen Schaltung nicht    mehr   frei    wählen.   Zur    Realisierung   einer gewünschten    Dämpfungskurve   muss man jedoch sowohl die    Polfrequenzen   als auch die Nullfrequenzen    beliebig      vorschreiben   können.

   Dies wird bei einem kanonischen 

 <Desc/Clms Page number 2> 

    RC-Brückenfilter   am besten dadurch erreicht, dass man mehrere Ein- bzw.    Auskopplungsleitwerte   oder Gegenkopplungsleitwerte verwendet, wie im folgenden näher    ausgeführt   wird. 



  Wir behandeln den Fall, dass die Brücke    (Z1,      Z@,      Z3)   am Eingang des Gegentaktverstärkers angeordnet ist    (Fig.   1). Vom Eingangspol I zu den vier Brückenpunkten (x, y, u, v) führen die im allgemeinen komplexen, vorzugsweise aber    ohmschen      Einkopplungswerte      (g.,      g,.,      g",      g").   Von den vier Brückenpunkten zum Ausgangspol (des Verstärkers und des Filters)    II   führen die    vorzugsweise   rein    ohmschen      Gegenkopplungsleitwerte      (G#"      Gy.,      G",      G,.)

  .   Alle diese Leitwerte müssen klein bleiben gegen die    Brückenleitwerte      (1/Zrr).   Man vereinfacht die Rechnung und beschränkt sich auf das wesentliche, wenn man sie, wie in folgendem, unendlich klein    voraussetzt.   Dann lässt sich die    Dämpfungsfunktion   des    Brücken-RC-Filters   in folgender    Form   darstellen: 
 EMI2.28 
 wobei die Impedanzen    Zl(p),      Z@(p),      Zg(p)   der Brückenzweige Funktionen der komplexen Frequenz p =    (o+jw)   sind, während die Koeffizienten    k",      K"   folgende, vorzugsweise reelle Werte haben: 
 EMI2.35 
 kt=gx+gy-gu+g@; Kl=G,+Gy-G"+G, k2=gx+gy+g"-g'; K.@=GX+Gy+G"-G,, k3=g.,-gy+g"-go;

   K3=G.,-Gy+G"-Go Die Leitwerte g",    g,.   oder    G",      G,.   treten nur in der Differenz    (g"-g,,)   auf. Es genügt also in allen Fällen einer von den beiden Leitwerten; der andere    kann      gleich   Null    gesetzt   werden und somit entfallen. 



  Die Einführung von    Bewertungskoeffizienten   (K, k) im Zähler und im Nenner der    G1.   (2)    bringt   im allgemeinen eine    grössere   Freiheit in der Bemessung der Brückenimpedanzen Z. Man kann dadurch beispielsweise die    Forderung   erfüllen, dass zwei gleichartige Schaltelemente, wie zwei Kondensatoren, gleichen elektrischen Wert, also gleichen Kapazitätswert, erhalten. Es genügt allerdings meistens, wie schon    eingangs      gesagt,   nur einen    Gegenkopplungs-   oder einen    Einkopplungs-      leitwert   anzuordnen.

   Im ersten Falle (a) erhalten wir: 
 EMI2.53 
 im anderen Falle    (b)   gilt: 
 EMI2.55 
 Im folgenden wird anhand von    Ausführungsbeispielen   die Bauform (a) (mehrfache Einkopplung) bei nur einem    Gegenkopplungsweg      behandelt.   Diese    Ausführun-      gen   gelten sinngemäss für die anderen Fälle. 



  1. Beispiel:    Tiefpass   Den Aufbau eines Tiefpasses vom Grade 2    zeigt      Fig.   2. In diesem Fall genügen zwei    Einkopplungsleit-      werte      (g_,   und    g,.).   Wir setzen in Formel (2a) gemäss    Fig.   2: 
 EMI2.69 
    führen   die Abkürzungen: 
 EMI2.71 
 ein und erhalten die    Dämpfungsfunktion   (2a): 
 EMI2.73 
 Die Wurzeln des    Zähler-Polynoms   sind die vorgeschriebenen Nullfrequenzen p" =    -o"        jw",   die Wurzeln des    Nenner-Polynoms   die ebenfalls vorgeschriebenen Polfrequenzen    p,_   =      jw..   Hieraus folgt:

   
 EMI2.80 
 Durch Gleichsetzen entsprechender Glieder erhält man die Bemessungsformeln für die Schaltelemente des Filters. Insbesondere folgt: 
 EMI2.81 
 wodurch das Filter als Tiefpass gekennzeichnet ist,    bei   dem die Polfrequenz grösser als die Nullfrequenz ist. 



  Die im Hauptpatent    dargestellte   Form des    Tiefpass-      RC-Brückenfilters   mit nur einem    Einkopplungswider-      stand   r" und dafür drei Brückenwiderständen    (R,R,R')   erhält man aus der    Schaltung,      Fig.   2, wenn    man   das Widerstandsdreieck    (R.,      1/g.,      1/gy]   in einen    Wider-      standsstern      (roRaR,)   verwandelt. 



  z. Beispiel:    Hochpass   Die Schaltung eines Hochpasses vom Grad 2 zeigt    Fig.   3. Auch hier genügen zwei    Einkopplungsleitwerte      (g"   und    g,.).   Entsprechend    Fig.   3    setzen   wir in -Formel (2a): . ' . 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 
 EMI3.1 
 ferner wie beim    Tiefpass:   
 EMI3.3 
 Dann erhält man folgende    Dämpfungsfunktion   (2a): 
 EMI3.5 
 Die    Formel   ist jener des Tiefpasses analog, mit dem    Unterschied,      dass   hier gilt: 
 EMI3.9 
 dass also die Polfrequenz kleiner als die Nullfrequenz ist, wodurch    ein   Hochpass gekennzeichnet wird. 



  Bandpass Die Schaltung eines Bandpasses vom Grade n=2 zeigt    Fig.   4.    Beachtenswert   ist,    dass   hier das    Bandpass-      verhalten   bereits mit nur einer    Brücke      erzielt   wird, also weder    eine      Doppelbrücke   noch eine Kettenschaltung    eines      Hochpasses   und eines Tiefpasses vorliegt.

   Wir verwenden die normierte Frequenz p = (a +    jw)      R,>Co;   dann ergeben sich bei einem Aufbau gemäss    Fig.   4 folgende Ausdrücke für die Brückenimpedanzen und Koeffizienten: 
 EMI3.25 
 Aus Gründen der    übersichtlicheren   rechnerischen Behandlung sind alle    RC-Kreise   mit der gleichen Zeitkonstanten    RnCn   =    1/c0"   angenommen worden, wodurch eine zu    co"      geometrisch-symmetrische      Dämpfungskurve   erhalten    wird.      Sinngemäss   gelten jedoch nach entsprechender Ergänzung    die   Ergebnisse auch für einen unsymmetrischen Aufbau der Brücke. 



  Obige Werte von Z und k werden in Formel (2a) eingesetzt, die dann folgende Form    annimmt:   
 EMI3.37 
 wobei    gilt      Ao   =    4+b/c+a-b      B.   = 2 + (2+a)    (2+b/c)   - 2b    Ac)   = 4 +    b/c   +    k-a/k3   -    klblk3      Bw   = 2 +    (2+k@a/kj      (2+b/c)   - 2    klb/k3   (Wegen des symmetrischen Aufbaus der Brückenimpedanzen treten nur vier verschiedene Koeffizienten    A"B.A.B_   auf.)

   Entsprechend dem gewünschten Verlauf der    Dämp-      fungskurve   sind die Wurzeln des Zähler- und Nennerpolynoms    (Nullstellen   und Pole der    Dämpfungsfunk-      tion)   gegeben. Bei einem Bandfilter mit    zur   Bandmittenfrequenz (wo =    1/R"Co)      geometrisch-symmetrischem      Dämpfungsverlauf   gilt für die normierten Eigenfrequenzen in    Polarkoordinatendarstellung:    1 Nullstellen:    [p'   ] 1 . . . 4 =     11      exp   +    j99.   Pole:

    1    [p-]   1 ...    .1   so    däss   die vier Doppelwurzeln also schon durch die drei Werte 00,    g2",      o.   gegeben sind. Es    gilt   
 EMI3.72 
 Die beiden    Ausdrücke   (3a) und (3b) werden gleichgesetzt.

   Man kann dabei die Grössen    k"   =    b/c   und    k3   willkürlich annehmen, die übrigen    Bemessungsgrössen      s   (a, b, k"    k2)   sind dann aus der Lage der Pole und Nullstellen    (0og@o0@)      wie   folgt berechenbar:

   
 EMI3.82 
 a = [00 + 1/00 + 2 cos cpo] 2/k" b = [2+ko+(eo+ 1/0o) cos 99.1 z/ko- (eo-1/eo)p sin=poik-0 (4) k2a/a3 = [ex + 1 /e_J $f aU klb/k3 = [2 + k.] 2/k. + [(e. - I /p.] =/k. 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 Aus    k@k2k8   folgen die    Kopplungsleitwerte      g.   =    (k1   +    k3)/2      gy   =    (k2   -    kj/2      g.   = (k2 -    k1)/2      Stets   gilt    k,/k,   > 1, was aus den Formeln (4) folgt, da    cos      p.   < 0 und beim Bandfilter    o,   <    o.   ist.    Deshalb   ergibt sich    g,   stets positiv.

   Sollte dagegen    g"   negativ wer- den    (k,   <    k1),   so    müsste      man   statt    gn   den    Leitwert      g,      einführen,   der dann positiv wird.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Elektrische Filterschaltung nach dem Patentanspruch des Hauptpatents, dadurch gekennzeichnet, dass eine Klemme des Eingangs- und/oder des Ausgangsklemmen- paares mit verschiedenen Brückenpunkten ihrer zuge- hörigen Brückenschaltung über Kopplungswiderstände verbunden ist und/oder dass wenigstens zwei Gegenkopplungswege vorgesehen sind, die zu verschiedenen Brückenpunkten einer Brückenschaltung führen.
CH126268A 1967-04-20 1968-01-26 Elektrische Filterschaltung CH491541A (de)

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