DD141740A1

DD141740A1 - ACTIVE FILTER WITH ELECTROMECHANIC OR PIEZOELECTRIC SWIVELS

Info

Publication number: DD141740A1
Application number: DD21107179A
Authority: DD
Inventors: Joachim Gensel
Original assignee: Joachim Gensel
Priority date: 1979-02-19
Filing date: 1979-02-19
Publication date: 1980-05-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein aktives Filter, das in Abzweigschaltung aus reaktiven Längs- und Quergliedern sowie ohm’sehen Abschlußwiderständen aufgebaut ist und in wenigstens einem Querglied einen elektromechanischen oder piezoelektrischen Schwinger enthält. Ziel der Erfindung war, ohne zusätzliche Induktivitäten die Impedanz der Schwinger so zu beeinflussen, daß eine ausreichende Bandbreite des Filters entsteht. Das wird durch Negativkapazitäten erreicht, die in an sich bekannter Weise durch Negativ-Impedanzkonverter, abgeschlossen mit positiven Kapazitäten, realisiert sind und in mindestens einem Querglied vorzugsweise in Reihe mit dem elektromechanischen oder piezoelektrischen Schwinger geschaltet sind. Anwendungsgebiet sind alle Fälle der Nachrichten- und Meßtechnik, in. denen Filter hoher Anforderung benötigt werden, wie z.B. in der Trägerfrequenztechnik. - Fig.1 und 2 -The invention relates to an active filter, the branch circuit from reactive longitudinal and transverse links as well ohm'sehen Termination resistors is constructed and in at least one cross member an electromechanical or piezoelectric oscillator contains. The aim of the invention was, without additional inductances the Impedance of the oscillator to influence so that a sufficient Bandwidth of the filter arises. This is due to negative capacities achieved in a conventional manner by negative impedance converter, completed with positive capacity, realized are and in at least one cross member preferably in series with the electromechanical or piezoelectric oscillator are connected. Application area are all cases of communication and measurement technology, in. which require high-demand filters, e.g. in the Carrier frequency technology. - Figures 1 and 2 -

Description

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Aktives Filter mit elektromechanischen oder piezoelektrischen SchwingernActive filter with electromechanical or piezoelectric vibrators

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein aktives Filter mit elektromechanischen oder piezoelektrischen Schwingern, das aus einer Folge reaktiver Längsund Querglieder in Anzweigschaltung und ohm¹sehen Abschlußv/iderstanden aufgebaut ist und. in allen Zweigen der Nachrichten- und Meßtechnik, wo Filter hoher Selektivität erforderlich sind, angewendet werden kann.The invention relates to an active filter with electromechanical or piezoelectric vibrators, which is constructed of a series of reactive longitudinal and transverse links in branch circuit and ohm ¹ see closing conditions and. in all branches of communications and measurement technology where filters of high selectivity are required.

Charakteristik der bekannten, technischen Lösungen Characteristic of the known, technical solutions

Es ist bekannt (z. B. W. Haas: "Möglichkeiten des Ersatzes von Induktivitäten und Schwingkreisen in zukünftigen Systemen der Multiplextechnik", Frequenz 12 (1965), Nr. 9, S. 297-307), Filter der genannten Art rein passiv aufzubauen. Dabei besteht der Nachteil, daß sich nur relativ kleine Bandbreiten verwirklichen lassen, weil elektromechanische oder piezoelektrische Schwinger stets eine Serien- und eine Parallelresonanz haben, die relativ dicht beieinander liegen. Das trifftIt is known (eg W. Haas: "Possibilities of replacing inductors and resonant circuits in future systems of multiplex technology", frequency 12 (1965), No. 9, pp. 297-307) to construct filters of the type mentioned purely passively. There is the disadvantage that only relatively small bandwidths can be realized because electromechanical or piezoelectric oscillators always have a series and a parallel resonance, which are relatively close to each other. That is true

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besonders dann zu, wenn Quarzkristalle oder solche piezoelektrisch erregten Schwinger zur Anwendung kommen, die zur Erhöhung ihrer Frequenzkonstanz mit Stahlresonatoren ausgestattet sind.especially when quartz crystals or such piezo-excited oscillators are used, which are equipped with steel resonators to increase their frequency constancy.

Nach W. Poschenrieder: "Steile Quarzfilter großer Bandbreite in Abzweigschaltung", NTZ £ (1956), Nr. 12, S. i?61-565, ist es bei Filtern mit piezoelektrischen Kristallen möglich, durch Zuschalten von Induktivitäten die Bandbreite zu erhöhen. Dieses Mittel, das sich auch bei anderen, piezoelektrisch erregten, elektromechanischen Schwingern anwenden läßt, ist jedoch wegen der tecnnologisch arbeitsintensiven Induktivitäten ungünstig.According to W. Poschenrieder: "Steep quartz filters of large bandwidth in a branch circuit", NTZ £ (1956), No. 12, pp. I-61-565, it is possible for filters with piezoelectric crystals to increase the bandwidth by connecting inductors. However, this means, which can be applied to other, piezoelectrically excited, electromechanical vibrators, is unfavorable because of the technologically labor-intensive inductors.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die Bandbreite von Filtern der genannten Art ohne Zuhilfsnahme von zusätzlichen Induktivitäten zu vergrößern.The aim of the invention is to increase the bandwidth of filters of the type mentioned without the additional use of additional inductances.

Explanation of the essence of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein aktives Filter mit elektromechanischen oder piezoelektrischen Schwingern in Abzweigschaltung anzugeben, bei dem die aktiven Bauelemente dazu dienen, die Bandbreite zu vergrößern.It is an object of the invention to provide an active filter with branched electro-mechanical or piezoelectric resonators in which the active devices serve to increase the bandwidth.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgäbe dadurch gelöst, daß wenigstens eines der Querglieder der Abzweigschaltung aus einem elektromechanischen oder piezoelektrischen Schwinger und einer Negativkapazität, vorzugsweise aus einer Reihenschaltung, besteht, wobei die Negativkapazität in an sich bekannter Weise aus einem mit einer positiven Kapazität abgeschlossenen Negativ-Impedanzkonverter gebildet ist.According to the invention, this task is solved in that at least one of the cross members of the branch circuit consists of an electromechanical or piezoelectric oscillator and a negative capacitance, preferably of a series circuit, the negative capacitance formed in a conventional manner from a negative impedance converter terminated with a positive capacitance is.

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Das elektrische Ersatzbild eines piezoelektrisch erregten Schwingers besteht aus einem Längsresonanzkreis und einer dazu parallel liegenden Kapazität, der sogenannten statischen Kapazität. Der Schwinger hat daher außer seiner Längsresonanz noch eine Querresonanz, deren Frequenz oberhalb der Längsresonanz umso dichter bei dieser liegt, je größer die statische Kapazität ist. Letztere ist durch die -Mechanik der piezoelektrischen Erregung, wie z. B. durch die Größe der Elektroden, die Stoffkonstaaten des piezoelektrischen Materials, gegeben und kann einen bestimmten Festwert nicht unterschreiten, der die bereits erwähnte-, enge Nachbarschaft der Längs- und Parallelresonanz zur Folge hat. Befindet sich der Schwinger im Längsglied eines Filters, so bewirkt· seine Längsresonanz eine Durchlaßstelle, seine. Querresonanz eine Sperrstelle der Übertragungsfunktion. Ist er im Querglied angeordnet, so ist es gerade umgekehrt. Jedoch liegen in beiden Fällen wegen der engen Nachbarschaft beider Resonanzen die Sperrfrequenzen stets dicht bei den Durchlaßfrequenzen, woraus die unzureichende Bandbreite folgt.The electrical equivalent image of a piezoelectrically excited oscillator consists of a longitudinal resonant circuit and a parallel capacitance, the so-called static capacitance. The oscillator therefore has, in addition to its longitudinal resonance, a transverse resonance whose frequency above the longitudinal resonance is all the closer to this, the greater the static capacitance. The latter is due to the mechanics of piezoelectric excitation, such. B. by the size of the electrodes, the material States of the piezoelectric material, given and can not fall below a certain fixed value, which has the already mentioned, close proximity of the longitudinal and parallel resonance result. If the oscillator is located in the longitudinal member of a filter, its longitudinal resonance causes a passage, its. Transverse resonance a blocking point of the transfer function. If it is arranged in the cross member, then it is just the opposite. However, in both cases, due to the close proximity of both resonances, the rejection frequencies are always close to the pass frequencies, resulting in the insufficient bandwidth.

Wenn dem im Querglied angeordneten Schwinger eine Negativkapazität parallel geschaltet ist, so bleibt seine Längsresonanz, also die Sperrstelle, unverändert, die die Durchlaßstelle bewirkende Querresonanz wird jedoch nach höheren Frequenzen hin verschoben, weil die Summe aus der statischen und der Negativkapazität eine Verkleinerung der insgesamt v/irksamen Parallelkapazität ergibt. Sie kann sogar soweit verkleinert sein, daß insgesamt eine negative Parallelkapazitat resultiert. Diese bildet dann mit der positiven Komponente des Längsresonanzkreises im Ersatzschaltbild eine Parallelresonanz, die unterhalb der Längsresonanz liegt, also, eine Durchlaßstelle unterhalb der Sperrstelle liefert.If the transducer disposed in the cross member a negative capacitance is connected in parallel, so its longitudinal resonance, so the locking point remains unchanged, the Durchlaßstelle causing transverse resonance is shifted towards higher frequencies, because the sum of the static and the negative capacity a reduction of the total v / effective parallel capacity results. It can even be reduced to the point that overall results in a negative Parallelkapazitat. This then forms with the positive component of the longitudinal resonant circuit in the equivalent circuit, a parallel resonance, which is below the longitudinal resonance, ie, provides a transmission point below the locking point.

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Hierbei ist noch nachteilig, daß die Durchlaßsteile in hohem Maße von unvermeidlichen Fehlern der Negativkapazität, und ebenso von Streuungen der statischen Kapazität des Schwingers abhängig ist, während die Sperrstelle durch die davon unbeeinflußte, sehr genaue Längsresonanz bestimmt ist. Das Filter wäre daher an seinen Sperrstellen sehr genau, aber sein Durchlaßbereich würde stark von Fehlern der statischen und der Negativ-Kapazität abhängen. Deshalb ist erfindixögsgemäß vorgesehen, daß bei Anordnung des Schwingers in einem Querglied dieses vorzugsweise aus einer Reihenschaltung des Schwingers und der Negativkapazität besteht.In this case, it is still disadvantageous that the transmission parts is highly dependent on unavoidable errors of the negative capacity, as well as variations in the static capacity of the vibrator, while the locking position is determined by the unaffected, very accurate longitudinal resonance. The filter would therefore be very accurate at its stops, but its passband would depend strongly on errors in static and negative capacitance. Therefore, it is provided erfindixögsgemäß that when the arrangement of the vibrator in a cross member, this preferably consists of a series circuit of the vibrator and the negative capacity.

Das oben genannte, elektrische Ersatzschaltbild des Schwingers läßt sich auch durch die Reihenschaltung einer Kapazität iait einem Parallelresonanzkreis darstellen, ohne daß allerdings diese beiden eine gleiche physikalische Bedeutung wie diejenigen im erstgenannten Ersatzschaltbild haben. Die Kapazität dieses letzterer^ Ersatzschaltbildes ist jedoch stets positiv UEd hat etwa die Größe der statischen Kapazität.. In diesem Ersatzbild bestimmt der genannte Parallelkreis allein die Parallelresonanz des Schwingers, und zusammen mit der Längskapazität des Ersatzbildes die dicht unterhalb davon gelegene Heihenresonanz des Schwingers. Durch die Reihenschaltung einer .Negativkapazität gemäß der Erfindung wird folglich die die Durchlaßstelle bestimmende Parallelresonanz nicht beeinflußt, dagegen wird' die Reiheiaresonanz durch die Eegativkapazität nach tieferen Frequenzen hingezogen, so daß eine Sperrstelle in größerem Abstand von der Durchlaßstelle, mithin' eine vergrößerte Bandbreite, entsteht. Ist die Eegätivkapazität dem Betrage nach.größer als die Reihen- -kapasität des Ersatzschaltbildes, so entsteht eine Sperrstelle oberhalb der Dnrchlaßstelle.The above-mentioned equivalent electrical circuit diagram of the vibrator can also be represented by the series connection of a capacitance iait a parallel resonant circuit, but without these two have a same physical meaning as those in the first-mentioned equivalent circuit diagram. However, the capacitance of this latter equivalent circuit is always positive. UEd is about the size of the static capacitance. In this substitute image, said parallel circuit alone determines the parallel resonance of the oscillator and, together with the longitudinal capacitance of the equivalent image, the resonator's resonant resonance close to it. By the series connection of a .Negativkapazität according to the invention, therefore, the Durchlaßstelle determining parallel resonance is not affected, however, 'the Reiheniaresonanz pulled by the Eegativkapazität to lower frequencies, so that a locking point at a greater distance from the transmission point, thus' an increased bandwidth arises , If the capacity of the storage capacity is greater than the series capacity of the equivalent circuit, then a blocking point is created above the drainage point.

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Durch, die genannte Anordnung ist also erreicht worden, daß nicht nur die Bandbreite des Filters in gewünschter Weise vergrößert ist, sondern darüberhinaus wird bewirkt, daß der Durchlaßbereich des Filters nicht von der Negativkapazität, sondern durch die sehr genaue Eigenresonanz des Schwingers bestimmt ist, während sich Fehler der statischen Kapazität und der Negativkapazität nur im Sperrbereich des Filters, der gegen solche Fehler weniger anfällig ist, auswirken können.By, said arrangement has been achieved so that not only the bandwidth of the filter is increased in a desired manner, but also causes the passband of the filter is not determined by the negative capacity, but by the very accurate natural resonance of the vibrator while Failures of the static capacity and the negative capacity can only affect the stop band of the filter, which is less susceptible to such errors.

Ausführ.ungsbeispiele . Execution examples .

Die Erfindung soll nachstehend an Hand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert werden.. Fig. 1 zeigt ein Filter achten Grades, das außer zwei Schwingern noch zwei Induktivitäten verwendet, Fig. 2 ein spulenfreies Filter zehnten Grades mit vier Schwingern. Es bedeuten: 1 und 2 einen ersten, bzw. zweiten Schwinger, 3 und 4 Negativimpedanzkonverter, die mit den positiven Kapazitäten 5 und 6 abgeschlossen sind, 7 eine Längskapazität, 8 eine Längsinduktivität, 9 den eingangsseitigen, 12 den ausgangsseitigen Abschlußwiderstand, 10 eine Querinduktivität, 11 eine Querkapazität, 13 und 14 Koppelköndensatoren. In Fig. 2 bedeuten darüber hinaus 15 und 16 einen dritten und vierten Schwinger, 17, 18, 19, 20 je eine Negativkapazität, 21 und 22 weitere Koppelkondensatoren. Die Negativkapazitäten 17 bis 20 in Fig. 2 können wie in Fig. 1 angegeben durch je einen Negativ-Impedanzkonverter, abgeschlossen mit einer positiven Kapazität, gebildet sein. Für die schaltungsmäßig nicht im einzelnen dargestellten Negativ-Impedanzkonverter kann eine der za.hlreich.en, bekannten Schaltungen verwendet sein, wie sie z. B. bei F. Bening: "Negative Wider-The invention will be explained below with reference to two exemplary embodiments. FIG. 1 shows an eighth-degree filter which uses two inductors in addition to two oscillators, FIG. 2 shows a coil-free filter of the tenth degree with four oscillators. 1 and 2 denote a first or second oscillator, 3 and 4 negative impedance converters, which are terminated with the positive capacitances 5 and 6, 7 a longitudinal capacitance, 8 a longitudinal inductance, 9 the input side, 12 the output side terminator, 10 a cross inductance , 11 a transverse capacitance, 13 and 14 coupling capacitors. In Fig. 2, moreover, 15 and 16 mean a third and fourth oscillator, 17, 18, 19, 20 each have a negative capacitance, 21 and 22 further coupling capacitors. The negative capacitances 17 to 20 in FIG. 2 can, as indicated in FIG. 1, be formed by a respective negative impedance converter terminated with a positive capacitance. One of the za.hlreich.en, known circuits may be used for the not shown in detail in the negative-impedance converter, such as z. B. F. Bening: "Negative contradictions

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stände in elektronischen Schaltungen", VEB Verlag Technik-Berlin 1971, angegeben sind.Stands in electronic circuits ", VEB Verlag Technik-Berlin 1971, are indicated.

Die Wirkungsweise ist folgende: Die Negativ-Impedanzkonverter 3 "und 4. übersetzen die positiven Kapazitäten 5 ^udcI 6 in Negativkapazitäten, so daß in Fig. 1 im Inneren die gleichen Querglieder wie in Fig. 2 entstehen. Diese bilden durch die sehr konstanten Parallelresonanzen der Schwinger 1, 2, 15» 16 sehr genaue Durchlaßstellen des Filters. Die Negativkapazitäten 17 bis 20, bzw· die ins Negative übersetzten, positiven Kapazitäten 5 und 6, bewirken ζ us ammeο mit der Impedanz der Schwinger Längsresonanzen, die "bei geeigneter Bemessung die für eine 'bestimmte Bandbreite des Filters erforderlichen Sperrstellen in ausreichendem Abstand von den Durchlaßstellen liefern. Wenn die Negativkapazitäten dem Betrage nach kleiner sind als die Längskapazitäten im Ersatzschaltbild der Schwinger, so liegen die Sperrstellen unterhalb der Durchlaßstellen, andernfalls oberhalb von diesen. In Fig. 2 entstehen dadurch vier endliche Nullstellenpaare, in Fig. 1 zwei. Hier erzeugen außerdem die Längskapazität 7 zusammen mit der Längsinduktivität 8, je eine Nullstelle bei null und unendlich, desgleichen die Querinduktivität 10 zusammen mit der Querkapazität 11. In ähnlicher Weise liefert die Längskapazität 7 und die Querkapazität in Fig. 2 je eine Nullstelle bei null und unendlich, während die Koppelkondensatoren 13, 14, 21, 22 nicht zur Selektion beitragen. ,The mode of action is as follows: The negative impedance converters 3 "and 4 translate the positive capacitances 5 ^and 6 into negative capacitances, so that in Fig. 1 the same cross members are formed in the interior as in Fig. 2. These form by the very constant parallel resonances the oscillator 1, 2, 15, 16. The negative capacitances 17 to 20, or the positive capacitances 5 and 6 translated into the negative, cause ζ us ammeο with the impedance of the resonant longitudinal resonances, the "with suitable design provide the necessary for a 'certain bandwidth of the filter blocking points at a sufficient distance from the transmission points. If the negative capacitances are smaller in magnitude than the longitudinal capacitances in the equivalent circuit of the oscillators, then the blocking points are below the transmission points, otherwise above these. In FIG. 2, this results in four finite pairs of zeros, in FIG. 1 two. Here, moreover, the longitudinal capacitance 7 together with the longitudinal inductance 8, each zero at zero and infinity, likewise produce the lateral inductance 10 together with the lateral capacitance 11. Similarly, the longitudinal capacitance 7 and the transverse capacitance in FIG. 2 each provide a zero at zero and zero infinity, while the coupling capacitors 13, 14, 21, 22 do not contribute to the selection. .

Will man die Induktivitäten im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 vermeiden, so lassen sich diese in an sich bekannter Weise (z. B. nach H. Senani und R. Tiwari: "New Canonic Active RC Realizations of Grounded and Floating Inductors", Proc. IEES 66 (9178), Nr. 7, S. 803-804) durch aktive RC-Schaltungen ersetzen.If one wishes to avoid the inductances in the exemplary embodiment according to FIG. 1, these can be implemented in a manner known per se (for example according to H. Senani and R. Tiwari: "New Canonic Active RC Realizations of Grounded and Floating Inductors", Proc. IEES 66 (9178), No. 7, pp. 803-804) by active RC circuits.

Claims

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Invention to sprue ti

Active-s filter with electromechanical or piezoelectric oscillators, which is constructed of an alternating sequence of reactive longitudinal and transverse elements in a branch circuit and ohm ¹ closing resistors, characterized in that at least one of the transverse members of an electromechanical or piezoelectric oscillator (1; 16) and a negative capacitance (17; 18; 19; 20), preferably consisting of their series connection, wherein the negative capacitance consists of a positive impedance converter (3; 4) is formed.

For this purpose / f page. drawing