DD211678A1

DD211678A1 - Filterschaltung bestehend aus bandpass-grundgliedern mit geschalteten kondensatoren

Info

Publication number: DD211678A1
Application number: DD24510282A
Authority: DD
Inventors: Bernhard Mossner
Original assignee: Bernhard Mossner
Priority date: 1982-11-22
Filing date: 1982-11-22
Publication date: 1984-07-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Filterschaltung unter Verwendung von Bandpass-Grundgliedern mit geschalteten Kondensatoren. Das Ziel der Erfindung besteht darin, auf diesem Prinzip basierende Bandpassschaltungen hoeheren Grades zu schaffen, die sich mit oekonomisch vertretbarem Aufwand monolithisch integrieren lassen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die Anordnung eines Bandpass-Grundgliedes durch einen Rueckkoppelungszweig mit einem geschalteten Kondensator zwecks Erhoehung der Guete erweitert wurde. Ausserdem erfolgt die Signaleinkopplung ueber mindestens zwei geschaltete Kondensatoren, die bei mehrfach verkoppelten Schaltungen (MLF) die Realisierung von kleinen Koppelwerten durch Differenzbildung bzw. die Realisierung beliebiger Vorzeichen der Kopplungen gestatten. Moegliche Anwendungsgebiete der Erfindung betreffen Bandpaesse im NF-Gebiet mit verschiebbarer Bandmittenfrequenz fuer die Spektralanalyse sowie fuer selektive Pegelanhebung.

Description

Titel der Erfindung;

Mlterschaltung bestehend aus Bandpaß-Grundgliedern mit geschalteten Kondensatoren

Anwendungsgebiet der Erfindung;

Die Erfindung betrifft eine-elektrische FiIterschaltung für das ID?»Gebiet, die als Bandpaß arbeitet· Ba sich die Bandmittenfrequenz durch Wahl der Taktfrequenz extern einstellen läßt, ist die Schaltung für Zwecke der Spektralanalyse (Echtzeitbetrieb) sowie für selektive Pegelanhebung anwendbare Einsatzgebiete sind die akustische Meßtechnik, die Schwingtingsmeßtechnik, die Nachrichtentechnik und die Regelungstechnik« Die erfindungsgemäße Schaltung läßt sich vollständig integrieren«,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Aus der Literatur (U_eW~_eBruggers Switched-Capacitor Pilter Design for Gonnaunication Systems; European Conference on Circuit Theory and Design, Warsaw 1980, Digest of Technical Papers,S« 73 - 84) ist die Schaltung eines Bandpaß-Grundgliedes mit geschalteten Kondensatoren, Zweiphasentakt und einem Verstärker bekannt. Die Schaltung führt für ein großes Verhältnis von Takt- zu Bandmittenfrequenz zu einem sehr großen Verhältnis von größtem zu kleinstem Kapazitätswert, weshalb sie nicht monolithisch integrierbar ist« Sine Realisierung mit diskreten Bauelementen aber verbietet sich aus ökonomischen Gründen·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ea_f eine ökonomische, monolithisch integrierte Ausführung von Bandpaßschaltungen höheren Grades mit im Zweiphasentakt.geschalteten Kondensatoren bei großem Verhältnis von !Takt- zu Bandmittenfrequenz (ca* 100) zu ermöglichen«

des

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei gegebenem großen Verhältnis von Takt- zu Bandmittenfrequenz das Verhältnis von größtem zu kleinstem Kapazitätswert auf praktisch realisierbare Werte zu verringern, Yiodurch eine monolithische Integration er~ möglicht wird· Außerdem soll die resultierende._ Dämpfungsverzerrung auf praktisch vernachlässigbare Beträge reduziert werden* Weiterhin lassen sich damit schmalbandige Bandpässe mit geschalteten Kondensatoren realisieren· Die Merkmale der Erfindung bestehen darin_? daß .im Bandpaß-Grundglied ein periodisch umgepolter_} geschalteter Kondensator zwischen dem Ausgang und dem zwischen den beiden nicht geschalteten Kondensatoren liegenden Knoten angeschlossen wird, wodurch sich eine Signalmitkopplung ergibt_β

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Signaleinkopplung über mindestens zwei geschaltete Kondensatoren erfolgt j die eine Differenzbildung hinsichtlich der Eingangs™ spannung bewirken und die Realisierung kleiner Zählerkonstanten der Übertragungsfunktion gestatten« Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß mindestens zwei Bandpaß-Grundglieder kombiniertnverden und eine Rückführung vom Ausgang des zweiten Bandpaß-Grundgliedes zu'dem bereits genannten Knoten des ersten Bandpaß-Grundgliedes vorhan~ den ist« Dabei befinden sich jeweils die entsprechenden Schalter des ersten und des zweiten Bandpaß-Grundgliedes in derselben Takthalbperioda in entgegengesetztem Schaltzustand« Die Rückführung erfolgt über einen geschalteten Kondensator«, Die Schalter werden als periodisch ein- und ausschaltbare MOS-

Transistoren ausgeführt«,

Mit dieser Anordnung lassen sich Bandpässe höheren Grades bei minimaler Dämpfungsverzerrung'verwirklichen·

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden« In der zugehörigen Zeichnung zeigt j

Figur 1 die Darstellung eines Bandpaß-Grundgliedes und

Figur 2 die Zusammenschaltung von zwei Bandpaß-Grundgliedern zu einem Bandpaß vierten Grades

In Figur 1 wird das zu filternde Signal dem Eingang E des Bandpaß-Grundgliedes BP zugeführt« Vom Eingang E führt die Reihenschaltung zweier Schalter S1, S2 zum Knoten K, der über den Kondensator C1 mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers verbunden ist« Tom Verbindungspunkt der Schalter S1, S2 führt ein Kondensator C4 nach Masse* Außerdem zweigt vom Eingang E eine Reihenschaltung, bestehend aus den beiden Schaltern S3j S4 ab, die ebenfalls nach Masse führt· Vom Verbindungspunkt der Schalter 33* S4 zweigt der Kondensator C5 ab, dessen anderer Anschluß sowohl mit dem nach Masse führenden Schalter S5 als auch mit dem Schalter S6 verbunden ist, dessen zweiter Anschluß zum Knoten K führt» Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers liegt an Masse« Sein Ausgang bildet den Ausgang A des Bandpaß-Grundgliedes_β Vom Ausgang A führt eine Verbindung über den Kondensator G2 zum Knoten K und eine weitere , Verbindung über eine Reihenschaltung, bestehend aus dem Schalter S11 und dem Kondensator C6, zum Verbindungspunkt der Schalter S5, S6« Vom Verbindungspunkt von Schalter S11 und Kondensator C6 führt eine Verbindung über den Schalter S12 nach Masse· Schließlich gibt es noch eine weitere vom Ausgang A abgehende Verbindung, die zu einer Reihenschaltung von Schalter S8, Kondensator 03 und Schalter S10 führt und am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers endet· Die beiden Anschlüsse von

Kondensator C 3 führen getrennt über je einen Schalter S7, S9 nach Masse«

Kennzeichnend für die Punktion des Bandpaß-Grundgliedes BP ist, daß alle Schalter gruppenweise aus einem nicht zur Erfindung gehörenden Taktgeber angesteuert werden« Dabei lassen sich die Schalter in zwei Gruppen einordnen« In der ersten Halbperiode des !Taktgebers werden beispielsweise die Schalter S1, S3_S S5_? ST, S9 und S11 geschlossen, wahrend die Schalter S2, S4, S6, S8, S10 und S12 geöffnet sind« In der zweiten Takthalbperiode werden die geschlossenen Schalter geöffnet, und die geöffneten Schalter werden geschlossen«

Durch das Punktionsprinzip der geschalteten Kondensatoren bei der zugrunde liegenden Schaltung ist es möglich, die für eine Integration ungeeigneten ohmschen Widerstände durch MOS-Transistoren und Kondensatoren zu ersetzen« Der Einfluß der unvermeidlichen, parasitären Kapazitäten der Schalttransistoren wird durch die beschriebene Schalteranordnung minimiert* Die dargestellte Schaltung stellt eine analoge Abtastschaltung dar« Ihre Übertragungsfunktion H (ζ) im z-Bereich lautet

HC3(ä<i)/(CtCz)-&'£ /CW-i h

+ C3 (cn+Cs * Cz)I(O -Cz)

wobei in diese Besiehung die Kondensatoren CI, _βββ, C6 und der Y er Schiebeoperator ζ eingehen«, Der Yer Schiebeoperator ζ ergibt sich aus der imaginären Einheit j, der Signalfrequenz f, der Taktfrequenz f und der Kreiskonstanten Ji zu

= e

Für eine praktische Dimensionierung bei Vorgabe der Maximalkapazität C, der Bandmxttenkreisfrequenz A^₀J der Grundgüte Q , der Güte Q, der Zählerkonstante k und des Verhältnisses V , das den Quotienten von Taktfrequenz f und Bandmittenfre« quenz f darstellt, ergeben sich folgende Gleichungen?

Q.-a»Z/r_c Yc j

2.-IL. >

Die vorstehende Dimensionierung geht von einer Minimierung der Abweichung von der analogen Zielübertragungsfunktion H^ Cj^") aus,

⁷ (t&J +

wobei die normierte Kreisfrequenz C&- zu berücksichtigen ist.

Figur 2 zeigt die Zusammenschaltung von zwei Bandpaß-Grundgliedern BP und BP¹ zu einem Bandpaß vierten Grades·' Dabei ist der Ausgang A des Bandpaß-Grundgliedes BP mit dem- Eingang S' des

Bandpaß-Grundgliedes BP' verbunden« Außer den Bauelementen., die zu den Bandpaß-Grundgliedern BP und BP' gehören, findet man vom Ausgang A^f der Gesamtanordnung, der durch den Ausgang des Operationsverstärkers von Bandpaß-Grundglied BP' gebildet wird, eine Verbindung, die über eine Reihenschaltung, bestehend aus Schalter S13> Kondensator C7 und Schalter S15, zum Knoten K des Bandpaßgrundgliedes BP führt« Dabei bestehen von beiden Anschlüssen des Kondensators C7 über je einen Schalter 814 und S16 'Verbindungen nach Masse« Zu beachten ist, daß die Schal* ter S1, S3j S5, S7* S9 und S11 des Bandpaß-Grundgliedes BP und die Schalter S1'₉ 33% S5', S?', 39» und S11» des Bandpaßgrundgliedes BP' gerade entgegengesetzt angesteuert werden» Der gleiche Sachverhalt betrifft die Schalter S2₉ S4_? S6, S8, SIO und S12 sowie die Schalter S2^f, S4'_s 36% SS', SIO' und S12^f.

Auch die Schalter S13, »»·, S16 werden durch den gleichen Taktgeber wie alle Schalter der beiden Bandpaß-Grundglieder BP und BP' angesteuerte Dabei weisen die Schalter S13 und S15 jeweils den selben Schaltsustand wie die Schalter S2, ««*, S12 und die Schalter S14 und S16 den gleichen Schaltzustand wie die Schalter SI₅ V··, S11 auf·

Die Zusammenschaltung der beiden Bandpaß-Grundglieder BP und BP^? ermöglicht die Realisierung empfindlichkeitsoptimaler_s mehrfach verkoppelter (MLP-) Schaltungen*

Claims

Er f indungg ans pruch

1« PiIterschaltung bestehend aus Bandpaß-Grundgliedern mit geschalteten Kondensatoren, wobei jeweils abwechselnd ein Teil der elektronischen Schalter geöffnet und die übrigen Schalter geschlossen sind und Öffnen und Schließen der Schalter periodisch und gegeneinander verzögert erfolgt, mit einem Operationsverstärker j dessen nichtinvertierender Eingang auf Masse liegt und dessen invertierender Eingang über eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren zu seinem Ausgang führt, mit je einem geschalteten Kondensator am Eingang und zwischen Ausgang und invertierendem Eingang des Operationsverstärkers, gekennzeichnet dadurch, daß im Bandpaß-Grundglied (BP) vom Ausgang (A) des Operationsverstärkers eine Reihenschaltung, bestehend aus Schalter (SH)₅ Kondensator (C6) und Schalter (So)₅ zum Knoten (K) führt, der durch den Yerbindungspunkt der Kondensatoren (Cl;. C2) gebildet wird, die in bekannter Weise den Ausgang (A) des Operationsverstärkers mit seinem invertierenden Eingang verbinden, daß von beiden Anschlüssen des Kondensators (Cö) über je einen Schalter (35; S12) eine Verbindung nach Masse besteht, daß vom Ausgang des Operationsverstärkers eine weitere Reihenschaltung bestehend aus Schalter (38), dem an sich bekannten Kondensator (C3) und Schalter (S10) zum invertierenden Eingang führt, daß beide Anschlüsse des Kondensators (G3) über je einen Schalter (57; S9) mit Masse in Verbindung stehen, daß vom Eingang (E) eine Reihenschaltung von zwei Schaltern (S1; S2) zum Knoten (K) führt, daß der Yerbindungspunkt der Schalter (S1; S2) über den an sich bekannten Kondensator (C4) mit Masse verbunden ist, daß vom Eingang (S) eine weitere Reihenschaltung bestehend aus den Schaltern-(S3; S4) nach Masse führt, daß der Yerbindungspunkt der Schalter (35; 36) über den Kondensator (05) zum Yerbindungspunkt der Schalter (S3; S4) führt, daß in der ersten Takthalbperiode die Schalter (S1;'S3; S5; S7; S9; 311) geschlossen und die Schalter (S2; S4; S6; SS; S10; S12).geöffnet sind und daß in der zweiten Takthalbperiode

eine Umkehrung des S ehalt zustand es "besteht«,

2« PiIt er schaltung nach Punkt "I₅ gekennzeichnet dadurch» daß der Ausgang (A)' eines Bandpaß-Grundgliedes (BP) mit dem Eingang (E') eines zweiten Bandpaß-Grundgliedes (BP^r) Yerbunden ist, das den gleichen Aufbau wie das Bandpaß-Grundglied (BP) besitzt j daß der Ausgang (A') des zweiten Bandpaß-Grundgliedes (BP') durch die Reihenschaltung eines Schalters (313)? eines Kondensators (C7) und eines Schalters (S15) mit dem Knoten(K)des ersten Bandpaß-Grundgliedes (BP) verbunden ist, daß die beiden Anschlüsse des Kondensators (C7) über die Schalter (S14; S16) nach Masse führen^ daß die einander entsprechenden Schalter des Bandpaß-Grundgliedes (BP) und des Bandpaß-Grundgliedes (BP') jeweils entgegengesetzten Schaltzustand besitzen und daß die Schalter (S14; S16) jeweils den gleichen Schaltzustand wie die Schalter (S1; S3; S5; S7; S9; S11) und die Schalter (S13; S15) jeweils den gleichen Schaltzustand wie die Schalter (S2; S4; S6; S8; S10; S12) aufweisen«

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen*