DD211678A1 - FILTER CIRCUIT CONSISTING OF BAND PASS BASICS WITH SWITCHED CAPACITORS - Google Patents
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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.The invention relates to an electrical filter circuit using switched capacitor band-pass bases. The object of the invention is to provide higher-level band-pass circuits based on this principle, which can be monolithically integrated with economically justifiable expense. The essence of the invention is that the arrangement of a bandpass base member has been extended by a feedback branch with a switched capacitor for the purpose of increasing the gain. In addition, the signal is input via at least two switched capacitors, which allow the implementation of small coupling values by subtraction or the realization of any signs of the couplings in multi-coupled circuits (MLF). Possible fields of application of the invention relate to bandpasses in the LF range with displaceable band center frequency for spectral analysis and for selective level increase.
Description
Titel der Erfindung;Title of the invention;
Mlterschaltung bestehend aus Bandpaß-Grundgliedern mit geschalteten KondensatorenMlterschaltung consisting of bandpass basics with switched capacitors
Anwendungsgebiet der Erfindung; Field of application of the invention;
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«,The invention relates to an electrical fi lterschaltung for the ID? Area that works as a bandpass. Ba the Bandmittenfrequenz can be externally set by selecting the clock frequency, the circuit for purposes of spectral analysis (real-time operation) as well as for selective level increase applicable applications are the acoustic Measuring technology, the oscillation measuring technique, the communications technology and the control technology "The circuit according to the invention can be fully integrated",
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
Aus der Literatur (UeW~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·From the literature (U e W e e Bruggers Switched-Capacitor Pilter Design for Gonnaunication Systems, European Conference on Circuit Theory and Design, Warsaw 1980, Digest of Technical Papers, pp. 73-84), the circuit of a bandpass basic link is switched Capacitors, two-phase clock and an amplifier known. For a large ratio of clock to band center frequency, the circuit leads to a very large ratio of maximum to minimum capacitance value, which is why it can not be monolithically integrated. Sine implementation with discrete components, however, is impossible for economic reasons.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist eaf 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«The aim of the invention is ea f an economical, monolithic integrated design of Bandpaßschaltungen higher degrees with in Zweiphasentakt.geschalteten capacitors with a high ratio of! Clock to mid-band frequency (ca * 100) to allow «
desof
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 ergibtβ It is an object of the present invention to reduce the ratio of maximum to minimum capacitance value to practically realizable values given a large ratio of clock to band center frequency, which can be achieved by monolithic integration. Moreover, the resulting attenuation distortion should be practically negligible Furthermore, narrowband bandpass filters with switched capacitors can be realized. The features of the invention are therein ? .in that bandpass basic element a periodically umpoled} capacitor connected between the output and the non-connected between the two capacitors lying node is connected, resulting in a Signalmitkopplung results 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-Another feature of the invention is that the signal coupling is done via at least two switched capacitors which cause a difference in the input voltage and allow the realization of small meter constants of the transfer function. Another feature of the invention is that at least two bandpass bases combined, and a feedback from the output of the second bandpass basic element to the already mentioned node of the first bandpass basic element is present. The respective switches of the first and the second bandpass basic element are in the same clock half-period in opposite switching state Feedback is via a switched capacitor «, the switches are used as periodically switched on and off
Transistoren ausgeführt«,Transistors running «,
Mit dieser Anordnung lassen sich Bandpässe höheren Grades bei minimaler Dämpfungsverzerrung'verwirklichen·With this arrangement, higher-order bandpasses can be realized with minimal attenuation distortion.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden« In der zugehörigen Zeichnung zeigt jThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing, j
Figur 1 die Darstellung eines Bandpaß-Grundgliedes und1 shows the representation of a bandpass base member and
Figur 2 die Zusammenschaltung von zwei Bandpaß-Grundgliedern zu einem Bandpaß vierten GradesFigure 2 shows the interconnection of two bandpass basics to a fourth-order bandpass filter
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-Grundgliedesβ 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 vonIn Figure 1, the signal to be filtered is supplied to the input E of the bandpass basic element BP. From the input E, the series connection of two switches S1, S2 leads to the node K, which is connected via the capacitor C1 to the inverting input of an operational amplifier Switch S1, S2 leads a capacitor C4 to ground * In addition branches from the input E, a series circuit consisting of the two switches S3j S4, which also leads to ground · From the connection point of the switch 33 * S4 branches off the capacitor C5, whose other terminal is connected to both the ground leading switch S5 and the switch S6 whose second connection leads to node K " The non-inverting input of the operational amplifier is grounded" Its output forms the output A of the bandpass basic element β from the output A leads Connection via the capacitor G2 to the node K and another connection via a series circuit, be Standing from the switch S11 and the capacitor C6, to the connection point of the switches S5, S6 "From the connection point of switch S11 and capacitor C6 performs a connection via the switch S12 to ground · Finally, there is another outgoing from the output A connection to a series circuit of switch S8, capacitor 03 and switch S10 leads and ends at the inverting input of the operational amplifier · The two terminals of
Kondensator C 3 führen getrennt über je einen Schalter S7, S9 nach Masse«Capacitor C 3 lead separately via a switch S7, S9 to ground «
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, S3S 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«Characteristic of the puncture of the bandpass basic element BP is that all switches are controlled in groups from a not belonging to the invention clock "Here, the switches can be classified into two groups" In the first half cycle of! Clock, for example, the switches S1, S3 S S5 ? ST, S9 and S11 are closed, while the switches S2, S4, S6, S8, S10 and S12 are open. In the second half-period of the clock, the closed switches are opened and the opened switches are closed.
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 lautetDue to the puncturing principle of the switched capacitors in the underlying circuit, it is possible to replace the unsuitable for integration ohmic resistances by MOS transistors and capacitors «The influence of the unavoidable, parasitic capacitances of the switching transistors is minimized by the described switch assembly * The circuit shown represents an analog sampling circuit «Its transfer function H (ζ) is in the z range
HC3(ä<i)/(CtCz)-&'£ /CW-i hHC3 (ä <i) / (CtCz) - & '£ / CW-i h
+ C3 (cn+Cs * Cz)I(O -Cz) + 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 zuIn this Besiehung the capacitors CI, βββ , C6 and Y er shift operator ζ enter, "The Yer shift operator ζ results from the imaginary unit j, the signal frequency f, the clock frequency f and the circle constant Ji
= e = 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?For a practical dimensioning when specifying the maximum capacitance C, the bandmix circle frequency A ^ 0 J of the basic quality Q, the quality Q, the counter constant k and the ratio V, which represents the quotient of clock frequency f and band center frequency f, the following equations result?
Q.-a»Z/rc Yc jQ.-a »Z / r c Yc j
2.-IL. >2.-IL. >
Die vorstehende Dimensionierung geht von einer Minimierung der Abweichung von der analogen Zielübertragungsfunktion H^ Cj^") aus,The above sizing is based on minimizing the deviation from the analog target transfer function H ^ Cj ^ "),
77 (t&J +(t & J +
wobei die normierte Kreisfrequenz C&- zu berücksichtigen ist.where the normalized angular frequency C & - is taken into account.
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' desFIG. 2 shows the interconnection of two bandpass basic elements BP and BP 1 to a fourth-order bandpass filter. In this case, the output A of the bandpass basic element BP is connected to the input S 'of the bandpass filter
Bandpaß-Grundgliedes BP' verbunden« Außer den Bauelementen., die zu den Bandpaß-Grundgliedern BP und BP' gehören, findet man vom Ausgang Af 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 S2f, S4's 36% SS', SIO' und S12f.Band-pass basic element BP 'connected. Apart from the devices belonging to the bandpass basic elements BP and BP', a connection is found from the output A f of the overall arrangement formed by the output of the operational amplifier of bandpass base element BP ' , which via a series circuit, consisting of switch S13> capacitor C7 and switch S15, to node K of the bandpass element BP leads «It consist of two terminals of the capacitor C7 via a respective switch 814 and S16 'connections to ground« It should be noted that the switches S1, S3j S5, S7 * S9 and S11 of the bandpass basic element BP and the switches S1 ' 9 33% S5', S '', 39 "and S11» of the bandpass basic element BP 'are driven in the opposite direction Issue concerns the switches S2 9 S4 ? S6, S8, SIO and S12 and the switches S2 f , S4 ' s 36% SS', SIO 'and 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·Also, the switches S13, »», S16 are driven by the same clock as all the switches of the two bandpass basic elements BP and BP '. In this case, the switches S13 and S15 each have the same switching state as the switches S2, «« *, S12 and the switches S14 and S16 have the same switching state as the switches SI 5 V ··, S11 ·
Die Zusammenschaltung der beiden Bandpaß-Grundglieder BP und BP? ermöglicht die Realisierung empfindlichkeitsoptimalers mehrfach verkoppelter (MLP-) Schaltungen*The interconnection of the two bandpass basic elements BP and BP ? enables the realization of sensitivity-optimized s multi-coupled (MLP) circuits *
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DD24510282A DD211678A1 (en) | 1982-11-22 | 1982-11-22 | FILTER CIRCUIT CONSISTING OF BAND PASS BASICS WITH SWITCHED CAPACITORS |
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1982
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