DE102005008099B4

DE102005008099B4 - Filter-Schaltungsanordnung höherer Ordnung

Info

Publication number: DE102005008099B4
Application number: DE102005008099A
Authority: DE
Inventors: Stefan Hermann Dr. Groiß; Elmar Dr. Bach
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: DE102005008099A1; US20060202747A1; US7339419B2

Abstract

Filter-Schaltungsanordnung (100, 200, 1200) höherer Ordnung, bei welcher pro Filter-Ordnung ein Energiespeicher (121, 122, 123, 205, 206, 207, 1205, 1206, 1207) vorgesehen ist, und bei welcher die Übertragungsfunktion einen Doppelpol aufweist, der von einem ersten und einem zweiten jeweils einen Energiespeicher aufweisenden Integrator (121, 122) gebildet wird, welche in einer ersten Regelschleife angeordnet sind, und eine Nullstelle, die von einem weiteren, einen Energiespeicher aufweisenden Integrator (123) gebildet wird, der in einer weiteren, in der ersten Regelschleife liegenden Regelschleife angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Filter-Schaltungsanordnung höherer Ordnung.
In Halbleiter-Bauelementen, insbesondere z. B. bei entsprechenden, integrierten (analogen bzw. digitalen) Rechenschaltkreisen und/oder Halbleiter-Speicherbauelementen, sowie sonstigen elektrischen Schaltungen bzw. – allgemeiner ausgedrückt – signalverarbeitenden Systemen, werden häufig Filter-Schaltungsanordnungen verwendet, z. B. Hoch- und/oder Tiefpass-Filter-Schaltungsanordnungen.
Ein Hochpass ist eine Filter-Schaltungsanordnung, die Signale mit hohen Frequenzen i. w. unverändert überträgt, und bei Signalen mit tiefen Frequenzen eine Abschwächung, und i. d. R. eine Phasenvoreilung bewirkt. Demgegenüber ist ein Tiefpass eine Filter-Schaltungsanordnung, bei der Signale mit niedrigen Frequenzen i. w. unverändert übertragen werden; bei Signalen mit hohen Frequenzen wird eine Abschwächung, und i. d. R. eine Phasen-Nacheilung bewirkt.
Passive Hoch- und/oder Tiefpass-Filter-Schaltungsanordnungen weisen einen oder mehrere Widerstände, und – als Energiespeicher – ein oder mehrere kapazitive Bauelemente auf (insbesondere z. B. Kondensatoren) und/oder ein oder mehrere induktive Bauelemente (insbesondere z. B. Spulen).
Demgegenüber weisen sog. aktive Filter-Schaltungsanordnungen i. d. R. – neben passiven Bauelementen wie Widerständen und Kondensatoren – ein oder mehrere aktive Bauelemente, insbesondere Operationsverstärker auf. Dies führt zu einem relativ hohen Schaltungsaufwand.
Werden mehrere, herkömmliche Filter-Schaltungsanordnungen hintereinandergeschaltet (sog. Kaskadierung), müssen häufig Strom- oder Spannungs-Ausgänge in Spannungs- oder Strom-Ausgänge umgewandelt werden, bzw. Strom- oder Spannungs-Eingänge in Spannungs- oder Strom-Eingänge. Von Nachteil ist hierbei häufig das Auftreten unerwünschter, parasitärer Filter.
Herkömmliche Filter-Schaltungsanordnungen, bei denen die Übertragungsfunktion eine positive oder negative Nullstelle aufweist, weisen häufig eine Differenzierschaltung auf, was für die Stabilität nachteilig sein kann.
In der Entgegenhaltung Tietze, Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, 10. Auflage, Seiten 139, 444, 445 ist eine Filter-Schaltungsanordnung offenbart, bei welcher pro Filter-Ordnung ein Energiespeicher vorgesehen ist.
In der DE 41 13 244 A1 ist eine programmierbare Filterschaltung gezeigt, die ein Differenzierglied aufweist.
Die DE 100 58 952 A1 zeigt ein Verfahren zur Signalstromverarbeitung, bei dem eine Einstellstromquelle verwendet wird.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine neuartige Filter-Schaltungsanordnung höherer Ordnung zur Verfügung zu stellen, insbesondere eine Schaltungsanordnung, mit der die o. g. und/oder weitere Nachteile von herkömmlichen Filter-Schaltungsanordnungen – zumindest teilweise – eliminiert bzw. vermieden werden können.
Sie erreicht dieses und weitere Ziele durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhaft weist die Übertragungsfunktion der Filter-Schaltungsanordnung eine Nullstelle auf, die von einem ersten Energiespeicher, insbesondere Kondensator, gebildet wird, und einen Doppelpol, insbesondere komplexen Doppelpol, der von zwei weiteren Energiespeichern, insbesondere Kondensatoren, gebildet wird.
Bei der Erfindung sind die zwei den Doppelpol bildenden Energiespeicher in einer ersten Regelschleife angeordnet, und der die Nullstelle bildende Energiespeicher in einer weiteren, in der ersten Regelschleife liegenden Regelschleife.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische, beispielhafte Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Tiefpassfilter-Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische, beispielhafte Detail-Darstellung einer das in 1 veranschaulichte Tiefpassfilter-Prinzip verwirklichenden Schaltungsanordnung; und
3 eine schematische, beispielhafte Detail-Darstellung einer weiteren, alternativen, das in 1 veranschaulichte Tiefpassfilter-Prinzip verwirklichenden Schaltungsanordnung.
In 1 ist – schematisch, und beispielhaft – ein Prinzipschaltbild einer Tiefpassfilter-Schaltungsanordnung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, mit welcher ein an einer Signal-Leitung 115 anliegendes elektrisches (Eingangs-)Signal S_in (z. B. ein entsprechendes Strom- oder Spannungs-Signal, oder ein eine beliebige andere physikalische Grösse darstellendes Signal) gefiltert, und – als gefiltertes Signal S_out – an einer Signal-Leitung 116 ausgegeben werden kann.
Wie aus 1 hervorgeht, weist die Schaltungsanordnung 100 mehrere Verstärkungselemente 114a, 114b, 114c, 114d, 114e, 114f auf, die durch entsprechende regelungstechnische Verstärkerblöcke gebildet werden können.
Die Verstärkungselemente 114a, 114b, 114c, 114d, 114e, 114f multiplizieren das an deren Eingang anliegende Signal jeweils mit einem bestimmten Faktor (hier: – beim Verstärkungselement 114a – mit dem Faktor a1, – beim Verstärkungselement 114b – mit dem Faktor a2, – beim Verstärkungselement 114c – mit dem Faktor a3, – beim Verstärkungselement 114d – mit dem Faktor ai, – beim Verstärkungselement 114e – mit dem Faktor ao, und – beim Verstärkungselement 114f – mit dem Faktor az).
Des weiteren weist die Schaltungsanordnung 100 mehrere Subtraktionselemente (hier: die Subtraktionselemente 101, 102) auf, und mehrere Integratoren (hier: die Integratoren 121, 122, 123).
Bei den Integratoren 121, 122, 123 kann es sich z. B. um entsprechende lineare Integratoren handeln, die jeweils das an deren Eingang anliegende Signal über die Zeit aufintegrieren.
Bei alternativen, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann auf das mit der (Eingangs-)Signal-Leitung 115 verbundene Verstärkungselement 114d, und/oder auf das mit der (Ausgangs-)Signal-Leitung 116 verbundene Verstärkungselement 114e auch verzichtet werden (die Verstärkungselemente 114d, 114e sind im Signalpfad der Schaltungsanordnung 100 zwischen Ein- und Ausgang lediglich multiplikativ vorhanden, und zur Realisierung der Filter-Schaltungsanordnung nicht zwingend notwendig (können jedoch – wie sich aus den Ausführungen unten ergibt – bei deren praktischer Realisierung Vorteile mit sich bringen)).
Gemäß 1 wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel das an der Signal-Leitung 115 anliegende elektrische Signal S_in dem Eingang des Verstärkungselements 114d zugeführt.
Das an dem Ausgang des Verstärkungselements 114d ausgegebene – gegenüber dem Eingangs-Signal S_in um den Faktor ai verstärkte – Signal wird über eine Signal-Leitung 118 dem Eingang des Verstärkungselements 114f zugeführt, und über eine Signal-Leitung 117 einem Minus-Eingang des Subtraktionselements 101.
Das an dem Ausgang des Verstärkungselements 114f ausgegebene – gegenüber dem in das Verstärkungselement 114f eingegebenen Signal um den Faktor az verstärkte – Signal wird über eine Signal-Leitung 119 einem Plus-Eingang des Subtraktionselements 102 zugeführt.
Wie aus 1 weiter hervorgeht, wird das an dem Ausgang des Subtraktionselements 102 an einer Signal-Leitung 120 ausgegebene Signal dem Eingang des Verstärkungselements 114b zugeführt.
Das an dem Ausgang des Verstärkungselements 114b ausgegebene – gegenüber dem in das Verstärkungselement 114b eingegebenen Signal um den Faktor a2 verstärkte – Signal wird über eine Signal-Leitung 124 einem Plus-Eingang des Subtraktionselements 101 zugeführt, und über eine Signal-Leitung 125 dem Eingang des Verstärkungselements 114c.
Das Subtraktionselement 101 subtrahiert das o. g. an der Signal-Leitung 117 anliegende (am Minus-Eingang des Subtraktionselements 101 anliegende) Signal von dem an der o. g. Signal-Leitung 124 anliegenden (am Plus-Eingang des Subtraktionselements 101 anliegenden) Signal.
Das sich durch die Subtraktion ergebende, an dem Ausgang des Subtraktionselements 101 an einer Signal-Leitung 126 ausgegebene Signal wird dem Eingang des Verstärkungselements 114a zugeführt.
Das an dem Ausgang des Verstärkungselements 114a ausgegebene – gegenüber dem in das Verstärkungselement 114a eingegebenen Signal um den Faktor a1 verstärkte – Signal wird über eine Signal-Leitung 127 dem Eingang des Integrators 121 zugeführt.
Das an dem Ausgang des Integrators 121 ausgegebene – gegenüber dem in den Integrator 121 eingegebenen Signal über die Zeit integrierte – Signal wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel über eine Signal-Leitung 128 dem Eingang des Verstärkungselements 114e zugeführt, und über eine Signal-Leitung 129 dem Eingang des Integrators 122.
Wie aus 1 weiter hervorgeht, wird das an dem Ausgang des Verstärkungselements 114e ausgegebene – gegenüber dem in das Verstärkungselement 114e eingegebenen Signal um den Faktor ao verstärkte – Signal an der o. g. Signal-Leitung 116 ausgegeben, und stellt das Ausgangs-Signal S_out der Schaltungsanordnung 100 dar.
Das über die Leitung 129 dem Eingang des Integrators 122 zugeführte Signal wird von diesem über die Zeit integriert.
Das an dem Ausgang des Integrators 122 ausgegebene – über die Zeit integrierte – Signal wird über eine Signal-Leitung 130 einem (ersten) Minus-Eingang des Subtraktionselements 102 zugeführt.
Wie aus 1 weiter hervorgeht, wird das an dem Ausgang des Verstärkungselements 114c ausgegebene – gegenüber dem in das Verstärkungselement 114c eingegebenen Signal um den Faktor a3 verstärkte – Signal an einer Signal-Leitung 131 ausgegebenen, und dem Eingang des Integrators 123 zugeführt.
Das über die Leitung 131 dem Eingang des Integrators 123 zugeführte Signal wird von diesem über die Zeit integriert.
Das an dem Ausgang des Integrators 123 ausgegebene – über die Zeit integrierte – Signal wird über eine Signal-Leitung 132 einem (zweiten) Minus-Eingang des Subtraktionselements 102 zugeführt.
Das Subtraktionselement 102 subtrahiert das o. g. an der Signal-Leitung 130 anliegende (am ersten Minus-Eingang des Subtraktionselements 102 anliegende) Signal, und das o. g. an der Signal-Leitung 132 anliegende (am zweiten Minus-Eingang des Subtraktionselements 102 anliegende) Signal von dem an der o. g. Signal-Leitung 119 anliegenden (am Plus-Eingang des Subtraktionselements 102 anliegenden) Signal, und legt – wie bereits oben angedeutet – das sich ergebende, am Ausgang des Subtraktionselements 102 ausgegebene Signal an der o. g. – mit dem Verstärkungselement 114b verbundenen – Signal-Leitung 120 an.
Mit der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 100 wird – wie in den folgenden Ausführungen näher erläutert wird – ein Tiefpassfilter höherer Ordnung geschaffen, bei dem die Übertragungsfunktion eine einstellbare Nullstelle mit – einstellbar – positivem oder negativem Vorzeichen aufweist (und damit – einstellbar – Phasen-Nacheilung, oder Phasen-Voreilung), und einen ebenfalls einstellbaren – komplexen – Doppelpol.
Durch die Wahl der Höhe der Verstärkungs-Faktoren bzw. Filterkoeffizienten a1, a2, a3 der Verstärkungselemente 114a, 114b, 114c kann – im Wesentlichen – die Lage des komplexen Doppelpols entsprechend beeinflusst werden, und durch die Wahl der Höhe des Verstärkungs-Faktors bzw. Filterkoeffizienten az des Verstärkungselements 114f – im Wesentlichen – die Lage der Nullstelle (wobei – wie sich aus den folgenden Ausführungen ergibt – noch weitere, zu berücksichtigende Interdependenzen bestehen).
Der Integrator 121 und der Integrator 122 liegen – im Wesentlichen – zusammen mit dem den Verstärkungs-Faktor bzw. Filterkoeffizienten a1 darstellenden Verstärkungselement 114a in einer in sich geschlossenen Schleife, was für die Ausbildung eines resonanzfähigen Systems zweiter Ordnung notwendig ist, da – kleinsignalmäßig – jeder der Integratoren 121, 122 für sich genommen eine Phasendrehung von bis zu 90° vollziehen kann, und sich ein komplexer Doppelpol erst bei einer Phasendrehung von 180° ausbilden kann.
Der Integrator 123 bildet – zusammen mit den die Verstärkungs-Faktoren bzw. Filterkoeffizienten a2 und a3 darstellenden Verstärkungselementen 114b, 114c – eine eigene Rückkopplungs-Schleife.
Diese zeigt ein relativ starkes Hochpassverhalten, da der Integrator 123 im Rückkopplungs-Pfad liegt, und der Vorwärtspfad der Schleife lediglich aus dem den Verstärkungs-Faktor bzw. Filterkoeffizienten a2 darstellenden Verstärkungselement 114b besteht.
Weiter unten wird anhand von 2 und 3, und den dort gezeigten schaltungstechnischen Detail-Darstellungen von das in 1 veranschaulichte Tiefpassfilter-Prinzip verwirklichenden Schaltungsanordnungen gezeigt, wie die o. g. Verstärkungs-Faktoren bzw. Filterkoeffizienten ao, a1, a2, a3, az, ai mit den entsprechenden schaltungsrelevanten Parametern zusammenhängen, und wie sich daraus die entsprechenden Filterkennzahlen, insbesondere Resonanzfrequenzen, Dämpfung, Lage von Pol- bzw. Nullstellen, etc. ergeben.
Das anhand von 1 veranschaulichte Tiefpassfilter-Prinzip kann statt – wie hier erläutert – in analogen Filtern alternativ entsprechend auch in digitalen Filtern verwirklicht werden (wobei die Integratoren 121, 122, 123 z. B. durch Auf/Abzähler mit einer Zählschrittweite ersetzt werden, die proportional zur Eingangsgröße des Zählers ist, und die die Filterkoeffizienten ao, a1, a2, a3, az, ai darstellenden analogen Verstärkungselemente 114e, 114a, 114b, 114c, 114f, 114d z. B. durch digitale Multiplizierer).
Im folgenden wird anhand von 2 ein Beispiel für eine das oben anhand von 1 erläuterte Tiefpassfilter-Prinzip verwirklichende Schaltungsanordnung 200 näher erläutert.
Wie aus 2 hervorgeht, weist die dort gezeigte Tiefpassfilter-Schaltungsanordnung 200 drei n-Kanal-Feldeffekttransistoren 202, 203, 204 auf (Transistor T1, Transistor T2, und Transistor TQ1), sowie zwei p-Kanal-Feldeffekttransistoren 227, 228 (Transistor TQ2, und Transistor TC), mehrere Kondensatoren 205, 206, 207 (hier: die drei Kondensatoren C1, C2, C3) und – optional – mehrere weitere Transistoren (hier: die n-Kanal-Feldeffekttransistoren 220, 221 (Transistor T4, und Transistor T3)).
Der Drain des n-Kanal-Feldeffekttransistors 202 ist über eine Leitung 210 mit dem Drain des p-Kanal-Feldeffekttransistors 227 verbunden, dessen Source an die Versorgungsspannung angeschlossen ist, sowie mit der Source des p-Kanal-Feldeffekttransistors 228, und mit einer (Eingangs-)Leitung 211.
Das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 202 ist über eine Leitung 212 mit dem Kondensator 206 verbunden, der über Leitungen 213, 214 mit der Source des n-Kanal-Feldeffekttransistors 202 verbunden ist, sowie über die Leitung 213, und eine Leitung 216 mit dem Drain des n-Kanal Feldeffekttransistors 203, und über die Leitung 213, und eine Leitung 215 mit dem Kondensator 207, der an eine Verstärkungs-Einrichtung 230 angeschlossen ist, deren Eingang mit einer Leitung 212 verbunden ist.
Die Source des n-Kanal-Feldeffekttransistors 203 ist an Masse angeschlossen.
Des weiteren ist das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 203 über eine Leitung 218 an den Kondensator 205 angeschlossen, der – ebenfalls – an Masse angeschlossen ist, und über eine Leitung 219 (bzw. die Leitung 219, und eine Leitung 240) an den Drain des n-Kanal-Feldeffekttransistors 204 (dessen Source an Masse angeschlossen ist), und den Drain des p-Kanal-Feldeffekttransistors 228.
Das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 221 ist über eine Leitung 241 an den Drain des n-Kanal-Feldeffekttransistors 204 und an den Drain des p-Kanal-Feldeffekttransistors 228 angeschlossen, sowie an das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 203, und den Kondensator 205.
Die Source des n-Kanal-Feldeffekttransistors 221 ist an Masse angeschlossen.
Der Drain des n-Kanal-Feldeffekttransistors 221 ist über eine Leitung 242 mit der Source des n-Kanal-Feldeffekttransistors 220 verbunden.
Das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 220 ist über eine Leitung 243 an das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 202 angeschlossen, und an den Kondensator 206, und der Drain des n-Kanal-Feldeffekttransistors 220 über eine Leitung 244 an einen mit einer Leitung 245 verbundenen Lastwiderstand 250.
Die Leitung 245 ist i. A. mir der (positiven) Versorgungsspannung verbunden, oder mit einer Spannung, welche den Gleichspannungswert (Arbeitspunkt) von U_out festlegt.
Wie aus 2 hervorgeht, ist das Gate des p-Kanal-Feldeffekttransistors 228 mit Hilfe einer Spannungsquelle 251 auf eine Spannung U_refc2 vorgespannt.
Des weiteren ist das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 202 (und das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 220) mit Hilfe einer Spannungsquelle 252 auf eine Spannung U_refc1 vorgespannt.
Als Eingangssignal dient bei der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung 200 der Strom I in an der Leitung 211, der – im Wesentlichen – über die n-Kanal-Feldeffekttransistoren 202 und 203 (Transistoren T1, T2) als Signalstrom weitergeführt wird.
Der p-Kanal-Feldeffekttransistor 227 (Transistor TQ2) fungiert als Stromquelle (Strom IQ2); eine solche kann – bei alternativen, hier nicht gezeigten Ausführungsbeispielen – auch entsprechend andersartig ausgestaltet bzw. ausgeführt sein, als in 2 dargestellt.
Der p-Kanal-Feldeffekttransistor 228 (Transistor TC) dient als Kaskode, um den mit der Leitung 211 verbundenen Eingangsknoten auf einem vordefinierten Potential zu halten.
Wie aus 2 weiter hervorgeht, fungiert der n-Kanal-Feldeffekttransistor 204 (Transistor TQ1) als Stromsenke (Strom IQ1); die n-Kanal-Feldeffekttransistoren 202 und 203 (Transistoren T1, T2) werden also von einem Strom durchflossen, der sich aus der Differenz zwischen den o. g. Strömen IQ2 und IQ1, und dem o. g. Strom I_in ergibt.
Durch das – bereits oben erwähnte – Vorspannen des n-Kanal-Feldeffekttransistors 202 (Transistor T1) mit Hilfe der Spannungsquelle 252 wird dessen Gate konstant auf der o. g. Spannung U_refc1 gehalten.
Der n-Kanal-Feldeffekttransistor 202 (Transistor T1) fungiert als Kaskode.
Mit der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung 200 wird ein Tiefpassfilter höherer Ordnung geschaffen, bei dem die Übertragungsfunktion eine einstellbare Nullstelle mit – einstellbar – positivem oder negativem Vorzeichen aufweist (und damit – einstellbar – Phasen-Nacheilung, oder Phasen-Voreilung), und einen ebenfalls einstellbaren – komplexen – Doppelpol:
Die Feldeffekttransistoren 202, 203, 204, 227 und 228 (Transistor T1, T2, TQ1, TQ2 und TC) bilden eine in sich geschlossene Regelschleife, welche eine sehr hohe Verstärkung aufweist.
Innerhalb der Schleife wird durch die Kapazität C1 des Kondensators 205, die Kapazität C2 des Kondensators 206, die Steilheit gm1 des Drain-Source-Stroms des Feldeffekttransistors 203, und die Steilheit gm2 des Drain-Source-Stroms des Feldeffekttransistors 202 der o. g. – komplexe – Doppelpol gebildet.
Bei der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung sind die n-Kanal-Feldeffekttransistoren 221, 220 (Transistoren T3, T4), und der Lastwiderstand 250 für die eigentliche Filterfunktion nicht zwingend notwendig; sie dienen zur Auskopplung und Weiterverarbeitung des Ausgangs-Signals (hier: die an der Leitung 244 abgreifbare Spannung U_out).
Dadurch kann zum Einen die Möglichkeit einer Kaskadierung von Filterblöcken erreicht werden (d. h. die Möglichkeit, mehrere, der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung 200 entsprechende (identische oder ähnliche) Schaltungsanordnungen hintereinander zu schalten); zum Anderen kann eine lineare Signalverstärkung realisiert werden.
Wie aus 2 hervorgeht, wird zur Realisierung der o. g. Nullstelle ein zusätzliches Signal in die Schaltungsanordnung 200 eingespeist, und zwar eine an der o. g. Leitung 212 anliegende Spannung U_in, welche proportional zum o. g. Strom In gewählt wird (und gemäß der Beziehung U_in = R1 I_in unter Verwendung eines entsprechenden Widerstands aus dem Strom I_in gewonnen werden kann).
Mit Hilfe der Verstärkungs-Einrichtung 230 wird das an der Leitung 212 (d. h. am Eingang der Verstärkungs-Einrichtung 230) anliegende Signal (hier: die Spannung U_in) um einen bestimmten Verstärker-Faktor k verstärkt, und das verstärkte Signal an den – eine Kapazität C3 aufweisenden – Kondensator 207 weitergeleitet.
Mit dem Verstärker-Faktor k – welcher positiv oder negativ sein kann – kann das Vorzeichen der o. g. Nullstelle eingestellt werden.
Die oben in Zusammenhang mit 1, und der dort gezeigten Schaltungsanordnung 100 erwähnten Filterkoeffizienten ao, a1, a2, a3, az, ai hängen wie folgt mit den Schaltungsparametern der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung 200 zusammen:
ai = 1/R1
ao = –gm1/gm2
az = k R1 C3/gm1
a1 = 1/C1
a2 = gm1 gm2/(C2 + C3)
a3 = 1/gm1
Daraus ergibt sich die Resonanzfrequenz des Doppelpolsystems zu
und die Dämpfung zu
Die positive/negative Nullstelle ergibt sich zu f_z = gm2 / 2π(C2 + C3 – kR1gm2C3)
Durch geeignete Wahl des Verstärker-Faktors k (positiv, oder negativ) kann die Nullstellenfrequenz entsprechend positiv oder negativ eingestellt werden, was in der Gesamt-Übertragungsfunktion der Filter-Schaltungsanordnung 200 – bei positiver Nullstelle – zu einer Phasenvoreilung, und – bei negativer Nullstelle – zu einer Phasennacheilung führt.
Als Beispiel für eine relativ einfache Realisierung eines positiven oder negativen Verstärker-Faktors k kann angegeben werden, dass die in 2 gezeigte Schaltungsanordnung 200 – auf entsprechende Weise – zusätzlich noch ein weiteres Mal aufgebaut wird (weitere Schaltungsanordnung 200' – nicht dargestellt -), sodaß sich insgesamt eine differentielle Filterstufe ergibt.
Indem der Eingang der Verstärkungs-Einrichtung 230 der Schaltungsanordnung 200, und der Eingang der – entsprechenden – weiteren Verstärkungs-Einrichtung 230' der weiteren Schaltungsanordnung 200' einmal mit dem einen oder dem anderen Eingangs-Strom der differentiellen Stufe verknüpft wird, ändert sich das Vorzeichen von k.
Wie sich aus den oben angegebenen Formeln ergibt, kann die Konfiguration der Filterresonanzfrequenz zum Einen durch die Wahl der Transistor-Steilheiten gm1 und/oder gm2 des Feldeffekttransistors 202 und/oder 203 erfolgen. Zum Anderen können auch die Kapazitäten C1 und/oder C2 und/oder C3 der Kondensatoren 205 und/oder 206 und/oder 207 entsprechend verändert werden; alternativ sind auch beliebige Kombinationen dieser Möglichkeiten denkbar.
Zur Einstellung der Werte für gm1 und/oder gm2 und/oder C1 und/oder C2 und/oder C3 können im Prinzip beliebige analoge oder digitale Schaltungen verwendet werden; insbesondere zur Einstellung der Kapazitäten C1 und/oder C2 und/oder C3 ist die Verwendung entsprechender digitaler Schaltungen von Vorteil (mit deren Hilfe die entsprechenden Werte digital programmiert werden können).
Insbesondere bei Anwendungen, bei denen die Filter-Schaltungsanordnung 200 in größere Systeme eingebettet wird, ist eine einfache digitale Programmierung der Filtereigenschaften von großem Nutzen.
Entsprechendes wie oben gesagt gilt auch für die Einstellung der Koeffizienten der Nullstelle (k, R1), usw.
Bei einer weiteren alternativen Variante der Schaltungsanordnung 200 können die dort vorgesehenen Transistoren – statt wie beim oben erläuterten Ausführungsbeispiel in NMOS- bzw. PMOS-Technologie – z. B. auch in Bipolar- bzw. BiCMOS-Technologie ausgeführt sein.
Alternativ ist z. B. auch eine komplementäre Schaltungsrealisierung denkbar, bei der statt NMOS-PMOS-Transistoren verwendet werden, und umgekehrt statt PMOS-NMOS-Transistoren.
Im folgenden wird anhand von 3 ein weiteres, alternatives Beispiel für eine das oben anhand von 1 erläuterte Tiefpassfilter-Prinzip verwirklichende Schaltungsanordnung 1200 näher erläutert.
Wie aus 3 hervorgeht, weist die dort gezeigte Tiefpassfilter-Schaltungsanordnung 1200 vier n-Kanal-Feldeffekttransistoren 1202, 1203, 1208, 1204 auf (Transistor T1, Transistor T2, Transistor T5, und Transistor TQ1), sowie zwei p-Kanal-Feldeffekttransistoren 1227, 1228 (Transistor TQ2, und Transistor TC), mehrere Kondensatoren 1205, 1206, 1207 (hier: die drei Kondensatoren C1, C2, C3) und – optional – mehrere weitere Transistoren (hier: die n-Kanal-Feldeffekttransistoren 1220, 1221 (Transistor T4, und Transistor T3)).
Der Drain des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1208 ist über eine Leitung 1210 mit dem Drain des p-Kanal Feldeffekttransistors 1227 verbunden, dessen Source an die Versorgungsspannung angeschlossen ist, sowie mit der Source des p-Kanal-Feldeffekttransistors 1228.
Das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1208 ist über eine Leitung 1217 mit einer Verstärkungs-Einrichtung 1230 verbunden.
Des weiteren ist die Source des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1208 über eine Leitung 1216 mit einem – einen ohmschen Widerstand R1 aufweisenden, an Masse angeschlossenen – Widerstand 1248 verbunden, sowie mit dem Drain des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1202.
Das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1202 ist über eine Leitung 1212 mit dem Kondensator 1206 verbunden, der über Leitungen 1213, 1214 mit der Source des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1202 verbunden ist, sowie über die Leitung 1213, und eine Leitung 1216 mit dem Drain des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1203, und über eine Leitung 1215 mit dem Kondensator 1207, der an den Ausgang der o. g. Verstärkungs-Einrichtung 1230 angeschlossen ist.
Die Source des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1203 ist an Masse angeschlossen.
Des weiteren ist das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1203 über eine Leitung 1218 an den Kondensator 1205 angeschlossen, der – ebenfalls – an Masse angeschlossen ist, und über eine Leitung 1219 (bzw. die Leitung 1219, und eine Leitung 1240) an den Drain des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1204 (dessen Source an Masse angeschlossen ist), und den Drain des p-Kanal-Feldeffekttransistors 1228.
Das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1221 ist über eine Leitung 1241 an den Drain des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1204 und an den Drain des p-Kanal-Feldeffekttransistors 1228 angeschlossen, sowie an das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1203, und den Kondensator 1205.
Die Source des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1221 ist an Masse angeschlossen.
Der Drain des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1221 ist über eine Leitung 1242 mit der Source des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1220 verbunden.
Das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1220 ist über eine Leitung 1243 an das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1202 angeschlossen, und an den Kondensator 1206, und der Drain des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1220 über eine Leitung 1244 an einen mit einer Leitung 1245 verbundenen Lastwiderstand 1250.
Die Leitung 1245 ist i. A. mir der (positiven) Versorgungsspannung verbunden, oder mit einer Spannung, welche den Gleichspannungswert (Arbeitspunkt) von U_out festlegt.
Wie aus 3 hervorgeht, ist das Gate des p-Kanal-Feldeffekttransistors 1228 mit Hilfe einer Spannungsquelle 1251 auf eine Spannung U_refc2 vorgespannt.
Des weiteren ist das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1202 (und das Gate des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1220) mit Hilfe einer Spannungsquelle 1252 auf eine Spannung U_refc1 vorgespannt.
Als Eingangssignal dient bei der in 3 gezeigten Schaltungsanordnung 1200 die an der Leitung 1217 anliegende Spannung U_in (also anders als bei der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung 200 kein Strom-Signal (dort: der an der Leitung 211 anliegende Strom I_in), sondern ein Spannungs-Signal)). Im Übrigen ist die Filterkonfiguration der in 3 gezeigten Schaltungsanordnung 1200 im Wesentlichen vom Grundsatz her identisch wie diejenige der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung 200 – insbesondere weisen beide Schaltungsanordnungen 200, 1200 einen – im Wesentlichen identischen – Signalpfad auf.
Allerdings ändern sich durch die zusätzliche Verwendung des n-Kanal-Feldeffekttransistors 1208 (Transistor T5), und des Widerstands 1248 (Widerstand R1) die Filterkennfrequenzen.
Die Resonanzfrequenz ergibt sich zu
und die Dämpfung zu
Für die positive/negative Nullstelle gilt (identisch wie bei der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung): f_z = gm2 / 2π(C2 + C3 – kR1gm2C3)
Entsprechend ähnlich wie bei der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung 200 kann auch bei der in 3 gezeigten Schaltungsanordnung 1200 das Vorzeichen der Nullstelle geändert werden (insbesondere so, dass sich eine negative Nullstelle ergibt (und ein negativer Verstärker-Faktor k)), indem die in 3 gezeigte Schaltungsanordnung 1200 (Filterstufe) – auf entsprechende Weise – zusätzlich noch ein weiteres Mal aufgebaut wird (weitere Schaltungsanordnung 1200' (weitere Filterstufe) – nicht dargestellt -), und die beiden Filterstufen auf differentielle Weise miteinander verschaltet werden.
Der Eingang der Verstärkungs-Einrichtung 1230 der Schaltungsanordnung 1200 ist dann zum Einen mit der Leitung 1217 verbunden (so wie auch in 3 dargestellt), und – zusätzlich – zum Anderen mit einer (der Leitung 1217 entsprechenden) Leitung 1217' der (der Verstärkungs-Einrichtung 1230 entsprechenden) Verstärkungs-Einrichtung 1230' (ebenfalls nicht dargestellt) der Schaltungsanordnung 1200'.
Entsprechend ist der Eingang der Verstärkungs-Einrichtung 1230' der Schaltungsanordnung 1200' zum Einen mit der Leitung 1217', und – zusätzlich – zum Anderen mit der Leitung 1217 der Verstärkungs-Einrichtung 1230 verbunden, wodurch die positive bzw. negative Nullstelle realisiert wird.
Des weiteren wird der Widerstand 1248 (Widerstand R1) der Schaltungsanordnung 1200 dann nicht – wie in 3 gezeigt – mit Masse verbunden, sondern – spiegelverkehrt – an die weitere Schaltungsanordnung 1200' angeschlossen (insbesondere an den dort in entsprechender Weise vorgesehenen (ebenfalls anders als in 3 dargestellt nicht mit Masse verbundenen) Widerstand 1248' (Widerstand R1') (ebenfalls nicht dargestellt)), so dass sich insgesamt eine vollkommen symmetrische Schaltung ergibt.
Bei einer weiteren alternativen Variante der in 3 gezeigten Schaltungsanordnung 1200 können die dort vorgesehenen Transistoren – statt wie beim oben erläuterten Ausführungsbeispiel in NMOS- bzw. PMOS-Technologie – z. B. auch in Bipolar- bzw. BiCMOS-Technologie ausgeführt sein, usw.
Alternativ ist z. B. auch eine komplementäre Schaltungsrealisierung denkbar, bei der statt NMOS-PMOS-Transistoren verwendet werden, und umgekehrt statt PMOS-NMOS-Transistoren.
Bei weiteren, alternativen Varianten kann eine Vielzahl (z. B. zwei, drei oder mehr) der in 2 oder 3 gezeigten Filter-Schaltungsanordnungen 200, 1200 hintereinandergeschaltet werden (Kaskadierung), wobei – anders als im Stand der Technik – das Auftreten unerwünschter, parasitärer Filter verhindert werden kann.
Bezugszeichenliste

100: Tiefpassfilter-Schaltungsanordnung
101: Subtraktionselement
102: Subtraktionselement
114a: Verstärkungselement
114b: Verstärkungselement
114c: Verstärkungselement
114d: Verstärkungselement
114e: Verstärkungselement
114f: Verstärkungselement
115: Signal-Leitung
116: Signal-Leitung
117: Signal-Leitung
118: Signal-Leitung
119: Signal-Leitung
120: Signal-Leitung
121: Integrator
122: Integrator
123: Integrator
124: Signal-Leitung
125: Signal-Leitung
126: Signal-Leitung
127: Signal-Leitung
128: Signal-Leitung
129: Signal-Leitung
130: Signal-Leitung
131: Signal-Leitung
132: Signal-Leitung
200: Schaltungsanordnung
202: n-Kanal-Feldeffekttransistor
203: n-Kanal-Feldeffekttransistor
204: n-Kanal-Feldeffekttransistor
205: Kondensator
206: Kondensator
207: Kondensator
210: Leitung
211: Leitung
212: Leitung
213: Leitung
214: Leitung
215: Leitung
216: Leitung
218: Leitung
219: Leitung
220: n-Kanal-Feldeffekttransistor
221: n-Kanal-Feldeffekttransistor
227: p-Kanal-Feldeffekttransistor
228: p-Kanal-Feldeffekttransistor
230: Verstärkungs-Einrichtung
240: Leitung
241: Leitung
242: Leitung
243: Leitung
244: Leitung
245: Leitung
250: Lastwiderstand
251: Spannungsquelle
252: Spannungsquelle
1200: Schaltungsanordnung
1202: n-Kanal-Feldeffekttransistor
1203: n-Kanal-Feldeffekttransistor
1204: n-Kanal-Feldeffekttransistor
1208: n-Kanal-Feldeffekttransistor
1205: Kondensator
1206: Kondensator
1207: Kondensator
1210: Leitung
1212: Leitung
1213: Leitung
1214: Leitung
1215: Leitung
1216: Leitung
1217: Leitung
1218: Leitung
1219: Leitung
1220: n-Kanal-Feldeffekttransistor
1221: n-Kanal-Feldeffekttransistor
1227: p-Kanal-Feldeffekttransistor
1228: p-Kanal-Feldeffekttransistor
1230: Verstärkungs-Einrichtung
1240: Leitung
1241: Leitung
1242: Leitung
1243: Leitung
1244: Leitung
1245: Leitung
1248: Widerstand
1250: Lastwiderstand
1251: Spannungsquelle
1252: Spannungsquelle

Claims

Filter-Schaltungsanordnung (100, 200, 1200) höherer Ordnung, bei welcher pro Filter-Ordnung ein Energiespeicher (121, 122, 123, 205, 206, 207, 1205, 1206, 1207) vorgesehen ist, und bei welcher die Übertragungsfunktion einen Doppelpol aufweist, der von einem ersten und einem zweiten jeweils einen Energiespeicher aufweisenden Integrator (121, 122) gebildet wird, welche in einer ersten Regelschleife angeordnet sind, und eine Nullstelle, die von einem weiteren, einen Energiespeicher aufweisenden Integrator (123) gebildet wird, der in einer weiteren, in der ersten Regelschleife liegenden Regelschleife angeordnet ist.
Filter-Schaltungsanordnung (100, 200, 1200) höherer Ordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Ordnung höher als zwei ist.
Filter-Schaltungsanordnung (100, 200, 1200) höherer Ordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher mindestens einer der Integratoren (121, 122, 123) zusätzlich einen Transistor umfasst.
Filter-Schaltungsanordnung (100, 200, 1200) höherer Ordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Energiespeicher (205, 206, 207, 1205, 1206, 1207) Kondensatoren sind.
Filter-Schaltungsanordnung (100, 200, 1200) höherer Ordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Lage der Nullstelle einstellbar ist.
Filter-Schaltungsanordnung (100, 200, 1200) höherer Ordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Lage des Doppelpols einstellbar ist.
Filter-Schaltungsanordnung (100, 200, 1200) höherer Ordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche keine Operationsverstärker aufweist.