DE102006003379B4

DE102006003379B4 - Elektrisches Filter

Info

Publication number: DE102006003379B4
Application number: DE102006003379A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Klein; Herbert Dipl.-Ing. Kebinger
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-01-24
Filing date: 2006-01-24
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2026-01-25
Also published as: US7528680B2; US20070188266A1; DE102006003379A1

Abstract

Elektrisches Filter (100; 300; 500) mit einem ersten Anschluss (100a), einem zweiten Anschluss (100b), einem dritten Anschluss (100c) und einem vierten Anschluss (100d) mit folgenden Merkmalen:
einer ersten Induktivität (110), die zwischen den ersten Anschluss (100a) und den zweiten Anschluss (100b) geschaltet ist;
einer zweiten Induktivität (120), die zwischen den dritten Anschluss (100c) und den vierten Anschluss (100d) geschaltet ist;
einer ersten Kapazität (130, 130'), die zwischen den ersten Anschluss (100a) und ein Bezugspotential geschaltet ist; und
einer zweiten Kapazität (140, 140'), die zwischen den dritten Anschluss (100c) und das Bezugspotential geschaltet ist,
wobei die erste Induktivität (110) und die zweite Induktivität (120) einen Transformator bilden;
wobei der Transformator einen Koppelfaktor betragsmäßig kleiner als 1 aufweist, derart, dass das Filter (100; 300; 500) für differenzielle Signale und Gleichtaktsignale als Tiefpassfilter wirkt;
wobei eine Grenzfrequenz für differenzielle Signale größer als eine Grenzfrequenz für Gleichtaktsignale...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Filter, insbesondere auf ein elektrisches Filter, das zur Filterung externer Störungen in differenziellen Datenleitungen eingesetzt werden kann.
Bei Systemen, die zur Signalübertragung differenzielle Datenleitungen einsetzen, besteht ein wesentliches Problem darin, externe Störungen möglichst breitbandig herauszufiltern. Störungen, die beispielsweise ihre Ursache darin haben, dass starke Sender in die Datenleitungen einkoppeln, so dass diese Störungen im Allgemeinen als Gleichtaktsignale, die häufig auch als Common Mode-Signale bezeichnet werden, vorliegen. Unter einem Gleichtaktsignal wird in diesem Zusammenhang ein Signal verstanden, das auf wenigstens zwei Signalleitungen bzw. Datenleitungen im Gleichtakt auftritt. Unter Signalen, die im Gleichtakt auftreten, werden hierbei Signale verstanden, die auf den verschiedenen Datenleitungen im Idealfall ohne eine Phasenverschiebung bzw. einer zeitlichen Verschiebung auftreten. In realen Fällen werden aber auch solche Signale noch als Gleichtaktsignale bezeichnet, die eine Phasenverschiebung von betragsmäßig weniger als 30°, bevorzugt weniger als 10° zueinander aufweisen. Im Unterschied zu Störungen werden Daten über differenzielle Datenleitungen in Form differenzieller Signale transportiert, also in Form von im Wesentlichen gegenphasigen Signalen. Unter einem gegenphasigen bzw. differenziellen Signal wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein Signal verstanden, das auf den verschiedenen Datenleitungen im Idealfall eine Phasenverschiebung von 180° aufweist. In realen Fällen werden aber auch solche Signale noch als gegenphasig bzw. differenziell bezeichnet, die eine Phasenverschiebung von 150° bis 210°, bevorzugt von 170° bis 190° zueinander aufweisen.
Dabei kann die Frequenz des differenziellen Signals auch höher sein als die Frequenz der externen Störung bzw. des zugehörigen Störungssignals.
Common-Mode-Rauschfilter werden heute beispielsweise benötigt, um Störungen durch Mobiltelefone an USB-Schnittstellen zu blockieren. Andere Einsatzgebiete dieser Common-Mode-Rauschfilter liegen im Bereich von differenziellen Hoch geschwindigkeits-Transmissionsschaltkreisen zur Signalübermittlung, die nach dem bereits erwähnten USB 2.0-Standard auch nach dem unter dem Namen Firewire^® bekannten Standard IEEE 1394 in Kabel gebundenen Netzwerken und anderen LVDS-Standards (LVDS = low voltage differential signaling = differenzielle Niederspannungssignalübertragung) arbeiten. Solche Filter finden beispielsweise im Bereich einer Signalübertragung nach den Standards USB 2.0 bzw. IEEE 1394 in kleinen mobilen Geräten, wie digitalen Kameras, digitalen Videorekordern, Notebooks, PDAs (PDA = personal data assistant = persönlicher Datenassistent) und PCs Anwendung. Im Bereich anderer LVDS-Datenleitungen werden solche Filter beispielsweise bei der Signalübertragung zwischen Notebooks, PCs und LCD-Bildschirmen (LCD = liquid crystal display = Flüssigkeitskristallbildschirm) und anderen nach einem LVDS-Standard arbeitenden Peripheriegeräten eingesetzt.
Nach dem heutigen Stand der Technik werden solche Filter mit diskreten, vergleichsweise großen und teueren Transformatoren, die Ferrite zur Erhöhung der Induktivität verwenden, realisiert. Beispiele für solche Filter stellen die Filter vom Typ EXC24CD und EXC28CE von Panasonic^® bzw. der Matsushita Electronic Components Co., Ltd. dar, deren technische Daten und Anwendungsgebiete in den zugehörigen Datenblättern und einer Pressemitteilung enthalten sind, die am Anmeldetag auf der Homepage der Matsushita Electronic Components Co., Ltd., abrufbar sind. Ein weiteres Beispiel eines USB 2.0 Common-Mode-Filters stellt die Filterfamilie 1202 der Firma Coilcraft^® Inc. dar, deren technische Daten ebenfalls in den technischen Datenblättern, die beispielsweise am Anmeldetag auf der Homepage von Coilcraft^® abrufbar sind, spezifiziert sind.
Wenn sich auch die heutigen Lösungen durch einen relativ niedrigen Gleichstromwiderstand auszeichnen, übersteigen jedoch die Nachteile dieser Lösungen diesen Vorteil bei Weitem. Die Nachteile dieser Lösung bestehen insbesondere darin, dass der Unterschied der Dämpfung für die Gleichtaktmode und die Gegentakt-Mode relativ gering ist, und dass die Dämpfung der Gegentakt-Mode bei höheren Frequenzen, also beispielsweise in einem Frequenzbereich oberhalb von 1 GHz stark reduziert wird, was Messungen der typischen Dämpfung als Funktion der Frequenz in der Gleichtakt-Mode und der Gegentakt-Mode zeigen. Darüber hinaus ist der Frequenzbereich des benutzbaren differenziellen Signals durch die Eigenresonanz des Transformators bzw. des verwendeten Ferrit-Materials begrenzt. Als weiterer Nachteil entsteht häufig ein weiterer zusätzlicher Aufwand dadurch, dass Maßnahmen für einen gesonderten ESD-Schutz (ESD = electro static discharge = elektrostatische Entladung) gegenüber elektrostatischen Entladungen getroffen werden müssen, da sich diese Filter sehr häufig an den Schnittstellen von PCs oder auch anderen Geräten aus dem Bereich der Unterhaltungselektronik und der Telekommunikation befinden. Auch eine Realisierung eines mehrstufigen Filterkonzeptes nach dem Stand der Technik ist besonders nachteilig, da in diesem Fall eine Hintereinanderschaltung mehrerer, vergleichsweise großer Bauelemente notwendig ist. Häufig steht, gerade im Bereich mobiler Anwendungen, der hierfür notwendige Bauraum nicht zur Verfügung.
5a zeigt ein Schaltbild eines Transformatorfilters 800. Zwischen einen ersten Anschluss 800a und einen zweiten Anschluss 800b ist eine erste Induktivität 810 mit einem Wert der elektrischen Induktivität von L1 = 25 nH, zwischen einen dritten Anschluss 800c und an einen vierten Anschluss 800d eine zweite Induktivität 820 mit einem Wert der elektrischen Induktivität von L2 = 25 nH geschaltet. Die erste Induktivität 810 und die zweite Induktivität 820 bilden hierbei einen Transformator, dessen Wicklungsanordnung durch die beiden schwarzen Punkte dargestellt und so gewählt ist, dass ein Strom, der die erste Induktivität 810 durchfließt, eine magnetischen Fluss mit dem gleichen Vorzeichen in der zweiten Induktivität 820 bewirkt. Aufgrund dieser Wicklungsorientierung der beiden Induktivitäten 810, 820 zueinander werden die beiden Induktivitäten 810, 820 auch als gleich gekoppelt bezeichnet.
Der Transformator weist hierbei einen Koppelfaktor bzw. Kopplungsfaktor K auf, der bei ungefähr 1 liegt. Als Koppelfaktor K ist hierbei das Verhältnis einer Gegeninduktivität M (Mutual Inductance) einer der beiden Induktivitäten 810, 820 bezogen auf die jeweils andere Induktivität 810, 820 und der Wurzel aus dem Produkt der beiden Werte L1 und L2 der beiden Induktivitäten 810, 820 definiert. Es gilt also
Der Transformator weist somit eine von dem Koppelfaktor K abhängige Gesamtinduktivität bzw. effektive Induktivität Lges auf, die die Beziehung Lges = L1 + L2 + 2M mit der von dem Koppelfaktor K abhängigen Gegeninduktivität M erfüllt.
Gemäß dem Stand der Technik wird also ein induktives Filter, das auch als L-Filter bezeichnet wird, verwendet. Zur Filterung wird ein gekoppeltes Spulenpaar bzw. ein Transformator mit einer hohen Induktivität verwendet, wobei die Kopplung der Spulen bzw. Induktivitäten in dem Transformator nahe 1 ist. Der Transformator stellt im Gleichtakt somit einen Tiefpassfilter dar, da in dieser Mode die Induktivitäten mitkoppeln, so dass auch die Impedanz aufgrund der hohen resultierenden effektiven Induktivität, wie auch die daraus resultierende Dämpfung sehr hoch wird. Für die differenziellen Mode koppeln die Induktivitäten gegen, so dass die effektive Impedanz, wie auch die daraus resultierende Dämpfung sehr niedrig wird.
Die Induktivitäten der differenziellen Mode und der Gleichtaktmode unterscheiden sich einerseits aufgrund der effektiven Schaltung, was im Gleichtakt auf Grund der resultierenden effektiven Parallelschaltung der Induktivitäten zu einer Halbierung und im Gegentakt auf Grund der effektiven Serienschaltung der Induktivitäten zu einer Verdopplung führt, und andererseits aufgrund der Kopplung, wobei ein effektiver Kopplungsfaktor K < 0 im Gegentakt und ein effektiver Kopplungsfaktor K > 0 im Gleichtakt vorliegt. Bezogen auf die in 5a gezeigten Werte L1 und L2 der beiden Induktivitäten 810, 820 ergibt sich so als Gesamtinduktivität Lges im Gleichtakt (common mode) eine effektive Induktivität L_CM = 100 nH und im Gegentakt (differential mode) als Gesamtinduktivität Lges eine effektive Induktivität L_DM etwa 0 nH.
5b zeigt für das in 5a dargestellte Schaltdiagramm eines Filters 800 eine Auftragung einer numerisch ermittelten Dämpfung S12 als Funktion einer Frequenz F eines eingekoppelten Signals für verschiedene Signalmoden und verschiedene effektive Induktivitäten. Die in 5b gezeigten Dämpfungsverläufe basieren auf einer Betrachtung, die auf einen idealen Fall beschränkt ist, bei dem also eine Berücksichtigung parasitärer Effekte, wie sie beispielsweise durch (parasitäre) Induktivitäten, (parasitäre) Kapazitäten und/oder (parasitäre) Widerstände hervorgerufen werden können, nicht berücksichtigt werden. Insbesondere zeigt 5b einen Dämpfungsverlauf 900 der sich für das in 5a gezeigte Filter 800 im Falle einer Gegenkopplung ergibt und in 5b auch mit DM für differential mode bezeichnet ist. Der Dämpfungsverlauf 900 zeigt keine Abhängigkeit von der Frequenz F, sondern verharrt monoton bei einem Wert von etwa 0 dB. Der Grund hierfür liegt in der nahezu verschwindenden effektiven Induktivität L_DM des in 5a gezeigten Filters 800 im Gegentakt, mit dem auch die Impedanz und damit die Dämpfung des Filters 800 verschwindet. Darüber hinaus zeigt 5b einen Dämpfungsverlauf 910 für den in 5a gezeigten Filter 800 im Gleichtakt für eine effektive Induktivität L_CM = 100 nH, die in 5b auch als CM für common mode bezeichnet ist. Der Dämpfungsverlauf 910 zeigt mit steigender Frequenz F ausgehend von einem Wert der Dämpfung von etwa 0 dB einen monoton fallenden Verlauf. Basierend auf einer effektiven Induktivität im Gleichtakt von L_CM = 100 nH ergibt sich so beispielsweise bei einer Frequenz von etwa 1 GHz eine effektive Dämpfung von ca. 11 dB.
Um zu demonstrieren, dass bei einem solchen L-Filter mit einem Koppelwert K von ungefähr 1 zur Erzielung einer sehr hohen Dämpfung im Gleichtakt (CM-Attenuation) auch eine sehr hohe effektive Induktivität L_CM erforderlich ist, ist in 5b darüber hinaus ein Dämpfungsverlauf 920 gezeigt, dem eine effektive Induktivität im Gleichtakt von L_CM = 800 nH, also im Falle einer symmetrischen Aufteilung der Induktivitäten L1 und L2 der beiden Induktivitäten 810 und 820 von jeweils 200 nH zugrunde liegt. Durch diese Vergrößerung der Werte L1 und L2 der Induktivitäten 810 und 820 ist es zwar möglich, beispielsweise eine Dämpfung von etwa 29 dB bei etwa 1 GHz zu erreichen, dies erfordert jedoch eine erhebliche Vergrößerung der Induktivitäten L1 und L2 der beiden Induktivitäten 810, 820 des Transformators des in 5a gezeigten Filters. Eine solche Vergrößerung bedingt im Allgemeinen auch einen erheblichen Zuwachs an benötigtem Bauraum, der häufig, insbesondere bei mobilen Anwendungen, nicht zur Verfügung steht.
Die DE 2554799 C2 bezieht sich auf eine Anordnung zur Erfassung seismischer Daten. Das Dokument beschreibt hierbei ein Schaltbild einer Hintereinanderschaltung eines Gleichtakt- und eines Gegentaktfilters einer Eingabeschaltung für eine solche Anordnung.
Die EP 1142106 B1 bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung für die Verstärkung elektrischer Signale und beschreibt ein passives Ausgangsfilter zur Verwendung in einer Vollbrücken- oder H-Brückenschaltung.
Die US 6,781,481 B1 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Filterung elektromagnetischer Interferenzen von einem Signal an einem Eingangs-/Ausgangs-Anschluss. Das Verfahren und die Vorrichtung sind insbesondere zur Filterung elektromagnetischer Interferenzen an USB-Schnittstellen vorgesehen. Ein elektromagnetisches Interferenzfilter ist hierbei in der Lage, differenzielle Signale und einpolige Signale zwischen zwei Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen mit unterschiedlichen Bandbreiten zu filtern.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein elektrisches Filter mit einer verbesserten Filtercharakteristik für Gleichtaktsignale und differenzielle Signale zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Filter gemäß Anspruch 1 gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße elektrisches Filter mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss, einem dritten Anschluss und einem vierten Anschluss weist eine erste Induktivität, die zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet ist, eine zweiten Induktivität, die zwischen den dritten Anschluss und den vierten Anschluss geschaltet ist, eine erste Kapazität, die zwischen den ersten Anschluss und ein Bezugspotential geschaltet ist, und eine zweite Kapazität, die zwischen den dritten Anschluss und das Bezugspotential geschaltet ist, auf, wobei die erste Induktivität und die zweite Induktivität einen Transformator bilden, und wobei der Transformator einen Koppelfaktor betragsmäßig kleiner als 1 aufweist, derart, dass das Filter für differenzielle Signale und Gleichtaktsignale als Tiefpassfilter wirkt, wobei eine Grenzfrequenz für differenzielle Signale größer als eine Grenzfrequenz für Gleichtaktsignale ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein elektrisches Filter mit einer verbesserten Filtercharakteristik für differenzielle Signale und Gleichtaktsignale dadurch erreicht werden kann, indem ein LC-Filter unter Verwendung eines Transformators mit einem betragsmäßig kleineren Koppelfaktor als 1 verwendet wird.
Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Filter handelt es sich um ein LC-Tiefpassfilter, also um ein Filter, das sowohl eine Induktivität, wie auch eine Kapazität aufweist. Hierdurch unterscheidet sich das erfindungsgemäße Filter deutlich von dem aus dem Stand der Technik bekannten L-Filter, das eine Induktivität, aber keine Kapazität umfasst. Der induktive Anteil des erfindungsgemäßen elektrischen Filters wird, wie im Stand der Technik, durch ein gekoppeltes Spulenpaar bzw. ein gekoppeltes Paar zweier Induktivitäten, die einen Transformator bilden, mit hohen Induktivitätswerten gebildet. Die beiden Induktivitäten des Transformators weisen eine Kopplung mit einem Koppelfaktor auf, der betragsmäßig kleiner als 1 ist.
Durch Verwendung eines Transformators mit einem Koppelfaktor, der betragsmäßig kleiner als 1 ist, ergibt sich so als eine Gesamtinduktivität eine von 0 verschiedene effektive Induktivität des erfindungsgemäßen Filters für differenzielle Signale. Hierdurch ist das erfindungsgemäße Filter in der Lage, auch für differenzielle Signale als LC-Tiefpassfilter zu wirken, so dass auch für differenzielle Signale eine gezielte LC-Tiefpassfilterwirkung erreicht werden kann. Dies stellt gegenüber einem herkömmlichen Filter gemäß dem Stand der Technik einen signifikanten Vorteil dar, da bei diesen Filtern aufgrund der im Wesentlichen vollständigen Kopplung mit einem Koppelfaktor von ungefähr 1 die effektive Induktivität für differenzielle Signale verschwindet, so dass auch keine LC-Filterwirkung mehr vorliegt. Das erfindungsgemäße Filter weist somit eine Grenzfrequenz für differenzielle Signale und eine Grenzfrequenz für Gleichtaktsignale auf. Das erfindungsgemäße Filter ermöglicht es so, im Gleichtakt bzw. als Gleichtaktsignale auftretende Störsignale breitbandig herauszufiltern, während gleichzeitig ein differenzielles Nutzsignal bzw. differenzielles Signal durch das erfindungsgemäße Filter nur gering gedämpft wird.
Hierdurch stellt das erfindungsgemäße Filter ein Tiefpassfilter mit typischerweise einer tiefen Grenzfrequenz für Gleichtaktsignale und einen Tiefpassfilter einer typischerweise höheren Grenzfrequenz für differenzielle Signale dar, was insbesondere für die angestrebten Einsatzgebiete im Bereich hochfrequenter Signalübertragung deutliche Vorteile liefert.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Filters stellt die Möglichkeit dar, durch eine entsprechende Dimensionierung bzw. durch eine Variation der Kapazitäten, der Induktivitäten und des Koppelfaktors des Transformators die Grenzfrequenz für differenzielle Signale und Gleichtaktsignale im Prinzip beliebig gewählt werden.
Heute übliche Transformatoren weisen typischerweise Koppelfaktoren auf, die betragsmäßig annähernd bei 1 liegen, so dass ein erfindungsgemäßes LC-Filter in diskreter Bauweise nicht realisiert werden kann. Werden hingegen ungekoppelte Induktivitäten verwendet, weist das resultierende elektrische Filter identische Filtercharakteristiken für Gleichtaktsignale und differenzielle Signale auf. Es hat sich gezeigt, dass Filter mit gewünschten Charakteristika unter Verwendung eines Koppelfaktors zwischen 0,05 und 0,95 und bevorzugt zwischen 0,25 und 0,75 implementiert werden können.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen elektrischen Filters besteht darin, dass das erfindungsgemäße Filter in Form integrierter Schaltungen (IC = integrated circuit), beispielsweise auf Silizium-Basis, zusammen mit eventuell anderen Schaltungen bzw. Schaltungseinheiten raumeffizient hergestellt und realisiert werden kann. Zu diesen Schaltungseinheiten zählen beispielsweise Schaltungseinheiten bzw. Bauelemente, die dem ESD-Schutz (ESD = electro static discharge = elektrostatische Entladung) dienen, so dass als weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung das erfindungsgemäße Filter mit Bauelementen integriert werden kann, die beispielsweise einen ESD-Schutz realisieren oder anderen Funktionen dienen. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße elektrische Filter in einer integrierten Schaltung auf Silizium mit Spulen, Kondensatoren und eventuell ESD-Dioden und ESD-Transistoren realisiert werden. Der Vorteil, der sich durch die Ausgestaltung als integrierte Schaltung ergibt, besteht somit darin, dass gegenüber der diskreten Lösung komplexere Schaltungen aufgebaut werden können, ohne damit die Kosten und die Baugröße wesentlich zu erhöhen. Durch die Verwendung von integrierten Schaltungen kann das erfindungsgemäße Filter natürlich auch zusammen mit anderen Schaltungen und allen weiteren auf integrierten Schaltkreisen realisierbaren Bauelementen integriert werden.
Als weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung können, wie bei klassischen passiven Filtern auch, neben einstufigen Filtern, auch mehrstufige erfindungsgemäße Filter hergestellt und implementiert werden. Hierbei können die in jeder Filterstufe implementierten Induktivitäten, Kapazitäten und Transformatoren an die jeweilige Anwendung gezielt angepasst und optimiert werden. Hierdurch ist es möglich, die resultierende Filtercharakteristik den Erfordernissen der Anwendung gezielt anzupassen. Insbesondere ist durch eine Hintereinanderschaltung mehrerer Filterstufen eine Verbesserung der Filtercharakteristik erzielbar.
Die vorliegende Erfindung stellt somit ein elektrisches Filter für differenzielle Datenleitungen dar, bei denen externe Störungen im Gleichtakt, beispielsweise durch die Einkopplung starker Sender, breitbandig herausgefiltert werden können. Hierbei kann die Frequenz des differenziellen Signals auch höher sein als die Frequenz der externen Störung. Gleichzeitig wird das differenzielle Nutzsignal nur gering gedämpft. Anwendbar ist ein erfindungsgemäßes Filter in allen Filter-Produkten, die eine hohe Packungsdichte aufweisen, also beispielsweise im Bereich von USB-Schnittstellen, bei denen beispielsweise Störungen durch Mobiltelefone entstehen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a und 1b ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Filters und eine Darstellung zweier Dämpfungsverläufe;
2a und 2b ein Schaltbild eines Vergleichsbeispiels und eine Darstellung zweier Dämpfungsverläufe;
3a und 3b ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Filters und eine Darstellung zweier Dämpfungsverläufe;
4a und 4b ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Filters und eine Darstellung zweier Dämpfungsverläufe; und
5a und 5b ein Schaltbild eines Transformationsfilters und eine Darstellung dreier numerisch ermittelter Dämpfungsverläufe.
Bezug nehmend auf die 1 bis 4 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Filters beschrieben.
1a zeigt ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Filters 100. Das Filter 100 weist eine erste Induktivität 110 auf, die mit einem ersten Anschluss 100a und einem zweiten Anschluss 100b des Filters 100 verbunden ist. Darüber hinaus weist das Filter 100 eine zweite Induktivität 120 auf, die mit einem dritten Anschluss 100c und einem vierten Anschluss 100d des Filters 100 verbunden ist. Die beiden Induktivitäten 110 und 120 sind induktiv miteinander gekoppelt, so dass sie einen Transformator mit einem Koppelfaktor K bilden. Die beiden Induktivitäten 110 und 120 weisen darüber hinaus eine Wicklungsorientierung auf, die durch die beiden schwarzen Punkte in 1a gekennzeichnet ist. Hierbei ist die Orientierung der Wicklungen so ausgelegt, dass wenn ein Strom die erste Induktivität 110 durchfließt und einen magnetischen Fluss mit einem positiven Vorzeichen in der ersten Induktivität 110 erzeugt, auch in der zweiten Induktivität 120 ein magnetischer Fluss mit dem gleichen Vorzeichen hervorgerufen wird. Aufgrund dieser Wicklungsorientierung der beiden Induktivitäten 110 und 120 werden die beiden Induktivitäten 110 und 120 auch als gleich gekoppelt bezeichnet. Entsprechendes gilt auch für einen Strom, der die zweite Induktivität 120 durchfließt und zu einem magnetischen Fluss in der ersten Induktivität 110 führt.
Der Koppelfaktor K gibt hierbei das Verhältnis der beiden magnetischen Flüsse in den beiden Induktivitäten an, was mit der in den einführenden Abschnitten der vorliegenden Anmeldung angegebenen Definition des Koppelfaktors K übereinstimmt. Darüber hinaus sind die vier Anschlüsse 100a, ..., 100d des Filters 100 jeweils über eine Kapazität 130, 140 mit einem Bezugspotential, also beispielsweise Masse, verbunden. Bei dem in 1a gezeigten erfindungsgemäßen elektrischen Filter 100 weisen die beiden Induktivitäten 110 und 120 jeweils einen Wert der Induktivität L1 = L2 = 30 nH auf. Der Koppelfaktor K der beiden Induktivitäten 110, 120 beträgt hier etwa 2/3 bzw. K ≈ 0,67. Alle vier Kapazitäten 130, 140 weisen eine elektrische Kapazität von 3 pF auf. Diese konkrete Dimensionierung der einzelnen Bauelemente dient als Basis für die weitere Betrachtung dieses Ausführungsbeispiels und ist nicht als einschränkend für die vorliegende Erfindung zu betrachten.
Bei dem in 1a gezeigten ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Filters 100 handelt es sich somit um einen LC-Tiefpassfilter in Pi-Form. Die Induktivität wird durch ein gekoppeltes Spulenpaar bzw. einen Transformator mit einer hohen Induktivität, aber einer gegenüber einer maximalen Kopplung (Koppelfaktor K nahe 1) reduzierten Kopplung gebildet. Die Kapazitäten 130, 140 bzw. der entsprechenden kapazitiven Beiträge in dem Filter 100 können mit Hilfe normaler Kapazitäten, also etwa Kondensatoren, und/oder den Kapazitäten von ESD-Dioden oder ESD-Transistoren gebildet werden. Da diese ESD-Bauelemente, also ESD-Dioden und ESD-Transistoren, im Allgemeinen im Bereich der Hochfrequenz wie Kapazitäten wirken, können diese Bauelemente auch in die Filterschaltung integriert werden.
Durch die Verwendung eines LC-Filters, das sowohl eine Induktivität wie auch eine Kapazität aufweist, im Vergleich zu einem L-Filter, wie er gemäß dem Stand der Technik eingesetzt wird, wird die Tiefpasscharakteristik gegenüber einem reinen L-Filter verbessert. Das LC-Tiefpassfilter 100 hat nun folgende Eigenschaften: Aufgrund des unterschiedlichen Ersatzschaltbildes im Falle des Gleichtaktes und des Gegentaktes wirkt im Fall der Gleichtakt-Mode immer die vierfache Kapazität von einem Signalleiter gegen Masse, also von einem der Anschlüsse 100a, ..., 100d gegenüber dem Bezugspotential, als im Fall der Gegentakt-Mode zwischen den beiden Signalpfaden, also zwischen dem ersten Anschluss 100a und dem dritten Anschluss 100c bzw. dem zweiten Anschluss 100b und dem vierten Anschluss 100d des Filters 100. Genauer gesagt liegt dies daran, dass im Falle des Gleichtaktes die beiden Signalpfade durch den Filter 100 eine Parallelschaltung darstellen, wohingegen im Falle einer Gegentakt-Mode die beiden Signalpfade durch das Filter 100 eine Serienschaltung darstellen. Aus dem gleichen Grund unterscheiden sich ebenfalls die wirksamen Port-Impedanzen bzw. die Anschluss-Impedanzen um einen Faktor 4. Beträgt beispielsweise im Gegentakt die Portimpedanz etwa 100 Ω so beträgt sie im Gleichtakt etwa 25 Ω. Wie weiter unten genauer erläutert wird, ergeben sich für das Filter 100 somit ebenfalls als Gesamtinduktivität unterschiedliche effektive Induktivitäten L_CM für die Gleichtakt-Mode und L_DM für die Gegentakt-Mode bzw. für differenzielle Signale. Aufgrund der oben angegebenen konkreten Dimensionierung im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die effektive Induktivität in der Gegentakt-Mode L_DM = 20 nH und in der Gleichtakt-Mode L_CM = 100 nH.
Damit in der differenziellen Mode nun überhaupt ein LC-Filterverhalten entstehen kann, muss der Koppelfaktor K des Transformators betragsmäßig kleiner als 1 werden, da sonst die effektive Induktivität L_DM aufgrund der Gegenkopplung in der differenziellen Mode sehr klein bzw. quasi 0 wird. Ohne eine effektive Induktivität bzw. mit einer verschwindenden effektiven Induktivität (L_DM ≈ 0 nH) weist das Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Filters jedoch nur eine Kapazität bezüglich eines Bezugspotentials, also beispielsweise Masse, auf, so dass eine differenzielle Mode einer Schwingung nur aufgrund dieser Kapazität gegen Masse eine mit der Frequenz zunehmende Fehlanpassung bzw. Dämpfung erfährt. Im Fall einer verschwindenden effektiven Induktivität (L_DM ≈ 0 nH) beruht die Filterwirkung also nur auf der Existenz einer (effektiven) Kapazität gegen Masse. Mit andern Worten würde eine differenzielle Mode in diesem Fall nur eine Kapazität gegen Masse „sehen”, die zu einer mit der Frequenz zunehmenden Fehlanpassung führen würde. Die Verwendung eines Transformators mit einem Koppelfaktor K, der betragsmäßig kleiner 1 ist, stellt somit einen wesentlichen Kern der vorliegenden Erfindung dar.
Eine Möglichkeit, einen Transformator mit einem Koppelfaktor K, der betragsmäßig kleiner als 1 ist, zu realisieren, besteht darin, die beiden Leiter des Transformators, die die beiden Induktivitäten 110, 120 bilden, durch einen Abstand der beiden Leiter zueinander zu implementieren. Hierbei wird der Koppelfaktor K betragsmäßig kleiner, je größer der Abstand der beiden Leiter zueinander wird.
Die beiden effektiven Induktivitäten unterscheiden sich einerseits aufgrund der effektiven Schaltung, wobei im Fall der Gleichtakt-Mode und bei einer symmetrischen Auslegung des Filters 100, wie dies 1a zeigt, aufgrund der resultierenden Parallelschaltung sich die Induktivitäten effektiv halbieren, während im Fall der Gegentakt-Mode aufgrund der resultierenden Serienschaltung der beiden Pfade sich die Induktivitäten effektiv verdoppeln. Andererseits unterscheiden sich die effektiven Induktivitäten der Gleichtakt-Mode und der Gegentakt-Mode auch aufgrund der Kopplung, wobei im Falle der Gegentakt-Mode sich ein effektiver Kopplungsfaktor K < 0 und im Fall der Gleichtakt-Mode ein effektiver Kopplungsfaktor K > 0 ergibt. Unabhängig von den jeweils effektiven Impedanzwerten bzw. Kapazitätswerten liegt somit sowohl für den Fall einer Gegentakt-Mode wie auch für den Fall einer Gleichtakt-Mode ein Tiefpassfilter vor.
Durch die unterschiedlichen, wirksamen Induktivitäten L_CM und L_DM in der Gleichtakt-Mode und in der Gegentakt-Mode ergeben sich für das Tiefpassfilter 100 eine hohe Eckfrequenz bzw. Grenzfrequenz in der differenziellen Mode, also für differenzielle Signale, und eine niedrige Eckfrequenz bzw. Grenzfrequenz in der Gleichtakt-Mode, also für Gleichtaktsignale. Durch eine Variation des Koppelfaktors K und die Werte der Kapazitäten 130, 140 kann die Eckfrequenz bzw. Grenzfrequenz der Gleichtakt-Mode und der Gegentakt-Mode im Prinzip beliebig gewählt werden. Eine ideale Anpassung der Filterschaltung für beide Moden gleichzeitig ist jedoch häufig schwierig. Bei einer konkreten Auslegung eines erfindungsgemäßen Filters 100 wird häufig ein Kompromiss bezüglich der Anpassung der beiden Moden vorgenommen. Gerade in Bezug auf eine Realisierung des erfindungsgemäßen Filters in Form einer integrierten Filterschaltung, also einer integrierten Schaltung, erfordern im Allgemeinen die späteren Anwendungen die Verwendung von Bauelementen hoher Güte. Da das Gegentaktsignal bzw. das differenzielle Signal übertragen wird, wird die Schaltung normalerweise bezüglich des Gegentaktes angepasst. Für das in dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen, vorgestellten Filters 100 ergibt sich ein guter Kompromiss für einen Koppelfaktor K von ungefähr 2/3, also ungefähr 0,67.
1b zeigt eine Darstellung einer numerische ermittelten Dämpfung S12 des in 1a gezeigten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Filters 100 als Funktion der Frequenz F. 1b zeigt hierbei einen Dämpfungsverlauf 200 für den Fall einer Gegentaktmode bzw. ein differenzielles Signal (DM = differential mode) und einen Dämpfungsverlauf 210 für den Fall einer Gleichtaktmode (CM = common mode). Die in 1b gezeigten Dämpfungsverläufe 200, 210 basieren auf einer Betrachtung in einem idealen Fall, wenn also parasitäre Effekte, wie sie beispielsweise durch (parasitäre) Induktivitäten, (parasitäre) Kapazitäten und/oder (parasitäre) Widerstände hervorgerufen werden können, nicht berücksichtigt werden müssen. Beide Dämpfungsverläufe 200, 210 zeigen ausgehend von einem Dämpfungswert von etwa 0 dB bei einer Frequenz F von ungefähr 0 GHz eine monotone Abnahme mit steigender Frequenz F. Aufgrund der unterschiedlichen effektiven Induktivitäten L_CM = 100 nH in der Gleichtakt-Mode und L_DM = 20 nH in der differenziellen Mode und den entsprechenden effektiven Kapazitätswerten zeigen die beiden Dämpfungsverläufe 200, 210 zwar beide einen für einen LC-Tiefpassfilter erwarteten Verlauf der Dämpfung die zugehörigen Grenzfrequenzen unterscheiden sich jedoch deutlich. Während im Fall der Gleichtakt-Mode sich eine Grenzfrequenz von weniger als 100 MHz ergibt, liegt die Grenzfrequenz in der Gegentaktmode bei etwa 1 GHz. Als Folge ergibt sich im Bereich von Frequenzen F oberhalb von etwa 1 GHz ein Unterschied bezüglich der Dämpfung der beiden Moden von etwa 15 dB.
Der in 1a gezeigte erfindungsgemäße LC-Filter mit einem Koppelfaktor K von ungefähr 0,67 zeigt also ein Tiefpassverhalten eines 3-Pol-Filters mit einer hohen Dämpfung der Gleichtaktmode aufgrund der effektiven Induktivität L_CM = 100 nH (CM-Attenuation) und eine niedrige Dämpfung der differenziellen Mode aufgrund der resultierenden Tiefpasscharakteristik. Das erfindungsgemäße elektrische Filter 100 ermöglicht es somit in der in 1a gezeigten Auslegung, Gleichtaktsignale in einem Frequenzbereich, der etwa bei 200 MHz beginnt und bei 1 GHz endet, signifikant zu dämpfen, während ein differenzielles Signal in diesem Frequenzbereich nahezu ungedämpft das Filter 100 passieren kann. Erst im Bereich von Frequenzen oberhalb von 1 GHz werden sowohl die Gleichtaktsignale wie auch die differenziellen Signale gedämpft bzw. gefiltert, wobei in diesem Frequenzbereich die Dämpfung der differenziellen Signale etwa 15 dB unterhalb der der Gleichtaktsignale liegt.
Um den weiter oben angesprochenen Aspekt, dass nämlich der Koppelfaktor K des Transformators des erfindungsgemäßen Filters 100 betragsmäßig kleiner als 1 sein muss, um in der differenziellen Mode, also für differenzielle Signale, eine LC-Tiefpassfiltercharakteristik zu erzielen, näher zu erläutern, ist in 2a ein Schaltbild eines Vergleichbeispiels gezeigt. Dieses Vergleichsbeispiel 100' des erfindungsgemäßen Filters 100 aus 1a unterscheidet sich in Bezug auf die prinzipielle Verschaltung von dem Filter 100 nur in Bezug auf die Dimensionierung der beiden Induktivitäten 110, 120, der Dimensionierung der Kapazitäten 130, 140 und die Dimensionierung des Koppelfaktors K des die beiden Induktivitäten 110, 120 umfassenden Transformators. So weisen die beiden Induktivitäten 110, 120 jeweils eine Selbstinduktivität L1 = L2 = 25 nH auf, die Kapazitäten 130, 140 jeweils eine Kapazität von 31,6 pF und der Transformator weist einen Koppelfaktor von ungefähr 1 auf. Aufgrund der Dimensionierung der beiden Induktivitäten 110, 120 und den Koppelfaktor K von ungefähr 1 des Transformators ergibt sich so analog zu der in 5 gezeigten möglichen Lösung eines Filters 800 nach dem Stand der Technik eine effektive Induktivität im Gleichtakt L_CM = 100 nH und eine effektive Induktivität in der differenziellen Mode von etwa L_DM = 0 nH, so dass die Filterwirkung für differenzielle Signale nur in der Existenz einer Kapazität gegenüber Masse begründet ist.
2b zeigt eine Darstellung zweier Dämpfungsverläufe 200', 210' für die differenzielle Mode (DM) und die Gleichtakt-Mode (CM) des in 2a gezeigten Filters 100'. Der Dämpfungsverlauf 210' der Gleichtakt-Mode zeigt einen ähnlichen Verlauf, wie der Dämpfungsverlauf der Gleichtakt-Mode 210 des erfindungsgemäßen Filters 100, der in 1a gezeigt ist, wenn auch aufgrund der höheren effektiven Kapazität des Filters 100' in einem Frequenzbereich oberhalb von etwa 100 MHz der Dämpfungsverlauf 210' deutlich stärker als der Dämpfungsverlauf 210 mit wachsender Frequenz F fällt. Der Dämpfungsverlauf 200' der differenziellen Mode unterscheidet sich jedoch von dem Dämpfungsverlauf 200 der differenziellen Mode des Filters 100 signifikant, da, wie oben erläutert wurde, im Fall der differenziellen Mode die effektive Induktivität L_DM hier im Wesentlichen verschwindet. Hierdurch wird das Dämpfungsverhalten 200' im Wesentlichen durch die effektive Kapazität, die durch die Kapazitäten 130, 140 gegeben sind, bestimmt. Aufgrund der hohen effektiven Kapazität zeigt das Filter 100' eine hohe Dämpfung in der differenziellen Mode. Dabei weist der Dämpfungsverlauf 200' auf der in 2b gezeigten Skala keinen Frequenzbereich auf, in dem die Dämpfung S12 eine plateauartigen Bereich bei ungefähr 0 dB zeigt. In der Gleichtakt-Mode zeigt das in 2a gezeigte Filter 100' aufgrund der hohen effektiven Induktivität der Gleichtakt-Mode von L_CM = 100 nH und aufgrund der effektiven Kapazität eine sehr hohe Dämpfung.
Als Folge eines entsprechenden plateauartigen Bereichs des Dämpfungsverlaufs 210' für die Gleichtakt-Mode ergibt sich daher sogar ein Frequenzbereich bis etwa 150 MHz, in dem die Dämpfung der differenziellen Mode die Dämpfung der Gleichtakt-Mode übersteigt, in dem also das eigentliche Nutzsignal in Form der differenziellen Mode stärker gedämpft wird als die Störungen in Form der Gleichtakt-Mode.
Dieses Beispiel illustriert sehr deutlich, dass für ein erfindungsgemäßes Filter 100 ein Koppelfaktor K des Transformators, der betragsmäßig kleiner als 1 ist, essentiell wichtig ist. Typische Werte für einen erfindungsgemäßen Koppelfaktor liegen somit betragsmäßig im Bereich zwischen 0,05 und 0,95. Es hat sich herausgestellt, dass für in Betracht gezogene Anwendungen im Bereich der Telekommunikation und der Informationstechnik ein Koppelfaktor im Bereich zwischen 0,25 bis 0,75 gute Filtereigenschaften liefert. Der Koppelfaktor K ≈ 2/3 ≈ 0,67, der dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel, sowie den in den 3 und 4 gezeigten und weiter unten diskutierten Ausführungsbeispielen zu Grunde liegt, stellt für das erfindungsgemäße, hier vorgestellte Filterkonzept einen guten Kompromiss dar, der jedoch nicht als einschränkend bezogen auf den Koppelfaktor K verstanden werden darf.
Da darüber hinaus die heute üblichen diskreten Transformatoren einen Koppelfaktor K von annähernd 1 aufweisen, können erfindungsgemäße LC-Filter in diskreter Bauweise heute nicht realisiert werden. In dem Fall, dass ungekoppelte Spulen verwendet werden, dass also der „Transformator” einen Koppelfaktor K = 0 aufweist, weist das resultierende Filter ein Filterverhalten auf, das für beide Moden identisch ist. Ein erfindungsgemäßes Filter 100 setzt also einen Koppelfaktor im Bereich zwischen 0 und 1 voraus.
Wie bei klassischen LC-Filtern auch, können neben einstufigen auch beliebige, mehrstufige Filter hergestellt und implementiert werden. Hierbei können in jeder Stufe die jeweiligen Induktivitäten und Kapazitäten an die jeweilige Anwendung gezielt angepasst bzw. optimiert werden. Beispielsweise kann durch eine solche Kaskadierung bzw. Hintereinanderschaltung von Filterstufen die Filtercharakteristik verbessert werden, wie die folgenden Ausführungsbeispiele zeigen.
3a zeigt so ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Filters 300, bei dem es sich prinzipiell um eine Hintereinanderschaltung zweier Filterstufen 100-1, 100-2 des erfindungsgemäßen Filters 100, der in 1a gezeigt ist, handelt. Aufbau und Dimensionierung der beiden Filterstufen 100-1 und 100-2 unterscheiden sich von dem Aufbau und der Dimensionierung des in 1a gezeigten erfindungsgemäßen Filters 100 nur darin, dass das Filter 300 an der „Nahtstelle” der beiden Filterstufen 100-1 und 100-2 im Prinzip eine Parallelschaltung jeweils zweier Kapazitäten 130 und 140 aufweist, so dass das Filter 300 anstelle einer Parallelschaltung zweier Kapazitäten 130 bzw. 140 jeweils eine Kapazität 130' bzw. 140' aufweist, deren Kapazitätswerte im Vergleich zu den Kapazitäten 130, 140 verdoppelt sind, die also beide eine Kapazität von jeweils 6 pF aufweisen. Auch in diesem Fall weisen die beiden Filterstufe 100-1 und 100-2 analog zu dem Filter 100 in der Gegentaktmode eine effektive Induktivität L_DM = 20 nH und in der Gleichtakt-Mode eine effektive Induktivität L_CM = 100 nH auf.
3b zeigt zwei numerisch ermittelte Dämpfungsverläufe 400, 410 des in 3a gezeigten Filters 300. Bei dem in 3b auch mit DM bezeichneten Dämpfungsverlauf 400 handelt es sich um den Dämpfungsverlauf des Filters 300 in der differenziellen Mode. Der Dämpfungsverlauf 400 zeigt ein für einen Tiefpass typisches Dämpfungsverhalten mit einer Grenzfrequenz von etwa 1,05 GHz, wobei das Dämpfungsverhalten 400 in einem Frequenzbereich unterhalb der Grenzfrequenz, im Unterschied zu dem in 1b gezeigten Dämpfungsverlauf 200, eine geringe Abhängigkeit von der Frequenz F aufweist. Auch der in 2b als CM bezeichnete Dämpfungsverlauf 410 für die Gleichtakt-Mode des Filters 300 weist im Bereich unterhalb einer Grenzfrequenz der Gleichtakt-Mode, die etwa bei 500 MHz liegt, ein entsprechendes, welliges Verhalten auf. Beide Dämpfungscharakteristiken 400, 410 weisen somit in ihrem jeweiligen Durchlassbereich ein Tschebyscheff-artiges Verhalten auf, weisen also in ihrem jeweiligen Durchlassbereich einen Verlauf der Dämpfung auf, der zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert schwankt und dabei jeweils ein oder mehrere lokale Maxima oder Minima aufweist. Ein direkter Vergleich der Dämpfungscharakteristiken 400 und 200 bzw. 410 und 210 des zweistufigen Filters 300 und des einstufigen Filters 100 zeigen, dass sowohl der Dämpfungsverlauf der differenziellen Mode 400 und der Dämpfungsverlauf der Gleichtakt-Mode 410 deutlich steiler verlaufen, als die jeweiligen Dämpfungsverläufe 200 bzw. 210 des einstufigen Filters 100.
Der erfindungsgemäße LC-Filter 300 mit einem Koppelfaktor K ≈ 2/3 ≈ 0,67, bei dem es sich um einen Fünf-Pol-Filter handelt, weist somit eine hohe Dämpfung in der Gleichtakt-Mode aufgrund der effektiven Induktivität L_CM der beiden Filterstufen von etwa 2·100 nH auf. Aufgrund der Tiefpass-Filtercharakteristik in der differenziellen Mode ist die Dämpfung in der differenziellen Mode bis zu einer Grenzfrequenz von etwa 1,05 GHz sehr gering, so dass sich beispielsweise bei einer Frequenz von etwa 1 GHz eine Dämpfung der Gleichtakt-Mode gegenüber der differenziellen Mode von etwa 30 dB ergibt. Darüber hinaus zeigt das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Filters 300, dass durch die Verwendung eines Multi-Pol-Filters eine sehr hohe Dämpfung der Gleichtakt-Mode erreichbar ist.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filters 500, bei dem es sich um eine Hintereinanderschaltung dreier Filterstufen 100-1, 100-2, 100-3 des erfindungsgemäßen Filters 100, also um ein dreistufiges Filter handelt. Auch hier weicht die Dimensionierung der einzelnen Filterstufen 100-1, 100-2, 100-3 im Prinzip nicht von der in 1a gezeigten Dimensionierung des Filters 100 ab, wobei allerdings auch hier an den beiden „Nahtstellen” der Filterstufen 100-1 und 100-2 bzw. der Filterstufen 100-2 und 100-3 aufgrund der resultierenden Parallelschaltung jeweils zweier Kapazitäten 130 bzw. 140 bei dem Filter 500 an diesen Stellen jeweils Kapazitäten 130' bzw. 140' mit einer gegenüber den Kapazitäten 130 bzw. 140 verdoppelten Kapazität implementiert sind. Hiervon abgesehen unterscheiden sich die einzelnen Filterstufen 100-1, 100-2, 100-3 nicht von dem in 1a gezeigten erfindungsgemäßen Filter 100, so dass jede Filterstufe 100-1, 100-2, 100-3 in der Gleichtakt-Mode eine effektive Induktivität L_CM = 100 nH und in der differenziellen Mode eine effektive Induktivität L_DM = 20 nH aufweist. Bei dem Filter 400 handelt es sich also um einen LC-Filter mit einem Koppelfaktor K ≈ 2/3 ≈ 0,67 und um einen Sieben-Pol-Filter.
4b zeigt zwei numerische ermittelte Dämpfungsverläufe 600, 610 für den in 4a gezeigten Filter 500. Der Dämpfungsverlauf 600, der in 4b auch als DM bezeichnet ist, zeigt hierbei den Dämpfungsverlauf des Filters 500 für die differenzielle Mode. Der Dämpfungsverlauf 610, der in 4b auch als CM bezeichnet ist, zeigt den Dämpfungsverlauf des Filters 500 in der Gleichtakt-Mode. Beide Dämpfungsverläufe 600, 610 weisen eine typische Tiefpassfilter-Charakteristik mit einem Tschebyscheff-artigen Verhalten auf, wobei der Dämpfungsverlauf 600, wie bereits der Dämpfungsverlauf 400, eine wesentlich geringere Welligkeit als der Dämpfungsverlauf 610 bzw. 410 aufweist. In beiden in 4b dargestellten Dämpfungsverläufen 600, 610 liegen, ebenso wie den in den 1b, 2b, 3b und 5b dargestellten Dämpfungsverläufen, Betrachtungen zugrunde, die nur in einem idealen Fall gelten, d. h. indem eine Berücksichtigung parasitärer Effekte, wie sie beispielweise durch (parasitäre) Induktivitäten, (parasitäre) Kapazitäten und/oder (parasitäre) Widerstände hervorgerufen werden können, nicht erforderlich sind. Auch bei diesem Filter 500 zeigt sich die unterschiedliche effektive Induktivität der Gleichtakt-Mode L_CM und der effektiven Induktivität der differenzielle Mode L_DM in Form unterschiedlicher Grenzfrequenzen bzw. Eckfrequenzen für die beiden Moden. Während die Grenzfrequenz der Gleichtakt-Mode wiederum bei etwa 500 MHz liegt, liegt die Grenzfrequenz der differenziellen Mode bei etwa 1,1 GHz. Aufgrund der dreistufigen Auslegung des Filters 500 weist dieser gegenüber dem zweistufigen Filter 300 bzw. dem einstufigen Filter 100 für Frequenzen oberhalb der jeweiligen Grenzfrequenzen eine deutlich steilere Dämpfung auf, so dass beispielsweise die Dämpfung der differenziellen Mode gegenüber der Dämpfung der Gleichtakt-Mode bei dem Filter 500 bei einer Frequenz von etwa 1,1 GHz etwa 60 dB geringer ist.
Wie die drei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Filters 100, 300, 500 gezeigt haben, handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Filter um einen passiven modenselektiven Filter, der für alle Geräte mit differenziellen Schnittstellen zum Blocken von externen Störungen in Form einer Gleichtakt-Mode im Bereich von etwa 800 bis 6000 MHz eingesetzt werden kann und der auch als mehrstufiges Filter zum Einsatz gebracht werden kann. Das erfindungsgemäße Filter 100, 300, 500 weist aufgrund des betragsmäßig unterhalb von 1 liegenden Koppelfaktors des Transformators für die Gleichtakt-Mode und die Gegentakt-Mode bzw. differenzielle Mode eine Tiefpassfilter-Charakteristik auf, wobei die Grenzfrequenz der Gegentakt-Mode oberhalb der Grenzfrequenz der Gleichtakt-Mode liegt. Durch eine geeignete Auslegung bzw. Dimensionierung der Induktivitäten, des Koppelfaktors des Transformators und der Kapazitäten ist es so möglich, dass erfindungsgemäße Filter praktisch für eine nahezu beliebige Kombination von Nutzsignalen in der differenziellen Mode und Störsignalen in der Gleichtakt-Mode auszulegen, so dass die Nutzsignale das Filter passieren können, während die Störsignale von dem Filter blockiert bzw. abgeschwächt werden.
Hierbei stellen die in den 1a, 3a, 4a gezeigten Ausführungsbeispiele nur als beispielhaft zu verstehende Dimensionierungen der Filter dar. Abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen kann so auch das erfindungsgemäße Filter mit einer nicht-symmetrischen Auslegung der einzelnen Komponenten, insbesondere der Induktivitäten 110, 120 und der Kapazitäten 130, 140, 130', 140' erfolgen. Hierbei ist es beispielsweise möglich, dass das Filter 100 bzw. eine Filterstufe 100-1, 100-2, 100-3 bezüglich der Signalpfade asymmetrisch ausgelegt sein kann, dass also beispielsweise die Werte der Kapazitäten 130, 130', 140 und 140' voneinander abweichen, oder dass auch die Werte der Induktivitäten L1 und L2 der beiden Induktivitäten 110 und 120 voneinander abweichen.
Im Fall einer mehrstufigen Auslegung des Filters 300, 500 können auch die einzelnen Filterstufen 100-1, 100-2, 100-3 mit abweichenden Induktivitäten 110, 120, Kapazitäten 130, 130', 140, 140' und Transformatoren bestückt werden, wobei jede einzelne Filterstufe symmetrisch oder asymmetrisch ausgelegt werden kann.
Ebenso ist es im Falle des Filters 100 bzw. der Filterstufen 100-1, 100-2, 100-3 denkbar, eine bezüglich einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite des Filters 100 bzw. der entsprechenden Filterstufen 100-1, 100-2, 100-3 asymmetrische Auslegung bzw. eine Kombination der beiden Asymmetrien zu verwenden. Hierbei bezeichnet eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite des Filters 100 jeweils eine der beiden Seiten, deren Anschlüsse mit den beiden Induktivitäten 110, 120 verbunden sind. Ist die Signalquelle oder auch die Störquelle beispielsweise an dem ersten und dritten Anschluss 100a, 100c angeschlossen, so stellt diese Seite die Eingangsseite und die Seite, die den zweiten und den vierten Anschluss 100b, 100d umfasst, die Ausgangsseite dar.
Die in den 1a, 3a und 4a gezeigten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Filters 100, 300, 500 sind als Pi-Filter ausgelegt, weisen also sowohl an dem ersten und dritten Anschluss 100a, 100c, wie auch an dem zweiten und vierten Anschluss 100b, 100d Kapazitäten gegen Masse auf. Neben der bereits erwähnten Asymmetrie bezüglich der Dimensionierung kann unter bestimmten Umständen, beispielsweise wenn eine bidirektionale Filterung von Signalen nicht benötigt wird, eine Implementierung in Pi-Form entfallen. In diesem Fall, wenn also eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite des Filters vorliegt, müssen die Kapazitäten 130, 140 dieser Seite nicht implementiert werden.
Genauer gesagt ist in einem symmetrischen, impedanzangepassten Fall, wenn also beispielsweise sowohl an der Eingangsseite des Filters 50 Ω an der Ausgangsseite des Filters 50 Ω anliegen, sind die Kapazitäten 130, 140 an dem Eingang und dem Ausgang des Filters 100, 300, 500 im allgemeinen notwendig. Im Fall unterschiedlicher Impedanzen am Eingang und am Ausgang, können unter bestimmten Voraussetzungen Impedanzen in Form von Kapazitäten an dem Eingang oder dem Ausgang ausreichend sein. In diesem Fall ist es im allgemeinen notwendig, an die Seite des Filters, die keine Kapazitäten 130, 140 aufweist, eine externe Komponente anzuschließen, die gegenüber einer weiteren externen Komponente, die an die andere Seite des Filters, die also zumindest eine der Kapazitäten 130, 140 aufweist, angeschlossen wird, eine kleinere Impedanz aufweist.
Bezugszeichenliste

100: Filter
100a: erster Anschluss
100b: zweiter Anschluss
100c: dritter Anschluss
100d: vierter Anschluss
100': Filter
110: erste Induktivität
120: zweite Induktivität
130: Kapazität
130': Kapazität
140: Kapazität
140': Kapazität
200: Dämpfungsverlauf
200': Dämpfungsverlauf
210: Dämpfungsverlauf
210': Dämpfungsverlauf
300: Filter
400: Dämpfungsverlauf
410: Dämpfungsverlauf
500: Filter
600: Dämpfungsverlauf
610: Dämpfungsverlauf
800: Transformatorfilter
810: erste Induktivität
820: zweite Induktivität
900: Dämpfungsverlauf
910: Dämpfungsverlauf
920: Dämpfungsverlauf

Claims

Elektrisches Filter (100; 300; 500) mit einem ersten Anschluss (100a), einem zweiten Anschluss (100b), einem dritten Anschluss (100c) und einem vierten Anschluss (100d) mit folgenden Merkmalen: einer ersten Induktivität (110), die zwischen den ersten Anschluss (100a) und den zweiten Anschluss (100b) geschaltet ist; einer zweiten Induktivität (120), die zwischen den dritten Anschluss (100c) und den vierten Anschluss (100d) geschaltet ist; einer ersten Kapazität (130, 130'), die zwischen den ersten Anschluss (100a) und ein Bezugspotential geschaltet ist; und einer zweiten Kapazität (140, 140'), die zwischen den dritten Anschluss (100c) und das Bezugspotential geschaltet ist, wobei die erste Induktivität (110) und die zweite Induktivität (120) einen Transformator bilden; wobei der Transformator einen Koppelfaktor betragsmäßig kleiner als 1 aufweist, derart, dass das Filter (100; 300; 500) für differenzielle Signale und Gleichtaktsignale als Tiefpassfilter wirkt; wobei eine Grenzfrequenz für differenzielle Signale größer als eine Grenzfrequenz für Gleichtaktsignale ist; wobei der Koppelfaktor durch einen Abstand eines ersten Leiters der ersten Induktivität (110) und eines zweiten Leiters der zweiten Induktivität (120) bestimmt ist; und wobei das Filter (100; 300; 500) als integrierte Schaltung ausgeführt ist.
Elektrisches Filter (100; 300; 500) nach Anspruch 1, bei der der Koppelfaktor betragsmäßig zwischen 0,05 und 0,95 liegt.
Elektrisches Filter (100; 300; 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Transformator so ausgelegt ist, dass die erste Induktivität (110) und die zweite Induktivität (120) gleich gekoppelt sind.
Elektrisches Filter (100; 300; 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Filter (100; 300; 500) eine dritte Kapazität (130, 130'), die zwischen den zweiten Anschluss (100b) und das Bezugspotential geschaltet ist, und eine vierte Kapazität (140, 140'), die zwischen den vierten Anschluss (100d) und das Bezugspotential geschaltet ist, aufweist.
Elektrisches Filter (100; 300; 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrische Filter (100; 300; 500) eine Stufe eines mehrstufigen Filters darstellt.
Elektrisches Filter (100; 300; 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Filter (100; 300; 500) eine Diode oder einen Transistor aufweist, wobei die Diode oder der Transistor ausgelegt ist, um einen Schutz vor einer elektrostatischen Entladung zu realisieren.