DE1283411B - Circuit arrangement for realizing a transfer factor of a low-pass filter with a complex pole pair - Google Patents
Circuit arrangement for realizing a transfer factor of a low-pass filter with a complex pole pairInfo
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Description
Schaltungsanordnung zur Realisierung eines Übertragungsfaktors eines Tiefpasses mit einem komplexen Polpaar Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Realisierung eines Ubertragungsfaktors eines Tiefpasses mit einem komplexen Polpaar unter ausschließlicher Verwendung von Widerständen, Kapazitäten und Transistoren, bei der das Eingangssignal einen ersten Transistor steuert und von diesem Transistor ein Rückkopplungspfad über einen zweiten Transistor auf den Einganz des Tiefpasses vorhanden ist.Circuit arrangement for realizing a transfer factor of a Low-pass filter with a complex pair of poles The invention relates to a circuit arrangement for realizing a transfer factor of a low pass with a complex one Pole pair using only resistors, capacitors and transistors, in which the input signal controls a first transistor and from that transistor a feedback path via a second transistor to the input of the low-pass filter is available.
In der Nachrichtentechnik werden in immer stärkerem Maße Schaltkreistechniken angewendet. Dadurch ist es erforderlich, daß die benötigten Bauelernente kleine Abmessungen aufweisen und geringe Herstellungskosten verursachen, so daß die Verwendung von Spulen vermieden wird. Der Einsatz von Spulen in Filterschaltungen ist bereits bekannt, ein vollständiger gleichwertiger Ersatz durch andere Bauelernente ist jedoch nur schwer zu erreichen.Circuit technology is becoming more and more popular in communications engineering applied. This makes it necessary that the required components small Have dimensions and low manufacturing costs, so that the use of coils is avoided. The use of coils in filter circuits is already known, a complete equivalent replacement by other components is however hard to get to.
Es ist bereits eine Schalturigsanordnung zur Realisierung eines Vierpol-Ubertragungsfaktors mit einem komplexen Polpaar bekannt (britische Patentschrift 1035 042). Diese Anordnung besitzt einen Verstärker. der aus zwei Transistoren besteht und einen Gegenkopplungspfad besitzt. Diese Anordnung kann nur im Leerlaufzustand betrieben werden, d. h., an den Ausgangsklemmen tritt keine Leistung auf, so daß ein Leistungsverstärker nachgeschaltet werden muß. Bei tiefen Frequenzen nimmt die Verstärkung ab. und bei Gleichstromsignalen entsteht sogar eine Ab- schwächung. Der Aufwand an Bauelementen für die Schaltung ist groß.A switching arrangement for realizing a four-pole transmission factor with a complex pair of poles is already known (British patent specification 1035 042). This arrangement has an amplifier. which consists of two transistors and has a negative feedback path. This arrangement can be operated in the idle state, d. In other words, there is no power at the output terminals, so that a power amplifier must be connected downstream. The gain decreases at low frequencies. and DC signals even created a slowdown. The cost of components for the circuit is great.
Weiterhin sind Schaltungen bekannt, die ebenfalls Tiefpässe darstellen (USA.-Patentschriften 3 122 714 und 3 222 605). Diese Schaltungen zeigen Tiefpässe, die mit RC-Glicdern aufgebaut sind und bei denen mit den Kondensatoren und einem Verstärker eine Brückenanordnung gebildet wird. Durch die Wirkung der Brückenanordnung ist es möglich, bestimmte Frequenzen zu dämpfen und andere ungehindert zum Ausgang durchzulassen. Dadurch kann die Filterk urve des Tiefpasses verbessert werden. Diese Schaltungen benötigen I'tir den praktischen Betrieb einen Leistungsverstärken Die Gleichspannungssignale werden auch hier gedämpft, und der Aufwand an Bauelementen ist groß.Furthermore, circuits are known which also represent low-pass filters (USA patents 3 122 714 and 3 222 605). These circuits show low-pass filters that are built up with RC gliders and in which a bridge arrangement is formed with the capacitors and an amplifier. The effect of the bridge arrangement makes it possible to attenuate certain frequencies and allow others to pass through to the exit unhindered. This can improve the filter curve of the low pass. These circuits require a power amplifier for practical operation. The DC voltage signals are also attenuated here, and the number of components required is large.
Andere bekannte Schaltungsanordnungen von Tiefpässen (»Bell System Technical Journal«, Bd. 33, Nr. 2. S. 329 bis 351, März 1954) besitzen aus RC-Gliedern aufgebaute Tiefpässe. denen ein Verstärker nachgeschaltet ist. der mit weiteren RC-Gliedern eine Brückenanordnung bildet. Hier tritt ebenfalls eine Verbesserung der Durchlaßkurve des Tiefpasses ein. Am Ausgang ist ein Leistungsverstärker zusätzlich erforderlich. Durch die Vielzahl der verwendeten, zum Teil großen Kondensatoren entsteht ein Tiefpaß, dessen Durchlaßkurve von Temperatur- und Bauteileschwankungen stark beeinflußt wird. Es sind bereits spulenlose aktive Tiefpaßschaltungen bekannt, die sich einerseits durch die Verwendung von Negativ-Impedanz-Konvertern, andererseits durch die Verwendung frequenzabhängiger Rückkopplung verwirklichen lassen. Die bekannten Tiefpaßschaltungen sind jedoch sehr aufwendig und benutzen große Kapazitätswerte, so daß der Tiefpaß stark temperaturabhängig ist. Außerdem ist ein driftfreier Betrieb bei der Verwendung von Transistoren nicht gegeben.Other known circuit arrangements of low-pass filters ("Bell System Technical Journal", Vol. 33, No. 2. pp. 329 to 351, March 1954) have low-pass filters made up of RC elements. which are followed by an amplifier. which forms a bridge arrangement with other RC elements. Here, too, there is an improvement in the transmission curve of the low-pass filter. A power amplifier is also required at the output. The large number of capacitors used, some of them large, results in a low-pass filter whose transmission curve is strongly influenced by temperature and component fluctuations. Coilless active low-pass circuits are already known which can be implemented on the one hand by using negative impedance converters and on the other hand by using frequency-dependent feedback. The known low-pass circuits, however, are very complex and use large capacitance values, so that the low-pass is highly temperature-dependent. In addition, there is no drift-free operation when using transistors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen aktiven Tiefpaß mit einem gewünschten Ubertragungsfaktor und einem komplexen Polpaar darzustellen. Dabei soll mit einem geringen Aufwand ein möglichst konstanter temperaturunabhängiger und gegen Bauteileschwankungen unempfindlicher Tiefpaß verwirklicht werden. Der aktive Tiefpaß soll an seinem Abschlußwiderstand eine Leistung abgeben. Diese Leistungsverstärkung soll sowohl bei tiefen Frequenzen als auch bei Gleielistromsignalen vorhanden sein.The invention is based on the object of having an active low-pass filter to represent a desired transfer factor and a complex pair of poles. Included should be as constant as possible, independent of temperature, with little effort and low-pass filters that are insensitive to component fluctuations can be implemented. Of the active low-pass filter should deliver a power at its terminating resistor. This power boost should be present both at low frequencies and with track current signals.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch die Kombination folgender Merkmale:
a) daß das Eingangssignal über einen Widerstand der Basiselektrode des in Kollektorschaltung
betriebenen ersten Transistors zugeführt wird, b) daß am Emitterwiderstand des ersten
Transistors, zu dem ein Kondensator parallel geschaltet ist, die Ausgangsspannung
auftritt, e) daß parallel zum Kollektorwiderstand des ersten Transistors die Basiskollektorstrecke
eines zwei-
Damit werden die Vorteile erzielt, daß mit einem geringen Aufwand ein konstantes Verhalten des aktiven Tiefpasses gegenüber Temperatur- und Bauteileschwankungen erreicht wird. Es tritt eine Leistungsverstärkung auf, die auch bei Gleichstromsignalen anhält, so daß nach dem Abschlußwiderstand kein Verstärker mehr benötitgt wird. Der aktive Tiefpaß besitzt einen geringen Aufwand an Bauelementen und zeigt eine steile Dämpfungskurve. Es tritt eine frequenzabhängige Rückkopplung auf. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß am Verbindungspunkt von Emitterelektrode des ersten Transistors und Emitterwiderstand über einen Widerstand eine entgegengesetzt zur Betriebsspannung gepolte Spannung anliegt.This has the advantages that with little effort constant behavior of the active low-pass against temperature and component fluctuations is achieved. There is a power gain that also occurs with DC signals continues, so that no amplifier is required after the terminating resistor. The active low-pass filter has a low number of components and shows a steep attenuation curve. A frequency-dependent feedback occurs. A further education of the invention is that at the connection point of the emitter electrode of the first Transistor and emitter resistor via a resistor one opposite to Operating voltage polarized voltage is present.
Damit wird der Vorteil erzielt, daß sowohl positive als auch negative Augenblickswerte der Signalspannung bearbeitet werden.This has the advantage that both positive and negative Instantaneous values of the signal voltage can be processed.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der aktive Schaltungsteil über Kondensatoren vom Gleichstromweg getrennt ist.A further development of the invention consists in that the active circuit part is separated from the direct current path by capacitors.
Damit wird der Vorteil erzielt, daß ein driftfreier Betrieb bei der Verwendung von Transistoren entsteht.This has the advantage that a drift-free operation in the Use of transistors arises.
Eine Weiterbildung gemäß der Erfindung besteht darin, daß zwischen den einzelnen Transistorstufen eine gleichstrommäßige Kopplung besteht.A development according to the invention is that between there is a direct current coupling between the individual transistor stages.
Damit wird der Vorteil erzielt, daß kein Verstärkungsabfall bei bestimmten Frequenzen auftritt. Eine Weiterbildung gemäß der Erfindung besteht darin, daß das Eingangssignal über einen Kondensator einen ersten Transistor an der Emitterelektrode steuert, daß die am Kollektorwiderstand abfallende Spanni4ng die Basiselektrode eines zweiten Transistors steuert und daß parallel zum Kollektorwiderstand die Basis-Kollektor-Strecke eines dritten Transistors liegt, an dessen Emitterwiderstand die rückgeführte Spannung auftritt, die über einen Kondensator am Gleichstromweg anliegt.This has the advantage that no gain drop in certain Frequencies occurs. A development according to the invention is that the Input signal via a capacitor to a first transistor at the emitter electrode controls that the voltage drop across the collector resistor touches the base electrode a second transistor controls and that parallel to the collector resistor, the base-collector path of a third transistor is connected to the emitter resistor of which the returned voltage occurs, which is applied to the direct current path via a capacitor.
Damit wird der Vorteil erzielt, daß ein driftfreier Betrieb der Transistoren entsteht.This has the advantage that a drift-free operation of the transistors arises.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gehört zu der Art von Schaltungen, bei denen eine frequenzabhängige Rückkopplung auftritt.The circuit arrangement according to the invention belongs to the type of circuits in which a frequency-dependent feedback occurs.
Einzelheiten der Erfindung werden an Hand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen sowie von Ersatz--schaltbildern und Dimensionierungsvorschriften, die in den Figuren dargestellt sind, erläutert.Details of the invention are based on advantageous exemplary embodiments as well as substitute circuit diagrams and dimensioning regulations in the figures are shown, explained.
F i g. 1 zeigt einen spulenlosen aktiven Tiefpaß gemäß der Erfindung; F i g. 2 zeigt ein zu F i g. 1 gehörendes Ersatzschaltbild des Tiefpasses; F i g. 3 zeigt die Koordinaten des komplexen Polpaares des Ubertragungsfaktors der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 sowie die Dimensionierungsvorschriften; F i g. 4 zeigt zum Vergleich die Koordinaten eines LC-Tiefpasses, mit einem komplexen Polpaar des Ubertragungsfaktors ; . . F i g. 5 zeigt eine verbesserte Tiefpaßschaltung nach F i g. 1; F i g. 6 zeigt einen driftfreien, spulenlosen aktiven Tiefpaß mit drei Transistoren; F i g. 7 zeigt ein zu F i g. 6 gehörendes Ersatzschaltbild; F i g. 8 zeig., die Koordinaten des komplexen Polpaares des Ubertragungsfaktors und die Dimensionierungsvorschriften der Schaltung nach F i g. 6. F i g. 1 shows a coilless active low-pass filter according to the invention; F i g. 2 shows a figure relating to FIG. 1 corresponding equivalent circuit diagram of the low-pass filter; F i g. 3 shows the coordinates of the complex pole pair of the transfer factor the circuit arrangement according to FIG. 1 as well as the dimensioning regulations; F i g. For comparison, FIG. 4 shows the coordinates of an LC low-pass filter with a complex pair of poles of the transmission factor ; . . F i g. 5 shows an improved low-pass circuit according to FIG . 1; F i g. 6 shows a drift-free, coilless active low-pass filter with three transistors; F i g. 7 shows a figure relating to FIG. 6 corresponding equivalent circuit diagram; F i g. 8 shows., The coordinates of the complex pole pair of the transfer factor and the dimensioning rules for the circuit according to FIG. 6th
In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen aktiven Vierpols in Form eines Tiefpasses dargestellt. Die Eingangsspannung u0 wird über den Widerstand Rl an den Verstärker mit dem Transistor T2 angelegt. Am Emitterwiderstand R2 wird die Ausgangsspannung abgenommen. Parallel zum Emitterwiderstand R2 liegt der Kondensator C2, der bei hohen Frequenzen einen Kurzschluß der Ausgangsspannung bewirkt. Am Kollektorwiderstand R 3 wird eine Spannung abgegriffen, die dem Transistor T1, der in Kollektor-Basis-Schaltung angeordnet ist, zugeführt wird. Dieser Transistor wirkt als Impedanzwandler; er besitzt eine Spannungsverstärkung von 1, so daß keine Phasendrehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung auftritt. Die Spannung am Widerstand RE wird über den Kondensator C 1 der Basis des Transistors T2 zugeführt. Die rückgeführte Spannung besitzt gegenüber der Eingangsspannung eine Phasenverschiebung von 180', die durch den Verstärkungstransistor T2 hervorgerufen wurde, so daß eine gegenkoppelnde Wirkung eintritt. Zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Schaltung besteht eine Gleichstromkopplung durch den Transistor T2. Der Ubertragungsfaktoi (Wirkung: Ursache) des Tiefpasses hat ein komplexes Polpaar in der komplexen Frequenzebene. Die Schaltungsanordnung zeichnet sich durch besonders geringen Aufwand aus.In Fig. 1 shows an embodiment of the active quadrupole according to the invention in the form of a low-pass filter. The input voltage u0 is applied to the amplifier with the transistor T2 via the resistor R1. The output voltage is taken from the emitter resistor R2. The capacitor C2 is parallel to the emitter resistor R2 and causes a short circuit of the output voltage at high frequencies. A voltage is tapped off at the collector resistor R 3 and is fed to the transistor T1, which is arranged in a collector-base circuit. This transistor acts as an impedance converter; it has a voltage gain of 1, so that no phase shift occurs between the input and output voltage. The voltage across the resistor RE is fed to the base of the transistor T2 via the capacitor C 1. The voltage fed back has a phase shift of 180 'with respect to the input voltage, which was caused by the amplification transistor T2, so that a negative feedback effect occurs. There is DC coupling between the input and output of the circuit through transistor T2. The transmission factor (effect: cause) of the low pass has a complex pair of poles in the complex frequency level. The circuit arrangement is characterized by particularly low expenditure.
F i g. 2 zeigt das Ersatzschaftbild des spulenlosen aktiven Tiefpasses nach F i g. 1. u0, u 1, u2, u3 und u4 sind Potentiale, wobei das Erdpotential Null ist. Die Transistoren sind weitgehend idealisiert, so daß sich in F i g. 1 und 2 die Voraussetzung ergibt: ul = u2, u3 = u4, 11 = i2.F i g. 2 shows the substitute image of the coilless active low-pass filter according to FIG . 1. u0, u 1, u2, u3 and u4 are potentials where the earth potential is zero. The transistors are largely idealized, so that in FIG. 1 and 2 the assumption results: ul = u2, u3 = u4, 11 = i2.
Beim Ersatzschaltbild in F i g. 2 sind folgende Voraussetzungen angenommen: Bei jedem Transistor sei der Eingangswiderstand an der Basis so groß, daß der Basisanschluß den äußeren Basiskreis nicht wesentlich belastet: Xl, X2 = Blindwiderstandswerte der Kondensatoren Cl und C2, = Stromverstärkungsfakter, p = komplexe Kreisfrequenz.In the equivalent circuit in FIG. 2 the following conditions are assumed: For every transistor, the input resistance at the base is so great that the base connection does not significantly load the outer base circuit: Xl, X2 = reactance values of the capacitors Cl and C2 = current gain Fakter, p = complex angular frequency.
Die Bauelemente Rl, Rg Cl, C7, RE, Tl und T2 sind in F i g. 1 eingezeichnet.The components Rl, Rg is Cl, C7, RE, Tl and T2 are in F i g. 1 drawn.
Bei jedem Transistor ist der Emitter-Innenwiderstand re (T-Ersatzschaltbild) so klein, daß daran kein Spannungsabfall durch den äußeren Emitterkreis verursacht wird: re,1 « Xl 11 RE, reT2 -4$Z X2j1R2.In each transistor, the emitter internal resistance is re (T-equivalent circuit) so small that it is no voltage drop caused by the outer emitter circuit: re, 1 "Xl 11 RE, RET2 -4 $ Z X2j1R2.
Gemäß Fig.2 ergibt sich das Potential ul, der Strom il und das Potential u3: Werden die oben getroffenen Voraussetzungen eingesetzt, so erhält man für ul: und für den Ubertragungsfaktor Es wird noch folgende Vereinfachung durchgerührt: wobei pl und pl* die Pole des Ubertragungsfaktors U 2 sind: UO pl = SOI + jwol pl* = SOI -jwol Daraus ergeben sich die Koordinaten des komplexen 'Polpaares und die Dimensionierungsvorschriften für die Schaltung. Dieses komplexe Polpaar des Ubertragungsfaktors und die entsprechenden mathematischen Beziehungen zeigt F i g. 3, wo das komplexe Polpaar in der komplexen Frequenzebene dargestellt ist.According to Fig. 2 the potential ul, the current il and the potential u3 result: If the above preconditions are used, one obtains for ul: and for the transfer factor The following simplification is carried out: where pl and pl * are the poles of the transfer factor U 2 : UO pl = SOI + jwol pl * = SOI -jwol This gives the coordinates of the complex pole pair and the dimensioning rules for the circuit. This complex pole pair of the transfer factor and the corresponding mathematical relationships are shown in FIG. 3, where the complex pole pair is shown in the complex frequency plane.
Die F i g. 4 zeigt zum Vergleich einen gleichwertigen LC-Tiefpaß mit einem komplexen Polpaar des Ubertragungsfaktors -" uo 2 und die entsprechenden mathematischen Gleichungen.The F i g. For comparison, FIG. 4 shows an equivalent LC low-pass filter with a complex pair of poles of the transfer factor - "uo 2 and the corresponding mathematical equations.
F i g. 5 zeigt einen nach den Werten der F i g. 1 aufgebauten Tiefpaß. Diese Schaltungsanordnung kann sowohl positive als auch negative Augenblickswerte der Signalspannung verarbeiten. Zu diesem Zweck wird der Widerstand R2 geteilt und eine Hilfsspannung - UB über den Widerstand R4 zugerührt; die Spannung + UB ist wie in F i g. 1 die Betriebsspannung für den Verstärker.F i g. 5 shows one according to the values of FIG. 1 built-up low-pass filter. This circuit arrangement can process both positive and negative instantaneous values of the signal voltage. For this purpose the resistor R2 is divided and an auxiliary voltage - UB is supplied via the resistor R4; the voltage + UB is as in FIG. 1 the operating voltage for the amplifier.
F i g. 6 zeigt einen driftfreien, spulenlosen aktiven Tiefpaß mit drei Transistoren. In dieser Schaltungsanordnung ist der gleichstrommäßige Weg des Eingangssignals vom aktiven Schaltungsteil getrennt, so daß ein driftfreier Betrieb dieses Tiefpasses gegeben ist, d. h., daß die Gleichstrornübertragung nicht von Arbeitspunktverschiebungen der Transistoren beeinflußt wird. Das Eingangssignal u0 wird über den Widerstand Ri angelegt und das Ausgangssignal am Widerstand Ra abgenommen. Die Transistorstufen mit den Transistoren T2 und T3 arbeiten als Verstärker, dem über den Kondensator C2 eine Spannung zugeführt wird. Der Transistor Tl arbeitet als Impedanzwandler und speist über den Kondensator CI die frequenzabhängige Spannung in Gegenphase ein. Der in F i g. 6 dargestellte Tielpaß besitzt den Vorteil, daß man zur Erzielung des driftfreien Betriebs keinen Koppelkondensator, der große Kapazitätswerte besitzt und daher eine starke Temperaturabhängigkeit hervorruft, benötigt.F i g. 6 shows a drift-free, coilless active low-pass filter with three transistors. In this circuit arrangement, the direct current path of the input signal is separated from the active circuit part, so that drift-free operation of this low-pass filter is given, i.e. This means that the direct current transmission is not influenced by shifts in the operating point of the transistors. The input signal u0 is applied via the resistor Ri and the output signal is taken from the resistor Ra. The transistor stages with the transistors T2 and T3 work as an amplifier to which a voltage is fed via the capacitor C2. The transistor Tl works as an impedance converter and feeds the frequency-dependent voltage in antiphase via the capacitor CI. The in F i g. 6 has the advantage that a coupling capacitor, which has large capacitance values and therefore causes a strong temperature dependence, is not required to achieve drift-free operation.
Zur Berechnung des Ubertragungsfaktors und der Dimensionierungsvorschriften der Schaltung nach F i g. 6 wird das Ersatzschaltbild des Tiefpasses herangezogen. Das Ersatzschaltbild der Schaltung nach F i g. 6 ist in F i g. 7 dargestellt, wobei die in F i g. 2 getroNnen Voraussetzungen angenommen werden. Für die Bestimmung des übertragungsfaktors stehen aus F i g. 7 folgende Beziehungen zur Verfügung: Durch Eliminieren von u3 und Einsetzen von = v ergibt sich der Ubertragungsfaktor Durch weitere Vereinfachung erhält man: Der weitere Rechnungsgang ist analog zu dem vorhin bei F i g. 1 und 2 durchgertihrten.To calculate the transmission factor and the dimensioning rules for the circuit according to FIG. 6 the equivalent circuit diagram of the low-pass filter is used. The equivalent circuit diagram of the circuit according to FIG. 6 is in FIG. 7 shown, wherein the in F i g. 2 met requirements are accepted. For determining the transmission factor stand from F i g. 7 the following relationships are available: By eliminating u3 and substituting = v results in the transfer factor By further simplification one obtains: The rest of the billing process is analogous to that for F i g. 1 and 2.
Es ergibt sich dann: In F i g. 8 ist dieses komplexe Polpaar des Ubertragungsfaktors in der komplexen Frequenzebene dargestellt und die entsprechenden mathematischen Beziehungen aufgerührt.It then results: In Fig. 8 is this complex pole pair of the transfer factor represented in the complex frequency plane and the corresponding mathematical relationships broken down.
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DE1966S0106254 DE1283411B (en) | 1966-09-30 | 1966-09-30 | Circuit arrangement for realizing a transfer factor of a low-pass filter with a complex pole pair |
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Cited By (1)
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US3222605A (en) * | 1963-07-01 | 1965-12-07 | Boeing Co | Low pass, low level filter |
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1966
- 1966-09-30 DE DE1966S0106254 patent/DE1283411B/en active Pending
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