DE19727869C1 - Polyphasenfilter mit einstellbarer Übertragungsfunktion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Polyphasenfilter, mit dem neben der spektralen Kanalfilterung, z. B. Dämpfung von Nachbarkanä­ len, ebenfalls das Spiegelseitenband des Kanals bei negativen Frequenzen bedämpft werden kann.

Ein derartiges Filter kann beispielsweise im Empfängerpfad von schnurlosen Telefonen oder Mobilfunkgeräten eingesetzt werden. Grundsätzlich ist das Filter überall dort einsetzbar, wo das zu filternde Signal in seine Imaginär- und Realteile aufgespalten ist.

Reale Filter, daß sind Filter mit einem Eingang und einem Ausgang, haben eine reale Impulsantwort hr(t). Die Übertra­ gungsfunktion Hr(jω) ist eine rationale reale Polynomfunktion in jω. Die Folge ist, daß für die Übertragungsfunktion Hr(jω) gilt:

Hr(jω) = Hr . (-jω)

Die Verstärkung bzw. Dämpfung des Filters ist für positive und negative Frequenzen gleich.

Die Impulsantwort eines Polyphasenfilters, ein Filter mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen, ist ein polyphases Signal. Für ein Zweiphasenfilter ist dies ein komplexes Si­ gnal, h(t) = hr(t) + jhi(t). Die Übertragungsfunktion H(jω) lautet:

H(jω) = Hr(jω) + jHi(jω)

und ist eine rationale komplexe Polynomfunktion, d. h. die Frequenzantwort kann für positive und negative Frequenzen verschieden sein. Mit einem Polyphasenfilter kann die nega­ tive oder positive Frequenzkomponente eines komplexen Signals bedämpft werden. Dies kann durch ein Bandpaßfilter geschehen, welches aus der linearen Transformation eines Tiefpaßfilters resultiert. Die klassische Tiefpaß- oder Bandpaßtransforma­ tion ändert nichts an den realen Eigenschaften des Tiefpaß­ filters:

In diesem Fall hat das Bandpaßfilter bei ω = ± ω_c die Tief­ paßfiltercharakteristik. Nach der linearen Transformation hat das Bandpaßfilter nurmehr bei ω = + ω_c die Tiefpaßfiltercha­ rakteristik.

jω → jω - jω_c

Diese Transformation kann nur durch ein Polyphasenfilter rea­ lisiert werden, weil die Transformation komplexe Koeffizien­ ten in die rationale Polynomübertragungfunktion des Filters einführt. Die folgende Gleichung gibt dies für eine Transfor­ mation eines Tiefpaßfilters erster Ordnung an.

Zur Herstellung eines Polyphasenfilters in Form eines inte­ grierten Schaltkreises ist aufgrund der Herstellungstoleran­ zen eine Möglichkeit zum Abgleich des Polyphasenfilters vor­ zusehen. Durch eine verschiebbare Filterkurve ist die Mög­ lichkeit zum Abgleich des Polyphasenfilters gegeben.

Eine Realisierungsform zum Abgleich des Polyphasenfilters ist in M. Steyaert, J. Crols "Analog Integrated Polyphase Fil­ ters", Analog Circuit Design, Kluwer Academic Publishers, Niederlande, 1995, Seiten 149 bis 166 beschrieben. Der elek­ tronische Abgleich des Polyphasenfilters wird durch schalt­ bare Kapazitätsbänke realisiert, die aufgrund ihrer Program­ mierung und der Größe der zusätzlichen Kapazitäten sehr viel Platz brauchen. Die Hälfte der Chipfläche wird durch die schaltbaren Kapazitätsbänke belegt. Die Anforderungen bezüg­ lich Rauschen bedingen, daß die Kapazitäten groß sein müssen. Der Vorteil dieser Operationsverstärkerlösung ist der große Dynamik- und Linearitätsbereich.

Eine zweite Möglichkeit zum Abgleich des Polyphasenfilters ist in M. Voyama et al "A 2,5-Volt Active Low Pass Filter Using All-n-p-n Gilbert Cells with a 1-V_p-p Linear Input Range", IEEE Journal of Solid States Circuits, Vol. 28, Nr. 12, Dezember 93, Seiten 1246 bis 1253. Die Idee besteht im Einsatz von variablen Widerständen (Leitwerten). Hierzu wird durch Variation des Stroms durch eine Emitterschaltung der Leitwert (Ausgangsstrom/Eingangsspannung) der Schaltung ver­ stellt und somit die Eckfrequenz eines Tiefpaßpols (Leitwert/Lastkapazität) verschoben. Der Vorteil einer sol­ chen Variante liegt in der platzsparenden Realisierung. Pro­ bleme tauchen jedoch im Dynamikbereich, in der Abhängigkeit der Kleinsignalverstärkung vom Leitwerk und dem Rauschen der komplexen linearen Leitwertstrukturen auf.

Aus dem Stand der Technik EP 0 185 417 A2 ist eine aktive Filterschaltung mit zwei Polyphasenfiltern bekannt, wobei das erste Polyphasenfilter sich im Vorwärtszweig der Filterschal­ tung und das zweite Polyphasenfilter im Rückkopplungszweig der Filterschaltung befindet. Wird die Filterschaltung mit zwei Zweiphasenfiltern aufgebaut, zeigt sie das Verhalten ei­ nes Vierphasenfilters. Ein nachträglicher Abgleich der Pro­ zeßtoleranzen bei der Herstellung ist durch diese Filter­ schaltung nicht erreichbar.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Polyphasenfilter mit einstellbarer Übertragungsfunktion anzugeben, das einerseits einen großen Dynamik- und Linearitätsbereich aufweist, und andererseits platzsparend realisierbar ist.

Die Aufgabe wird durch ein Polyphasenfilter gemäß Patentan­ spruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus dem abhängigen Anspruch.

So bleibt die Dämpfung im Durchlassbereich des Polyphasenfil­ ters bei einer Änderung der Verstärkung der Vorwärtsverstär­ ker konstant, wenn die Verstärkung der eingangsseitigen Vor­ wärtsverstärker 1 + V entspricht, wobei V die Verstärkung der ausgangsseitigen Vorwärtsverstärker ist.

Die Erfindung weist zusätzlich zu einem herkömmlichen Poly­ phasenfilter erste Verstärker mit einstellbarer Verstärkung auf, die den Eingängen des Polyphasenfilters vorgeschaltet sind. Weiterhin sind zweite Verstärker mit einstellbarer Ver­ stärkung vorgesehen, die in den Koppelpfaden des Polyphasen­ filters angeordnet sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Figuren weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Poly­ phasenfilters.

Fig. 2 zeigt verschiedene Filterübertragungsfunktionen bei Variation der Verstärkung.

Das erfindungsgemäße Polyphasenfilter gemäß Fig. 1 weist vier Eingangsklemmen I1, I2, I3, I4 auf, die die I- und Q- Pfade für ein komplexes Eingangssignal bilden. Die Eingangs­ klemmen I1 und I2 sind mit einem ersten eingangsseitigen Vor­ wärtsverstärker VVA1 verbunden, während die Eingangsklemmen I3 und I4 mit einem zweiten eingangsseitigen Vorwärtsverstär­ ker VVA2 verbunden sind (entsprechen einem ersten Satz Ver­ stärker). Die beiden eingangsseitigen Vorwärtsverstärker VVA1 und VVA2 wiederum sind über jeweils zwei Widerstände R14, R15 bzw. R19, R20 mit einem ersten Operationsverstärker OP1 bzw. einem zweiten Operationsverstärker OP2 verbunden. An den Aus­ gangsklemmen O1, O2 des Polyphasenfilters welche mit den Aus­ gängen des ersten Operationsverstärkers OP1 verbunden sind und den Ausgangsklemmen O3 und O4 des Polyphasenfilters, wel­ che mit den Ausgängen des zweiten Operationsverstärkers OP2 verbunden sind, sind die Real- und Imaginärteilkomponenten des komplexen Ausgangssignals abgreifbar. Die Ausgänge der beiden Operationsverstärker OP1 und OP2 sind weiterhin je­ weils über parallel geschaltete RC-Glieder C05, R13 bzw. C06, R16 bzw. C07, R18 bzw. C08, R21 auf die Eingänge der beiden Operationsverstärker OP1 bzw. OP2 rückgekoppelt. Zusätzlich sind die Ausgänge der beiden Operationsverstärker OP1 und OP2 mit den Eingängen zweier ausgangsseitiger Vorwärtsverstärker VVB1 bzw. VVB2 (entsprechen einem zweiten Satz Verstärker) verbunden. Der erste Ausgang des ersten ausgangsseitigen Vor­ wärtsverstärkers VVB1 ist über einen Widerstand R23 mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers OP2 verbunden. Der zweite Ausgang des ersten ausgangsseitigen Vorwärtsverstärkers VVB1 ist über einen Widerstand R24 mit dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Operationsver­ stärkers OP2 verbunden. Entsprechend ist der erste Ausgang des zweiten ausgangsseitigen Vorwärtsverstärkers VVB2 über einen Widerstand R17 mit dem invertierenden Eingang des er­ sten Operationsverstärkers OP1 und der zweite Ausgang des zweiten ausgangsseitigen Vorwärtsverstärkers VVB2 über einen Widerstand R22 mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers OP1 verbunden.

Der zweite Satz Verstärker VVB1 und VVB2 mit einstellbarer Verstärkung ist somit in den Koppelpfaden des Polyphasenfil­ ters angeordnet, wohingegen der erste Satz Verstärker mit einstellbarer Verstärkung VVA1 und VVA2 den Eingängen des Po­ lyphasenfilters vorgeschaltet ist.

Die eingangs- und ausgangsseitigen Vorwärtsverstärker VVA1, VVA2, VVB1 und VVB2 sind nicht rückgekoppelte Verstärker mit einstellbarer Verstärkung. Die Verstärkung kann beispiels­ weise dadurch eingestellt werden, daß eine Differenzverstär­ kerstufe vorgesehen ist, deren Verstärkungsabhängigkeit über den Strom geregelt wird.

Die Kondensatoren C5, C6, C7 und C8 bilden in Verbindung mit den beiden Operationsverstärkern OP1 und OP2 Integratoren.

Am Eingang des Operationsverstärkers OP1 liegt die Spannung U_DiffoP1 als Summe der gewichteten Spannungen aus Eingangsspan­ nung OP1 (zwischen den Klemmen I1 und I2 abgreifbar), Aus­ gangsspannung OP1 (zwischen den Klemmen 01 und 02 abgreifbar) und Ausgangsspannung OP2 (zwischen den Klemmen 03 und 04 ab­ greifbar) an. Die Spannungen sind je nach Wertigkeit der Wi­ derstände gewichtet.

Am Eingang des Operationsverstärkers OP2 liegt die Spannung U_DiffOP2 als Summe der gewichteten Spannungen aus Eingangsspan­ nung OP2 (zwischen den Klemmen I3 und I4 abgreifbar), Aus­ gangsspannung OP2 und Ausgangsspannung OP1 an. Diese Spannun­ gen sind ebenfalls je nach Wertigkeit der Widerstände gewich­ tet.

Das Polyphasenfilter gemäß Fig. 1 ist ein zweiphasiges Fil­ ter und stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar.

Es besteht auch die Möglichkeit ein n-poliges Filter aufzu­ bauen. Dem n-poligen Filter wird die Ausführungsform aus Fig. 1 zu Grunde gelegt. Insgesamt weist das n-polige Filter 2n Operationsverstärker, 2n eingangs- und 2n ausgangsseitige Vorwärtsverstärker mit entsprechender ohmscher- und kapaziti­ ver Beschaltung auf. Die Ausgänge des ersten Pols des n-poli­ gen Filters werden an die Eingänge des zweiten Pols des n-po­ ligen Filters gelegt usw. Die einzelnen Pole des n-poligen Filters werden zu einer Kette verknüpft.

Die Fig. 2 zeigt exemplarisch verschiedene Filterübertra­ gungsfunktionen bei Variation der Verstärkung. Auf der Ab­ szisse ist die Frequenz f in Hertz aufgetragen und erstreckt sich von -3 MHz bis +3 MHz. Auf der Ordinate ist die Dämpfung des erfindungsgemäßen Polyphasenfilters in dB, beginnend bei -80 dB und endend bei 10 dB, angegeben. Insgesamt sind zehn Filterübertragungsfunktionen in dem Diagramm gezeigt. Diese schneiden sich im hier gezeigten Fall bei etwa -650 kHz und weisen bei dieser Frequenz eine Dämpfung von rund -40 dB auf.

Wie zu erkennen ist, ist die Dämpfung des Polyphasenfilters nicht spiegelsymmetrisch zur Null-Hertz-Achse. Die Fil­ terübertragungsfunktion des Polyphasenfilters kann so einge­ stellt werden, daß Toleranzen bei der Herstellung des Poly­ phasenfilters kompensiert werden können. Die Filterübertra­ gungsfunktion des Polyphasenfilters kann durch Variation der Verstärkung in einem großen Bereich eingestellt werden.

Die Dämpfung im Durchlassbereich des Polyphasenfilters bleibt bei einer Änderung der Verstärkung der Vorwärtsverstärker VVA1, VVA2, VVB1 und VVB2 konstant, wenn die Verstärkung der eingangsseitigen Vorwärtsverstärker VVA1 und VVA2 1 + V ent­ spricht, wobei V die Verstärkung der ausgangsseitigen Vor­ wärtsverstärker VVB1 und VVB2 ist. V kann auch als die Ver­ kopplung der Imaginär- und Realteilpfade des Polyphasenfil­ ters verstanden werden.

Durch die Erfindung ist eine einfache platzsparende Möglich­ keit zur Beeinflussung der Übertragungsfunktion des Filters gegeben. Das erfindungsgemäße Polyphasenfilter vereint die Vorteile des großen Dynamik- und Linearitätsbereichs der Ope­ rationsverstärkerlösung mit dem Platzvorteil der Leitwertlö­ sung.

Claims (2)

1. Polyphasenfilter mit einstellbarer Übertragungsfunktion,
bei dem ein Polyphasenfilter vorgesehen ist,
bei dem ein erster Satz einstellbarer Verstärker (VVA1, VVA2) vorgesehen ist, welche den Eingängen des Polyphasenfilters vorgeschaltet sind,
bei dem ein zweiter Satz einstellbarer Verstärker (VVB1, VVB2) vorgesehen ist, welche in den Koppelpfaden des Polypha­ senfilters angeordnet sind,
bei dem mittels der Verstärkung der einstellbaren Verstärker (VVA1, VVA2, VVB1, VVB2) die Übertragungsfunktion des Polyphasenfilters eingestellt wird.

2. Polyphasenfilter nach Anspruch 1, bei dem die Verstärkung der ersten Verstärker (VVA1, VVB1) 1 + V entspricht und V die Verstärkung der zweiten Verstärker (VVA2, VVB2 ) ist.