DE19944309C2 - Filter, umfassend eine Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Güte einer Spule - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Filter, umfassend eine Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Güte einer Spule.

Bei der Entwicklung von integrierten Schaltungen für Hochfre­ quenz- und Mobilfunkanwendungen ist es häufig von Vorteil und sogar oft unumgänglich, Spulen zu verwenden. Auf einem Halb­ leiter integrierte Spulen haben jedoch technologiebedingt Gü­ ten, deren Wert in der Regel unter 10 liegt. Um beispielswei­ se steilflankige Filter zu realisieren, benötigt man jedoch Spulen mit höherer Güte.

Um die Güte einer Spule zu erhöhen, kann die Spule beispiels­ weise statt mit zwei Metallisierungsebenen mit drei Metalli­ sierungsebenen gefertigt werden. Das erfordert jedoch zusätz­ liche Prozeßschritte und erhöht die Produktionskosten.

Eine andere Möglichkeit, auf Spulen mit hoher Güte zurück­ greifen zu können, besteht darin, anstelle von internen Spu­ len externe Spulen zu verwenden. Bei dieser Lösung werden je­ doch zusätzliche Pins am integrierten Schaltkreis benötigt. Zusätzlich kommen nachteilhafterweise parasitäre Eigenschaf­ ten des Gehäuses des integrierten Schaltkreises zum Tragen. Der hohe Preis externer Spulen schränkt die Rentabilität zu­ sätzlich ein.

Eine weitere Lösung zur Erhöhung der Güte besteht schließlich darin, auf Spulen gänzlich zu verzichten und dafür einen Gy­ rator zu verwenden, der sich wie eine Induktivität verhält. Nachteilhafterweise ist jedoch bei dieser Lösung der Dynamik­ bereich eingeschränkt, und ein höheres Rauschen muß in Kauf genommen werden.

Schaltungsanordnungen mit Spulen sind in Zusammenhang mit Os­ zillatoren bekannt geworden. Bei Tietzte, Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik", 3. Auflage, 1974, Seite 422 ist ein Gegentaktoszillator mit einer Spule gezeigt, die zwei An­ schlüsse und eine Mittenanzapfung aufweist. Der Oszillator enthält zwei als Differenzverstärker arbeitende Transistoren. Die Steuereingänge je eines der Transistoren sind jeweils mit den Lastkreisen des anderen der Transistoren und einem der beiden Anschlüsse der Spule verbunden. Die Mittenanzapfung der Spule liegt auf einem Bezugspotential. Ein anderer dort gezeigter Gegentaktoszillator umfaßt zwei induktiv gekoppelte Spulen mit Mittenanzapfung. Es sind zwei als Differenzver­ stärker arbeitende Transistoren vorgesehen, deren Steuerein­ gänge mit den beiden Anschlüssen einer der Spulen und deren Kollektoren mit den beiden Anschlüssen der anderen der Spulen verbunden sind. Die Mittenanzapfungen der Spulen liegen auf jeweiligen Bezugspotentialen. Vergleichbare Gegentaktoszilla­ torschaltungen mit Spulen mit als Differenzverstärker arbei­ tenden Transistoren sind in den Literaturstellen Tietze, Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik", 9. Auflage, 1990, Seite 465 sowie in Grebene: "Bipolar and MOS analog integra­ tad circuit design", 1984, Seite 459 gezeigt.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Filter mit einer Spule anzugeben, die integrierbar ist, wobei eine hohe Spulengüte erreicht wird.

Die Erfindung wird durch ein Filter mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1, durch ein Filter mit den Merkmalen des ne­ bengeordneten Patentanspruchs 5 oder durch ein Filter mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 6 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den abhängigen Patentansprüchen angegebenen Ausfüh­ rungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Das erfindungsgemäße Filter weist eine Schaltungsanordnung mit einer Spule mit zwei Anschlüssen und einer Mittenan­ zapfung auf. Weiterhin sind bei der Schaltungsanordnung zwei als Differenzverstärker arbeitende Transistoren vorgesehen, wobei jeweils der Steuereingang des einen Transistors mit dem Lastkreis des anderen Transistors und einem der beiden An­ schlüsse der Spule verbunden ist. Die Mittenanzapfung der Spule ist mit einem Bezugspotential verbunden.

Alternativ hierzu kann das Filter eine Schaltungsanordnung mit einer ersten Spule mit zwei Anschlüssen und einer Mitten­ anzapfung und einer zweiten Spule mit zwei Anschlüssen und einer Mittenanzapfung aufweisen. Die zweite Spule ist mit der ersten Spule gekoppelt. Weiterhin sind zwei als Differenzver­ stärker arbeitende Transistoren vorgesehen, wobei die Steuer­ eingänge der Transistoren mit den beiden Anschlüssen der er­ sten Spule und die Kollektoren der Transistoren mit den An­ schlüssen der zweiten Spule verbunden sind. Die Mittenan­ zapfung der ersten Spule ist mit einem ersten Bezugspotential und die Mittenanzapfung der zweiten Spule mit einem zweiten Bezugspotential verbunden.

Alternativ hierzu kann das Filter eine Schaltungsanordnung mit einer Spule mit zwei Anschlüssen, einer Mittenanzapfung und zwei weiteren Anzapfungen aufweisen. Weiterhin sind zwei als Differenzverstärker arbeitende Transistoren vorgesehen, wobei die Steuereingänge der Transistoren mit den beiden An­ zapfungen der Spule und die Kollektoren der Transistoren mit den Anschlüssen der Spule verbunden sind. Die Mittenanzapfung der Spule ist mit dem ersten Bezugspotential verbunden.

Bei der zweiten und dritten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters gemäß den nebengeordneten Patentan­ sprüchen 5 bzw. 6 erfolgt die Rückkopplung des Differenzver­ stärkers induktiv.

Zur Erhöhung der Linearität kann die erfindungsgemäße Schal­ tungsanordnung gemäß Patentanspruch 2 im Gegenkopplungszweig des Differenzverstärkers ein oder mehrere Gegenkopplungswi­ derstände aufweisen.

Damit die Schaltungsanordnung bei größeren Signalamplituden an der Spule linear arbeitet, kann gemäß Patentanspruch 3 ei­ ne resistive Rückkopplung vorgesehen sein.

Alternativ zur resistiven Rückkopplung gemäß Patentanspruch 3 kann die Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 4 auch eine kapazitive Rückkopplung aufweisen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Figuren wei­ ter erläutert:

Fig. 1 zeigt das Prinzip zur Erhöhung der Güte einer Spule.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Schaltungsanord­ nung zur Erhöhung der Güte einer Spule.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Schaltungsan­ ordnung zur Erhöhung der Güte einer Spule.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Schaltungsan­ ordnung zur Erhöhung der Güte einer Spule.

Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Schaltungsan­ ordnung zur Erhöhung der Güte einer Spule.

Fig. 6 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Schaltungsan­ ordnung zur Erhöhung der Güte einer Spule.

Fig. 7 zeigt eine sechste Ausführungsform der Schaltungsan­ ordnung zur Erhöhung der Güte einer Spule und die Verwendung der Schaltungsanordnung in einem Filter.

Fig. 8 zeigt die zum in Fig. 7 gezeigten Filter gehörende Filterkennlinie.

Die in Fig. 1 gezeigte Prinzipdarstellung veranschaulicht das Prinzip zur Verbesserung der Güte einer Spule. Der Ver­ lustleitwert G_Verlust bildet zusammen mit der Induktivität L das Ersatzschaltbild einer vollintegrierten Spiralspule. Da­ durch, daß eine aktive Schaltung, die sich wie ein negativer Leitwert G_aktiv verhält, zur vollintegrierten Spiralspule parallel geschaltet ist, ist die Güte der Spule erhöhbar. Der gesamte Verlustleitwert der Schaltungsanordnung reduziert sich und die Güte steigt.

Die aktive Schaltung zur Erzeugung des negativen Leitwerts G_aktiv ist in Fig. 2 unterhalb der gestrichelten Linie ge­ zeigt. Die Schaltungsanordnung weist eine Spule S1 mit zwei Anschlüssen und einer Mittenanzapfung auf, die mit einem er­ sten Bezugspotential VCC verbunden ist. Weiterhin ist ein Differenzverstärker mit zwei Transistoren T1, T2 vorgesehen, wobei der Steuereingang des ersten Transistors T1 mit dem Lastkreis des zweiten Transistors T2 und einem der beiden An­ schlüsse der Spule S1 verbunden ist und wobei der Steuerein­ gang des zweiten Transistors T2 mit dem Lastkreis des ersten Transistors T1 und dem anderen Anschluß der Spule S1 verbun­ den ist. Die beiden Transistoren T1 und T2 sind emitterseitig gekoppelt und über eine Stromquelle mit einem Potential GND verbunden. Durch die Stromquelle fließt der Fußpunktstrom IEE des Differenzverstärkers.

Die Differenz der Kollektorströme IC1 und IC2 ergibt sich zu:

ΔI = IC1 - IC2.

Die Eingangsdifferenzspannung ΔU ergibt sich zu:

ΔU = UC1 - UC2 = UB2 - UB1, wobei

UC1 = Kollektor-Emitter-Spannung am Transistor T1
UC2 = Kollektor-Emitter-Spannung am Transistor T2
UB1 = Basis-Emitter-Spannung am Transistor T1
UB2 = Basis-Emitter-Spannung am Transistor T2.

Der Differenzstrom ΔI der Kollektorströme IC1 und IC2 in Ab­ hängigkeit der Eingangsdifferenzspannung ΔU kann durch fol­ gende Gleichung beschrieben werden:

wobei UT = Temperaturspannung.

Da der Strom proportional zur Spannung ist, ist das prinzipi­ elle Verhalten der Schaltung mit dem eines Widerstands oder eines Leitwerts vergleichbar. Der Leitwert G_aktiv dieser ak­ tiven Schaltung ergibt sich zu:

Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß der Leitwert G_aktiv negativ ist. Sein Betrag läßt sich mit dem Fußpunktstrom IEE des Differenzverstärkers variieren.

Zur Erhöhung der Linearität sind bei der in Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Schal­ tungsanordnung die beiden Widerstände R1 und R2 im Gegenkopp­ lungszweig des Differenzverstärkers, also zwischen den beiden Emittern der Transistoren T1 und T2 und der Stromquelle ange­ ordnet. Ansonsten ist die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 mit der in Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung identisch.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Schaltungsanordnung wird nicht die volle an die Spule angelegte Spannung auf die Basisan­ schlüsse der beiden Transistoren T1 und T2 geführt. Dadurch arbeitet die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 auch bei grö­ ßeren Signalamplituden an der Spule S1 linear. Bei der in Fig. 4 gezeigten Schaltungsanordnung erfolgt die Rückkopplung resistiv, d. h. durch ohmsche Widerstände. Die Widerstände R3 und R5 sind zwischen die Anschlüsse der Spule S1 und die Steuereingänge der Transistoren T1 bzw. T2 geschaltet. Der Widerstand R4 verbindet die Steuereingänge der beiden Transi­ storen T1 und T2 miteinander. Im übrigen entspricht die Schaltung in Fig. 4 der in Fig. 2 gezeigten Schaltungsan­ ordnung.

Will man die durch die resistive Rückkopplung erzeugte zu­ sätzliche Rauschkomponente reduzieren, ist es von Vorteil die Rückkopplung kapazitiv zu realisieren. Eine entsprechende mögliche Ausführungsform ist in Fig. 5 gezeigt. Hierbei ist ein erster Kondensator C1 zwischen den einen Anschluß der Spule S1 und den Steuereingang des zweiten Transistors T2 und ein zweiter Kondensator C2 zwischen den anderen Anschluß der Spule S1 und den Steuereingang des ersten Transistors T1 ge­ schaltet. Zwei Widerstände R6 und R7 sind einerseits mit ei­ nem Bezugspotential Bias und andererseits mit dem Steuerein­ gang des zweiten Transistors T2 bzw. dem Steuereingang des ersten Transistors T1 verbunden. Ansonsten entspricht die Schaltung der in Fig. 2 gezeigten Schaltung.

Eine andere Möglichkeit zur rauschfreien Rückkopplung ist in Fig. 6 gezeigt. Hierbei erfolgt die Rückkopplung induktiv. Es ist neben der ersten Spule S1 eine mit dieser gekoppelte zweite Spule S2 vorgesehen, die zwei Anschlüsse und eine Mit­ tenanzapfung aufweist, welche mit dem Bezugspotential Bias verbunden ist. Die Anschlüsse der zweiten Spule S2 sind mit dem Steuereingang des ersten Transistors T1 bzw. dem Steuer­ eingang des zweiten Transistors T2 verbunden. Der Kollektor des ersten Transistors T1 ist mit dem Anschluß der ersten Spule S1 und der Kollektor des zweiten Transistors T2 mit dem anderen Anschluß der ersten Spule S1 verbunden. Im übrigen entspricht die Schaltung in Fig. 6 der in Fig. 2 gezeigten Schaltung.

Die induktive Rückkopplung wird durch die zur ersten Spule S1 gekoppelten zweiten Spule S2 realisiert. Dabei kann die zwei­ te Spule S2 unterhalb oder oberhalb der ersten Spule liegen. Es ist auch möglich, daß beide Spulen S1 und S2 ineinander gewickelt sind.

Eine andere Möglichkeit zur induktiven Kopplung ist in Fig. 7 gezeigt. Die Kopplung erfolgt dabei über eine Spule S3, die zwei weitere Anzapfungen zur Rückkopplung aufweist. Die bei­ den Anzapfungen der Spule S3 sind mit dem Steuereingang des ersten Transistors T1 bzw. dem Steuereingang des zweiten Transistors T2 verbunden. Die Anschlüsse der Spule S3 sind mit dem Kollektor des ersten Transistors T1 bzw. dem Kollek­ tor des zweiten Transistors T2 verbunden. In Fig. 7 ist die Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Güte einer Spule in ei­ ner Applikation gezeigt. Die Filterschaltung weist zwei Ein­ gänge IN und INX auf, die über eine Serienschaltung zweier Kondensatoren C3 und C4 bzw. C8 und C9 mit zwei Ausgängen OUT bzw. OUTX verbunden sind. Die beiden Kondensatoren C3 und C4 sind zusätzlich über eine Serienschaltung dreier Kondensato­ ren C5, C6 und C7 mit den Kondensatoren C8 und C9 verbunden. Der Kondensator C6 ist zur Spule S3 parallel geschaltet.

Um die in Fig. 8 gezeigte Durchlaßkennlinie für die in Fig. 7 gezeigte Filterschaltung zu erhalten, sind die Kondensato­ ren C3 bis C9 wie folgt zu dimensionieren:

C3 = 1 pF, C4 = 2 pF, C5 = 6 pF, C6 = 400 fF, C7 = 6 pF, C8 = 1 pF und C9 = 2 pF.

Mit einem derartigen Filter können Spiegelfilter für den Mo­ bilfunkstandard PDC800 realisiert werden. Das untere Seiten­ band bei 675 MHz ist dabei gegenüber dem oberen Seitenband bei 935 MHz um 20 dB gedämpft. Die integrierte Spule S3 hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Induktivität von 20 nH bei einer Güte von Q = 2 ohne die aktive Schaltung.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Durchlaßkennlinie ist auf der Abszisse die Frequenz in MHz und auf der Ordinate die Dämp­ fung in dB angegeben.

Selbstverständlich ist die in Fig. 7 gezeigte Schaltungsan­ ordnung zur Erhöhung der Güte einer Spule nicht auf die in Fig. 7 gezeigte Filterschaltung beschränkt.

Dadurch daß die Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Güte ei­ ner Spule im wesentlichen aus einem einzigen Differenzver­ stärker besteht, ist die Schaltungsanordnung unkompliziert und einfach zu dimensionieren. Der Aufbau ist differenziell und symmetrisch. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für eine chipinterne Signalführung. Spulen, die mit dieser Schaltungsanordnung entdämpft werden, können somit di­ rekt in den Signalpfad eingesetzt werden. Da lediglich das Eigenrauschen des Differenzverstärkers auftritt, kann die Schaltungsanordnung auch für rauscharme Anwendungen verwendet werden. Die Güte der Spule ist dadurch variierbar, daß der Fußpunktstrom IEE des Differenzverstärkers geändert wird. Dies ermöglicht eine einfache Einstellung.

Der Differenzverstärker kann mit Bipolartransistoren (npn- oder pnp-Transistoren) oder mit Feldeffekt-Transistoren aus­ geführt sein.

Durch den symmetrischen Aufbau ist die Schaltungsanordnung besonders für integrierte Schaltungen geeignet, da hier meist differenzielle Signale verwendet werden. Ein weiterer Vorteil der Schaltungsanordnung besteht im geringen Platzbedarf auf dem integrierten Schaltkreis.

Claims (6)

1. Filter, umfassend eine Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Güte einer Spule (S1),
bei der die Spule (S1) mit zwei Anschlüssen und einer Mitten­ anzapfung vorgesehen ist,
bei der zwei als Differenzverstärker arbeitende Transistoren (T1, T2) vorgesehen sind, wobei jeweils der Steuereingang des einen Transistors (T1; T2) mit dem Lastkreis des anderen Transistors (T2; T1) und einem der beiden Anschlüsse der Spu­ le (S1) verbunden ist, und
bei der die Mittenanzapfung der Spule (S1) mit einem ersten Bezugspotential (VCC) verbunden ist.

2. Filter nach Anspruch 1, bei dem im Gegenkopplungszweig des Differenzverstärkers ein oder mehrere Gegenkopplungswiderstände (R1, R2) vorgesehen sind.

3. Filter nach Anspruch 1, bei dem eine resistive Rückkopplung vorgesehen ist.

4. Filter nach Anspruch 1, bei dem eine kapazitive Rückkopplung vorgesehen ist.

5. Filter, umfassend eine Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Güte einer Spule (S1),
bei der eine erste Spule (S1) mit zwei Anschlüssen und einer Mittenanzapfung vorgesehen ist,
bei der eine zweite Spule (S2) mit zwei Anschlüssen und einer Mittenanzapfung vorgesehen ist, die mit der ersten Spule (S1) gekoppelt ist,
bei der zwei als Differenzverstärker arbeitende Transistoren (T1, T2) vorgesehen sind, wobei die Steuereingänge der Tran­ sistoren (T1, T2) mit den beiden Anschlüssen der ersten Spule (S1) und die Kollektoren der Transistoren (T1, T2) mit den Anschlüssen der zweiten Spule (S2) verbunden sind,
bei der die Mittenanzapfung der ersten Spule (S1) mit einem ersten Bezugspotential (VCC) verbunden ist, und
bei der die Mittenanzapfung der zweiten Spule (S2) mit einem zweiten Bezugspotential (Bias) verbunden ist.

6. Filter, umfassend eine Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Güte einer Spule (S3),
bei der die Spule (S3) mit zwei Anschlüssen, einer Mittenan­ zapfung und zwei weiteren Anzapfungen vorgesehen ist,
bei der zwei als Differenzverstärker arbeitende Transistoren (T1, T2) vorgesehen sind, wobei die Steuereingänge der Tran­ sistoren (T1, T2) mit den beiden Anzapfungen der Spule (S3) und die Kollektoren der Transistoren (T1, T2) mit den An­ schlüssen der Spule (S3) verbunden sind, und
bei der die Mittenanzapfung der Spule (S3) mit einem ersten Bezugspotential (VCC) verbunden ist.