DE2229494A1 - Als filterschaltung wirkende gyratorc-schaltung - Google Patents

Als filterschaltung wirkende gyratorc-schaltung

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DE2229494A1 DE19722229494 DE2229494A DE2229494A1 DE 2229494 A1 DE2229494 A1 DE 2229494A1 DE 19722229494 DE19722229494 DE 19722229494 DE 2229494 A DE2229494 A DE 2229494A DE 2229494 A1 DE2229494 A1 DE 2229494A1
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00Networks using active elements
    • H03H11/02Multiple-port networks
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Description

  • Als Filterschaltung wirkende G.yrator-C-Schaltung Die Erfindung betrifft eine als Filterschaltung wirkende Gyrator-C-Schaltung, die in Form einer Zweitorschaltung ausgebildet ist, von der eine Klemme des Eingangstores und eine Klemme des Aus-gangstores unmittelbar miteinander verboden ist und die aus der Kettenschaltung zweier Gyratoren besteht, zwischen denen im Querzweig der Kettenschaltung ein Kondensator C2 und zwischen den nicht unmittelbar yer bundenen Klemmen des Eingangs- und Ausgangstores ein Kondensator C1 liegt.
  • Bei der Realisierung integrierter Filterschaltungen tritt bekanntlich das Problem auf, daß sogenannte LC-Filterschaltungen, also Schaltungen aus Spulen und Kondensatoren, deshalb nicht ohne weiteres als integrierte Schaltungen ausgebildet werden können, weil Spulen im Gegensatz zu Kondensatoren einer integrierten Bauweise nur schwer zugänglich sind. Zur Umgehung dieser Schwierigkeiten bedient man sich des sogenannten Gyrators und es ist in diesem Zusammenhang beispielsweise durch die Zeitschrift "Proceedings of the IEEE", 1966, Seite 411, bereits bekannt geworden, eine variable Spule bzw. einen lose gekoppelten übertrager mit Hilfe sogenannter Gyrator-C-Schaltungen nachzubilden. Bei dieser Schaltung werden Gyratoren mit ungleichen Gyrationswiderständen verwendet, wobei insbesondere die Gyrationswiderstände die Reziprozitätsbedingung erfüllen. Gyrator-C-Schaltungen sind weiterhin bekannt geworden durch den Aufsatz "Der Gyratorverstätker als Element zum Aufbau spulenfreier Siebketten" in "Wissenschaftliche Zeitschrift der Elektrotechnik", Band 8, 1966/67, Seiten 49 bis 64. Es sind dort eine Reihe von Gyrator-Zweitorschaltungen und ihre LC-Äquivalenten angegeben; insbesondere ist eine Gyrator- C-Schaltung gezeigt, die in Form einer Zweitorschaltung ausgebildet ist und die aus der Kettenschaltung zweier Gyratoren besteht, zwischen denen im Querzweig ein Kondensator eingeschaltet ist. Die nicht unmittelbar durchgeschalteten Eingangs- und Ausgangsklemmen dieser Zweitorschaltung sind durch einen Kondensator zusätzlich überbrückt. Die beiden Gyratoren haben dabei untereinander gleiche Gyrationswiderstände und es lassen sich deshalb sogenannte C-kanonische Schaltungen, d.h. also Schaltungen mit einer möglichst geringen Anzahl von Kondensatoren nicht realisieren.
  • Durch die Zeitschrift "AE8", Band 25, 1971, Seiten 344 bis 352, sind ferner Gyratorfilterschaltungen bekannt geworden, mit denen zwar an sich beliebige Reaktanzübertragungsfunktionen realisiert werden können, jedoch kommt es bei diesen Schaltungen darauf an, eine minimale Zahl von Gyratoren zu erreichen; dies führt offenbar dazu, daß uberbrückungsschaltungen verwendet werden müssen, die somit nicht die Form von Kettenschaltungen haben und daher zur Erzielung einer hohen Sperrdämpfung schlechter geeignet sind als Kettenschaltungen. Darüber hinaus sind überbrückte Schaltungen, wie dies auch aus der Technik konventioneller LC-Filter bekannt ist, gegenüber Bauteiletoleranzen empfindlich.
  • Beim Aufbau von konventionellen SC-Filterschaltungen ist man im allgemeinen bestrebt, sogenannte kanonische Rettenschaltungen zu realisieren, Schaltungen also, die die vorgegebenen Forderungen mit der geringstmöglichen Anzahl an Schaltelementen erfiillen. Hinweise, derartige Schaltungen als spulenlose Gyrator-Kettenschaltungen zu realisieren, lassen sich den genannten Literaturstellen jedoch nicht entnehmen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Gyratoren realisierbare, spulenfreie Filterschaltungen anzugeben, die geeignet sind, kanonische LC-Ketten-Schaltungen mit Hilfe C-kanonischer Gyratorschaltungen nachzubilden und die darüber hinaus eine Kettenschaltung der einzelnen Filterglieder ei geerdeten Gyratoren ermöglichen.
  • Ausgehend von einer als Filterschaltung wirkenden Gyrator-C-Schaltung, die in Form einer Zweitorschaltung ausgebildet ist, von der eine Klemme des Eingangstores und eine Klemme des Ausgangstores unmittelbar miteinander verbunden ist und die aus der Kettenschaltung zweier Gyratoren besteht, zwischen denen im Querzweig der Kettenschaltung ein Kondensator C2 und zwischen den nicht unmittelbar verbundenen Klemmen des Eingangs- und Ausgangstores ein Kondensator C1 liegt, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens ein Gyrationswiderstand unterschiedlich ist gegenüber den anderen Gyrationswiderständen, und daß die Gyrationswiderstände die Bedingung R1/R2-R4/R3 erfüllen und die einzelnen Schaltelemente nach folgenden Beziehungen bemessen sind: R1=R4/u c =C/(1-u)2 C2=L(1-u)2/(R1R2); hierbei bedeuten noch R1 und R2 den Vorwärts- und Rückwartsgyrationswiderstand des ersten Gyrators, R3 und R4 den Vorwärts- und Rückwärtsgyrationswiderstand des zweiten Gyrators und L, C und u sind die Werte für die Induktivität, die Kapazität und das Übersetzungsverhältnis der zur Gyrator-C-Schaltung äquivalenten kanonischen Filterschaltung.
  • Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.
  • Es zeigen in der Zeichnung: Fig.1 den bekannten, geerdeten idealen Gyrator mit gleichen Gyrationswiderständen; Fig.2 einen geerdeten Gyrator mit ungleichen Gyrationswiderständen; Fig.3 eine an sich bekannte kanonische LC-Filterschaltung und die dazugehörige äquivalente Gyrator-C-Schaltung gemäß der Erfindung; Fig.4 eine an sich bekannte kanonische SC-Tiefpaß-Kettenschaltung; Fig.5 die zur Schaltung nach Fig.4 äquivalente Gyrator-C-Schaltung gemäß der Erfindung.
  • Zum leichteren Verständnis des Erfindungsgegenstandes sind in den Fig.1 und 2 die bekannten Schaltsymbole für den idealen Gyrator und den in der englischen Literatur auch als Perfekt Gyrator" bezeichneten Gyrator mit ungleichen Gyrationswiderständen dargestellt. Wenn der ideale Gyrator den Gyrationswiderstand R hat, dann läßt sich seine Kettenmatrix Ki folgendermaßen angeben: Der in Fig.2 dargestellte Gyrator hat ungleiche Gyrationswiderstände R1 und R2 und es sei im folgenden R1 als Vorwärts-Gyrationswiderstand und R2 als Rückwärts-Gyrationswiderstand bezeichnet. Die Kettenmatrix K hat dann folgende Form: Die Realisierung solcher Gyratoren ist für sich bekannt, so daß an dieser Stelle nicht im einzelnen darauf eingegangen werden muß.
  • Pig.3 zeigt nun im linken Teil eine kanonisch aufgebaute Zweitorschaltung, deren Eingang mit den Bezugsziffern 1 und 1' und deren Ausgang mit den Bezugsziffern 2 und 2' bezeichnet ist. Die Anschlüsse 1' und 2' sind dabei nach Art der bekannten Abzweigschaltungen unmittelbar durchgegeschaltet, so daß sich diese Schaltung jederzeit einseitig auf ein Bezugspotential, wie beispielsweise Erdpotential, legen läßt. Die Schaltung selbst besteht aus einem idealen übertrager 4 mit dem Ubersetzungsverhältnis u:1, wobei.der Sekundärwicklung die Spule L parallel geschaltet ist. Im Querzweig ist an der die beiden Wicklungen zusammenführenden Klemme 3 ein Kondensator C nachgeschaltet, der- einseitig auf Bezugspotential liegt. Ausgangsseitig schließt sich ein weiterer übertrager 5 mit dem Ubersetzungsverhältnis 1:u an, dessen sekundärseitiger Ausgang unmittelbar die Ausgangsklemmen 2 und 2' bildet.
  • Die im linken Teil von Fig.3 dargestellte Filterschaltung läßt sich nach durchaus bekannten Bemessungsvorschriften realisieren und es hängen bekanntlich die Werte für die Spule L, den Kondensator C und das Ubersetzungsverhältnis u vom gewünschten Arbeitsfrequenzbereich, von der Bandbreite und gegebenenfalls vom zulässigen Reflexionsfaktor bzw. der von einem derartigen Filterglied geforderten Sperrdämpfung ab. Beispielsweise sei hierzu auf die Arbeit von H.Piloty "Kanonis.che Kettenschaltungen für Reaktanzyierpole mit vorgeschriebenen Betriebseigenschaften", FT 29, Hefte 9, 10 und 11, 1940, verwiesen.
  • In Fig.3 ist nun kenntlich gemacht, daß zu der aus konzentrierten Schaltelementen bestehenden LC-Schaltung eine Gyrator-C-Schaltung äquivalent ist, die aus der Kettenschaltung zweier Gyratoren Gi und G2 besteht. Im Querzweig der Kettenschaltung liegt ein Kondensator C2, die Schaltung selbst ist durch einen weiteren Kondensator C1 überbrückt.
  • Die Gyratoren G1 bzw. G2 haben im Ausführungsbeispiel ungleiche Gyrationswiderstände R1 und R2 bzw. R3 und R4 und es entsteht insgesamt wiederum eine Zweitorschaltung mit den Eingangsklemmen 1, 1' und den Ausgangsklemmen 2, 2'.
  • Damit die in Fig.3 dargestellten Schaltungen zueinander äquivalent sind, ist noch folgendes zu beaqhten.
  • Von den sechs Parametern der Gyratorschaltung sind zwei, R1 und R2 oder R3 und R4, frei wählbar, der Rest ist durch die Reziprozitätsbedingung und die drei Größen der gegebenen LC-Schaltung bestimmt; im einzelnen sind die Schaltelemente der in Fig.3 dargestellten Gyrator-C-Schaltung nach folgenden Gleichungen zu bemessen: R /R2=R4/R3 (1) R1-R4/u (2) C1=C/(1-u)2 (3) 02=L(1-u)2/(R1R2) (4) Man kann die beiden freien Parameter z.B. dazu benutzen, die Gyrationswiderstände der Schaltung an praktisch realisierte Gyratoren anzupassen, oder dazu, daß die Gyrationswiderstände paarweise gleich groß werden (R1=R2 bzw. R R4=R3), oder zur Steuerung der Größe der Kapazität C2 z.B. so, daß C2=C1 wird, daß also C1 und C2 gleichen Kapazitätswert annehmen.
  • Als Anwendungsbeispiel der in Fig.3 gezeigten Schaltungsäquivalenzen ist in den Fig.4 und 5 eine Tiefpaßschaltung vom Grad 5 gezeigt. Die in Fig.4 angegebene kanonische Tiefpaß-Kettenschaltung läßt sich nach bekannten Verfahren der Filtertechnik berechnen, z.B. nach den Verfahren der Betriebsparametertheorie. Es ist dies eine Zweitorschaltung mit dem Eingangstor 1, 1' und dem Ausgangstor 2, 2'. In den Querzweigen liegen die Kondensatoren 12', 13' und 14f, und zwar sind die Kondensatoren 12' und 13', entsprechend dem in Fig.3 dargestellten Grundglied von der die beiden Wicklungen der Transformatoren 4 und 4' zusammenführenden Klemme zur Verbindung 1'-2' geschaltet. Der Transformator 4 ist mit der Spule L1 sekundärseitig belastet und hat das Übersetzungsverhältnis u1:1. Der Transformator 4' ist belastet mit der Spule L2 und hat ein tbersetzungsverhältnis u2:1. Die Schaltung wird von einem Generator mit dem Innenwiderstand Z1 gespeist und ist mit dem Verbraucherwiderstand Z2 abgeschlossen.
  • Die spulenlose Realisierung der Schaltung gemäß Fig.4 erfolgt nun durch die in Fig.5 gezeigte Gyrator-C-Schaltung.
  • In dieser Schaltung sind demzufolge vier Gyratoren Gi bis G4 in Kette zu schalten und jeweils zwei aufeinanderfolgende Gyratoren durch die Kondensatoren Cia und 01b zu überbrücken. In den Querzweigen der in Kette geschalteten überbrückten Gyratoren liegen die Kondensatoren 02a und C2b' die einzelnen Gyratoren G1 bis G4 haben in entsprechender Reihenfolge die Gyrationswiderstände R1, R2 bzw. R3, R4 bzw. R5, R6 bzw. R7, R8. Aus einem Vergleich der Fig.5 und 3 ist ohne weiteres das Entstehen der Schaltung nach Fig.5 erkennbar, weshalb zur Berechnung der einzelnen Elementewerte unmittelbar die entsprechenden Bedingungen in den Gleichungen (1) bis (4) herangezogen werden können. Im Ausgangsquerzweig erscheint der Kondensator 14' (vgl. Fig.4), und zwar ist sein Kapazitätswert durch das Produkt der Quadrate der Übersetzungsverhältnisse u1 und u2 zu dividieren. Die Schaltung ist am Ausgang mit dem Widerstand Z2(u1u2)2 abzuschließen.
  • Wie bereits erwähnt, lassen sich mit den beschriebenen Schaltungen Gyrator-C-Schaltungen mit einer geringstmöglichen Anzahl von Kondensatoren erreichen, wobei die einzelnen Filterglieder zur Erfüllung vorgegebener Forderungen beliebig in Kette geschaltet werden können. Hinzu kommt, daß zwischen den einzelnen Gliedern oder am Ein- oder Ausgang zusätzliche Kondensatoren in den Quer- oder Längszweigen liegen können, wodurch sich Dämpfungspole bei der Frequenz Null oder der Frequenz Unendlich erzielen lassen und darüber hinaus können die Schaltungen nach bekannten Methoden der Filtertechnik realisiert werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Gyratoren einseitig geerdet sind und damit auf einem festen Bezugspotential liegen.
  • 5 Patentansprüche 5 Figuren

Claims (5)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Als Filterschaltung wirkende Gyrator-C-Schaltung, die in Form einer Zweitorschaltung ausgebildet ist, von der eine Klemme des Eingangstores und eine Klemme des Ausgangstores unmittelbar miteinander verbunden ist und die aus der Kettenschaltung zweier Gyratoren besteht, zwischen denen im Querzweig der Kettenschaltung ein Kondensator C2 und zwischen den nicht unmittelbar verbundenen Klemmen des Eingangs- und Ausgangstores ein Kondensator C1 liegt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß wenigstens ein Gyrationswiderstand (z.B. R1) unterschiedlich ist gegenüber den anderen Gyrationswiderständen (z.B. R2 bzw. R3 bzw. R4), und daß die Gyrationswiderstände die Bedingung R1/R2=R4/R3 erfüllen und die einzelnen Schaltelemente nach folgenden Beziehungen bemessen sind: R1=R4/u C1-"/ -u)2 C,=L(I-u)2/(R 1R2); hierbei bedeuten noch R1 und R2 den Vorwärts- und Rückwärtsgyrationswiderstand des ersten Gyrators (G1), R3 und R4 den Vorwärts- und Rückwärtsgyrationswiderstand des zweiten Gyrators (G2) und L, C und u sind die Werte für die Induktivität, die Kapazität und das Übersetzungsverhältnis der zur G;yrator-C-Schaltung äquivalenten kanonischen Filterschaltung.
  2. 2. Filterschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Gyrationswiderstände (R1 bis R4) die Bedingungen R1=R2, R3=R4 und R1 f R3 erfüllen.
  3. 3. Filterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Gyrationswiderstände (R1 bis R ) derart bemessen sind, daß die beiden 4 Kondensatoren (C1,C2) den gleichen Kapazitätswert annehmen.
  4. 4. Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, g e -k e n n z e i c h n e t d u r c h die Kettenschaltung mehrerer einzelner Glieder.
  5. 5. Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a -d u r c h- g e k e n n z e i c h n e t , daß am Ein-oder Ausgang oder zwischen den einzelnen Filtergliedern zusätzliche Kondensatoren im Quer- oder Längszweig liegen.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4381489A (en) * 1979-05-09 1983-04-26 U.S. Philips Corporation Pass filter circuit arrangement
WO2022108874A1 (en) * 2020-11-17 2022-05-27 The Regents Of The University Of California Sensing circuit
US11921136B2 (en) 2020-08-20 2024-03-05 The Regents Of The University Of California Exceptional points of degeneracy in linear time periodic systems and exceptional sensitivity

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