DE2314382C3

DE2314382C3 - Coilless band filter element designed as a branch circuit

Info

Publication number: DE2314382C3
Application number: DE2314382A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 8190 Weidach Panzer; Herwig Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Trimmel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-03-22
Filing date: 1973-03-22
Publication date: 1979-09-13
Also published as: DE2314382A1; DE2314382B2

Description

Die Erfindung betrifft ein als Abzweigschaltung ausgebildetes spulenloses Bandfilterglied, bestehend aus ohmschen Widerständen, Kondensatoren, Verstärkern und frequenzabhängigen negativen Widerständen (FDHR), bei dem in den Längszweigen ohrmche Widerstände und im Querzweig ein Zweipol aus Widerständen und einem frequenzabhängigen negativen ohmschen Widerstand (FDNR) liegt.The invention relates to a spoolless band filter element designed as a branch circuit, consisting of ohmic resistors, capacitors, amplifiers and frequency-dependent negative resistors (FDHR), in which there are ear-like resistances in the series branches and a two-pole connection in the shunt branch Resistors and a frequency-dependent negative ohmic resistance (FDNR) lies.

Beim Aufbau integrierter Schaltungen tritt immer wieder die Forderung auf. Netzwerke zu realisieren, die eine frequenzabhängige Übertragungscharakteristik haben. Wie sich dabei zeigt, ist es günstig, in derartigen Netzwerken Schaltelemente vorzusehen, die die Eigenschaften von Spulen haben, obwohl Spulen einer integrierten Aufbauweise bekanntlich verhältnismäßig schlecht zugänglich sind, wenn ihre physikalischen Eigenschaften voll ausgenutzt werden sollen. Zwar ist die spulenlose Realisierung von frequenzabhängigen Netzwerken, wie beispielsweise von Bandfiltern, mit Gyratoren möglich. Da jedoch für hochwerte Übertragungssysteme geeignete Gyratoren derzeit technisch noch verhältnismäßig aufwendig sind, wird nach Schaltungen gesucht, die mit gängigen Operationsverstärkern arbeiten können. Aus Gründen der zu fordernden Unempfindlichkeit sind Schaltungen günstig, denen LC-Strukturen, d. h. also die ajs der konzentrierten Schaltungstechnik bekannten Schaltungsstrukturen aus Spulen und Kondensatoren, zugrunde liegen. In diesem Zusammenhang ist durch die Zeitschrift »IEEE Transactions on Circuit Theory«, Vol. CT-16, August 1969, Seiten 406 und 407, bereits ein cpulenloser Tiefpaßfilter bekanntgeworden, das unter Verwendung sogenannter FDNR-Elemente realisiert ist. Unter FDNR-Elementen ist dabei ein frequenzab hängiger negativer Widerstand zu verstehen. Die bei dieser bekannten Schaltung auftretende Schwierigkeit ist vor allen Dingen darin zu sehen daß die Abschlußimpedanz rein kapazitiv ist, was die Auskopplung des Ausgangssignals besonders bei niedrigen Frequenzen schwierig macht.
In einer Fortführung dieser Schaltung ist aus »Proceedings of the IEEE«, April 1972, Seiten 444 bis 445 eine Tiefpaßschaltung bekanntgeworden, bei der einem frequenzabhär-gigen negativen Widerstand, dem gegebenenfalls ein Widerstand in Serie geschaltet sein kann, ein ohmscher Widerstand, parallel geschaltet ist.The requirement arises again and again when building integrated circuits. To implement networks that have frequency-dependent transmission characteristics. As it turns out, it is advantageous to provide switching elements in such networks which have the properties of coils, although coils of an integrated design are known to be relatively difficult to access if their physical properties are to be fully exploited. It is true that the coilless implementation of frequency-dependent networks, such as band filters, is possible with gyrators. However, since gyrators suitable for high-quality transmission systems are currently still relatively complex technically, the search is on for circuits that can work with common operational amplifiers. For reasons of insensitivity to be required, circuits are favorable which are based on LC structures, that is to say the circuit structures of coils and capacitors known from concentrated circuit technology. In this context, the magazine "IEEE Transactions on Circuit Theory", Vol. CT-16, August 1969, pages 406 and 407, has already disclosed a coilless low-pass filter which is implemented using so-called FDNR elements. FDNR elements are to be understood as a frequency-dependent negative resistance. The difficulty occurring with this known circuit is primarily to be seen in the fact that the terminating impedance is purely capacitive, which makes it difficult to decouple the output signal, especially at low frequencies.
In a continuation of this circuit, a low-pass circuit has become known from "Proceedings of the IEEE", April 1972, pages 444 to 445, in which an ohmic resistor is connected in parallel to a frequency-dependent negative resistor, to which a resistor can optionally be connected in series is.

Im einzelnen ist dort ausgeführt, daß dieser Tiefpaß bei der Frequenz 0 deshalb nicht funktionstüchtig ist, weil der Arbeitspunkt der Schaltung nicht stimmt. Aus diesem Grund wird der Parallelwiderstand Rb zusätzlich in die Schaltung aufgenommen. Da dieser Widerstand aber nicht zum eigentlichen Filter gehört, wird die Dämpfungskurve in unerwünschter Weise verfälscht. Um dies auszugleichen, werden die Widerstände R₃ und Rc zugeschaltet, mit deren Hilfe sich der Dämpfungsverlauf wieder möglichst dem gewünschten geradlinigen Verlauf eines Tiefpasses nähert.In detail it is stated there that this low-pass filter is not functional at frequency 0 because the operating point of the circuit is incorrect. For this reason, the parallel resistor Rb is also included in the circuit. Since this resistance is not part of the actual filter, the damping curve is falsified in an undesirable way. In order to compensate for this, the resistors R ₃ and Rc are switched on, with the help of which the attenuation curve again approaches the desired straight-line curve of a low-pass filter as far as possible.

Durch die Zeitschrift »IEEE Transactions on Circuit Theory«, V0I.CM8, März 1971, Seiten 297 bis 299, ist ferner eine Schaltung bekanntgeworden, bei der ein Bandfilter mit Hilfe von FDNR's spulenlos realisiert werden kann. Hierzu werden verschiedenartige FDNR's verwendet. Diese werden zur Unterscheidung Super-C(d. h.die Impedanz ist proportional p- ², wenn ρ die komplexe Frequenz ist) und Super-L (d.h. die Impedanz ist proportional p?) genannt. Dieses Verfah-The journal "IEEE Transactions on Circuit Theory", V0I.CM8, March 1971, pages 297 to 299, also discloses a circuit in which a band filter can be realized without a coil using FDNRs. Various FDNRs are used for this purpose. These are called Super-C (ie the impedance is proportional to p- ² , if ρ is the complex frequency) and Super- L (ie the impedance is proportional to p?) To distinguish them. This procedure

ren ist auf ganz bestimmte symmetrische Bandfilter deshalb beschränkt, weil nur von Tiefpässen ungeraden Grades abgeleitete Bandfilter praktisch realisierbar sind, und es ist auch der Abgleich verhältnismäßig schwierig, weil die Dämpfungspole nicht unabhängigren is limited to very specific symmetrical band filters because only low-pass filters are odd Grade-derived bandpass filters are practically feasible, and the adjustment is also proportionate difficult because the attenuation poles are not independent

>5 voneinander eingestellt werden können.> 5 of each other can be set.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau einer Dämpfungspole erzeugenden Bandfilterstruktur anzugeben, deren Realisierung kanonisch bezüglich der Kapazitäten ist, so daß also nur dieThe invention is based on the task of constructing a band filter structure which generates attenuation poles indicate whose implementation is canonical with respect to the capacities, so that only the

w minimal mögliche Zahl an Kapazitäten benötigt wird.w minimum possible number of capacities is required.

Der Grad des zu realisieren Bandfilters unterliegt dabei keinerlei Beschränkung, sofern nur mindestens ein Dämpfungspol bei endlichen Frequenzen liegt.The degree of the band filter to be implemented is subject to this no restriction as long as there is at least one pole of attenuation at finite frequencies.

Ausgehend von der einleitend genannten Abzweig-Based on the branch mentioned in the introduction

·■■ schaltung, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, (Jaß zur Nachbildung eines Bandpasses in π-Schaltung mit Spulen in den Querzweigen und der Serienschaltiing einer Spule und eines Parallelresonanz-· ■■ circuit, this object is achieved according to the invention solved, (Jaß to simulate a bandpass in π-circuit with coils in the shunt branches and the Series connection of a coil and a parallel resonance

kreises im Längszweig dem Querzweig der spulenlosen Schaltung ein negativer Widerstand parallel geschaltet ist, oder daß zur Nachbildung eines Bandpasses in T-Schaltung mit Spulen in den Längszweigen und der Parallelschaltung einer Spule und eines Serienresonanzkreises im Querzweig dem Querzweig der spulenlosen Schaltung ein positiver frequenzunabhängiger Widerstand parallel geschaltet istcircle in the series branch to the shunt branch of the coilless circuit, a negative resistor is connected in parallel is, or that to simulate a bandpass in T-connection with coils in the series branches and the parallel connection of a coil and a series resonant circuit a positive frequency-independent resistance in the shunt arm of the coilless circuit is connected in parallel

Wenn es darauf ankommt, zusätzliche Dämpfungspole bei den Frequenzen Unendlich oder Null zu erzeugen, ist es günstig, einem derartigen Bandfilterglied Tiefpaßglieder oder Hochpaßglieder vor- bzw. nachzuschalten. Dabei können einige der einzelnen Glieder Ober Impedanzkonverter zusansmengeschaltet sein. Bandfilter höheren Grades lassen sich in bekannter Weise durch die Kettenschaltung mehrerer einzelner Glieder realisieren.When it comes down to generating additional attenuation poles at the frequencies infinite or zero, it is advantageous to connect low-pass elements or high-pass elements upstream or downstream of such a band filter element. Some of the individual elements can be connected together via impedance converters. Band filter higher degrees can be achieved in a known manner by connecting several individual links in a chain realize.

Vorteilhaft lassen sich die frequenzunabhängigen negativen Widerstände aus einem Differenzverstärker und ohmschen Widerständen herstellen. Dabei ist insbesondere daran gedacht, daß der invertierende Eingang des Differenzverstärkers über einen positiven Widerstand mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden ist, daß dieser Verbindungspunkt über einen weiteren positiven Widerstand am nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers liegt und dieser Verbindungspunkt über einen weiteren Widerstand auf Bezugspotential geschaltet ist.The frequency-independent negative resistances can advantageously be obtained from a differential amplifier and produce ohmic resistors. It is particularly thought that the inverting Input of the differential amplifier via a positive resistor to the output of the differential amplifier is connected that this connection point via a further positive resistor on the non-inverting The input of the differential amplifier is and this connection point is connected to another resistor Reference potential is switched.

Der Erfindung liegt die folgende Überlegung zugrunde. Geht man von einer passiven LC-Struktur aus, d. h. also von einer Filterstruktur, die aus Spulen und Kondensatoren besteht und die nach bekannten Regeln bemessen werden kann, wobei lediglich vorausgesetzt ist, daß es sich um eine LC-Struktur mit minimaler Spulenzahl handelt, dann enthält die hierzu duale Filterstruktur die minimale Anzahl von Kapazitäten, d. h. die Schaltung ist bezüglich der Kapazitäten kanonisch. Nach einer geeigneten Frequenztransformation, d. h. Multiplikation aller Impedanzen mit einem Faktor Mp, wenn ρ eine komplexe Frequenzvariable bedeutet, gehen die Kapazitäten in sogenannte frequenzabhängige negative Widerstände (FDNR's) über, während die Induktivitäten in Widerstände übergehen. Filterabschnitte mit schwimmenden Kapazitäten, d. h. also Kapazitäten, die einseitig nicht auf einem festen Bezugspotrntial liegen, werden durch äquivalente Teilfilter ersetzt, die sich aktiv mit Hilfe von FDNR's und FINR's realisieren lassen, wobei unter FINR ein frequenzunabhängiger negativer Widerstand zu verstehen ist.The invention is based on the following consideration. If one assumes a passive LC structure, ie a filter structure which consists of coils and capacitors and which can be dimensioned according to known rules, the only requirement being that it is an LC structure with a minimal number of coils, then the dual filter structure for this purpose contains the minimum number of capacitances, ie the circuit is canonical with regard to the capacitances. After a suitable frequency transformation, ie multiplication of all impedances by a factor Mp, if ρ means a complex frequency variable, the capacitances change into so-called frequency-dependent negative resistances (FDNR's), while the inductances change into resistances. Filter sections with floating capacities, i.e. capacities that are not on a fixed reference potential on one side, are replaced by equivalent partial filters that can be actively implemented with the help of FDNR's and FINR's, whereby FINR is a frequency-independent negative resistance.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend noch näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments.

Es zeigt in der ZeichnungIt shows in the drawing

F i g. I eine polerzeugende Z-C-Filterstruktur,F i g. I a pole-generating Z-C filter structure,

Fig. 2 die zur Schaltung nach Fig. 1 äquivalente Abzweigstruktur mit einseitig geerdetem Kondensator im Querzweig,FIG. 2 shows the branch structure equivalent to the circuit according to FIG. 1 with a capacitor grounded at one end in the cross branch,

F i g. 3 ein allgemeines Bandfilterglied gemäß F i g. 2,F i g. 3 shows a general band filter element according to FIG. 2,

Fig. 4 eine Schaltung nach Fig. 3 nach der Transformation mit dem Faktor Mp, wenn ρ die komplexe FreqüenzVariable bedeutet,4 shows a circuit according to FIG. 3 after the transformation with the factor Mp, if ρ means the complex frequency variable,

F i g. 5 eine gegenüber der Schaltung nach F i g. 4 im Querzweig erweiterte Schaltung,F i g. 5 a compared to the circuit according to FIG. 4 in the shunt branch extended circuit,

F i g. 6 eine passive LC-Schaltung,F i g. 6 a passive LC circuit,

F i g. 7 die zur Schaltung nach Fig. 6 äquivalente Schaltung nach der Transformalion mit dem Faktor Mp, F i g. 7 the circuit equivalent to the circuit according to FIG. 6 after the transformation with the factor Mp,

Fig. 8 ein an sich bekanntes Tiefpaßglied in aktiver Technik.8 shows a known low-pass filter in active mode Technology.

Fig.9 ein an sich bekanntes Hochpaßhalbglied in aktiver Technik,9 shows a known high-pass half-element in active technology,

Fig. 10 ein Beispiel für einen an sich bekannten allgemeinen Impedanzkonverter (GIC),
s F i g, Il eine Schaltung zur Realisierung des frequenzunabhängigen negativen Widerstandes (FINR),10 shows an example of a general impedance converter (GIC) known per se,
s F ig, II a circuit for the implementation of the frequency-independent negative resistance (FINR),

Fig. 12 eine Schaltung zur Realisierung eines frequenzabhängigen negativen Widerstandes (FDNR).
Die Schaltung nach F i g. 1 stellt ein an sich bekanntes Bandfiltergrundglied in LC-Technik dar, das als sr-GIied ausgebildet ist, in dessen Eingangsquerzweig eine Spule L\ und in dessen Ausgangsquerzweig eine Spule U liegt Der Längszweig besteht aus der Serienschaltung einer Spule Li und einem Parallelresonanzkreis mit der Spule L₂ und dem Kondensator Ci. Solche Schaltungen lassen sich nach bekannten Methoden bemessen, und es richtet sich der Wert der einzelnen Schaltelemente bekanntlich nach den jeweiligen Anforderungen bezüglich Filterbandbreite und Sperrdämpfung. Aufgrund der gewählten Schaltu»igskonfiguration eignet sich diese Schaltung zur Erzeugung eines Dämpfungspolc · <n dem gegenüber dem Durchlaßbereich frequenztieferen Sperrbereich, und zwar liegt der Dämpfungspol bei der Resonanzfrequenz des Parallelresonanzkreises. Wegen der Anschaltung im Längszweig ist der Kondensator C₂ ein sogenannter schwimmender Kondensator, d. h. keiner seiner Anschlüsse liegt auf dem durch das entsprechende Schaltsymbol E kenntlich gemachten Bezugs- bzw. Erdpotential.12 shows a circuit for realizing a frequency-dependent negative resistance (FDNR).
The circuit according to FIG. 1 shows a basic band filter element in LC technology, known per se, which is designed as a sr-element, in whose input transverse branch there is a coil L and in whose output transverse branch there is a coil U. The series branch consists of the series connection of a coil Li and a parallel resonant circuit with the Coil L ₂ and the capacitor Ci. Such circuits can be dimensioned according to known methods, and it is known that the value of the individual switching elements depends on the respective requirements with regard to filter bandwidth and blocking attenuation. Due to the selected Schaltu "igskonfiguration this circuit is suitable for generating a Dämpfungspolc · <n the opposite the pass band frequency lower stop band, and that the attenuation is at the resonant frequency of the tank circuit. Because it is connected in the series branch, the capacitor C _{2 is} a so-called floating capacitor, ie none of its connections is on the reference or ground potential identified by the corresponding circuit symbol E.

Durch eine Schaltungstransformatioii geht die Schaltung von Fig. 1 in die dazu äquivalente Schaltung von F i g. 2 über, in der zur besseren Obersicht die Werte der einzelnen Schaltelemente unmittelbar eingetragen sind. Die Schaltung von F i g. 2 ist dem Grundkonzept nach ein T-Glied, in dessen Längszweigen die Spulen mit den Induktivitätswerten L\ und i/L* liegen. Am Ausgang der Schaltung liegt ein Transformator Γ mit dem Übersetzungsverhältnis — 1 : Wi-i. Dieser Transformator braucht im einzelnen nicht näher betrachtet zu werden, da er nach bekannten Regeln der Filtertechnik beispielsweise an den Ausgang der Gesamtschaltung, sofern diese aus einer größeren Anzahl einzelner Glieder besteht, verlegt werden kann. Im Querzweig der Schaltung liegt ein Serienresonanzkreis, dessen SpuleBy means of a circuit transformation, the circuit of FIG. 1 changes to the equivalent circuit of FIG. 2 above, in which the values of the individual switching elements are entered directly for a better overview. The circuit of FIG. According to the basic concept, 2 is a T-link, in whose longitudinal branches the coils with the inductance values L \ and i / L * are located. At the output of the circuit there is a transformer Γ with the transformation ratio - 1: Wi-i. This transformer does not need to be considered in detail, since it can be relocated according to known rules of filter technology, for example to the output of the overall circuit, provided that it consists of a larger number of individual elements. In the shunt of the circuit there is a series resonant circuit, its coil

4") den Induktivitätswert LVL₂ und dessen Kondensator den Kapzitätswert C₂ (L₂IL^ hat. Parallel zu diesem Serienresonanzkreis liegt eine Spule mit dem Induktivitätswert 4 ") has the inductance value LVL ₂ and its capacitor has the capacitance value C ₂ (L ₂ IL ^ . Parallel to this series resonance circuit is a coil with the inductance value

.₀ L = -Z.,/(l + L₂IL₁ + Li/U + UX₁).. ₀ L = -Z., / (L + L ₂ IL ₁ + Li / U + U X ₁ ).

d. h. also eine Spule mit einem negativen Induktivitätswert. d. H. i.e. a coil with a negative inductance value.

Allgemein läßt sich also die Schaltung nach F i £. 2 d'jrc!. d:e Schaltung nach F i g. 3 darstellen, nämlich ein T-Glied mit den Spulen L₃ und Lb im Längszweig, während im Querzweig die Parallelschaliung eines Serienresonanzkreises einer Spule L_c und einem Kondensator Cmit einer Spule — L liegt. Die Werte der einzelnen Schaltelemente in Fig. 3 können unmittelbarIn general, the circuit according to F i £. 2 d'jrc !. d: e circuit according to FIG. 3, namely a T-link with the coils L ₃ and Lb in the series branch, while the parallel connection of a series resonant circuit of a coil L _c and a capacitor C with a coil - L is located in the shunt branch. The values of the individual switching elements in FIG. 3 can be directly

<^!! den bereits beschriebenen Schaltungen von F i g. 2 bzw. von Fig.) entnommen werden, wie ferner aus den F i g. 2 und 3 ohne weiteres erkennbar ist, 're.en dort keine schwimmenden Kondensatoren mehr auf, sondern es liegt der Kondensator C einseitig auf dem Bezugs-' bzw. Massepotentia¹ E< ^!! the circuits of FIG. 1 already described. 2 or from FIG.), As can also be seen from FIGS. 2 and 3 can be seen without further ado, there are no longer any floating capacitors, but the capacitor C lies on one side on the reference or ground potential ¹ E

Wie durch den zwischen den Fig. 3 und 4 befindlichen Pfeil kenntlich gemacht ist, geht die Schaltung von F i g. 3 durch eine Transformation,As by the between Figs is indicated by the arrow located, the circuit proceeds from FIG. 3 through a transformation,

nämlich durch eine Multiplikation der Impedanzen mit dem Faktor Mp in die Schaltung nach F i g. 4 über; ρ ist dabei die komplexe Frequenzvariable. Durch diese Transformation entsteht eine spulenlose, als T-Glied ausgebildete Schaltung. Dieses T-Glicd enthält in den ί Längszweigen die ohmschen Widerstände /?„und Rh- Im Querzweig liegt die Serienschaltung aus einem ohmschen Widerstand R₁- und einem einseitig auf Bezugspot:ntial E liegenden frequenzabhängigen negativen ohmschen Widerstand FDNR. Diesem Querzweig ist in noch ein frequenzunabhängiger negativer ohmscher Widerstand FINR parallel geschaltet. Die Schaltung nach F i g. 4 ist zur LC-Schaltung nach F i g. 1 äquivalent, sie erzeugt also einen Dämpfungspol in dem unterhalb des FilterdurchlaBbcreichcs liegenden Sperrbereich. Die praktische Realisierung der Widerstände FDNR und FINR wird später anhand der Fig. 11 und 12 noch erläutert.namely by multiplying the impedances by the factor Mp in the circuit according to F i g. 4 over; ρ is the complex frequency variable. This transformation creates a coilless circuit designed as a T-element. This T-Glicd contains in the ί longitudinal branches of the ohmic resistances / "and Rh in the shunt arm, the series circuit of a resistor is R ₁ - and a side on reference spot:? E lying ntial frequency-dependent negative ohmic resistance FDNR. A frequency-independent negative ohmic resistor FINR is connected in parallel to this shunt branch. The circuit according to FIG. 4 is related to the LC circuit according to FIG. 1 equivalent, so it creates a pole of attenuation in the blocking area below the filter passage area. The practical implementation of the resistors FDNR and FINR will be explained later with reference to FIGS. 11 and 12.

In F i g. 5 ist eine Schaltung gezeigt, die mil der Schaltung nach Fig. 4 an sich wirkungsgleich ist. Es ist dort lediglich im Querzweig eine Schaltungstransformation vorgenommen worden, die mitunter dann günstig sein kann, wenn sich für die einzelnen Schaltelementewerte erheblich unterschiedliche Widerstandswerte ergeben. In der Schaltung nach Fig. 5 besteht demzufolge der Querzweig aus einem Widerstand R_t\, dem in Serie die Parallelschaltung aus dem Widerstand FDNR und einem weiteren ohmschen Widerstand R₁? in Serie nachgeschaltet ist. Parallel zum Querzweig liegt wiederum der frequenzunabhängige negative ohmsche jo Widerstand FINR.In Fig. FIG. 5 shows a circuit which, per se, has the same effect as the circuit according to FIG. A circuit transformation has only been carried out there in the shunt branch, which can sometimes be beneficial if the resistance values for the individual switching element values differ considerably. In the circuit according to FIG. 5, the shunt branch consists of a resistor R _t \, which is connected in series to the parallel connection of the resistor FDNR and a further ohmic resistor R ₁ ? is connected downstream in series. The frequency-independent negative ohmic resistance FINR is in turn parallel to the shunt branch.

In den F i g. 6 und 7 sind Schaltungen gezeigt, die die Erzeugung eines Dämpfungspols in dem gegenüber dem Durchlaßbereich frequenzhöheren Sperrbereich ermöglichen. Ausgegangen wird dabei von de:rn als )5 T-Schaltung ausgebildeten tC-Glied nach Fig. 6. in dessen Längszweigen die Induktivitäten U, und L't, liegen. Der Querzweig besteht aus der Parallelschaltung einer Induktivität L und eines Serienresonanzkreises aus der Induktivität L'_c und dem Kondensator C. Die ·">In the F i g. 6 and 7 show circuits which enable the generation of an attenuation pole in the stop band, which has a higher frequency than the pass band. The starting point is the tC element according to FIG. 6, designed as a) 5 T circuit, in whose series branches the inductances U, and L't, are located. The shunt branch consists of the parallel connection of an inductance L and a series resonance circuit made up of the inductance L ' _c and the capacitor C. The · ">

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bekannten Vorschriften der Fiitertheorie bestimmt werden, der Dämpfungspol liegt bei der Serienrssonanzfrequenz d;s Resonanzkreises aus L'_cund C. und es liegt diese Resonanzfrequenz aufgrund der gewählten Schaltungsstruktur oberhalb des Filterdurchlaöbereiches, dessen Lage wiederum von der Induktivität L mitbestimmt wird. Wie bereits besprochen, geht auch die Schaltung nach Fig. 6 durch Multiplikation jeder Impedanz mit de<n Faktor Up (p ist wiederum die komplexe Frequenzvariable) in die Schaltung nach Fig. 7 über, so daß also Spulen in Widerstände. Kapazitäten in FDNR's und Widerstände in Kapazitäten transformiert werden. Zwar ergibt sich — sofern die Schaltung nach Fig.6 an einer Spannungsquelle mit ohmschem Innenwiderstand und mit einem ohmschen Abschlußwiderstand betrieben wird — in der Schaltung nach der Fi g. 7 eine kapazitive Quellimpedanz und ein kapazitiver Abschlußwiderstand. Die kapazitive Quellimpedanz ist jedoch nicht nachteilig, da der ohmsche Innenwiderstand einer gegebenen Spannungsquelle in den Längswiderstand am Filtereingang einbesiogen werden kann. Wenn es darauf ankommt, die Schaltung nach F i g. 7 mit einem ohmschen Abschlußwiderstand zu betreiben, dann muß am Ausgang lediglich ein Trennverstärker V nachgeschaltet werden, wie dies in F i g. 7 gestrichelt eingezeichnet ist. Da in der Schaltung nach Fig. 6 im Querzweig eine Induktivität L mit positivem Induktivitälswcrt liegt, erscheint aufgrund der Transformation mildem Faktor I/pin der Schaltung nach der F i g. 7 ein positiver frequenzunabhängiger Widerstand R. der parallel zum Querzweig aus dem Widerstand /?'< und dem FDNR liegt.known rules of the filter theory are determined, the damping pole is at the series resonance frequency d; s resonance _{circuit from L 'c} and C. and this resonance frequency is due to the selected circuit structure above the filter pass range, the position of which is in turn determined by the inductance L. As already discussed, the circuit according to FIG. 6 also passes over into the circuit according to FIG. 7 by multiplying each impedance by de <n factor Up (p is again the complex frequency variable), so that coils are thus resistors. Capacities are transformed into FDNR's and resistances into capacities. It is true that - if the circuit according to FIG. 6 is operated on a voltage source with an ohmic internal resistance and with an ohmic terminating resistor - in the circuit according to FIG. 7 a capacitive source impedance and a capacitive terminating resistor. The capacitive source impedance is not disadvantageous, however, since the ohmic internal resistance of a given voltage source can be included in the series resistance at the filter input. When it comes down to it, the circuit of FIG. 7 to operate with an ohmic terminating resistor, then only an isolating amplifier V has to be connected downstream at the output, as shown in FIG. 7 is shown in dashed lines. Since in the circuit according to FIG. 6 there is an inductance L with a positive inductance value in the shunt arm, due to the transformation, a mild factor I / pin appears in the circuit according to FIG. 7 a positive frequency- independent resistor R. which is parallel to the cross arm from the resistor /? '<And the FDNR.

Selbstverständlich kann auch in der Schaltung nach F i g. 7 eine ähnliche Schaltungstransformalion wie in Fig. 5 vorgenommen werden und der Querzweig aus R'c und FDNR in der dort besprochenen Weise umgewandelt werden.Of course, in the circuit according to FIG. 7, a circuit transformation similar to that in FIG. 5 can be carried out and the shunt arm from R'c and FDNR can be converted in the manner discussed there.

Durch die Kettenschaltung mehrerer einzelner Glieder lassen sich praktisch Filter mit beliebigen Anforderungen realisieren, insbesondere können durch die Kettenschaltung von Gliedern nach F i g. 4 und nach Fig. 7 Dämpfungspole unter- und oberhalb des Filterdurchlaßbereiches erzeugt werden. Wie einleitend bereits erwähnt, lassen sich den einzelnen Gliedern auch Tiefpaß- oder HochpaGgiieuei vi>i- b/.w. iiäclischäiien, was insbesondere dann von Bedeutung wird, wenn es darauf ankommt. Filter, die sogenannte mehrwertige Polstellen bei den Frequenzen Null oder Unendlich haben, in aktiver Technik zu realisieren. In den F i g. 8 und 9 sind hierfür mögliche Schaltungen gezeigt, deren Realisierung beispielsweise aus den Literaturstellen »IEEE Transactions on Circuit Theory«, Vol. CT 16, Aug. 1969, Seiten 406 bis 408, für ein Tiefpaß und »Proceedings IEE«. Vol. 116, No. 11, Nov. 1969, Seiten 1838 bis 1850, für einen Hochpaß bekannt ist, so daß auf ihre Wirkungsweise im einzelnen an dieser Stelle nicht eingegangen werden muß. Fig. 8 zeigt dabei ein Tiefpaßh3lbglied 7"P₁ das aus einvm ohmschen Widerstand im Längszweig und einem FDNR im Querzweig besteht. Fig.9 zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung eines Hochpaßhalbgliedes, in dessen Eingangsquerzweig ein kapazitiv abgeschlossener Gyrator G liegt und in dessen ausgangsseitigem Längszweig ein Kondensator eingeschaltet ist. je nach der Eingangs- und Ausgangsimpedanz der einzelnen Glieder ist es auch möglich, erforderlichenfalls zwischen einzelne Glieder sogenannte allgemeine Impedanzkonverter zu schalten.By connecting several individual links in a chain, filters with any requirements can practically be implemented; in particular, by connecting links in accordance with FIG. 4 and 7 attenuation poles are generated below and above the filter pass band. As already mentioned in the introduction, the individual members can also be assigned low-pass or high-pass filters vi> i- b / .w. iiäclischäiien, which is particularly important when it comes down to it. To implement filters that have so-called multi-valued poles at the frequencies zero or infinity in active technology. In the F i g. 8 and 9 show possible circuits for this purpose, their implementation, for example, from the literature references "IEEE Transactions on Circuit Theory", Vol. CT 16, Aug. 1969, pages 406 to 408, for a low-pass filter and "Proceedings IEE". Vol. 116, no. 11, Nov. 1969, pages 1838 to 1850, is known for a high pass, so that its mode of action need not be discussed in detail at this point. Fig. 8 shows a Tiefpaßh3lbglied 7 "P ₁ consisting of einvm ohmic resistance in the series branch and a FDNR in the transverse branch. 9 shows a possibility for realizing a Hochpaßhalbgliedes, in the input shunt arm a capacitively closed gyrator G is located and on the output side in the longitudinal branch Depending on the input and output impedance of the individual elements, it is also possible, if necessary, to connect so-called general impedance converters between individual elements.

"inlrhp Irhaliiincrpn sind für sich ebenfalls bekannt, beispielsweise aus der vorgenannten Literaturstelle (»Proc. IEE«) und werden in der Fachsprache auch »Generalized Impedance Converter« oder kurz »GIC« genannt. Das entsprechende Schaltsymbol ist in F i g. IC dargesteilt. Charakteristisch für einen solchen GIC ist bei der vorliegenden Anwendung sein frequenzabhängiger Konversionsfaktor. Durch Zwischenschaltung eines GIC zwischen transformiert und nicht transformierte Filterabschnitte, beispielsweise zwischen ein Glieu -lacri F i g. 4. 5 und ein Glied nach F i g. 9. läßt sich also stets eine Impedanzanpassung erreichen."inlrhp Irhaliiincrpn are also known for themselves, for example from the aforementioned literature reference ("Proc. IEE") and are also used in technical terminology »Generalized Impedance Converter« or »GIC« for short called. The corresponding circuit symbol is shown in FIG. IC shown. It is characteristic of such a GIC in the present application its frequency-dependent conversion factor. By inserting a GIC between transformed and non-transformed filter sections, for example between a Glieu-lacri F i g. 4. 5 and a link according to FIG. 9. So can always achieve an impedance matching.

Eine Möglichkeit zur Realisierung frequenzunabhängiger negativer Widerstände FINR ist in Fig-11 gezeigt, in der sowohl das Schaltsymbo! als auch die zugehörige Schaltung dargestellt sind. Ganz allgemeir lassen sich derartige FINR's aus ohmschen Widerstän den und Differenzverstärkern mit einer hohen Leerlauf verstärkung herstellen, die in der Fachsprache auch al: Operationsverstärker bekannt sind. F i g. 11 zeigt dabe eine vorteilhafte Ausfühmngsform insofern, als sich mil der dort gezeigten Schaltungsstruktur eine stabile unc gut reproduzierbare Schaltung erreichen läßt Die Schaltung selbst soll zwischen der Eingangsklemme 1 und der Ausgangsklemme E, die entsprechend der vorstehend gezeigten Schaltungen auf Bezugspotentia liegt, als frequenzunabhängiger Zweipol mit der Eigenschaften eines negativen ohmschen Widerstände;One possibility for realizing frequency-independent negative resistances FINR is shown in FIG. 11, in which both the switching symbol! and the associated circuit are shown. In general, such FINR's can be made from ohmic resistances and differential amplifiers with a high no-load gain, which are also known in technical jargon as: operational amplifiers. F i g. 11 shows dabe an advantageous embodiment form insofar as is mil of the circuit structure shown there can be achieved a stable unc reproducible circuit The circuit itself is between the input terminal 1 and the output terminal E, which accordingly is of the circuits shown above on Bezugspotentia, as frequency-independent two-terminal network with the properties of a negative ohmic resistance;

wirken. Hierzu ist der »-« bezeichnete invertierende Eingang des Operationsverstärkers O unmittelbar mit der Eingangsklemme 1 verbunden, und es liegt an diesem Verbindungspunkt ein positiver ohmscher Widerstand R\, dem in Serie ein weiterer positiver ohmscher Widerstand R₂ nachgeschaltet ist. Der Ausf^ig des Operationsverstärkers führt auf den Verbinchingspunkt zwischen den Widerständen R\ und R₂, so daß also gewissermaßen in der invertierende Eingang»-« über den Widerstand R\ mit dem Ausgang des Operationsverstärkers O verbunden ist. Der mit » + « bezeichnete nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers O führt auf das ausgangsseitige Ende des Widerstandes R₂ und von diesem Verbindungspunkt aus führt ein weiterer Widerstand /?j auf die Ausgangsklemme E Bei einem ausgeführten Beispiel, dessen Operationsverstärker eine offene Verstärkung von etwa 200 000 hat, liegen die Widerslände R, bis R, in der Größenordnung von etwa 1 kn.works. For this purpose, the inverting input of the operational amplifier O marked "-" is directly connected to the input terminal 1, and at this connection point there is a positive ohmic resistor R \, followed by a further positive ohmic resistor R ₂ in series. The output of the operational amplifier leads to the connection point between the resistors R \ and R ₂ , so that the inverting input "-" is connected to the output of the operational amplifier O via the resistor R \ . The "+" designated non-inverting input of the operational amplifier O leads to the output end of the resistor R ₂ and from this connection point another resistor /? J leads to the output terminal E. In one example, the operational amplifier has an open gain of about 200 000, the opposing areas R, to R, are of the order of about 1 kn.

In Fig. 12 ist eine Realisierungsmöglichkeit für einen frequenzabhängigen negativen Widerstand FDNR gezeigt, der zwischen den Klemmen Γ und E als Zweipolschaltung wirkt und in den vorstehend beschriebenen Schaltungen eingesetzt werden kann. Die Schaltungsstruktur ist eine Kettenstruktur, deren einer L.ängszweig aus der Serienschaltung eines Kondensators C\ und eines Widerstandes R₂ und deren zweiter L.ängszweig aus der Serienschaltung eines Kondensators Cj und eines ohmschen Widerstandes Ra besteht. In den Querzweigen der Schaltung liegen zwei Differenz- jo verstärker hoher Leerlaufverstärkung, also Operationsverstärker OX und O2, deren Ausgänge kreuzweise /wischen den Kondensator Ci und den Widerstand R₂ bzw. zwischen den Kondensator Cj und den Widerstand Ra geschaltet sind. Die mit » — « bezeichneten invertierenden Eingänge der beiden Operationsverstärker O 1 und O2 sind unmittelbar miteinander verbunden und auf den Verbindungspunkt zwischen den Widerstand R₂ und den Kondensator Ci geführt. Der mit » + « bezeichnete, nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers OI führt zu der im Längszweig liegenden Eingangsklemme 1, ist also dem Kondensator G vorgeschaltet, der mit » + « bezeichnete, nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers O2 führt zum ausgangsseitigen Ende des Widerstandes Ra und ist also dem Widerstand Ra unmittelbar nachgeschaltet. An diesem Verbindungspunkt liegt ein weiterer Widerstand /?₅, dessen zweiter Anschluß unmittelbar zu der mit E bezeichneten Ausgangsklemme führt. Bei realisierten Ausfühningsheisnielen, bei denen die Operationsverstärker O 1 und O 2 eine Leerlaufverstärkung von etwa 200 000 haben, haben die Kondensatoren C₁ und C] einen Kapazitätswert von einem bis einigen Nanofarad und die Widerstände /?2 bis Rs liegen in der Größenordnung von 3 bis 4 Kiloohm.FIG. 12 shows a possible implementation for a frequency-dependent negative resistor FDNR, which acts as a two-pole circuit between terminals Γ and E and can be used in the circuits described above. The circuit structure is a chain structure, one longitudinal branch of which consists of the series connection of a capacitor C \ and a resistor R ₂ and the second longitudinal branch of which consists of the series connection of a capacitor Cj and an ohmic resistor Ra . In the shunt branches of the circuit there are two differential amplifiers with high no-load gain, i.e. operational amplifiers OX and O2, the outputs of which are connected crosswise / between the capacitor Ci and the resistor R ₂ or between the capacitor Cj and the resistor Ra . The inverting inputs, labeled "-", of the two operational amplifiers O 1 and O2 are directly connected to one another and are routed to the connection point between the resistor R ₂ and the capacitor Ci. The "+" marked, non-inverting input of the operational amplifier O I leads to the input terminal 1 in the series branch, i.e. it is connected upstream of the capacitor G, the non-inverting input of the operational amplifier O2 marked "+" leads to the output end of the resistor Ra and is therefore immediately downstream of the resistor Ra. At this connection point there is another resistor /? ₅ , the second connection of which leads directly to the output terminal marked E. In implemented designs in which the operational amplifiers O 1 and O 2 have an open loop gain of around 200,000, the capacitors C ₁ and C] have a capacitance value of one to a few nanofarads and the resistances /? 2 to Rs are in the order of magnitude of 3 up to 4 kiloohms.

Die beschriebenen Schaltungen machen es möglich, aktive Bandpaßfilter mit Dämpfungspolen in der Übertragungscharakteristik zu realisieren, wobei die Lage der einzelnen Dämpfungspole unabhängig voneinander eingestellt werden kann. Es lassen sich kanonische Schaltungen aufbauen, die mit einem möglichst geringen schaltungstechnischen Aufwand stabile und gut reproduzierbare Eigenschaften haben.The circuits described make it possible to use active bandpass filters with attenuation poles in the Realize transfer characteristics, with the position of the individual damping poles independent of each other can be adjusted. Canonical circuits can be set up with the lowest possible circuit technology have stable and easily reproducible properties.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. A spoolless band filter element designed as a branch circuit, consisting of ohmic resistors, capacitors, amplifiers and frequency-dependent negative resistors (FDNR), in which there is ohmic resistances in the series branches and a two-pole resistor and a frequency-dependent negative ohmic resistance (FDNR) in the shunt branch characterized in that to simulate a bandpass in jr circuit with coils in the shunt branches and the series connection of a coil and a parallel resonant circuit in the series branch of the shunt branch; the inductorless circuit negative resistance (FINR) is connected in parallel, or in that for simulating a pass band in T circuit with Spukn in the series arms and the parallel circuit of a coil and ^o: nes series resonant circuit in the transverse branch of the transverse branch of the inductorless circuit, a positive frequency-independent resistor (R ) is connected in parallel (Fig. 4,5,7).

2. Band filter according to claim 1, characterized in that at upstream and / or downstream: tem low-pass (TP) and / or high-pass elements (HP) at least some of the individual elements are interconnected via impedance converters (GIC) (Fig. 10).

3. Band filter according to one of claims 1 or 2, characterized by the chain connection of several individual limbs.

4. Ribbon filing after an outside preceding Claims, characterized in that the frequency-independent negative Wie jrstand (FINR) from a differential amplifier and ohmic resistors (Fig. 11).

5. Band filter according to claim 4, characterized in that the inverting input (-) of the differential amplifier (O) via a positive resistor (Rt) is connected to the output of the differential amplifier (O) , that this connection point via a further positive resistor (R2 ) is at the non-inverting input (+) of the differential amplifier and this connection point is connected to reference potential (ξ; ) via a further resistor (R). (Fig. 11)