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Baueinheit für hybride Schichtschaltungen Die Erfindung betrifft
eine vielseitige RC-aktive Baueinheit für hybride Schichtschaltungen, insbesondere
für Filter und Entzerrer der elektrischen Vbertragungstechnik.
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Derartige Baueinheiten werden benötigt, um eine wirtschaftliche Fertigung
in Mikroform zu ermöglichen.
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Dazu wird eine vorgelegte, Übertragungsfunktion durch die Kettenschaltung
von Teilvierpolen meist 2. Grades realisiert. Diese Teilvierpole können z.B. Tiefpässe,
Bandpässe, Bandsperren, Hochpässe oder Allpässe darstellen.
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Alle diese verschiedenen Teilvierpole sollen für den Betrieb innerhalb
einer Frequenzdekade aus einer einzigen Baueinheit zu gewinnen sein, die durch Auftrennen
von Leiterbahnen auf ihren speziellen Verwendungszweck zugeschnitten wird. Mit dieser
Baueinheit müssen sich also sämtliche möglichen Übertragungsfunktionen,2. Grades
verwirklichen lassen.
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Zur Herstellung einer solchen Baueinheit in Schichttechnik benötigt
man nur einen Satz Masken, was die Herstellungskosten stark reduziert.
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Es sind bereits einige Baueinheiten 2. Grades als RC-aktive Schaltungen
vorgeschlagen worden.
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Bei der Baueinheit nach Moschytz und Thelen (Moschytz, G.S. und Thelen,
W.: Design of hybrid-integrated filter building blocks, IEEE J. Solid State Circuits,
Bd. SC-5, Juni 1970) werden ein oder zwei Operationsverstärker und vier Kondensatoren
benötigt. Mehr als die beiden theoretisch mindestens notwendigen Kondensatoren sind
aber für eine Fertigung integrierter Schichtschaltungen unerwünscht.
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Zudem können nicht sämtliche Ubertragungsfunktionen 2. Grades erzeugt
werden.
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Bei einer anderen Baueinheit (Thomas, L.C.: The Biquad: Part I -Some
practical design considerations. Part II - A inultipurpose active filtering system.
IEEE Trans. Circuit Theory, Bd. CT-18, May 1971) werden zwar nur zwei Kondensatoren
verwendet, dafür aber drei oder vier Operationsverstärker. Letzteres erhöht die
Herstellungskosten in unvertretbarem Maße.
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Für die letzte bekannte Baueinheit (Hamilton, T.A. und Sedra, A.S.:
A single-amplifier biquad active filter. IEEE Trans Circuit Theory, Bd. CT-19, Juli
1972) gilt wieder, daß zuviele Kondensatoren verwendet werden. Hinzu kommt noch,
daß für jede erzeugte Ubertragungsfunktion mindestens zwei zusätzliche Dimensionierungsbedingungen
einzuhalten sind, was als weiterer Nachteil angesehen werden muß.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Baueinheit zu
entwickeln, die die angeführten Mängel vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß ein und dieselbe ac-aktive Schaltungsstruktur - Widerstände,
Kondensatoren und Operationsverstärker enthaltend - in mehreren Gebrauchs lagen
benützt wird. In einer Gebrauchslage werden dabei nur ein Teil der zu erzeugenden
Ubertragungsfunktionen gewonnen, die übrigen Ubertragungsfunktionen gewinnt man
in anderen Gebrauchslagen, bei denen Operationsverstärker an dafür vorgesehenen
inneren Klemmen in veränderter Position angeschlossen werden und/oderäußere Anschlußklemmen
der Schaltungsstruktur ihren Bestimmungszweck wechseln.
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Die mit der Erfindung erzielbaren wesentlichen Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß erstens mit einer Baueinheit sämtliche Übertragungsfunktionen 2. Grades
erzeugt werden können, daß zweitens dazu nur zwei Kondensatoren benötigt werden,
daß drittens nur ein Operationsverstärker benützt zu werden braucht und daß viertens
nur höchstens eine zusätzliche Dimensionierungsbedingung einzuhalten ist.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung, Baueinheit 2. Grades, sind
in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Bild 1 die gewählte Schaltungsstruktur der ersten Baueinheit in der einen Gebrauchslage
(Gebrauchslage A), Bild 2 die gleiche Schaltungsstruktur in der anderen Gebrauchslage
(Gebrauchslage B) und die Bilder3a-3g die aus dieser ersten Baueinheit zu gewinnenden
Schaltungen.
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Es zeigen weiter Bild 4 die gewählte Schaltungsstruktur der zweiten
Baueinheit in der einen Gebrauchslage (Gebrauchslage A),, Bild 5 die gleiche Schaltungsstruktur
in der anderen Gebrauchslage (Gebrauchslage B) und die
Bilder 6a-6x
die aus dieser zweiten Baueinheit zu gewinnenden Schaltungen.
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Die mit den Schaltungen dieser Baueinheiten zu realisierenden Übertragungsfunktionen
2. Grades lauten allgemein U2 a2p²+ a1p + ao , F(p) = U1 p² + b1p + bo wobei U1
die Eingangsspannung und U2 die Ausgangsspannung der Schaltung ist, p ist die komplexe
Kreisfrequenz und aO , al , a2 bo und b sind konstante Koeffizienten.
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Sämtliche möglichen und in Filter- und Entzerrerschaltungen vorkommenden
Spezialfälle dieser Übertragungsfunktion 2. Grades sind im, folgenden zusammengestellt
und mit Namen versehen.
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1 F(p) = K Tiefpaß I (TP I) p² + b1p + b0 p F(p) = K Bandpaß (BP)
p² + b1p + b0 2 p F(p) = K Hochpaß I (HP I) p² + b1p + b0 p + ao F(p) = K Tiefpaß
II (TP II) p² + b1p + bo p² + a0 F(p) = K Bandsperre (BS) p² + b1p + b0 p ( p +
al F(p) = K Hochpaß II (HP II) p² + b1p + b0 p² - b1p + b0 F(p) = 1 2 + 1 0 Allpaß
(AP) p² + b1p + b0 p² + a1p + b0 F(p) = K Resonator (RES) p² + b1p + b0
p²
+ a1p + a0 F(p) = K Vierpol (VP) p + blp + bo Hierbei ist K ein konstanter Faktor.
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Jede der beiden vorgestellten Baueinheiten ist in der Lage, alle diese
Spezialfälle zu verwirklichen, jedoch weisen die Baueinheiten unterschiedliche Vorteile
auf, die letztlich für ihren Einsatz maßgeblich sind.
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Bevor auf die Beschreibung der einzelnen Baueinheiten eingegangen
wird, sollen zwei beiden gemeinsame Punkte herausgestellt werden.
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So ist jedesmal die Stromversorgung des Operationsverstärkers weggelassen,
weil sie leicht nachträglich einzufügen ist. Außerdem ist der Operationsverstärker
immer als ideal angenommen worden, und zwar sowohl bei der Berechnung der Übertragungsfunktionen
als auch bei dessen Einsatz in der Baueinheit, d.h. Elemente zur Frequenzkompensation
sowie zur Offsetkompensation sind unberücksichtigt geblieben; auch sie sind leicht
nachträglich einzufügen. Der Beschreibung der ersten Baueinheit nach Bild 1 und
2 seien ihre speziellen Vorteile vorangestellt. Bei dieser Baueinheit sind die äußeren
Anschlußklemmen so gewählt, daß eine Kettenschaltung mehrerer Teilvierpole sehr
leicht möglich ist, besonders im Hinblick auf die Leiterbahnführung der Trägerplatine
für die Schichtschaltungen. Dies wird dadurch erreicht, daß jeweils nur ein einziger
Anschluß für Eingang, Ausgang und Masse notwendig ist und vor allem, daß diese Anschlußklemmen
in beiden Gebrauchs lagen immer ihre Lage beibehalten.
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Die einzelnen Spezialfälle der Übertragungsfunktionen werden mit den
Schaltungen der Bilder 3a - 3g realisiert. Diese Schaltungen lassen sich aus der
ersten Baueinheit nach Bild 1 und 2 dadurch erzeugen, daß an bestimmten, weiter
unten genau angegebenen Stellen, die Leiterbahnen aufgetrennt werden und daß der
Operationsverstärker gemäß der vorgeschriebenen Gebrauchslage (A - Bild 1 oder B
- Bild 2) eingesetzt wird, dann ergeben sich die Anschlüsse für Eingang, Ausgang
und Masse an den angegebenen Klemmen. In einzelnen Fällen ist dazu noch eine zusätzliche
Dimensionierungsbedingung einzuhalten.
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Alle für eine Anwendung dieser ersten Baueinheit erforderlichen Angaben
und Vorschriften sind in nachstehender Übersicht zusammengefaßt.
Trennstellen
(O) Gebrauchs- Anschlüsse ( ) Dimensionierungs-Bild Übertragungsfunktion in Bild
1 und 2 lage in Bild 1 und 2 für bedingungen Eingang Ausgang Masse 3a TP I d, f,
i, k B II I VI -3b BP d, g, i, l B II I VI -3c HP I a, c, e, g, n A I II V -3d TP
II ; a0> 0 d, g, h, k B II I VI -3e TP II ; a0<0 b, c, g, k, n A I II III
a2 = 0 3e BS ; a0> 0 b, c, g, k, n A I II III a1 = 0 3e HP II; a1< 0 b, c,
g, k, n A I II III a0 = 0 3e VP b, c, g, k, n A I II III -3f HP II ; a1> 0 c,
g, h, k, n B II I VI -3g AP d, g, m, o A I II IV b1 = -a1> 0 3g RES d, g, m,
o A I II IV -
Als Bespiel soll ein Allpaß ausgeführt werden. Aus
obiger Übersicht entnimmt man, daß die Schaltung nach Bild 3g herzustellen ist.
Die Baueinheit wird in Gebrauchslage A nach Bild 1 verwendet und an den Stellen
d, g, m und o werden die Leiterbahnen aufgetrennt. Hiermit sind an Klemme 1 der
Eingang, an Klemme II der Ausgang und an Klemme IV die Schaltungsmasse entstanden,
bei der Dimensionierung ist schließlich noch die Bedingung b1 = -a1> 0 für die
Koeffizienten einzuhalten.
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Die Vorteile der zweiten Baueinheit nach Bild 4'und 5 liegen darin,
daß hierbei nur Schaltungen verwendet sind, die eine günstige Güteempfindlichkeit
aufweisen, weiterhin sind die meisten Ubertragungsfunktionen mit mehreren Schaltungen
zu verwirklichen und zudem wurde darauf geachtet, daß möglichst wenig Trennstellen
benötigt werden.
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Die einzelnen Spezialfälle der Übertragungsfunktionen werden mit den
Schaltungen der Bilder 6a - 6x realisiert. Das Verfahren zur Erzeugung dieser Schaltungen
aus der zweiten Baueinheit ist im Prinzip dasselbe wie bei der ersten Baueinheit.
Die'beiden Gebrauchslagen (A - Bild 4 sind B - Bild 5) sind wieder vorgeschrieben,
ebenso die Trennstellen.
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Zu den Anschlüssen für Eingang, Ausgang und Masse - die hier oft an
mehreren Klemmen gleichzeitig vorzunehmen sind und die von Fall zu Fall ihre Plätze
wechseln - kommt in'wenigen Fällen noch ein Anschluß für eine äußere Verbindung.
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Ebenfalls in wenigen Fällen muß eine zusätzliche Dimensionierungsbedingung
eingehalten werden.
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Alle für die Anwendung dieser zweiten Baueinheit erforderlichen Angaben
und Vorschriften sind in nachstehender Übersicht zusanrmengefaßt.
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Hierzu ist zu bemerken, daß nicht alle möglichen Variationen für die
Realisierung einer Schaltung aus der Baueinheit erfaßt sind.
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Dies ist nur beispielhaft angegeben worden, so hat man beim Tefpaß
I nach Bild 6b die Möglichkeit, zwei Widerstände parallel zu schalten oder nur jeweils
einen von ihnen zu benützen. Beim Eiefpaß V nach Bild 6d hat man die Möglichkeit,
zwei Widerstände in Reihe zu schalten oder ebenfalls nur jeweils einen zu benützen.
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Beim Bandpaß nach Bild 6m kann man den Eingang an verschiedenen Stellen
d.h. über verschiedene Widerstände wählen.
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Eine Verallgemeinerung und Anwendung dieser Prinzipien ist bei vielen
anderen Schaltungen gleichfalls möglich.
Anschlüsse ( ) in Bild
4 und 5 für Bild Übertragungs- Trennstellen (0) Gebrauchsfunktion in Bild 4 und
5 lage Dimensionieäußere rungsbedin-Eingang Ausgang Masse Verbindung gung 6a TP
I b, e, i, l, p A V IV,VII,VIII I,II - -6b TP I b, e, i, l B V I, II, III IV,VII
- -6b TP I b, e, i, l B V I, II, III IV,VI - -6b TP I b, e, i, l B V I, II, III
IV,VI,VII - -6c TP II;a0> 0 a, o, m A III VII,VIII I,IV - -6d TP II;a0> 0
b, f, i, n A III VII,VIII I,II IV,V -6d TP II;a0> 0 b, f, i, o A III VII,VIII
I,II IV,V -6d TP II;a0> 0 b, f, i, o A III VII,VIII,IX I,II IV,V -6e TP II;a0<
a, h, m B V I,III,IV VI VII,VIII -6f HP I a, m, o A IV VI,VIII I,III - -6g HP II;a1>
0 a, m, o A IV,V VII,VIII III,VI - -6h HP II;a1> 0 d, e, m, o A IV VII,VIII I,III,VI
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Anschlüsse () in Bild 4 und 5 für Bild Übertragungs-Trennstellen
(0) Gebrauchs- Dimensioniefunktion in Bild 4 und 5 lage äußere rungsbedin-Eingang
Ausgang Masse Verbindung gung 6i HP II;a1< 0 a, m, o A IV VII,VIII I,III VI,IX
-6j BP a, g, n B V I,III,IV,VI VII - -6k BP a,m, o A V VII,VIII I,III,IV - -61 BP
d, m, o A V VII,VIII I,III,IV - -6m BP d, m B V I,III,IV VI,VII- -6m BP d, h, m,
p B IX I,III,IV VII - -6n BS; a0>0 d, m, o B VII,VIII I,III,IV V,VI - a1 = 0
60 RES a, m, o A III,IV VII,VIII I - -6p Ap a, m, o A I,III,IV VII,VIII V - b1 =-a1>
0 6p RES a, m, o A I,III,IV VII,VIII V - -6q AP d, m, o A I,III,IV VII,VIII V -
b1 = -a> 0 6q RES d, m, o A I,III,IV VII,VIII V - -
Anschlüsse
() in Bild 4 und 5 für Trennstellen (0) Gebrauchs- äußere Bild Übertragungsfunktion
in Bild 4 und 5 lage Verbin- Dimensionierungs-Eingang Ausgang Masse dung bedigung
6r VP; a0, a1 > 0 a, m, o A III,IV VI,VII,VIII I - -6s VP; a0, a1 > 0 d, m,
o A III,IV VII,VIII I - -6t VP; a0>0,a1# 0 a, m, o B VII,VIII I,III,IV VI - -6u
VP; a0>0,a1# 0 a, m, o A I,III,IV VII,VIII V,VI - -6v VP; a0>0,a1 # 0 d, m,
o A I,III,IV VII,VIII V,VI - -6w VP; a0>0,a1# 0 d, m, o B VII,VIII I,III,IV VI
- -6x VP; a0<0,a1# 0 d, m, o A I,III VII,VIII IV - -
Abschließend
soll wieder der Allpaß ausgeführt werden. Aus obiger Übersicht entnimmt man', daß
man die Wahl hat zwischen den Schaltungen nach Bild 6p und nach Bild 6q. Angenommen
sei, daß die Schaltung nach Bild 6q für den speziellen Zweck die geeignetere ist.
Dann ist die zweite Baueinheit in Gebrauchslage A nach Bild 4 zu verwenden, an den
Stellen d, m und o muß aufgetrennt werden und die äußeren Anschlüsse sind für den
Eingang bei I, III und IV für den Ausgang bei VII und VIII und für die Masse bei
V aus zu führen. Durch Einhalten der Dimensionierungsbedingung für die Koeffizienten
bl = -a1 >0 erhält man den gewünschten Allpaß.
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Die in den Bildern 3a - 3g und 6a - 6x angegebenen Schaltungen sind
zum Teil bereits bekannt, und zwar enthalten sie von Sallen & Key, Antoniou,
Deliyannis, Jess und Fliege veröffentlichte Schaltungen Der Rest sind Neuentwicklungen.
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Neu ist jedoch, daß es gelungen ist, mit einer einzigen Baueinheit
sämtliche Ubertragungsfunktionen 2. Grades zu realisieren und dies nur durch Auftrennen
von Leiterbahnen und Benutzen verschiedener Gebrauchs lagen, sowie in manchen Fällen
das Einhalten einer einzigen Dimensionierungsbedingung.