DE2421033A1 - Bandpassfilterschaltung - Google Patents

Description

Patentanwälte ¹X \J

Dipl. Ing. C. Wallach Dipl. Ing. G. Koch Dr. T. Haibach

8 München 2 O / ο ι η ο ο

Kaufingerstr. 8, Tel. 240275 ZHZ I U O ύ

Beckman Instruments, Inc.,
Fullerton, CaI., USA. - -

Bandpaßfilterschaltung

Die Erfindung betrifft eine wenigstens ein aktives Element aufweisende Bandpaefllterschaltung mit steilflankigem Durchlaßbereich. Im besonderen be7weckt die Erfindung die Schaffung einer steilflankigen Bandpaßfilterschaltung mit einem oder mehreren aktiven Elementen, bei welcher die Mittenfreguenz und der Q-Gütefaktor uabhängig voneinander einstellbar bzw. abstimmbar sind.

Nach dem Stande der Technik sind verschiedene Arten passiver Filter als steilflankige Filterschaltungen zur Verwendung in herkömmlichen elektronischen Schaltungen bekannt. Im Frequenzbereich unter etwa 30 Hz werden jedoch die Verlustleistungsfaktoren der verfügbaren Induktivitäten zu groß, so daß für praktische Zwecke der Bau von Induktivitäts-, Kapazitäts- oder Widerstands-Induktivitäts-Kapazitäts-Filterschaltungen untunlich wird.

Man hat daher verschiedene Arten von aktiven Filterschaltungen als alternatives Verfahren zur Schaffung steilflankiger Filter, insbesondere zur Verwendung bei sehr niedrigen Frequenzen,vorgesehen. Mit derartigen aktiven Filtern lassen sich einige der vorstehend genannten bei passiven Filtern auftretenden Probleme vermeiden. Jedoch haben die verschiedenen bekannten Formen aktiver Filter immer noch den Nachteil, daß ihre Abstimmung Schwierigkeiten bereitet.

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Diese Abstimmschwierigkeit beruht allgemein auf einer Abhängigkeit zwischen, der Abstimmung der Mittenfrequenz und der Einstellung der Q-Kenngrößen des Filters.

Außerdem sind die meisten aktiven Filterschaltungen außerordentlich empfindlich gegenüber Parameteränderungen in den Operations- bzw. Funktionsverstärkern, die gewöhnlich als aktive Elemente der Filterschaltung verwendet werden.

Der Erfindung liegt daher als Aufgabe die Schaffung einer steilflankigen Bandpaßfilterschaltung mit einem oder mehreren aktiven Elementen zugrunde, bei welcher die geschilderten Nachteile der bekannten Filterschaltungen vermieden sind« Insbesondere soll durch die Erfindung eine aktive Filterschaltung mit steilflankigem Durchlaßbereich geschaffen werden, bei welcher die Mittenfrequenz und der Q-Gütefaktor unabhängig voneinander einstellbar bzw. abstimmbar sind.

ErfindungsgemSe wird diese Aufgabe durch eine Bandpaßfilterschaltung gelöst, welche folgende Teile aufweist: Einen Hochleistungsoperations- bzw. Funktionsverstärker mit wenigstens einem Eingang und einem Ausgang; eine den Ausgang des Verstärkers mit einem Eingang verbindende kapazitive Rückführung mit zwei in Reihe in dem Pückführzweig liegenden Kondensatoren; eine den Ausgang des Verstärkers mit seinem Eingang verbindende Widerstandsrückführung mit zwei gleichgroßen Reihenwiderständen in dem Rückführzweig; eine mit der kapazitiven Rückführung verbundene Vorrichtung zur Einstellung der Mittenfrequenz der Filterschaltung; sowie eine mit der Widerstandsrückführung verbundene Vorrichtung zur von der Mittenfrequenz unabhängigen Einstellung des Q-Gütefaktors der Filterschaltung, wobei diese Q-Einstellvorrichtung einen Spannungsteilerwiderstand mit veretellbarem Abgriff zwischen dem Ausgang des Verstärkers und Masse aufweist, wobei der bewegliche Abgriff

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dieses Spannungsteilerwiderstands über einen Kondensator mit dem gemeinsamen Knotenpunkt der beiden Rückführreihenwiderstände verbunden ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausftihrungsform der Erfindung weist die Bandpaßfilterschaltung als aktives Element einen Hoch-Iel8tunge-Operatt>ns- bzw. Funktionsverstärker auf, dessen einer Eingang an Masse liegt und dessen Ausgang über zwei _x Rückführzweige mit dem anderen Eingang verbunden ist. Der eine Rückführzweig weist zwei in Reihe liegende Kondensatoren auf, der andere Rückführzweig zwei Reihenwiderstände. Der Eingang der Filterschaltung ist über einen Eingangswiderstand mit dem gemeinsamen Knotenpunkt der beiden Kondensatoren verbunden; der Verstärkerausgang 1st einerseits mit der Ausgangsklemme der Filterschaltung sowie mit dem einen Ende eines an Masse liegenden Spannungsteilers verbunden, der einen beweglichen Aberriff aufweist. Der cremeinsame Knoten·" punkt der Rückführreihenwiderstände 1st über einen Kondensator mit dem beweglichen Abgriff des Spannungsteilers verbunden· Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Reihenkondensatoren der kapazitiven Rückführung gleich groß und besitzen die Reihenwiderstände der Widerstandsrückführung einen Wert» der viermal so groß wie der Betrag des Eingangswiderstande ist· Es wurde festgestellt, daß die Mittenfrequenz der erfindungscremaßen Filterschaltung durch Einstellung des Eingangswiderstande abstimmbar ist und daß der Q-Gütefaktor des Filters unabhängig hiervon durch Änderung der Einstellung des beweglichen Abgriffs des Auscrangsspannungsteilers einstellbar ist.

InT folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand

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der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

Fig· I das elektrische Schaltbild einer ein aktives

Element aufweisenden erfindungsgemäBen Filterschaltung mit steiler Flanke;

Fig. 2 ein Schaltbild einer mehrstufigen Anordnung von Filterschaltungen nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeichnete Bandpaßfilterschaltung mit steilflankigem Durchlaßbereich weist als aktives Element 12 einen Hochleistungs-Operations- bzw. FunktionsverstSrker auf. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ein Integrierter monolyttischer Operationsverstärker verwendet, beispielsweise ein unter der Modellbezeichnung Model yA 741 vertriebener Verstärker der Fa. PairchiId Camera ft Instrument. Selbstverständlich kann jedoch ebensogut ein beliebiger anderweitiger Hochleistungs-Operations-bzw. Funktionsverstärker verwendet werden.

Der infragestehende Operationsverstärker besitzt einen invertierenden und einen nicht invertierenden Eingang sowie einen Ausgang· Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der nicht invertierende Eingang an Masse, und der Verstärkerausgang ist Ober zwei als Ganzes mit 16 bzw. 18 bezeichnete Rückführzweige mit dem invertierenden Eingang verbunden. Der Rückführzweig 16 weist zwei in Reihe liegende Kondensatoren 21,22 mit einem gemeinsamen Knotenpunkt, 23 auf. Der Filtereingang wird durch eine Eingangsklemme 25 gebildet, die mit dem Knotenpunkt 23 üfcer einen Eingangswiderstand 27 elektrisch verbunden ist.

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Der Rückführzweig 18 weist zwei Reihenwider stände 31,32 mit einem gemeinsamen Knotenpunkt 33 auf. Der Verstärkerausgang ist elektrisch mit einer Ausgangskleimne 35 verbunden sowie mit dem einen Ende 36 eines Spannunfrsteilerwiderstands 37 mit einem beweglichen Abgriff 38. Das andere Ende 39 des Spannungsteilerwiderstandes liegt an Masse. Zwischen dem Knotenpunkt 33 und dem beweglichen Abgriff 38 des Spannunrrsteilerwiderstandes liegt ein Kondensator 42.

Zn der Zeichnung sind die Widerstände und Kondensatoren als Bauteile mit festen Werten dargestellt; selbstverständlich sind jedoch diese sämtlichen Bauteile in ihrem Betrag veränderbar, um sie in üblicher Weise zur Einstellung der Parameter der Filterschaltung abgleichen zu können.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des in Fig. 1 dargestellten Beispiels waren die Kondensatoren sämtlich gleich groß, während die Widerstände 31 und 32 untereinander gleich und viermal so groß wie der Eingangswiderstand 27 waren. Selbstverständlich sind jedoch diese Abgleichwerte nicht wesentlich und es können gegebenenfalls andere Werte für die Widerstände verwendet werden.

unter der Annahme, daß der Verstärker 12 ein idealer Operations- bzw. Funktionsverstärker ist, kann für die in Fig. l dargestellte Schaltung die nachfolgend in der Gleichung (1) wiedergegebene Obergangsfunktion, welche das Ausgangssignal e_Q in Beziehung zum Eingangssignal e. setzt, zugrundegelegt werden:

e_A -4RSC

-2 « y-j-y- (1)

^ei 1 + 2RCKS + 2(TITS

Die Mittenfrequenz der Filterschaltung wird dann durch die nachfolgende Gleichung (2) wiedergegeben, und der Q-Faktor

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durch die Gleichung (3):

_ω - —i (2)

° VT RC

(3)

/T" κ

Zn den vorstehenden Gleichungen bedeuten K den durch die jeweilige Stellung des beweglichen Abgriffs 38 bestimmten Teil des Spannungsteilerwiderstands 37, S die Laplace-Transformations-Variable, und R und C die Beträge der Schaltungsbauteile.

Man erkennt daraus, daß die Mittenfrequenz ω und der Q-Faktor der Schaltung in erster Ordnung voneinander unabhängig sind. Danach ist die Einstellung vi
des Q-Faktors der Schaltung.

Danach ist die Einstellung von <i>_o unabhängig von der Einstellung

In der Praxis kann die Abstimmung der beschriebenen Filterschaltung in der Welse erfolgen, daB man zunächst mittels des Eingangswiderstands 27 die Mittenfrequenz ω einstellt und sodann durch Verstellen des beweglichen Abgriffs des Ausgangs-Spannungsteilerwiderstands 37 den für die Filterschaltung gewünschten Q-Gütefaktor einstellt. Gegebenenfalls kann sodann die Mittenfrequenz geringfügig nachgestellt werden, um sicherzustellen, daß sie nicht von dem gewünschten oder Soll-Wert ausgewandert ist. Es wurde festgestellt, daß die Einstellung dieser Filterparameter im wesentlichen unabhängig voneinander ist, und daß das beschriebene Doppel-T-Filter nahezu immun gegenüber Parameteränderungen in dem Operationsverstärker 1st. Dies steht im scharfen Gegensatz zu den meisten anderen Bandpaßfiltern mit aktiven Elementen.

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Das in Fig. 1 dargestellte Filter kann gegebenenfalls in einem mehrstufigen Filter verwendet werden, wobei jedes einzelne Filter in der gleichen Heise wie für die Ausführungsform nach Fig. 1 beschrieben arbeitet.

Eine derartige mehrstufige Ausführung ist in Fig. 2 dargestellt, in welcher jeweils entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet sind, wobei die entsprechenden Teile in den Stufen 2 und 3 mit einfach oder zweifach gestrichenen Bezugsziffern bezeichnet sind.

Die Abstimmung und die Funktion der Filterschaltung nach Fig. ist Ähnlich der Schaltung nach Fig. 1. Diese mehrstufige Ausführung eignet sich jedoch zur Anwendung in Schaltungen, für welche kompliziertere Filterfunktionen gewünscht oder benötigt werden.

Zusammenfassung:

Die Erfindung schafft eine ein aktives Element aufweisende steilflankige Bandpaßfilterschaltung, deren Mittenfrequenz und Q-Gtitefaktor unabhängig voneinander einstellbar bzw. abstimmbar sind. Die Filterschaltung weist einen Hochleistungs-Opeattions- bzw. Funktionsverstärker auf, dessen einer Eingang an Masse liegt und dessen Ausgang mit dem anderen Eingang über zwei Rüekfuhrzweige verbunden ist. Der eine Rückführareig weist zwei in Reihe liegende Kondensatoren, der andere Rückführzweig zwei Reihenwiderstände auf. Der Eingang der Filterschaltung ist über einen Eingangswiderstand mit dem gsneinsamen Knotenpunkt der beiden Reihenkondensatoren verbunden; der Verstärkerausgang ist einerseits mit dem Ausgang der Filter-

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   ( Iy Steilflankige BandpaSf leerschaltung mit einem aktiven Element, insbesondere für niedrige Frequenzen, gekennzeichnet durch die folgenden Teile: Einen Hochleistungsoperations- bzw. Funktionsverstärker (12) mit wenigstens einem Eingang und einem Ausgang; eine den Ausgang des Verstärkers mit einem Eingang verbindende kapazitive Rückführung mit zwei in Reihe in dem Rückführzweig liegenden Kondensatoren (21,22); eine den Ausgang des Verstärkers mit seinem Eingang verbindende Widerstandsrückführung mit zwei gleichgroßen Reihenwiderständen (31,32) in dem Rückführ zweier; eine mit der kapazitiven Rückführung verbundene Vorrichtung (27) zur Einstellung der Mittenfrequenz der Filterschaltung; sowie eine mit der Widerstandsrückführung verbundene Vorrichtung (37) zur von der Mittenfrequenz unabhängigen Einstellung des Q-Gütefaktors der Filterschaltung, wobei diese Q-Einstellvorrichtung einen Spannungsteilerwiderstand (37) mit verstellbarem Abgriff (38) zwischen dem Ausgang (35) des Verstärkers (12) und Masse aufweist, wobei der bewegliche Abgriff (38) dieses Spannungsteilerwiderstands (37) über einen Kondensator (42) mit dem gemeinsamen Knotenpunkt (33) der beiden Rückführreihenwiderstände (31)(32), verbunden ist.
2. 2. Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Einstellung der Mittenfrequenz der Filterschaltung einen mit dem gemeinsamen Knotenpunkt der Reihenkondensatoren (21,22) der Kapazitätsrückführung ver-

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   /Ό

   bundenen einstellbaren Eingangswiderstand (27) aufweist.
3. 3. Filterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenkondensatoren (21,22) in der ersten oder kapazitiven Rückführung gleich groß sind und daß der Betrag der Reihenwiderstände (31,32) der zweiten oder Widerstandsrückführung jeweils etwa viermal so groß wie der Betrag des Eingangswiderstands (27) für die Mittenfrequenzeinstellung ist.
4. 4. Mehrstufige Filterschaltung, deren einzelne Stufen jeweils eine Filterschaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche aufweisen, wobei jeweils der Ausgang einer Stufe mit dem Elngana der nächstfolgenden Stufe verbunden ist.

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