DE2453228C2 - Spulenfreie Gyrator-Filterschaltung mit beidseitig geerdeten Gyratoren und einer kanonischen Anzahl von Kapazitäten - Google Patents

Abstract

Das Hauptpatent (P 24 30 106.2 = A 1248) befasst sich mit einer Filterschaltung mit beidseitig geerdeten Gyratoren und einer kanonischen Anzahl von Kapazitaeten, die aus der wechselweisen Kettenschaltung zweier Anordnungen besteht. Bei Filterschaltungen mit Gyratoren ergeben sich im Vergleich zu passiven Lc-Filtern normalerweise zusaetzliche Probleme aus der Eigenrauschleistung. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Filter nach dem Hauptpatent das Signal-Rauschverhaeltnis oder, anders gesagt, den Rauschabstand bei fest vorgegebener Aussteuerung wesentlich zu verbessern. lmittel benetzte Flaeche in den Wicklungsabschnitten waehlbar

Description

t 3 4

; Gyi-ator-C-Filtern.« AEÜ 28 (J974) I₁S. 16, Tabelle IA nen Weg dorthin bietet zum Beispiel die sogenannte

/ Die F i g. 2 bis S schildern den Entwurf eines Bandpas- Norton-Transformation, die beschrieben wird in Gleiß

ί ses vom Grad 10 unter Anwendung der weiteren in den ner: »Zum Entwurf von Hochfrequenz-Bandpaßfiltern

ί Patentansprüchen dargestellten Maßnahmen. mit konzentrierten Elementen.« Dissertation Techni-

F i g. 2a zeigt einen Tiefpaß vom Grad 5, der in be- 5 sehe Universität München 1971.

■■ kannter Weise entworfen wurde, wie in R Saal, E Ul- Diese Norton-Transformation, angewendet auf das

^?- brich: »On the design of filters by synthesis.« IRE CT-5 hier gewählte Beispiel eines Bandpasses, wie in F i g. 4a

;·■■' 1958, S. 284—327, in Zusammenhang mit Göckler: dargestellt, ergibt eine Schaltung, wie sie F i g. 7 zeigt

»Ober Realisienuigsmöglichkeiten beim Entwurf von Die Transformation wird durchgeführt, wie in den

;. Gyrator-C-Filtern.« AEU 28 (1974) I₁ S. 15—24, darge- 10 F i g. 5a und 5b angedeutet Dort wird der Serienkreis

stellt Lb, Cb aus F i g. 4a transformiert und dadurch die Span-

Der Tiefpaß hat nach F i g. 2b seine Durchlaßgrenz- nungsüberhöhung U, entsprechend dem sich ergeben-

j frequenz bei Ω= 1, er weist drei Dämpfungspole bei ΩI₁ den Obersetzungsverhältnis 0:1, wobei t?< 1 wird, her-

;: Ω2 und Ω= 00 auf. Diese Pole werden realisiert durch abgesetzt

i. die Teilvierpole TVP1 bzw. TVP2 bzw. TVP3. 15 Mit Hilfe der F i g. 6a und 6b soll zunächst erläutert

;v Die Frequenzen der zugehörigen Pole nehmen also werden, was in der vorliegenden Beschreibung und den

i vom Eingang zum Ausgang des Filters monoton zu. Bei Patentansprüchen unter abhängigen und unabhängigen

? dieser Schaltung verursacht der erste Vierpol 7VP1 am Spannungsüberhöhungen verstanden wird.

si Eingang der Schaltung bei den Frequenzen, die größer In F i g. 6a ist eine L-C-Abzweigschaitung aufgezeich-

i sind als die Durchlaßgrenzfrequenz, verglichen mit allen 20 net, wobei der Einfachheit halber nur ._:Ue anliegenden

% anderen Vierpolen den größten Dämpfungsbeitrag, Spannungen (Eingangsspannung Ut, Ausgangsspan-

U- weshalb die an den nachfolgenden Vierpolen TiT 1 und nung UA und Spannung an der Induktivität L UL) und

% TVP 2 verbleibende Spannungsüberhöhung minimal der Strom durch die Induktivität IL eingezeichnet sind.

:i wird. Dasselbe gilt für den folgenden Vierpol TVP2, so In F i g. 6b ist die äquivalente Schaltung gezeigt, in der

p daß die auftretenden Spannungsüberhöhungen zum 25 die Induktivität durch einen Gyrator G ersetzt ist Die

% Ausgang des Filters hin abnehmen. Entsprechendes gilt Spannungen UE, UA und UL sind die gleichen wie in

I für auftretende Stromüberhöhungen. F i g. 6a. Die Spannung UL ist also von dem Aufbau des I- An C1 tritt die Spannungsüberhöhung U1 auf. Wenn Gyrators unabhängig und deshalb wird hier die entspre-

^ xl größer als 1 ist, ist es vorteilhaft den Übertrager Tr I chende Spannungsüberhöhung als »unabhängig« be-

I nach links an den Eingang zu verschieben. Dadurch wird 30 zeichnet Dagegen hängt die Spannung UG am Ausgang

II dann die an Cl auftretende Spannungsüberhöhung des Gyrators G von der Gyrationskonstanten/y ab und j| U Y =U\lx Y das heißt kleiner. die entsprechende Spannungsüberhöhung wird daher k 1st aber χ 1 gleich oder kleiner als 1, wird, wie in den »abhängig« genannt

Q Fig.3a bis 3c gezeigt, ein Übertragerpaar eingeführt Aus der Schaltung nach Fig.7 wird die Schaltung

f Diese Figuren stellen nur die für diesen Fail zu beach- 35 nach F i g. 8, wenn für die Spulen Gyratoren und Kon-

,_ tenden Einzelheiten dar. Die Bezeichnungen der in densatoren eingesetzt werden, wie es in Göckler: »Über

pi F ig. 2a vorkommenden Bauelemente sind dabei die Realisierungsmöglichkeiten beim Entwurf von Gyrator-

?% gleichen. C-Filtern«, AEÜ, 28 (1974), 1, S. 15—24, beschrieben

|ϊ Vor die in Fig.3a gezeigte Teilschaltung wird ein wird.

U Übertragerpaar (Tra, Trb) ü: 1 bzw. 1 :0 gelegt wobei 40 Diese Gyrator-C-Schaltungen mit beidseitig geerde-Jl Q größer als 1 gewählt ist An C1 liegt die Spannungs- ten G>ratoren und einer kanonischen Anzahl von Kapall überhöhung U1. Über F i g. 3b gelangt man zu. F i g. 3c, zitäten enthält vier Schaltungsteile, deren Gyrationsi| wenn der Übertrager Trb an den Ausgang der Teilschal- konstanten unabhängig voneinander wählbar sind. Dieis tung gebracht wird. Dadurch werden dann entspre- se Gyrationskonstanten sind rl, r2,r3 und r4. Die an [4 chend dem Übersetzungsverhältnis L zu L' und Ci zu 45 den Gyratoren mit der Gyrationskonstanten r2 anliet| CY und die Spannungsüberhöhung Ui zu UY. U Y ist genden unabhängigen Spannungen sind UX, i/2, i/3 I4 gleich U i/ü und, da ü größer als 1 ist, kleiner als U1. Bei und i/4, wie in den F i g. 7 und 8 gezeigt Die zur Bestimp Stromüberhöhungen gilt Entsprechendes, mit dem Un- mung der Gyrationskonstanten erforderlichen Ströme ί" terschied, daß 0 in dem Fall kleiner als 1 gewählt wird. Ii, 12,13 und /4 werden der äquivalenten L-C-Schal- |; Nach Anwendung der Tiufpaß-Bandpaß-Transforma- 50 tung nach F i g. 7 entnommen.

i| tion entsteht aus der Tiefpaßschaltung nach F i g. 2a die Um zum Beispiel die Gyrationskonstante r2 so fest-

§ Bandpaßsch&Itung nach F i g. 4a. Dieser Bandpaß hat zulegen, daß an den betreffenden Gyratoren die abhän-

£l nach F i g. 4b seine drei Dämpfungspolpaare bei Ωβ. und gigen Snannungsüberhöhungen gleich oder kleiner sind

f| üb bzw. bei Qc und Ωά bzw. bei J2=0 und Q= 00. Das als die zugehörigen unabhängigen Spannungsüberhö-

$■ erste, der Mittenfrequenz Ω 0 benachbarte Polpaar ist 55 hungen, wird aus den inliegenden Spannungen U1, U2,

|. verwirklicht durch den Teilvierpol TVP4, das in der i/3 und i/4 und den Strömen Ii, 12, /3 und /4 der dem

U Frequenzlage nach oben und unten folgende Polpaar Betrag nach jeweils größte Wert bestimmt:

|5 durch den Teilvierpol TVP 5 und das dritte obenge-

I nannte Polpaar durch den Teilvierpol TyP6. Für die | U\ = max{ | Ll |, | i/21, j t/3 |, | t/41}

^l Dämpfungen und die für die folgenden Teilvierpole ver- 60

ί bleibenden Spannungsüberhöhungen gilt, was vorher Ul = max {| /11, | /21, j /3 j, | /4 j}

¹ für den Tiefpaß nach F i g. 2a festgestellt wurde.

} In der Schaltung nach F i g. 4a sind zwei Serienkreise Daraus errechnet sich dann die Gyrationskonstante

enthalten, nämlich La, Ca und Lb, Cb. Es ist im allgemei- zu:

ncn unmöglich, die Sppnnungsüberhöhungen, die an den 6f

hierfür erforderlichen Gyratoren auftreten, mit den bisher beschriebenen Maßnahmen abzubauen. Deshalb sollen die Benannten Serienkreise eliminiert werden. Ei-

Die beim Übergang von F i g. 7 nach F i g. 8 noch vorzusehenden Gyratoren am Ausgang bzw. Eingang der Teilvierpole TVPl und TVPS werden zusammengefaßt zu einem Übertrager I : t und entfallen damit. 5

Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Auslegung der Schaltung führen jede für sich angewendet zu einer Verbesserung des Signal-Rauschabstandes der genannten Filter. Die gleichzeitige Anwendung mehrerer oder aller der Maßnahmen ergibt ein Optimum. io

Bisher wurde im wesentlichen der Abbau von Spannungsüberhöhungen behandelt Die in den Patentansprüchen beschriebenen Maßnahmen können natürlich auf duale Weise bei dualen Schaltungen zum Abbau von Stromüberhöhungen angewendet werden. is

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Claims (5)

1 2 oder einen Dämpfungspol realisieren, so in Kette Patentansprüche: geschaltet sind, daß der Abstand zwischen den Pol frequenzen und der Mittenfrequenz der Bandsperre

1. Spuienfreie Gyratorfilterschaltung zur Realisie- vom Eingang zum Ausgang des Filters streng monorung beliebiger Reaktanzübertragungsfunktionen 5 ton abnehmen.

unter ausschließlicher Verwendung beidseitig geerdeter Gyratoren und einer kanonischen Anzahl von

Kapazitäten, bei denen Dämpfungsvierpole bei endlichen Frequenzen durch Umwegkopplungen erzeugt werden, wobei ίο Das Hauptpatent befaßt sich mit einer spulenfreien

Gyrator-Filterschaltung nach dem Oberbegriff des Pa-

a) die Gyratorschaltungen als Kettenschaltung ei- tentanspruchs 1.

ner beliebigen Anzahl k > \(k = 2,3,4...) ele- Bei Filterschaltungen mit Gyratoren ergeben sich im

mentarer Gyratorteilfilterschaltungen aufge- Vergleich zu passiven LC-Filtern normalerweise zusätz-

bautsind, 15 hche Probleme aus der Eigenrauschleistung.

b) mindestens eine dieser elementaren Gyrator- Um diesem Problem zu begegnen, bietet sich als teilfilterschaltungen eine einfache Umweg- Möglichkeit die Erhöhung der Aussteuerungsgrenze kopplung aufweist, und der einzelnen Gyratoren an.

c) die übrigen elementaren GyratorfUterschaltun- Einer Erhöhung der Aussteuerungsgrenze sind aber gen keine oder mehrfache Umwegkopplungen 20 naturgemäß relativ enge Grenzen gesetzt, die bedingt enthalten nach Fatent 24 3ö 106, sind durch die Begrenzung der Versorgungsspannung,

der Verlustleistung und damit zusammenhängend der

gekennzeichnet durch die Anwendung ei- Baugröße.

ner oder mehrerer der folgenden Maßnahmen: Weiter wird in der Veröffentlichung von J. O. Voor-

25 man und D. Blom: »Noise in Gyrator-Capacitor-Filters«

1.) mindestens ein Teilnetzwerk, das größere Span- in Philips Research Rept 26, April 19/1, S. 114—133,

nungsüberhöhungen als die anderen aufweist, eine Möglichkeit beschrieben, die Gyrationskonstanten

ist zwischen zwei Übertrager gelegt, die mit so zu wählen, daß das Eigenrauschen der Gesamtschal-

Gyratoren der benachbarten Teilvierpole zu- ' tung ein Minimum wird und auf diese Weise das Signal-

sammengefaßt sind, 30 Rauschverhältnis einer Gyrator-C-Abzweigschaltung

2.) die beim Entwurf des Filters entstandenen eli- mit ungeerdeten Gyratoren zu verbessern.

mierbaren LC-Serienkrei.«*, an deren Elemen- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem

ten Spannungsüberhöhungen auftreten, die die Filter nach dem Hauptpatent das Signal-Rauschverhält-

entsprechenden Filtereinga^swerte überstei- nis oder anders gesagt, den Rauschabstand bei fest vor-

gen, sind mit Hilfe von Zweipol- und Vierpolä- 35 gegebener Aussteuerung wesentlich zu verbessern. Die

quivalenzbeziehungen in LC-Schaltungskonfi- Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen be-

gurationen mit geringeren Spannungsüberhö- schrieben.

hungen an den transformierten Elementen Das Wesen der Erfindung so!! anhand der Figuren

überführt, näher erläutert werden.

3.) die Gyrationskonstanten sind so bestimmt, daß 40 Anhand der F ig. la und Ib soll zunächst die Maßnahan jedem Gyrator die vom Aufbau abhängigen me beschrieben werden, die Teilvierpole mit den größ-Spannungsüberhöhungen gleich oder kleiner ten Spannungsüberhöhungen zwischen je zwei Übersind als die zugehörigen vom Aufbau unabhän- trager zu legen, die dann weiter mit Gyratoren der begigen Spannungsüberhöhungen. nachbarten Teilvierpole zusammengefaßt sind.

45 Zunächst wird ein Übertragerpaar Tr 1 und Tr 2 mit

2. Filterschaltung nach Anspruch 1 zur Realisie- den Übersetzungsverhältnissen ü: 1 bzw. 1 : ti an den rung eines Hochpasses, dadurch gekennzeichnet, Eingang der Teilschaltung gelegt, wobei ü> 1 ist, wie in daß die Elemente, die jeweils einen Dämpfungspol Fig. la gezeigt. Dabei sei UE2 die in Betracht komrealisieren, so in Kette geschaltet sind, daß die Fre- mende größte Spannungsüberhöhung. Eine solche kann quenzen der zugehörigen Pole vom Eingang zum 50 selbstverständlich auch innerhalb des Teilvierpols VP1 Ausgang des Filters streng monoton abnehmen. auftreten. Danach wird der Übertrager 77? 2 über den

3. Filterschaltung nach Anspruch 1 zur Realisie- Teilvierpol VPl hinweggeführt (F i g. Ib). Dabei ist narung eines Tiefpasses, dadurch gekennzeichnet, daß türlich das Übersetzungsverhältnis des Übertragers zu die Elemente, die jeweils einen Dämpfungspol reali- beachten, so daß aus dem Teilvierpol VP1 der neue sieren, so in Kette geschaltet sind, daß die Frequenz- 55 Teilvierpol VP1 Γ wird, der die gleichen Frequenzeigenen der zugehörigen Pole vom Eingang zum Ausgang schäften hat. In diesem neuen Teilvierpol VP1 Twerden des Filters streng monoton zunehmen. alle Knotenspannungen und damit auch alle Spannungs-

4. Filterschaltung nach Anspruch 1 zur Realisie- differenzen um den Faktor ΰ vermindert, wie in Fig. Ib rung eines Bandpasses, dadurch gekennzeichnet, daß gezeigt.

die Elemente, die jeweils ein Dämpfungspolpaar 60 Bei der hier geschilderten Einführung von Übertra· oder einen Dämpfungspol realisieren, so in Kette gern in Schaltungen ist selbstverständlich darauf zu achgeschaltet sind, daß der Abstand zwischen den Pol- ten, daß die transformierten Elementewerte der neuen frequenzen und der Mittenfrequenz des Bandpasses Teilvierpole technisch realisierbar sind und daß die vom Eingang zum Ausgang des Filters streng mono- transformierten Gyratorklemmenströme unter dem ton zunehmen. 65 durch den Gyrator bestimmten Grenzwert bleiben.

5. Filterschaltung nach Anspruch 1 zur Realisie- Die Zusammenfassung von Übetragern mit Gyratorung einer Bandsperre, dadurch gekennzeichnet, daß ren ist bekannt. Sie wird z. B. beschrieben in Göckler: die Elemente, die jeweils ein Dämpfungspolpaar »Über Realisierungsmöglichkeiten beim Entwurf von