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Filterschaltung mit Kapazitäten und beidseitig geerdeten Gyratoren
für Geräte der Nachrichtentechnik und Elektronik Zusatz zu DT-PS 2 051 061 Das Hauptpatent
befaßt sich mit einer Filterschaltung mit Kapazitäten und beidseitig geerdeten Gyratoren
für Geräte der Nachrichtentechnik und Elektronik, die erstens eine Grundkette aus
zwei Teilnetzwerken enthält, die über ein weiteres Netzwerk mit mindestens einem
Gyrator miteinander verbunden sind, und die zwei Teilnetzwerke jeweils aus einer
Serienschaltung von Längskapazitäten bestehen und mindestens eines dieser Teilnetzwerke
am Netzwerkeingang eine Querkapazität aufweist, sowie zweitens weitere Gyratoren
(Überbrükkungsgyratoren) das mindestens aus einem Gyrator bestehende weitere Netzwerk
überbrücken, deren nicht geerdete Anschlüsse, mit Ausnahme derjenigen des äußersten
Überbrükkungsgyrators,
die mit der Ein- bzw. Ausgangsklemme der
Schaltung verbunden sind, jeweils, entweder direkt oder über zusätzliche Kapazitäten
zwischen zwei verschiedenen, unmittelbar benachbarten Längskapazitäten des einen
und des anderen der zwei Teilnetzwerke der Grundkette liegen.
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Bei Filterschaltungen mit Gyratoren ergeben sich im Vergleich zu passiven
LC-Filtern normalerweise zusätzliche Probleme aus der Eigenrauschleistung.
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Um diesem Problem zu begegnen, bietet sich als Möglichkeit die Erhöhung
der Aussteuerungsgrenze der einzelnen Gyratoren an.
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Einer Erhöhung der Aussteuerungsgrenze sind aber naturgemäß relativ
enge Grenzen gesetzt, die bedingt sind durch die Begrenzung der Versorgungsspannung,
der Verlustleistung und damit zusammenhängend der Baugröße.
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Weiter wird in der Veröffentlichung von J.O. Voorman und D. Blom:
"Noise in Gyrator-Capacitor-Filters" in Philips Research Rept. 26, April 1971, 5.
1i4 - 133, eine Möglichkeit beschrieben, die Gyrationskonstanten so zu wählen, daß
das Eigenrauschen der Gesamt schaltung ein Minimum wird und auf diese Weise das
Signal-Rauschverhältnis einer Gyrator-C-Abzweigschaltung mit ungeerdeten Gyratoren
zu verbessern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Filter nach dem
Hauptpatent das Signal-Rauschverhältnis oder anders gesagt, den Rauschabstand bei
fest vorgegebener Aussteuerung wesentlich zu verbessern. Die Lösung dieser Aufgabe
ist im Patentanspruch beschrieben.
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Das Wesen der Erfindung soll nun anhand der Figuren näher erläutert
werden.
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Anhand der Fig. ta und Ib soll zunächst die Maßnahme beschrieben werden,
die Teilvierpole mit den größten Spannungsüberhöhungen zwischen je zwei Übertrager
zu legen, die dann weiter mit Gyratoren der benachbarten Teilvierpole zusammengefaßt
sind.
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Zunächst wird ein Übertragerpaar Trl und Tr2 mit den Übersetzungsverhältnissen
ü : 1 bzw. 1 : ü an den Eingang der Schaltung gelegt, wobei ü > 1 ist, wie in
Fig. ia gezeigt.
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Dabei sei UE1 die in Betracht kommende größte Spannungsüberhöhung.
Eine solche kann selbstverständlich auch innerhalb des TeiXvierpols VP1 auftreten.
Danach wird der Übertrager TR2 über den Teilvierpol VP1 hinweggeführt (Fig. ib).
Dabei ist natürlich das Übersetzungsverhältnis des Übertragers zu beachten, so daß
aus dem Teilvierpol VP1 der neue Teilvierpol VPlT wird, der die gleichen Frequenzeigenschaften
hat. In diesem neuen Teilvierpol VP1T werden alle Knotenspannungen und damit auch
alle Spannungsdifferenzen um
den Faktor ü vermindert, wie in Fig.
ib gezeigt.
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Bei der hier geschilderten Einführung von Übertragern in Schaltungen,
die auf alle Arten von Mehrtoren anwendbar ist, ist selbstverständlich darauf zu
achten, daß die transformierten Elementewerte der neuen Mehrtore technisch realisierbar
sind und daß die transformierten Gyratorklemmenströme unter dem durch den Gyrator
bestimmten Grenzwert bleiben.
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Die Zusammenfassung von Übertragern mit Gyratoren ist bekannt. Sie
wird z.B. beschrieben in Göckler: "Über Realisierungsmöglichkeiten beim Entwurf
von Gyrator-C-Filtern." AEÜ 28 (1974) 1, s. 16, Tabelle 1.4.
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Die Fig. 2 bis 8 schildern den Entwurf eines Tiefpasses vom Grad 7
unter Anwendung der im Patentanspruch dargestellten Maßnahmen.
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Fig. 2a zeigt einen Tiefpaß vom Grad 7, der in bekannter Weise entworfen
wurde, wie in B. Kohlhammer: "Entwurf kanonischer Gyratorfilterschaltungen mit beliebigen
Reaktanzübertragungsfunktionen.11 AEÜ 25 (1971) 5. 344 - 351, dargestellt.
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An der Sekundärseite des Übertragers Tr3 trete die überhöhte Spannung
U2 auf. Daher wird ein Übertragerpaar Tr6 , Tr7 mit den Übersetzungsverhältnissen
ü : 1 bzw. 1 : ü eingeführt,
ü wird größer als 1 gewählt. Es entsteht
die Schaltung nach Fig. 3, in der sich zwischen den genannten Übertragern alle Spannungen,
also auch U2, um den Faktor ü verkleinern. Die Bauelemente ändern ihre Werte entsprechend.
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Mit Hilfe der Fig. 4a und 4b soll zunächst erläutert werden, was in
der vorliegenden Beschreibung und dem Patentanspruch unter abhängigen und unabhängigen
Spannungsüberhöhungen verstanden wird.
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In Fig. 4a ist eine L-C-Abzweigschaltung aufgezeichnet, wobei der
Einfachheit halber nur die anliegenden Spannungen (Eingangsspannung UE, Ausgangsspannung
UA und Spannung an der Induktivität L UL) und der Strom durch die Induktivität IL
eingezeichnet sind.
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In Fig. 4b ist die äquivalente Schaltung gezeigt, in der die Induktivität
durch einen Gyrator G ersetzt ist. Die Spannungen UE, UA und UL sind die gleichen
wie in Fig. 4a.
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Die Spannung UL ist also von dem Aufbau des Gyrators unabhängig und
deshalb wird hier die entsprechende Spannungsüberhöhung als "unabhängig" bezeichnet.
Dagegen hängt die Spannung UG am Ausgang des Gyrators G von der Gyrationskonstanten
rg ab und die entsprechende Spannungsüberhöhung wird daher "abhängig" genannt.
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Aus der Schaltung nach Fig. 3 wird die Schaltung nach Fig. 5,
wenn
für die Spulen Gyratoren eingesetzt werden1 wie es in Göckler: "Über Realisierungsmöglichkeiten
beim Entwurf von Gyrator-C-Filtern." AEÜ 28 (1974) 1, S. 15 - 24 beschrieben wird.
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Diese Gyrator-C-Schaltung mit Kapazitäten und beidseitig geerdeten
Gyratoren enthält zwei Schaltungsteile, deren Gyrationskonstanten unabhängig voneinander
wählbar sind.
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Diese Gyrationskonstanten sind r1 und r2. Die an den Gyratoren mit
der Gyrationskonstanten rl anliegenden Spannungen sind U1, U2', U3' und U4', wie
in Fig. 5 gezeigt.
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Die zur Bestimmung der Gyrationskonstanten erforderlichen Ströme I1,
I2, I3 und I4 werden der äquivalenten L-C-Schaltung nach Fig. 3 entnommen.
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Um zum Beispiel die Gyrationskonstante ri so festzulegen, daß an den
betreffenden Gyratoren die abhängigen Spannungsüberhöhungen gleich oder kleiner
sind als die zugehörigen unabhängigen Spannungsüberhöhungen, wird aus den anliegenden
Spannungen Ul, U2', U3' und U4' und den Strömen I1, I2, I3 und I4 der dem Betrag
nach jeweils größte Wert bestimmt: U = max f U11 , U2' | , | U3' |, |U4'|} 1 = max
f 111 1 112 1 1113 1 1 114 |} Daraus errechnet sich dann die Gyrationskonstante
zu
Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Auslegung der Schaltung
führen jede für sich angewendet zu einer Verbesserung des Signal-Rauschabstandes
der genannten Filter.
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Die gleichzeitige Anwendung beider Maßnahmen ergibt ein Optimum.
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Bisher wurde der Abbau von Spannungsüberhöhungen behandelt.
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Die im Patentanspruch beschriebenen Maßnahmen können natürlich auf
duale Weise bei dualen Schaltungen zum Abbau von Stromüberhöhungen angewendet werden.
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ie Maßnahmen können natürlich auch auf Teile der im Anspruch beschriebenen
Filter beschränkt sein.