DE2504530C2 - Filterabzweigschaltung - Google Patents

Abstract

Bei Filterschaltungen mit Gyratoren ergeben sich im Vergleich zu passiven L-C-Filtern normalerweise zusaetzliche Probleme aus der Eigenrauschleistung. Um diesem Problem zu begegnen, bietet sich als Moeglichkeit die Erhoehung der Aussteuerungsgrenze der einzelnen Gyratoren an. Einer Erhoehung der Aussteuerungsgrenze sind aber naturgemaess relativ enge Grenzen gesetzt, die bedingt sind durch die Begrenzung der Versorgungsspannung, der Verlustleistung und damit zusammenhaengend der Baugroesse. Um den Rauschabstand bei fest vorgegebener Aussteuerung wesentlich zu verbessern, wird die Anwendung einer oder beider der folgenden Massnahmen empfohlen: Die Gyrationskonstanten so zu bestimmen, dass an jedem Gyrator die abhaengigen Spannungsueberhoehungen gleich oder kleiner sind als die zugehoerigen unabhaengigen Spannungsueberhoehungen, und/oder die Zahl der beim Entwurf des Filters entstandenen L-C-Serienkreise mit Hilfe von Aequivalenzbeziehungen so klein wie moeglich zu machen. ...U.S.W

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Filterabzweigschaltung, mit großem Signal-Rauschabstand, in der alle Spulen durch kapazitiv abgeschlossene Gyratoren ersetzt sind.

Bei Filterschaltungen mit Gyratoren ergeben sich im Vergleich zu passiven L-C-Fütern normalerweise zusätzliche Probleme aus der Eigenrauschleistung.

Um diesem Problem zu begegnen, bietet sich als Möglichkeit die Erhöhung der Aussteuerungsgrenze der einzelnen Gyratoren an.

Einer Erhöhung der Aussteuergrenze sind aber naturgemäß relativ enge Grenzen gesetzt, die bedingt sind durch die Begrenzung der Versorgungsspannung, der Verlustleistung und damit zusammenhängend der Baugröße.

Weiter wird in der Veröffentlichung von ). O. Voorman und D. Blom: »Noise in Gyrator-Capacitor-Filters« in Philips Research Rept. 26, April 1971, S. 114 —133, eine Möglichkeit beschrieben, die Gyrationskonstanten so zu wählen, daß das Eigenrauschen der Gesamtschaltung ein Minimum wird und auf diese Weise das Signal-Rauschverhältnis einer Gyrator-C-Abzweigschaltung mit ungeerdeten Gyratoren zu verbessern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Filter der eingangs genannten Art das Signal-Rauschverhältnis oder anders gesagt, den Rauschabstand bei fest vorgegebener Aussteuerung wesentlich zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Die Erfindung geht davon aus, daß Spannungsüberhöhungen an Gyratoren, die größer sind als Spannungsüberhöhungen an zu den Gyratoren äquivalenten Spulen abgebaut werden müssen, um keine zusätzliche Rauschleistung im Gyratorfilter entstehen zu lassen. Soweit als möglich werden LC-Kreise mit Hilfe von Äquivalenzbeziehungen eliminiert, d. h. das Auftreten von zusätzlichen Rauschquellen wird von vorherein verhindert.

Das Wesen der Erfindung soll anhand der Figuren näher erläutert werden.

Die F i g. 1 bis 5 schildern den Entwurf eines Bandpasses vom Grad 12, entwickelt aus einer spulenarmen sogenannten Zick-Zack-Schaltung unter Anwendung der in den Patentansprüchen dargestellten Maßnahmen.

Fig. la zeigt einen Bandpaß vom Grad 12, der in bekannter Weise entworfen wurde, wie in R-SaIl, E. Ulbrich: »On the design of filters by synthesis«, IRE

ίο CT-51958, S. 284 bis 327 dargestellt

Dieser Bandpaß hat nach Fig. 1b seine drei Dämpfungspolpaare bei Oa und Ωί> bzw. Ωο und O.d bzw. bei Ω=0 und = oo. Das erste, der Mittenfrequenz Ω0 benachbarte Polpaar ist verwirklicht durch den Teilvierpol TVPl, das in der Frequenzlage nach oben und unten folgende Polpaar durch den Teilvierpol TVP 2 und das dritte obengenannte Polpaar durch den Teilvierpol TVPS.

Der Abstand der Frequenzen der zugehörigen Polpaare von der Mittenfrequenz des Bandpasses nimmt also vom Eingang zum Ausgang des Filters monoton zu. Bei dieser Schaltung verursacht der erste Vierpol TVPX am Eingang bei den Frequenzen, die größer bzw. kleiner sind als die Durchlaßgrenzfrequenzen, verglichen mit allen anderen Vierpolen den größten Dämpfungsbeitrag, weshalb die an den nachfolgenden Vierpolen TVP \ und TVP 2 verbleibende Spannungsüberhöhung minimal wird. Dasselbe gilt für den folgenden Vierpol TVP 2, so daß die auftretenden Spannungsüberhöhungen am Ausgang des Filters hin abnehmen.

In der Schaltung nach Fig. la sind Serienresonanzkreise enthalten, nämlich L 2, C4, Z, 4, CS und L 6, ClO. Um die Spannungsüberhöhungen, die an den hierfür erforderlichen Gyratoren auftreten, abbauen zu können, sollen die genannten Serienkreise eliminiert werden. Einen Weg dorthin bietet zum Beispiel die sogenannte Norton-Transformation, die beschrieben wird in Gleißner: »Zum Entwurf von Hochfrequenz-Bandpaßfiltern mit konzentrierten Elementen.« Dissertation Technische Universität München 1971.

In F i g. 2a ist der Ausgang der Schaltung nach F i g. 1 a nochmals dargestellt. Die Bezeichnungen der Bauelemente sind die entsprechenden.

Zunächst wird die Kapazität C9 in zwei Teilkapazitäten C und C" aufgespalten, von denen die Kapazität C wie auch die Bauelemente C8, L4 und L5 und LS bei der Norton-Transformation, die durch den Schritt von Fi g. 2a zu Fig. 2b vollzogen wird, außer Betracht bleiben.

Die Schaltung aus den Bauelementen C8, L 4 (Serienschwingkreis) und C"ist in Fig.3a noch einmal dargestellt. Der hier enthaltene Serienkreis wird eliminiert mit Hilfe der folgenden Beziehungen, woraus sich dann die Schaltung nach Fig.3b ergibt. Die genannten Beziehungen sind:

a = 1 +

C8

C13 = a ■ C8
CU = a- C

L8 =A^L
a

Diese Beziehungen lassen sich entsprechend auch

anwenden auf den Schaltungsteil, der in Fig. la die Elemente L 2, C 4 und C5 enthält wobei sich die Elemente L 9, C15 und C16 ergeben.

Aus Vorstehendem ergibt sich eine Schaltungsanordnung nach Fig.4, die den umgewandelten Bandpaß vom Grad 12 zeigt, in dem die Elemente, die jeweils ein Dämpfungspolpaar realisieren, so in Kette geschaltet sind, daß der Abstand zwischen den Polfrequenzen und der Mittenfrequenz des Bandpasses vom Eingang zum Ausgang des Filters streng monoton zunimmt. V/eiter sind alle Serienkreise eliminiert. Die Bezeichnungen der Bauelemente sind aus den vorhergehenden Figuren übernommen.

Ersetzt man alle Spulen der Schaltung nach Fig.4 durch Gyratoren, wie in Göckler: »Über Realisierungsmöglichkeiten beim Entwurf von Gyrator-C-Filtern«, AEÜ, 28 (1974), 1, S. 15—24 beschrieben, so ergibt sich die Schaltung nach F i g. 5.

Mit Hilfe der Fig. 6a und 6b soll zunächst erläutert werden, was in der vorliegenden Beschreibung und den Patentansprüchen unter abhängigen und unabhängigen Spannungsüberhöhungen verstanden wird.

In F i g. 6a ist eine L-C-Abzweigschaltung aufgezeichnet, wobei der Einfachheit halber nur die anliegenden Spannungen (Eingangsspannung UE, Ausgangsspannung UA und Spannung UL an der Induktivität L) und der Strom IL durch die Induktivität L eingezeichnet sind.

In F i g. 6b 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 F i g. 6a. 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 UC am Ausgang des Gyrators G von der Gyrationskonstanten rg ab und die entsprechende Spannungsüberhöhung wird daher »abhängig« genannt.

Diese Kettenschaltung aus Teilvierpolen, die aus Längs- und Querkapazitäten und Gyrator-C-Schaltungen bestehen, enthält sechs Schaltungsteile, deren Gyrationskonstanten unabhängig voneinander wählbar sind. Diese Gyrationskonstanten sind r 1, r2, r3, r4, r5 und /-6. Die an dem Gyrator mit der Gyrationskonstanten r 1 anliegende unabhängige Spannung ist t/l. wie in

j F i g. 5 gezeigt. Der zur Bestimmung der Gyrationskonstanten erforderliche Strom /1 = /2 wird der äuqivalenten L-C-Schaltung nach F i g. 4 entnommen.

Um zum Beispiel die Gyrationskons\ante rl so festzulegen, daß an den betreffenden Gyratoren die

in abhängigen Spannungsüberhöhungen gleich oder kleiner sind als die zugehörigen unabhängigen Spannungsüberhöhungen, wird aus der anliegenden Spannung U1 und dem Strom /1 der dem Betrag nach jeweils größte Wert bestimmt:

\U\= max{\Ul\}
|/| = max{\n\}

2(i Daraus errechnet sich dann die Gyrationskonstante zu:

rl

In der Schaltung nach Fig. 5 ergibt sich ein Ausgangswiderstand RA, der im allgemeinen vom Eingangswiderstand /?£verschieden ist.

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 der Maßnahmen ergibt ein Optimum.

Diese Maßnahmen können natürlich auch auf Teile der in dem Anspruch genannten Filter beschränkt sein.

Bisher wurde der Abbau von Spannungsüberhöhungen behandelt. Die in dem Patentanspruch beschriebenen Maßnahmen können natürlich auf duale Weise bei dualen Schaltungen zum Abbau von Stromüberhöhungen angewendet werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Filterabzweigschaltung mit großem Signal-Rauschabstand, in der jede Spule durch einen kapazitiv abgeschlossenen Gyrator ersetzt ist, gekennzeichnet durch die Anwendung einer oder beider der folgenden Maßnahmen:

   die Gyrationskonstanten sind so bestimmt, daß die Spannung an den Klemmenpaaren der Gyratoren nicht größer ist als jene Spannung, die an einer ersetzten Spule als Maximalwert auftreten würde,

   jene beim Entwurf des Filters entstandenen eliminierbaren LC-Serienkreise, an deren Elementen Spannungsüberhöhungen auftreten, die die entsprechenden Filtereingangswerte übersteigen, sind mit Hilfe von Zweipol- und Vierpoläquivalenzbeziehungen in LC-Schaltungskonfigurationen mit geringeren Spannungsüberhöhungen an den transformierten Elementen überführt.