DE2555835B2 - Filterschaltung für elektrische Wellen, bestehend aus elektronischen Leitungen - Google Patents

Filterschaltung für elektrische Wellen, bestehend aus elektronischen Leitungen

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Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Filterschaluing, bei der an eine in sich geschlossene Lcitungsschleife an unterschiedlichen Stellen jeweils wenigstens eine /.iiführiingsleitung und jeweils wenigstens eine Leitung zur Entnahme der elektrischen Signale angeschaltet ist und bei der die geschlossene Lcitungsschleife das Irequenzubhängige Übertragungsverhalten der Filtersehultung bestimmt und bei der zur Realisierung der Filterschaltung in integrierter Schaltkreistechnik die Ankopplung jeweils als ungerichtete Kopplung ausgebildet ist und die einzelne Leitungsschleife derart ausgebildet ist, daß sie unidirektionales Übertragungsverhalten hat, und der Wellenwiderstand der in sieh geschlossenen Leitungsschleife unterschiedlich ist gegenüber dem der Zuführungs- und Entnahmeleitung, nach Patent 24 53 669.
Bei der Übertragung von Information mittels elektrischer Nachrichtenübcrtrugungssysteme Irin häufig das Problem auf, daß nur innerhalb gewisser Frequenzbereiche liegende Signale übertragen werden sollen, unter gleichzeitiger Unterdrückung von Signalen, die in benachbarten oder anschließenden F'rcquenzbereichen liegen. Für diesen Zweck werden Filter eingesetzt, die in der herkömmlichen Technik meist au;. Spulen und Kondensatoren bestehen. Diese elektrischen Bauelemente haben indes den Nachteil, daß sie vor allem im Bereich der niedrigeren Frequen/en, wie im Niederfrequenzbereich und im Frequenzbereich bis etwa einige hundert Megahertz, relativ große Abmessungen aufweisen.
■-, Bekanntlich zielen neuere Bestrebungen immer stärker darauf ab, solche FilterschalUingen einem integrierten Aufbau im strengen Sinn, d. h. also einem Schaluingsaufbuii ohne jede Hybridieiimg, zugänglich zu machen. In diesem Zusammenhang ist es aus dem
in Tagungshefl »Frequency Control Symposium«, Juni 1972, Seiten 171 bis 179 bereits bekanntgeworden, solche FilterschalUingen aus sogenannten CCD-Leitungen aufzubauen. Solche CCD-Leitungen — CCD ist dabei die Abkürzung für Charge Coupled Devices —
Ii lassen sich unter die Gattung der sogenannten CTD-Leitungcn einordnen, die entsprechend dieser Abkürzung als Charge Transfer Devices bezeichnet werden. Bei den vorerwähnten bekannten integrierbaren Filierschaluingen handelt es sieh um sogenannte
in Transversalfilter, bei denen zur Erzielung des gewünschten Filter-Frequenzverhallens der Umweg über das Zeitverhalten in Form der Impulsantwori gegangen wird, und es zeigt sich dabei, dal.! zur Erzielung von steilen Sperrdämpliingsflanken eine vcrhälmismäßig
2i große Anzahl einzelner CTD-Glieder erforderlich ist. Weiterhin ist die Welligkeil im Durehlaßbercich und tue maximal erzielbare .Sperrdämpfung bei diesen bekannten Fillc'schaltungen unmittelbar von der Ferligungsgenauigkeit insofern abhängig, als dort Kapazilätsvei-
ii) hältnisse der einzelnen CTD-Glieder sehr genau aufeinander abgestimmt sein müssen, wenn hohe Sperrdämpfungsforderungen und eine kleine Welligkeit im Durehlaßbercich eingehalten werden sollen. Die physikalische Ursache dieser Erscheinung ist darin zu
j-) sehen, daß solche Transversalfilter in ihrem elektrischen Ersatzschaltbild als Mchrfach-Brüekenschultungen angesehen werden können, d. h. also als Schaltungen, bei denen das Verhalten im Durchlaßbereich durch Addition und das Verhalten im Sperrbereich durch
■ic Kompensation vieler einzelner Teilwellen erzielt wird.
Aul' die Zusammenhänge ist an sich im Hauptpatent bereits hingewiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. Filierschaluingen nach dem llauptpatent anzugeben, bei
Y) denen einerseits der Vorteil der vollständigen Integrierbarkcil erhalten bleibt und bei denen gleichzeitig das Sperrdämpfungsvcrhalten nahe/u unabhängig von Abmessungstolerunzen bleibt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch
·>() gelöst, daß — in Fortpflanzungsrichtung der CTD-Leiliing betrachtet — zwischen CTD-Ein- und CTD-Ausgiingsleilung die ein/einen CTD-Glicder Uniladekapaziläten der Größe G haben, daß die Umladekapazilälcn der übrigen CTD-Glieder in der Leilerschlcife die
υ Größe Ci haben und daß zumindest näherungsweise die Beziehung G = Ci +Ci gilt, wenn G die Größe der Umladekapuzitäten der CTD-Glieder von zumindest einer CTD-Anschlußlciiung ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteran-
ho Sprüchen angegeben.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.
Es zeigt in der Zeichnung
F i g. I ein Ausführuiigsbcispiel. bei der als Grund-
bi schaltung eine Eimerkettenschaltung verwendet ist. für die die Abkürzung BBD-(Bucked BrigHe DeviceJSchallung gebraucht wird,
I·' i g. 2 eine Ausführung in CCD-Technik.
In F i g. 1 isl cine Ausgestaltung gezeigt, bei der einzelne Schaltungsabschnilte für sieh bekannt sind. Diese bekannten Sehaltungsabsehniite, nämlich die Abtastschaltung AS und das mit der Be/ugszil'fer 3 bezeichnete Einierkcttcnglied, sind durch F.L.J. S a η g s t e r in »Philips Tech. Rev.«, Vol. Jl, Seiten 92 bis 110. 1970 beschrieben, so daß im folgenden im wesentlichen darauf eingegangen wird, wie eine Resonatorschaltung gebildet wird.
Die Abtastschaltung AS bewirkt, dall von dem zu übertragenden Signal Us Abtastproben in Form von Ladungsmangel zunächst den Kondensator C\ erreichen.
Mit dem Aniplitudenwert ΙΙμ. (V)\s\ im folgenden die Signalspannungsprobe am Kondensator μ zum betrachteten Zeitpunkt (V/gemeint.
Eine solche erste .Signalspannungsprobe Ll\ (1) ergibt beim Kondensator G einen Signal-Ladungsmangel C\U\ (1). Zu diesem ersten betrachteten Zeitmoment seien alle übrigen Kondensatoren voll aiii LIaufgeladen, so daß beim nächsten Takt der Taktleitung b nur dieser Ladungsmangel von C> übernommen wird:
U2(D = ^-U1(D-
Im weiteren Verlauf ist nach der dreifachen Taktzeit T mit C2 = C2 auch C/2'(l) = U2(I)- Mit der Bedingung C2 = C3 + C4 ist nach der folgenden halben
nach η Umläufen ist:
Taktzeit auch U3(D= U4(I)= U2(X), damit ist auch
C2U2(I) = C3U3(I) + C4U4(I) und
U2 2H) _r U3 2O) U4 2O)
C2 -— - C3 -j— + C4 -y- .
Gleichzeitig ist jetzt die fünfte Signal-Abtaslprobe ü nach Ci gelangt, so daß beim folgenden Takt der Leitung b der Kondensator C· sowohl von Cs als auch C] l.adungsniangel übernimmi.
C2U2(2) = C1 U1 (2) + C1U3(D
Nach der Zeit 7,5 T ist wieder
U3(I) = U4(2) = U2(I)
und nach ST — dem dritten betrachteten Abtastzeitpunkt — ist
C2U2O)=C1UAD + C1Ui(D L'2(3) = Q [U1O) + Q U1(D+ (Qj U1(I)]
UAn) = ~
U1(Z,)+ -^u1(W-D +
Im vorliegenden Fall wurden 8 Kondensatoren =4 UBD-Glieder im Ring gewählt. Wenn das zu übertragende Signal die Frequenz /, = 1A That, dann wird diese Schwingung während einer vollen Periode viermal w abgetastet, der fünfte Abtastwert ist wieder identisch dem ersten usw.
Die Phasendifferenz des zu übertragenden Signals zwischen'zwei hier betrachteten aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten ist daher allgemein 2,τ η, mit η — ί/ί,. ·)> wenn »Re« den Realieil bedeutet.
und mit der Anfangsphase 7
U2(Zi) = ^- UAn)Re Fl + Q ■ e ''1^" + (Q
*-2 L *-2 \*~l
Damit kann geschrieben werden: LZ1(Zi-D= UAn) Re c-
U1 (m- 2) = U1(Ii) lie e'
U1(Ii-I!) = U,(ii)/?t'e"
-M2.1.,)
Aus der geometrischen Reihe ergibt sich
U2(H) = U4(Zi) = Q UAn) Re —'
Damit und mit
IC
C3 = C2-C4 = C2-C1- IC und — + λα =
ergibt sich:
C,
U2(H)=U4(H) = ^-U1(B
Bei jedem .Signalumlauf im Ring gehen die Verluste
der BBD-Glieder ein. Die Dämpfung eines Gliedes sei λ. Das Maximum von U4(Zi) in Abhängigkeit von der
die Anzahl der Glieder λ. Anfangsphase 7 ergibt sich zu:
1 U4(Zi) = Q U1(H)J[I -(l - ^A-_^cos 2.-7,,J+ [(l _^L_^sin2.-i</J| 2 .
Das Betragsquadrat der Dämpfungsfunktion wird mit
cos 2 .τι, = 1—2 sin:.i(ii — 1)
2 / Γ \2
+ ---;=;—2"-i -4sin2.τ(/l-l)
Die 3-dB-Bandbreilc ergibt sich zu
mil der Frequenztransformation
.'J= -"-sin .-,(,,- I)
η ti
Mit diesen hier angegebenen Zusummcnhiingen können nichrkrcisige Filtcrsehalliingen nach der /.. R. vf)ii K. Fcldtkcller angegebenen Theorie der Ruiidfunksiebsclialtiingen dimensioniert werden (vgl. R. l: e I d I k e 11 e r . »Einführung in die Theorie der Rundiunksiebschaltiingcii«, 3. Auflage, 1945 IX. S. llirzcl Verlag, Leipzig). Dabei ist jedes Niillstcllcnpaur des Bctragsquadrates ocr gewünschten Dämpfungsfunktion durch einen entsprechend dimensionierten Ringresonator zu realisieren. Der Imaginärteil einer Nullstclle in der komplexen Frcqucnzebcnc entsprich! der Eigenfrequenz des Ringresonator und der Realteil seiner halben Bandbreite. Die einzelnen Resonatoren können in beliebiger Reihenfolge in Kette geschaltet werden. Wie einleitend bereits erwähnt, zeigt F i g. 2 eine Ausfühningsform der Resonanzschaltung, bei der eine sogenannte CCD-I.eiuing verwendet ist. Solche CCD-I.eitungen in gerader, also nicht in sich geschlossener Ausbildung, sind in ihrer Funktion für sich bekannt, beispielsweise aus der I.iieralursielle »BST|«. Band 49, (1470). Seiten 589 bis 59J. Hinsichtlich der technischen Ausgestaltung haben solche CCD-I.citungen gegenüber den BBD-I.eitungen den Vorteil, daß sie leichter imegricrbar sind und weniger Übcrtragungsverluste aufweisen.
Hinsichtlich der elektrischen Wirkungsweise entspricht das in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel im wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, weshalb wirkungsglcichc Elemente mil den gleichen Be/ugsziflern wie in F i g. 1 bezeichnet sind. Insoweit kann unmittelbar auf die Besehreibung von F i g. 1 hingewiesen werden. Während in I·" i g. I ein Ausführiingsbcispiel mit vier BBD-Gliedern im geschlossenen Ring gezeichnet ist, sind dort in I·" i g. 2 sechs CCD-Glieder verwendet. In beiden Fällen liegen zwischen dem Eingang 3 und dem Ausgang 4 dreieinhalb BBD- b/w. CCD-Glicder. Demgegenüber isi jedoch in F" ig. I nur ein halbes Glied in Form lies Kondensators (\ /wischen Ausgang 4 und Eingang 1 beschallet, während in F i ,ι' 2 zweieinhalb CCD-( ilieder in Form der Kapazitäten Cj — C) /wischen dem Ausgang 4 und dem Eingang 3 liegen.
Für die Schaltung nach Fig. I ist noch folgende wesentlich.
Zu einer Eimerkettenschaltung nach der bekanntet Ausführung gehören zu einem halben Glied eil Transistor und ein IJmladekondensalor, beispielsweisi C\ In Fig. 1 müssen nun an der Übergangsstelle vot der Eingangslcilung3 zum Ring 1 statt eines Transistor zwei Transistoren 6 und 7 verwendet werden, so dal also dein ersten Kondensator Cj die beiden Transislorei 6 und 7 zugeordnet sind. Der Emitter des Transistors I führt zum Kondensator C1 der Eingangsleilung 3. jcdocl führt der Emitter des Transistors 7, wie aus de Zeichnung direkt erkennbar ist, zum Kondensator C des in sich geschlossenen Ringes 1. Eine weilen Abweichung gegenüber der üblichen Eimcrkctlcnschal lung ist auch noch am Ausgang 4 zu beachten. Die in Ausführungsbeispicl verwendete Schaltung ist deshall besonders vorteilhaft, weil es dadurch gelingt, da unterschiedliche Schaltzeitvcrhalten von Transistors nicht wirksam werden zu lassen. l's sind nämlich den Transistor 10 zwei Kondensatoren Ci und C4 zugeord net. Dies bedeutet aber, daß die Umladung dieser beidei Kondensatoren nur über den Transistor 10 erfolgt. Zu Potentialtrennung der Kondensatoren Ci und Ctsinddii beiden Dioden 8 und 9 vorgesehen, was bedeutet, dal die Durchlaßrichtung dieser beiden Dioden auf dei Kollektor des Transistors 10 gerichtet sein muß. Bein Alisführungsbeispiel von I'ig. 2 sind solche Maßnah men wegen der andersartigen physikalischen Wirkungs weise der CCD-I.eitung nicht erforderlich.
Weiterhin ist v.w berücksichtigen, daß in F i g. 1 in eigentlichen Sinn ein Stromlaufplan einer elekirischei Schallung aus Transistoren. Kondensatoren und Diode: gezeichnet ist. Γ i g. 2 zeigt unmittelbar die geomelri sehe Anordnung von leitenden Flächen auf einen Halbleitersubstrat, wozu in F" i g. 2 die ein/einet Belegungen in der Art von Segmenten dargestellt sini: derart, daß diese Belegungen sich zu einem vollsländi gen, in sich geschlossenen Ring ergänzen. Die Größi der Belegungsfläehen ist dann direkt proportional de Große der Umladekapazitäten, und es isl dabei lediglicl darauf zu achten, daß die Beziehung Ci = Cj-( eingehalten wird. Selbstverständlich sind auch anclen Ausgestaltungsformen für tlie Belegungen denkbai wenn nur die vorerwähnte Beziehung eingehalten win Darüber hinaus ist es weiterhin möglich, den Ausgang · gegenüber der gezeichneten Stelle an eine anden Umladckapa/itäl Cj anzukoppeln, wobei dann aller dings stets darauf zu achten ist, daß die zwischen den Ausgang 4 und dem Eingang 3 liegenden Kapaz.iiätsflä dien die Größe Ci haben. Aus F i g. 2 isl ferner /ι erkennen, daß zur einfacheren Darstellung ein' sogenannte Zweiphasen-CCD-Anordnung verwende isl. Dies hat zur Folge, daß z. B. der mit ,-) bezeichnet
Ta kl an jeden zweiten IJniladckondcnsator herangeführt wird. Der zweite Takt b ist mit den dazwischenliegenden Umladekapazitäten verbunden. F.s lassen sich in Krwcitcrung dieser Anordnung auch Drei- oder Vierphascn-CCDs verwenden. Dort muß dann dafür
gesorgt werden, daß beispielsweise der Takt :i nur an jeden dritten bzw. vierten Umladekondensator gelegt wird und ebenso der Takt b, während die übrigen Takte an die jeweils dazwischenliegenden Umladekondensatorcn herangeführt werden müssen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
B09!i10/431

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Elektrische Filterschaltung, bei der an eine in sich geschlossene Leitungsschleife an unterschiedlichen Stellen jeweils wenigstens eine Zuführungsleitung und jeweils wenigstens eine Leitung zur Entnahme der elektrischen Signale angeschaltet ist und bei der die geschlossene Leiiungsschieife das frequenzabhängige Übertragungsverhalten der FiI-lerschaltung bestimmt und bei der zur Realisierung der Filterschaltung in integrierter Schalikreistechnik die Ankopplung jeweils als ungerichtete Kopplung ausgebildet ist und die einzelne Leitungsschleife derart ausgebildet ist, daß sie unidirektionales Übertragungsverhalten hat, und der Wellenwidersland der in sich geschlossenen Lcitungsschleife unterschiedlich ist gegenüber dem der Zuführungsund Entnahmeleitung, nach Patent 24 53 669, dadurch gekennzeichnet, daß — in Fortpflan-/ungsrichtung (5) der CTD-Leiiiing betrachtet — /wischen CTD-Ein- (3) und CTD-Ausgangsleitung (4) die einzelnen CTD-Glicder Umladekapazitäien der Größe G haben, daß die Umludckupazitäten der übrigen CTD-Glieder in der Leitersehleife (1) die Ciröße Ci haben und daß zumindest näherungsweise die Beziehung Ci = G +G gilt, wenn G die Größe der Umladekapazitäten der CTD-Glicder von zumindest einerCTD-Anschlußleiliing(3oder4) ist.
2. Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umladckapaziläten der CTD-Ein- (3) und der CTD-Ausgangsleitung (4) unter sich gleich (C\) sind.
3. Filterschaltung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kettenschaltung mehrerer einzelner Resonatorschuluingen (I) eine CTD-Ausgangsle.iiing gleichzeitig die CTD-Eingangsleitung der nachfolgenden Resonalorsehnltung bildet.
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