DE2555835C3 - Filterschaltung für elektrische Wellen, bestehend aus elektronischen Leitungen - Google Patents

Filterschaltung für elektrische Wellen, bestehend aus elektronischen Leitungen

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DE2555835C3 DE2555835A DE2555835A DE2555835C3 DE 2555835 C3 DE2555835 C3 DE 2555835C3 DE 2555835 A DE2555835 A DE 2555835A DE 2555835 A DE2555835 A DE 2555835A DE 2555835 C3 DE2555835 C3 DE 2555835C3
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Description

40
Die Erfindung betrifft eine 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 Leitungsschleife das frequenzabhängige Übertragungsverhalten der Filterschaltung 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 sich geschlossenen Leitungsschleife unterschiedlich ist gegenüber dem der Zuführuings- und Entnahmeleitung, nach Patent 24 53 669.
Bei der Übertragung von Information mittels elektrischer Nachrichtenüoertragungssysteme tritt haufig das Problem auf, daß nur innerhalb gewisser Frequenzbereiche liegende Signale übertragen werden sollen, unter gleichzeitiger Unterdrückung von Signalen. die in benachbarten oder anschließenden Frequenzbereichen liegen. Für diesen Zweck werden Filter eingesetzt, die in der herkömmlichen Technik meist aus Spulen und Kondensatoren bestehen. Diese elektrischen Bauelemente haben indes den Nachteil, daß sie vor allem im Bereich der niedrigeren Frequenzen, wie im Niederfrequenzbereich und im Frequenzbereich bis etwa einige hundert Megahertz, relativ große Abmessungen aufweisen.
Bekanntlich zielen neuere Bestrebungen immer stärker darauf ab, solche Fiiterschaltungen einem integrierten Aufbau im strengen Sinn, d. h. also einem Schaltungsaufbau ohne jede Hybridierung, zugänglich zu machen. In diesem Zusammenhang ist es aus dem Tagungsheft »Frequency Control Symposium«, Juni 1972, Seiten 171 bis 179 bereits bekanntgeworden, solche Filterschaltungen aus sogenannten CCD-Leitungen aufzubauen. Solche CCD-Leitungen — CCD ist dabei die Abkürzung für Charge Coupled Devices — lassen sich unter die Gattung der sogenannten CTD-Leitungen einordnen, die entsprechend dieser Abkürzung als Charge Transfer Devices bezeichnet werden. Bei den vorerwähnten bekannten integrierbaren Filterschaltungen handelt es sich um sogenannte Transversalfilter, bei denen zur Erzielung des gewünschten Filter-Frequenzverhaltens der Umweg über das Zeitverhalten in Form der Impulsantwort gegangen wird, und es zeigt sich dabei, daß zur Erzielung von steilen Sperrdämpfungsflanken eine verhältnismäßig große Anzahl einzelner CTD-Glieder erforderlich ist. Weiterhin ist die Welligkeit im Durchlaßbereich und die maximal erzielbare Sperrdämpfung bei diesen bekannten Filterschaltungen unmittelbar von der Fertigungsgenauigkeit insofern abhängig, als dort Kapazitätsverhältnisse der einzelnen CTD-Glieder sehr genau aufeinander abgestimmt sein müssen, wenn hohe Sperrdämpfungsforderungen und eine kleine Welligkeit im Durchlaßbereich eingehalten werden sollen. Die physikalische Ursache dieser Erscheinung ist darin zu sehen, daß solche Transversalfilter in ihrem elektrischen Ersatzschaltbild als Mehrfach-Brückenschaltungen angesehen werden können, d. h. also als Schaltungen, bei denen das Verhalten im Durchlaßbereich durch Addition und das Verhalten im Sperrbereich durch Kompensation vieler einzelner Teilwellen erzielt wird.
Auf die Zusammenhänge ist an sich im Hauptpatent bereits hingewiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Filterschaltungen nach dem Hauptpatent anzugeben, bei denen einerseits der Vorteil der vollständigen Integrierbarkeit erhalten bleibt und bei denen gleichzeitig das Sperrdämpfungsverhalten nahezu unabhängig von Abmessungstoleranzen bleibt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß — in Fortpflanzungsrichtung der CTD-Leitung betrachtet — zwischen CTD-Ein- und CTD-Ausgangsleitung die einzelnen CTD-Glieder Umladekapazitäten der Größe C2 haben, daß die Umladekapazitäten der übrigen CTD-Glieder in der Leiterschleife die Größe Ci haben und daß zumindest näherungsweise die Beziehung C2=G-I-Ci gilt, wenn Q die Größe der Umladekapazitäten der CTD-Glieder von zumindest einer CTD-Anschlußleitung ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.
Es zeigt in der Zeichnung
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel, bei der als Grundschaltung eine Eimerkettenschaltung verwendet ist, für die die Abkürzung BBD-(Bucked Brigade Devicc)Schaltung gebraucht wird,
F i g. 2 eine Ausführung in CCD-Technik.
In Fig. 1 ist eine Ausgestaltung gezeigt, bei der einzelne Schaltungsabschnitte für sich bekannt sind. Diese bekannten Schaltungsabschnitte, nämlich die Abtastschaltung AS und das mit der Bezugsziffer 3 bezeichnete Eimerkettenglied, sind durch F.L.J. Sangs t e rin »Philips Tech. Rev.«, VoL 31, Seiten 92 bis 110, 1970 beschrieben, so daß im folgenden im wesentlichen darauf eingegangen wird, wie eine Resonanzschaltung gebildet-wird.
Die Abtastschaltung AS bewirkt, daß von dem zu übertragenden Signal Us Abtastproben in Form von Ladungsnrrangel zunächst den Kondensator Ci erreichen.
Mit dem Amplitudenwert ίΐμ (V) ist im folgenden die Signalspannungsprobe am Kondensator μ zum betrachteten Zeitpunkt (^gemeint
Eine solche erste Signalspannungsprobe i7,(1) ergibt beim Kondensator -Ci einen Signal-Ladungsmangel £-,L/, <J). Zu diesem ersten betrachteten Zeitmoment seien alle übrigen Kondensatoren voll auf i/aufgeladen, so daß beim nächsten Takt der Taktleitung b nur dieser Ladungsmangel von C2 übernommen wird:
Taktzeit auch L^(I) = 14(1)= U2(I), damit ist auch C2U1(I) = C3U8(I) + Q14(1)
= c 3
Gleichzeitig ist jetzt die fünfte Signal-Abtastprobe nach Q gelangt, so daß beim folgenden T akt der Leitung b der Kondensator C2 sowohl von C3 als auch C, Ladungsmangel übernimmt
C2 U2(I) = C1IZ1 (2) + C3U3(I)
= _Q_ („ (2) , _Ο_. „ (l)\ C2 V C2 n)J'
Nach der
7 5 7- jst wieder 1^(2) = C^(2) =
und nach 8 Γ — dem dritten betrachteten Abtastzeitpunkt —ist
Im weiteren Verlauf ist nach der dreifachen Taktzeit T mit d = C2 auch U2Yl) = Ux(X). Mit der Bedingung C2 = C3 + C4 ist nach der folgenden halben C2U1Ci) ^ C2
U1(I)I J
nach η Umläufen ist:
U2(n) = -^-
+ -^- U1(Zi - D +
Im vorliegenden Fall wurden 8 Kondensatoren=4 BBD-Glieder im Ring gewählt. Wenn das zu übertragende Signal die Frequenz fr—xU That, dann wird diese Schwingung während einer vollen Periode viermal 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 2π η, mit η = f/fr, wenn »/?«< den Realteil bedeutet.
und mit der Anfangsphase φ
V2(Ti) = ^- UMRe [l +ijL.e-*"' Damit kann geschrieben werden:
V1(Ti — 1) = U1(Ti)Ree~} *'<
U1 (n —2)= U1(B)Re e~;2(2j"i)
U1 (n - v) - U1(Ti)Re e"
Aus der geometrischen Reihe ergibt sich
55 Damit und mit
C3 = C2-C4 = C2-C1-ZlC und ~
«A =
U2(n) = CZ4(Ii) = -^- U1(K)Re ergibt sich:
V2(Ti)= UM = ^V1(Ti)Re
Bei jedem Signalumlauf im Ring gehen die Verluste
der BBD-Glieder ein. Die Dämpfung eines Gliedes sei x. Das Maximum von U4(n) in Abhängigkeit von der
die Anzahl der Glieder λ. Anfangsphase ψ ergibt sich zu:
-(I - -1-,) cos 2.,,J+ ["(, _ £_,) sin 2n>
Das Betragsquadrat der Dämpfungsfunktion wird mit
cos 2 πι, = 1 — 2sirr.-7(/i — 1)
- 0
+ —=- 2- "2- · 4 sin2 .-7 (H-I)
(IO
Die 3-dB-Bandbreite ergibt sich zu
mit der Frequenztransformation
Äsin:
(1
Mit diesen hier angegebenen Zusammenhängen können mehrkreisige Filterschaltungen nach der z. B. von R. Feldtkeller angegebenen Theorie der Rundfunksiebschaltungen dimensioniert werden (vgl. R. Fcldlkeller, »Einführung in die Theorie der Rundfunksiebschaltungen«, 3. Auflage. 1945 IX. S. Hirzel Verlag, Leipzig). Dabei ist jedes Nullstellenpaar des Betragsquadrates der gewünschten Dämpfungsfuüktion durch einen entsprechend dimensionierten Ringresonator zu realisieren. Der Imaginärteil einer Nullstelle in der komplexen Frequenzebene entspricht der Eigenfrequenz des Ringresonators und der Realteil seiner halben Bandbreite. Die einzelnen Resonatoren können in beliebiger Reihenfolge in Kette geschaltet werden. Wie einleitend bereits erwähnt, zeigt Fig. 2 eine Ausführungsform der Resonanzschaltung, bei der eine sogenannte CCD-Leitung verwendet ist. Solche CCD-Leitungen in gerader, also nicht in sich geschlossener Ausbildung, sind in ihrer Funktion für sich bekannt, beispielsweise aus der Literaturstelle »BSTJ«. Band 49. (1970). Seiten 589 bis 593. Hinsichtlich der technischen Ausgestaltung haben solche CCD-Leitungen gegenüber den BBD-Leitungen den Vorteil, daß sie leichter integrierbar sind und weniger Übertragungsverluste aufweisen.
Hinsichtlich der elektrischen Wirkungsweise entspricht das in Fig.2 dargestellte Ausführungsbeispiel im wesentlichen dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, weshalb wirkungsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet sind. Insoweit kann unmittelbar auf die Beschreibung von F i g. 1 hingewiesen werden. Während in F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel mit vier BBD-Gliedern im geschlossenen Ring gezeichnet ist, sind dort in Fig.2 sechs CCD-Glieder verwendet In beiden Fällen liegen zwischen dem Eingang 3 und dem Ausgang 4 dreieinhalb BBD- bzw. CCD-Glieder. Demgegenüber ist jedoch in F i g. 1 nur ein halbes Glied in Form des Kondensators d zwischen Ausgang 4 und Eingang 3 geschaltet während in F i g. 2 zweieinhalb CCD-Glieder in Form der Kapazitäten d— C\ zwischen dem Ausgang 4 und dem Eingang 3 liegen.
Für die Schaltung nach Fig. 1 ist noch folgendes wesentlich.
Zu einer Eimerkettenschaltung nach der bekannten Ausführung gehören zu einem halben Glied ein Transistor und ein Umladekondensator, beispielsweise Ci. In Fig. 1 müssen nun an der Übergangsstelle von der Eingangsleitung 3 zum Ring 1 statt eines Transistors zwei Transistoren 6 und 7 verwendet werden, so daß also dem ersten Kondensator Ci die beiden Transistoren 6 und 7 zugeordnet sind. Der Emitter des Transistors 6 führt zum Kondensator Ci der Eingangsleitung3, jedoch führt der Emitter des Transistors 7, wie aus der Zeichnung direkt erkennbar ist, zum Kondensator Cj des in sich geschlossenen Ringes 1. Eine weitere Abweichung gegenüber der üblichen Eimerkettenschal-
jo tung ist auch noch am Ausgang 4 zu beachten. Die im Ausführungsbeispiel verwendete Schaltung ist deshalb besonders vorteilhaft, weil es dadurch gelingt, das unterschiedliche Schaltzeitverhalten von Transistoren nicht wirksam werden zu lassen. Es sind nämlich dem Transistor 10 zwei Kondensatoren Cj und G zugeordnet. Dies bedeutet aber, daß die Umladung dieser beiden Kondensatoren nur über den Transistor 10 erfolgt. Zur Potentialtrennung der Kondensatoren Cj und G sind die beiden Dioden 8 und 9 vorgesehen, was bedeutet, daß die Durchlaßrichtung dieser beiden Dioden auf den Kollektor des Transistors 10 gerichtet sein muß. Beim Ausführungsbeispiel von F i g. 2 sind solche Maßnahmen wegen der andersartigen physikalischen Wirkungsweise der CCD-Leitung nicht erforderlich.
Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß in Fig. 1 im eigentlichen Sinn ein Stromlaufplan einer elektrischer Schaltung aus Transistoren, Kondensatoren und Dioden gezeichnet ist. F i g. 2 zeigt unmittelbar die geometrische Anordnung von leitenden Flächen auf einem Halbleitersubstrat, wozu in Fig.2 die einzelner Belegungen in der Art von Segmenten dargestellt sind derart, daß diese Belegungen sich zu einem vollständi gen, in sich geschlossenen Ring ergänzen. Die Größe der Belegungsflächen ist dann direkt proportional dei Größe der Umladekapazitäten, und es ist dabei Iediglici darauf zu achtenr daß die Beziehung Ci=C2-C eingehalten wird. Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungsformen für die Belegungen denkbar wenn nur die vorerwähnte Beziehung eingehalten wird Darüber hinaus ist es weiterhin möglich, den Ausgang A gegenüber der gezeichneten Stelle an eine andere Umladekapazität Ci anzukoppeln, wobei dann allerdings stets darauf zu achten ist daß die zwischen derr Ausgang 4 und dem Eingang 3 liegenden Kapazitätsflä chen die Größe C3 haben. Aus Fig.2 ist ferner zi erkennen, daß zur einfacheren Darstellung eim sogenannte Zweiphasen-CCD-Anordnung verwende ist. Dies hat zur Folge, daß z. B. der mit a bezeichnet«
Takt an jeden zweiten Utnladekondensator herangeführt wird. Der zweite Takt b ist mit den dazwischenliegenden Umladekapazitäten verbunden. Es lassen sich in Erweiterung dieser Anordnung auch Drei- oder Vierphasen-CCDs verwenden. Dort muß dann dafür
gesorgt werden, daß beispielsweise der Takt a nur an jeden dritten bzw. vierten Umladekondensator gelegt wird und ebenso der Takt b, während die übrigen Takte an die jeweils dazwischenliegenden Umladekondensatoren herangeführt werden müssen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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 Leitungsschleife das frequenzabhängige Übertragungsverhalten der FiI-terschaltung 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 sich geschlossenen Leitungsschleife unterschiedlich ist gegenüber dem der Zuführungsund Entnahmeleitung, nach Patent 2453669, dadurch gekennzeichnet, daß — in Fortpflan- zungsrichtung (5) der CTD-Leitung betrachtet — zwischen CTD-Ein- (3) und CTD-Ausgangsleitung (4) die einzelnen CTD-Glieder Umladekapazitäten der Größe C2 haben, daß die Umladekapazitäten der übrigen CTD-Glieder in der Leiterschleife (1) die Größe C% haben und daß zumindest näherungsweise die Beziehung C2 = C3-I-G gilt, wenn Q die Größe der Umladekapazitäten der CTD-Glieder von zumindest einer CTD-Anschlußleitung (3 oder 4) ist.
2. Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umladekapazitäten der CTD-Ein- (3) und der CTD-Ausgangsleitung (4) unter sich gleich (Q) sind.
3. Filterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kettenschaltung mehrerer einzelner Resonatorschaltungen (1) eine CTD-Ausgangsleilung gleichzeitig die CTD-Eingangsleitung der nachfolgenden Resonatorschaltung bildet.
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