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Aus zwei Allpaßgliedern erster Ordnung gebildete spulenlose
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Filterschaltung Die Erfindung betrifft eine aus zwei Allpaßgliedern
erster Ordnung gebildete spulenlose Filterschaltung, deren einzelne Glieder aus
Operationsverstärkern, Kondensatoren und Widerständen bestehen und bei. der zwischen
den einzelnen Gliedern eine Rückkopplung vorgesehen ist und weiterhin eine Eingangsklemme
und eine Ausgangsklemme über eine durchgehende Leitung miteinander verbunden sind.
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Bekanntlich werden RC-Filterschantungen .in der Nachrichtentechnik
immer häufiger deshalb angewendetS weil es mit Hilfe dieser Schaltungen möglich
ist, frequenzselektive Anordnungen zu schaffen, bei denen auf den Einsatz von Spulen
verzichtet werden kam.
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In dem Bestreben, solche Schaltungen möglichst klein aufzubauen, tritt
dieses Bedürfnis immer stärker deshalb in den Vordergrund, weil Spulen sich nicht
in dem Ausmaß verkleinern lassen, wie dies mit Widcrständen, Kondensatoren und aktiven
Elemengen durch Anwendung moderner TeclLnologien möglich ist, zumal sich gezeigt
hat, daß Spulen einem integrierten Aufbau nur sein schwer zugänglich sind.
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Zur Realisierung aktiver RC-Fil-terschaltungen sind bereits verschiedene
Möglichkeiten bekannt geworden; eine dieser bekannten Iviöglichkeiten ist beispielsweise
in der Literaturstelle "Electronics Letters, Vol.8, Seiten 458 bis 459, Sept.1972,
angegeben und es werden dort Schaltungen beschrieben, die eine sogenannte biquadratische
TransferfuSition haben. Bei diesen bekannten Schaltungen werden zwei Allpaßglieder
erster Ordnung verwendet, die selbst aus Operationsverstärkern, Kondensatoren und
Widerständen bestehen. Durch eine geeignete Rückkopplung der einzelnen Glieder wird
dabei eine Art Allpaßschleife gebil-
det. Bei diesen bekannten Schaltungen
müssen aber noch immer drei oder sogar mehr Operationsverstärker verwendet werden,
um die allgemeine biquadratische Transferfunktion zu realisieren, was wiederum zur
Folge hat, daß auch der Gleichstrombedarf für die einzelne Gesamtschaltung ein gewisses
Maß nicht unterschrei.-ten kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aktive RC-Filterschaltung
anzugeben, bei der einerseits die vorteilhaften Eigenschaften der erwähnten bekannten
Schaltungen im wesentlichen erhalten bleiben, jedoch gleichzeitig ein Aufbau mit
nur zwei Operationsverstärkern und einer möglichst geringen Anzahl von Reaktanzelementen
möglich ist.
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Ausgehend von einer aus zwei Allpaßgliedern erster Ordnung gebildeten
spulenlosen Filterschaltung, deren einzelne Glieder aus Operationsverstärkern, Kondensatoren
und Widerständen bestehen und bei der zwischen den einzelnen Gliedern eine Rückkopplung
vorgesehen ist und weiterhin eine Eingangsklemme und eine Ausgangsklemme über eine
durchgehende Leitung miteinander verbunden sind, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß das erste Allpaßglied aus einem Operationsverstärker besteht,
dessen Ausgang über einen Widerstand mit dem invertierenden Eingang verbunden ist,
von dem aus über einen Widerstand, einem Knoten und einen Kondensator der nicht
invertierende Eingang des Operationsverstärkers angeschaltet ist, der gleichzeitig
über einen Widerstand an der durchgehenden Leitung liegt, daß das zweite Allpaßglied
aus einem weiteren Operationsverstärker besteht, dessen Ausgang über einen Widerstand
an seinen invertierenden Eingang geschaltet ist, der weiterhin über einen Widerstand
mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist, von dem aus ein
weiterer Widerstand zum nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers
führt, der gleichzeitig über einen Kondensator mit der durchgehenden Leitung verbunden
ist, daß die Rückkopplung vom Ausgang des zweiten Operationsverstärkers über einen
Widerstand zum Knoten ge-
schaltet ist, und daß von der zweiten
Eingangsklemme ein Widerstand an den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers,
ein weiterer Widerstand an den Knoten und ein dritter Widerstand an den invertierenden
Eingang des zweiten Operationsverstärkers geschaltet sind.
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Eine weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist in einer derartigen
Abwandlung der vorstehend beschriebenen Schaltung zu sehen, daß im ersten Allpaßglied
die am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers liegenden Schaltelemente
vertauscht sind, daß im zweiten Allpaßglied ebenfalls die am nicht invertierenden
Eingang des zweiten Operationsverstärkers liegenden Schaltelemente vertauscht sind,
und daß der für die Rückkopplung vorgesehene Widerstand an einen weiteren Knoten
herangeführt ist, der über einen Widerstand einerseits mit dem Ausgang des zweiten
Operationsverstärkers und andererseits über einen Widerstand mit der durchgehenden
Leitung verbunden ist.
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Es zeigen in der Zeichnung: Fig.1 eine Schaltung, die Tiefpaßverhalten
hat und einen Dämpfungspol oberhalb des Filterdurchlaßbereiches liefert; Fig.2 eine
Schaltung, die Hochpaßverhalten hat und einen Dämpfungspol unterhalb des Filterdurchlanbereiches
liefert.
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in der Schaltung von Fig.1 sind mit den Bezugsziffern 5 und 4 die
Eingangsklemmen und mit den Bezugsziffern 6 und 4 die Ausgangsklemmen bezeichnet.
Jeweils eine Eingangsklemme und eine Ausgangsklemme sind elektrisch leitend durchverbunden,
was durch die durchgehende Leitung 4 kenntlich gemacht ist, die gleichzeitig elektrisches
Bezugspotential für die gesamte Schaltung darstellen kann, was durch das bekannte
"Massezeichen" ebenfalls kenntlich gemacht ist. Wie bereits erwähnt, wird bei
der
Erfindung davon ausgegangen, daß zwei Allpaßglieder erster Ordnung derart miteinander
zusammengeschaltet werden, daß sich eine Transferfunktion zweiten Grades realisieren
läßt. In der Schaltung von Fig.1 wird das erste Allpaßglied aus einem ersten Operationsverstärker
1 gebildet, dessen nicht invertierender Eingang (+) mit 1a, dessen invertierender
Eingang (-) mit Ib und dessen Ausgang mit 1c bezeichnet ist. Der Ausgang 1c des
Operationsverstärkers 1 ist weiterhin über einen Widerstand Ro', mit dem invertierenden
Eingang Ib des Operationsverstärkers 1 verbunden. Ferner sind der invertierende
Eingang 1b und nicht invertierende Eingang 1a über eine Serienschaltung aus einem
Widerstand Rc und einem Kondensator cl miteinander verbunden.
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An der Verbindungsstelle zwischen Widerstand Rc und Kondensator C1
wird demzufolge ein Knoten 3 gebildet. Der nicht invertierende Eingang 1a des Operationsverstärkers
1 ist weiterhin über einen Widerstand Ra mit der durchgehenden Leitung 4 verbunden.
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Das zweite Allpaßglied wird von einem Operationsverstärker 2 gebildet,
dessen nicht invertierender Eingang mit 2a, dessen invertierender Eingang 2b und
dessen Ausgang mit 2c bezeichnet sind. Der Ausgang 2c und der invertierende Eingang
2b sind über einen Widerstand R" miteinander verbunden. Ferner ist zu erkennen,
daß der invertierende Eingang 2b über einen Widerstand R4 mit dem Ausgang 1c des
ersten Operationsverstärkers verbunden ist. Vom Ausgang 1c des ersten Operationsverstärkers
führt eine weitere Verbindung über einen Widerstand Rb zum nicht invertierenden
Eingang 2a des zweiten Operationsverstärkers, zugleich ist der Eingang 2a über einen
Kondensator C2 mit der durchgehenden Leitung 4 verbunden. Die Rückkopplung erfolgt
über einen Widerstand R3, der vom Ausgang 2c des zweiten Operationsverstärkers auf
den im Zusammenhang mit dem ersten Allpaßglied bereits erläuterten Knoten 3 der
Schaltung führt.
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Wie aus Fig.1 ferner zu erkennen ist, wird eine an den Eingangsklemmen
5, 4 anliegende Eingangsspannung Ui über weitere Wider-
stände an
verschiedene Punkte der Schaltung zugeführt. Hierzu dient ein weiterer Widerstand
R2, der zwischen der Eingangsklemme 5 und dem Knoten 3 liegt, sowie ein Widerstand
R1, der zwischen der Eingangsklemme 5 und dem invertierenden Eingang Ib des Operationsverstärkers
1 liegt und weiterhin ein Widerstand R5, der von der Eingangsklemme 5 auf den invertierenden
Eingang 2b des Operationsverstärkers 2 geschaltet ist.
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Wie aus Fig.1 ferner zu erkennen ist, kann die Ausgangsspannung UO
zwischen den Klemmen 6 und 4 abgenommen werden und es wird dabei die Ausgangsklemme
6 unmittelbar vom Ausgang-2c des zweiten Operationsverstärkers gebildet.
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Wie einleitend bereits erwähnt, ist in Fig.2 eine Schaltung dargestellt,
die Hochpaßverhalten hat und die einen Dämpfungspol unterhalb des Durchlaßbereiches
liefert. Bezüglich des Schaltungsaufbaues sei unmittelbar auf Fig.1 hingewiesen,
denn es sind in Fig.2 an sich gleichgeschaltete und an gleichen Stellen liegende
Schaltelemente mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig.1 bezeichnnet. Auch in
Fig.2 sind unmittelbar die Eingangsklemmen 5, 4 bzw. die Ausgangsklemmen 6, 4 sowie
auch die Operationsverstärker 1 und 2 mit ihren jeweils analog bezeichneten Eingangs-
und Ausgangsanschlüssen zu erkennen. Aus diesem Grund sei im folgenden nur mehr
auf die Unterschiede gegenüber Fig. 1 hingewiesen.
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Fig.2 läßt erkennen, daß im ersten Allpaßglied die Schaltelemente
der Serienschaltung aus Widerstand und Kondensator (gegenüber Fig.1) ihre Plätze
getauscht haben, so daß also der Widerstand Ra sich dem Schaltungsknoten 3 anschließt
und mit dem nicht invertierenden Eingang la des Operationsverstärkers 1 verbunden
ist. Vom Eingang la führt dann der Kondensator C1 unmittelbar zur durchgehenden
Leitung. Analog gilt dies auch für die Widerstands-Kondensatorkombination des zweiten
Allpaßgliedes, so daß hier der Kondensator C2 dem Ausgang 1c des Operationsverstärkers
1 nachgeschaltet ist und zum nicht invertie-
renden Eingang 2a des
Operationsverstärkers führt. Zudem ist der Eingang 2a über den Widerstand Rb mit
der durchgehenden Leitung 4 verbunden. Der im Rückkopplungsweg zum Knoten 9 liegende
Widerstand ist in Fig.2 mit R31 bezeichnet. Dieser Widerstand ist andererseits mit
einem weiteren Schaltungsknoten 7 verbunden, der durch die Serienschaltung zweier
Widerstände R32 und R33 entsteht. Diese beiden Widerstände liegen unmittelbar am
Ausgang 2c des Operationsverstärkers 2 und es ist der Widerstand R33 mit dem dem
Knoten 7 abgewandten Anschluß unmittelbar mit der durchgehenden Leitung 4 verbunden.
Auch in dieser Ausführungsform bildet der Ausgang 2codes Operationsverstärkers 2
unmittelbar die eine Ausgangsklemme 6.
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Als Beispiel für die Bemessung der Schaltelemente seien noch die folgenden
Gleichungen angegeben; die für die Schaltung nach Fig.1 Gültigkeit haben und die
entsprechend auch auf die Schaltung von Fig.2 angewendet werden können.
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R23 = R2R3 R23 gFg In den vorstehenden Formeln bedeutet T(s) die
unmittelbare Transferfunktion, wobei s die komplexe Frequenz ist; T0 ist ein konstanter
Faktor. Mit w, xz ist die Frequenz der Sperrstelle des Filters bezeichnet, mit up
die Eigenfrequenz im Durchlaßbereich.
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Wie bereits erwähnt, ermöglichen es die vorstehend beschriebenen Schaltungen,
mit nur zwei Operationsverstärkern und jeweils nur zwei Kondensatoren Tiefpaß- bzw.
Hochpaßschaltungen zu realisieren, die einen Dämpfungspol im Sperrbereich haben.
Darüber hinaus ist es weiterhin möglich, die Verluste der Kondensatoren zu berücksichtigen
und unmittelbar in den Schaltungsentwurf einzurechnen. Durch eine Kettenschaltung
der Schaltungen aus den Fig.l und 2 lassen sich auch Bandpässe bzw. Bandsperren
aufbauen.
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2 Patentansprüche 2 Figuren
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