DE2608431C3

DE2608431C3 - Aus zwei Allpaflgliedern erster Ordnung gebildete spulenlose Filterschaltung

Info

Publication number: DE2608431C3
Application number: DE19762608431
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Nossek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-03-01
Filing date: 1976-03-01
Publication date: 1978-08-17
Also published as: DE2608431A1; DE2608431B2

Description

Die Erfindung betrifft eine aus zwei Allpaßgliedern erster Ordnung gebildete spulenlose Filterschaltung, deren einzelne Glieder aus Opert.ionsverstärkern, 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.

Bekanntlich werden flC-Filterschaltungen in der Nachrichtentechnik immer häufiger deshalb angewendet, weil es mit Hilfe dieser Schaltungen möglich ist, frequenzselektive Anordnungen zu schaffen, bei denen auf den Einsatz von Spulen verzichtet werden kann. 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 Widerständen. Kondensatoren und aktiven Elementen durch Anwendung moderner Technologien möglich ist, zumal sich gezeigt hat, daß Spulen einem integrierten Aufbau nur sehr schwer zugänglich sind.

Zur Realisierung aktiver /iC-Filterschaltungen sind bereits verschiedene Möglichkeiten bekanntgeworden; eine dieser bekannten Möglichkeiten ist beispielsweise in der Literaturstelle »Electronic Letters«, Vol. 8, Seiten 458 bis 459, Sept. 1972, angegeben und es werden dort Schaltungen beschrieben, die eine sogenannte biquadratische Transferfunktion 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 gebildet. Bei diesen bekannten Schaltungen müssen aber noch immer drei oder sogar mehr Operationsverstärker verwendel werden, um die allgemeine biquadraiische Transferfunktion zu realisieren, was wiederum zur Folge hat, daß auch der Gleichstrombedarf für die einzelne Gesamtschaltung ein gewisses Maß nicht unterschreiten kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aktive /?C-Filterschaltung anzugeben, bei der einerseits die vorteilhaften Eigenschaften der erwähnten bekannten

jo Schaltungen im wesentlichen erhalten bleiben, jedoch gleichzeitig ein Aufbau mit nur zwei Operationsverstärkern und einer möglichst geringen Anzahl von Reaktanzelementen möglich ist.
Ausgehend von einer aus zwei Allpaßgliedern erster

4^r) Ordnung gebildeten spulenlosen Filterschaltung, bei der jedes Allpaßglied einen Operationsverstärker enthält, dessen Ausgang über einen Widerstand mit dem invertierenden Eingang verbunden ist, und den invertierenden Eingängen der Operationsverstärker jeweils ein

V) Widerstand vorgeschaltet ist, dessen eingangsseitiger Anschluß im ersten Allpaßglied auf einen Knoten der Schaltung und im zweiten Allpußglied auf den Ausgang des ersten Operationsverstärkers führt, und vom Ausgang des zweiten Operationsverstärkers eine

« Rückkopplung über einen Widerstand an den Knoten vorgesehen ist, und weiterhin eine Eingangsklemme und eine Ausgangsklemme über eine durchgehende Leitung miteinander verbunden sind, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vom Knoten über

M) einen Kondensator der nicht invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers angeschaltet ist, der gleichzeitig über einen Widerstand an der durchgehenden Leitung liegt, daß vom Ausgang des ersten Operationsverstärkers ein weiterer Widerstand zum

h^r> nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers führt, der gleichzeitig über einen Kondensator mit der durchgehenden Leitung verbunden ist. und daß von der zweiten Lingangsklemmc ein Widerstund

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-

Eine Abwandlung dieser erfindungsgemäßen Schaltung zur Lösung der gestellten Aufgabe ist darin 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.

Es zeigt in der Zeichnung

Fig. 1 eine Schaltung, die Tiefpaßverhalten hat und einen Dämpfungspol oberhalb des Filterdurchlaßbereiches liefert,

Fi g. 2 eitre Schaltung, die Hochpaßverhalten hat und einen Dämpfungspol unterhalb des Filterdurchlaßbereiches liefert.

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 1 a, dessen invertierender Eingang (—) mit 1 b und dessen Ausgang mit Ic bezeichnet ist. Der Ausgang Ic des Operationsverstärkers 1 ist weiterhin über einen Widerstand Ro, mit dem invertierenden Eingang 16des Operationsverstärkers 1 verbunden. Ferner sind der invertierende Eingang \b und nicht invertierende Eingang la über eine Serienschaltun,? aus einem Widerstand /?_tund einem Kondensator G miteinander verbunden. An der Verbindungsstelle zwischen Widerstand R₁- und Kondensator C\ wird demzufolge ein Knoten 3 gebildet. Der nicht invertierende Eingang la des Operationsverstärkers 1 ist weiterhin über einen Widerstand /?,, mit durch durchgehenden Leitung 4 verbunden.

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 R₀" miteinander verbunden. Ferner ist zu erkennen, daß der invertierende Eingang 2b über einen Widerstand R, mit dem Ausgang it- des ersten Operalionsvcrstärkers verbunden ist. Vom Ausgang U¹ des ersten Operationsverstärkers führt eine weitere Verbindung über einen Widerstand Rh zum nicht invertierenden Eingang 2.7 des zweiten Operationsverstärkers, zugleich ist der Eingang 2n über einen Kondensator C₃ mit der durchgehenden Leitung 4 verbunden. Die Rückkopplung erfolgt über einen Widerstand Ri, der vom Ausgang 2c des zweiten Operationsverstärkers auf den im Zusammenhang mit dem ersten Allpaßglied bereits erläuterten Knoten 3 der Schaltung führt.

Wie aus Fig. 1 ferner zu erkennen ist, wird eine an den Eingangsklemmen 5, 4 anliegende Eingangsspannung U₁ über weitere Widerstände an verschiedene Punkte der Schaltung zugeführt. Hierzu dient ein weiterer Widerstand R₃, der zwischen der Eingangsklemme 5 und dem Knoten 3 liegt, sowie ein Widerstand Ri, der zwischen der Eingangsklemme 5 und dem invertierenden Eingang lodes Operationsverstärkers 1 liegt und weiterhin ein Widerstand R$, der von der Eingangsklemme 5 auf den invertierenden Eingang 2b des Operationsverstärkers 2 geschaltet ist.

Wie aus Fig. 1 ferner zu erkennen ist, kann die Ausgangsspannung Ui, zwischen den Klemmen 6 und 4 abgenommen werden und es wird dabei die Ausgangsklemme 6 unmittelbar vom Ausgang 2c des zweiten Operationsverstärkers gebildet.

Wie einleitend bereits erwähnt, ist in F' g. 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 bezeichnet. 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.

Fig. 2 läßt erkennen, daß im ersten Allpaßglied die Schaltelemente der Serienschaltung aus Widerstand und Kondensator (gegenüber Fig. P ihre Plätze getauscht haben, so daß also der Widerstand R., sich dem Schaltungsknoten 3 anschließt und mit dem nicht invertierenden Eingang la des Operationsverstärkers 1 verbunden ist. Vom Eingang la führt dann der Kondensator Ci unmittelbar zur durchgehenden Leitung. Analog gilt dies auch für die Widerstands-Kondensatorkombination des zweiten Allpaßgliedes, so daß hier der Kondensator G dem Ausgang Ic des Operationsverstärkers 1 nachgeschaltet ist und zum nicht invertierenden Eingang 2a des Operationsverstärkers führt. Zudem ist der Eingang 2a über den Widerstand Ri, mit der durchgehenden Leitung 4 verbunden. Der im Rückkopplungsweg zum Knoten 3 liegende Widerstand ist in F i g. 2 mit R_S\ bezeichnet. Dieser Widerstand ist andererseits mit einem weiteren Schaltungsknoten 7 verbunden, der durch die Serienschaltung zweier Widerstände Rn und Rn entsteht. Diese beiden Widerstände liegen unmittelbar am Ausgang 2c des Operationsverstärkers 2 und es ist der Widerstand Ru mit dem dem Knoten 7 abgewandten Anschluß unmittelbar mit der durchgehenden Leitung 4 verbunden. Auch in dicer Ausführungsform bildet der Ausgang 2cdes Operationsverstärkers 2 unmittelbar die eine Ausgangsklemme 6.

Als Beispiel für die Bemessung der Schaltelemente seien noch die folgenden Gleichungen angegeben, die für die Schaltung nach Cig. I Gültigkeit haben und die einsprechend auch auf '.lic Schaltung von ΙΊ g. 2 angewendet werden können.

7 (M

ι;, ι,

'/„

s^

R. "Λ, R₁)¹X¹⁴ «J ⁺ R_{2 +} RfV⁴ R₁) R,

«:.< , «2 Λ ₊ Ri\ Ri'

R₂ + R., V RJ R,

R,,

I ' ' R, ' R, 4 R₁ V ' R J R,

«./ Ra

R/, Λ , «_,,Ν _t R-, Λ , *Λ/ ₄ R,. N

C₁C₂R₁₁R₁. /R₁, R₁; r.;a / _t R,., \ ₄ R₁ / rar;

K, R₁ Ra A R,, / R, t R₁ V ' R, / K,

I [ I 4 ^K-·' -1 ^K- ^K" (\ i ^R"

IL R., R; * R.i RaV ^₁

C R \ R R

C₂R, L' ⁴ R₁, R, t R₁

R_: / R₁, X R₀I₁ ■:
«.· ^J «Λ R^/ R, Jl

R₁

R₁;

«I

C₁R.,

• «:)J

IV₁, \\ A₁ / . A,, \ A,,

R, JJ R₂- R₁ V * R. J K₁ J

R_:., R, R₁; R,.

R₁ R, I R₁ R₄ R,

<;«;Κ¹⁺ «:)(r. · R₁ ('' rJ) R₂₁R₁(^ rJi¹ ' *,

'R₁' R; RiA/, R:., N «.. Λ . RA RHi ^i;

R_s R. R₄ A R. / R: ^ R, V R, / Ra J I

C₂K, [Y R₂f \ (R, R-, RiA R; R-, Rn I '

C₁R,, LI " R. /V«; R₁ R^/ R; -¹ R., R, RjJ

R,,

In den vorstehenden F'oniielp bedeutet Γ(Ά^ clic unmittelbare Transferfunktion, wobei s die komplexe Frequenz ist: 7T, ist ein konstanter Faktor. Mit ω. ist die Frequenz der Spcrrstcllc des Filters bezeichnet, mit (!).-, die Eigenfrequenz im Durchlaßbereich.

Wie bereits erwähnt, ermöglichen es die vorstehend beschriebenen Srhaltungen. mit nur zwei Operationsverstärkern und jeweils nur zwei Kondensatoren

R₂ - R₁ Tiefpaß- bzw. Hochpaßscruliungen zu realisieren, ill· einen Dämpfungspol im Sperrbereich haben. Darube hinaus ist es weiterhin möglich, die Verluste de Kondensatoren zu berücksichtigen und unmittelbar ir ~>Ί den Schaltungsentwurf einzurechnen. Durch ein Kettenschaltung der Schaltungen aus den F i g. 1 und . lassen sich auch Bandpässe bzw. Bandsperren aufb.Kien

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1, Aus zwei Allpaßgliedern erster Ordnung gebildete spulenlose Filterschaltung, bei der jedes AltpaOglied einen Operationsverstärker enthält, dessen Ausgang über einen Widerstand mit dem invertierenden Eingang verbunden ist, und den invertierenden Eingängen der Operationsverstärker jeweils ein Widerstand vorgeschaltet ist, dessen in eingangsseitiger Anschluß im ersten Allpaßglied auf einen Knoten der Schaltung und im zweiten Allpaßglied auf den Ausgang des ersten Operationsverstärkers führt, und vom Ausgang des zweiten Operationsverstärkers eine Rückkopplung über einen Widerstand an den Knoten vorgesehen ist, und weiterhin eine Eingangsklemme und eine Ausgangsklemme über eine durchgehende Leitung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß vom Knoten (3) über einen Kondensator (Ci) der nicht invertierende Eingang (la) des ersten Operationsverstärkers (1) angeschaltet ist, der gleichzeitig über einen Widerstand (Rj) an der durchgehenden Leitung (4) liegt, daß vom Ausgang (Ic) des ersten Operationsverstärkers (1) ein weiterer Widerstand (Rb) zum nicht invertierenden Eingang (2a) des zweiten Operationsverstärkers (2) führt, der gleichzeitig über einen Kondensator ^C₂) mit der durchgehenden Leitung (4) verbunden ist, und daß von der zweiten Eingangsklemme (5) ein Widerstand (R\) an den invertierenden Eingang(\b) des ersten Operationsverstärkers (iy, ein weiterer Widerstand (R2) an den Knoten (3) und ein dritter Widerstand (Ri) an den invertierenden Eingang (2b) des zweiten Operationsverstärkers (2) geschaltet sind.
2. Filterschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Abwandlung, daß im ersten Allpaßglied die am nicht invertierenden Eingang (la) des Operationsverstärkers (1) liegenden Schaltelemente (Rj, C₁) vertauscht sind, daß im zweiten Allpaßglied ebenfalls die am nicht invertierenden Eingang (2a) des zweiten Operationsverstärkers (2) liegenden Schaltelemente (Ci, Rb) vertauscht nind, und daß der für die Rückkopplung vorgesehene Widerstand (Ru) an einen weiteren Knoten (7) herangeführt ist. der über einen Widerstand (R_i2) einerseits mit dem Ausgang (2c) des zweiten Operationsverstärkers (2) und andererseits über einen Widerstand (Ru) mit der durchgehenden Leitung (4) verbunden ist.