DE2702680B2 - Elektrische Filterschaltung bestehend aus CTD-Leitungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Filterschaltung, bei der an eine in sich geschlossene Leitungsschleife, die das frequenzabhängige Übertragungsverhalten der Filterschaltung bestimmt und bei der geforderten Durchlaßmittenfrequenz das Phasenmaß 2ηπ (η=\, 2, ...) hat, an unterschiedlichen Stellen jeweils wenigstens eine Zuführungsleitung und jeweils wenigstens eine Leitung zur Entnahme der elektrischen Signale angeschaltet ist, die in integrierter Halbleitertechnik als durch einen Taktgenerator gesteuerte EimerkettenAus der deutschen Patentschrift 24 53 669 sind unter anderem elektrische Filterschaltungen bekanntgeworden, zu deren Aufbau in sich geschlossene Leitungsschleifen mit unidirektionalem Übertragungsverhalten verwendet werden können. Als Leitungen kommen dabei auch sog. CTD-Leitungen (Charge transfer devices) in Frage. Solche Leitungen sind für sich bekannt als sog. Eimerkettenschaltungen oder auch als sog. CCD's (Charge coupled devices). Zum Betrieb solcher Schaltungsbauteile sind Taktgeneratoren erforderlich, wie dies im einzelnen ebenfalls in der deutschen Patentschrift 24 53 669 beschrieben ist. In Fig.9 der vorgenannten Patentschrift ist ein Schaltungssymbol für die Ankopplung an eine in sich geschlossene Leiterschleife angegeben, die zur besseren Übersicht in F i g. 1 der Zeichnungen nochmals dargestellt ist. Das unidirektionale Übertragungsverhalten der einzelnen Leitungsabschnitte kommt durch die eingezeichneten Pfeile zum Ausdruck. Die Schaltung hat also zwei Eingänge 1 und 3, die dort zulaufenden Signalgrößen sind als Wellengrößen Z\ und Zj dargestellt. Auch hat die Schaltung zwei Ausgänge 2 und 4, und es sind die dort weglaufenden Signalgrößen als Wellengrößen W^und W* ebenfalls mit zugehörigen Pfeilen zu erkennen.

In F i g. 2 der Zeichnung ist eine mögliche Realisierungsform solcher CTD-Schaltungen dargestellt, die für sich bereits in der älteren Anmeldung P 25 34 319.5 vorgeschlagen wurde. Diese Schaltung läßt sich als Einbzw. Auskoppelschaltung für die in sich geschlossenen Leitungsschleifen solcher CTD-Filterschaltungen verwenden. Die Übertragungsrichtungen der einzelnen Leitungen sind ebenfalls durch Pfeile kenntlich gemacht. Die Schaltung selbst ist in der Topologie einer Kreuzgliedschaltung aufgebaut. Die Schaltung enthält die Verstärker K₁", K₂", K₁" und K₄".

Durch die Schaltsymbole der Verstärker soll angedeutet werden, daß sie entsprechend dem Spannungszustand der ihnen benachbarten Leitung Ladungen in der an sie unmittelbar angeschlossenen Leitung erzeugen. Die Umladekapazitäten der einzelnen CTD-Leitungen sind in F i g. 2 ebenfalls eingezeichnet und dort mit C\, C₂ und Cj bezeichnet. Auch ist das Phasenmaß der einzelnen Leitungsabschnitte eingezeichnet, und es ist zu erkennen, daß die horizontal verlaufenden Leitungen das Phasenmaß b und die Abschnitte der diagonal verlaufenden Leitungen das Phasenmaß 6/2 haben. Es wird also aufgrund der Schaltungstopologie ein Signalweg vom Eingang 1 zu den Ausgängen 2 und 4,

und ebenso ein Signalweg vom Eingang 3 zu den Ausgängen 2 und 4 geschaffen.

In Fig.3 ist eine weitere Realisierungsmöglichkeit für Ein- und Auskoppelschaltungen gezeigt, die nach Art eines jr-Gliedes ausgebildet ist Solche Schaltungen sind für sich bereits in der älteren AnmtUung P 26 08 582.5 vorgeschlagen. Es werden als Verstärker sog. Doppelverstärker verwendet, die in Fig.3 mit Ali und Kj bezeichnet sind, und die einen gemeinsamen Eingang über die mit Q, bezeichnete Umladekapazität haben, und dereti Ausgänge auf die mit Q bzw. Cs bezeichneten Umladekapazitäten der sich anschließenden CTD-Leitungen führen. Die Ein- und Ausgänge der π-SchaItung sind wiederum mit den Bezugsziffern 1 bis 4 bezeichnet, und auch die Übertragungsrichtungen der unidirektionalen Leitungsabschnitte sind durch die eingetragenen Pfeile zu erkennen. Bei der gezeichneten Schaltung ist lediglich darauf zu achten, daß das Phasenmaß der in den π-Zweigen verwendeten Leitungen den Wert b hat.

Fig.4 zeigt eine weitere Realisierungsmöglichkeit für die in Frage kommenden Ein- und Auskoppelschaltungen, deren Wirkungsweise im einzelnen in der älteren Anmeldung P 26 08 540.5 beschrieben ist. Im Unterschied zu F i g. 3 sind in der Schaltung nach F i g. 4 zwei getrennte Verstärker /Ci und Ka verwendet, die jeweils in eine solche Leitung eingeschaltet sind, die am Eingang und Ausgang die gleiche Umladekapazität (also z. B. Ci bzw. C) hat.

Charakteristisch für die Schaltung nach den F i g. 2 bis 4 ist, wie dies in den vorgenannten Literaturhinweisen bereits erläutert ist, das gewissermaßen ein Wrllenwiderstandssprung nachgebildet wird, dessen Wirkungsweise für sich aus der Mikrowellentechnik bekannt ist. Aus diesem Grund haben die einzelnen Anschlußleitungen 1, 2 und 3, 4 unterschiedliche Umladekapazitäten wie z. B. C& und Ci.

In F i g. 5 ist gezeigt, in welcher Weise vorzugehen ist, damit eine in sich geschlossene Leitungsschleife zusammen mit Ein- und Auskopplung gewissermaßen eine vierarmige Weichenschaltung bildet. Als Ein- und Auskopplung ist unmittelbar die in Fig.3 bereits gezeichnete Schaltung verwendet. Die in sich geschlossene Leitungsschleife wird von den beiden Leitungen mit der Umladekapazität C2 und den beiden Leitungsabschnitten der Umladekapazität Cz gebildet. Die mit C2 bezeichneten Leitungen haben das Phasenmaß ηπη - b und die mit Cj bezeichneten Leitungen das Phasenmaß b. Wie Fig. 5 unmittelbar zeigt, sind also die Leitungsabschnitte mit den Umladekapazitäten C₃ zugleich Bestandteil des in sich geschlossenen Leitungsringes 6 und der Ein- bzw. Auskoppelschaltungen. Für die bezogene Frequenz r\ = f/f<t=\ ist die in sich geschlossene Leitungsschleife 6 in Resonanz; /"ist dabei die laufende Frequenzvariable und k die Mittenfrequenz des gewünschten Durchlaßbereiches. Die Wirkungsweise der Weichenschaltung läuft darauf hinaus, daß bei der Resonanzfrequenz /0 die gesamte am Eingang 1 eingespeiste Energie am Ausgang 2' erscheint. Bei zunehmender Abweichung von der Resonanzfrequenz erscheint zunehmend mehr Energie am Ausgang 2. Entsprechend gilt, daß bei der Resonanzfrequenz Z₀ die gesamte in den Eingang 1' eingespeiste Energie am Ausgang 2 erscheint und mit zunehmender Abweichung von der Resonanzfrequenz zunehmend mehr Energie am Ausgang 2'. Diese Weichenfunktion ist streng erfüllt, wenn die in F i g. 5 gleichzeitig angegebenen Beziehungen zwischen den Umladekapazitäten und den Verstärkungsfaktoren eingehalten werden. Derartige Schaltun

gen können in ihrem elektrischen Ersatzschaltbild als verlustfreie Reaktanz-Abzweigschakungen dargestellt und dementsprechend dimensioniert werden, wie dies z. B. in der Zeitschrift »NTZ« 1963, Heft 6. S. 297 bis 302 angegeben ist.

Zum Aufbau einer mehrkreisigen Filterschaltung ist es nun erforderlich, mehrere resonanzfähige Gebilde nach Fig.5 in Kette zu schalten. Eine solche Möglichkeit ist in F i g. 6 gezeichnet, deren Schaltungsdetails im einzelnen in den vorgenannten Literaturstellen ebenfalls beschrieben sind. In Analogie zu Fig. 5 sind die resonanzfähigen Schaltungsabschnitte mit 6 und 6' bezeichnet Auch sind die jeweiligen Ein- und Auskoppelschaltungen gemäß F i g. 3 zu erkennen. Für die Zusammenschaltung der Leitungsschleifen 6 und 6' ist es erforderlich, eine weitere in sich geschlossene Leitungsschleife zu schaffen, die in Fig.6 mit der Bezugsziffer 7 kenntlich gemacht ist. Diese Leitungsschleife wird hier als Zwischenkopplungsschleife bezeichnet und zusammen mit Teilen (Cs, CV) der angrenzenden Ein- und Auskopplungen gebildet. Die der Kettenschaltung dienenden Leitungen haben die Umladekapazitäten Q. Ihr Phasenmaß beträgt

(2/1 - Il \ ,, - h.

Um kenntlich zu machen, daß die in unterschiedlichen resonanzfähigen Abschnitten (wie z. B. in 6 und 6') verwendeten Leitungen und Verstärker unterschiedlich bemessen werden können, sind in der Schaltung nach F i g. 6 die mit der linken Schaltungshälfte korrespondierenden Umladekapazitäten ozw. Verstärkungsfaktoren der rechten Schaltungshälfte mit einer Apostrophierung versehen. Aus den zugleich angegebenen Beziehungen für die apostrophierten Größen ist unmittelbar die Analogie zu F i g. 5 zu erkennen.

Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, können bei den vorstehend beschriebenen Schaltungen nahe der Resonanzfrequenz der in sich geschlossenen Zwischenkopplungsschleife 7 dann Oszillationsschwingungen auftreten, wenn z. B. die Verstärker Kt und Kt' durch Fertigungstoleranzen oder Temperaturabhängigkeiten größere Verstärkungsfaktoren aufweisen, als sich nach der Berechnung ergeben hat. Zwar liegen diese Schwingungen nicht im gewünschten Durchlaßbereich, sie stören jedoch deshalb, weil es sich um Oszillationsschwingungen handelt, die auch bei nicht vorhandenem Eingangssignal auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es. Schaltungen anzugeben, bei denen solche Oszillationsschwingungen möglichst nicht mehr auftreten bzw. völlig beseitigt iind.

Erfindungsgemäß wird für die eingangs genannten Schaltungen diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Verstärkungsfaktoren der in den jeweiligen Zwischenkopplungsschleifen vorgesehenen Verstärker (Kt, Kt') dem Betrage nach kleiner gewählt sind, als nach einer strengen Dimensionierung als Reaktanz-Abzweigschaltung vorgegeben, jedoch nicht kleiner als eins.

Unter Verstärkungsfaktoren sind hier Spannungsverstärkungsfaktoren zu verstehen. Im Minimalfall kann der Verstärkungsfaktor Kt bzw. K\ den Wert eins annehmen, was gleichbedeutend damit ist, daß diese Verstärker entfallen können. Wie sich insbesondere zeigt, ist es vorteilhaft, die Verstärkungsfaktoren bis zu etwa 15% kleiner zu wählen, als in den Gleichungen gem. F i g. 5 und F i g. 6 angegeben ist. Durch die

bewußte Verkleinerung der Verstärkungsfaktoren Ki und Ki' tritt im Durchlaßbereich des Filters eine gewisse geringfügige Verzerrung der Übertragungscharakteristik auf. Die gewünschte Übertragungscharakteristik läßt sich jedoch dadurch wieder herstellen, daß auch die übrigen Verstärker im Beispiel nach Fig.6 — also die Verstärker Ki und KJ — in ihrem Verstärkungsfaktor geändert werden. Zusätzlich können erforderlichenfalls die Kapazitätsverhältnisse R, ^'geändert werden.

In den F i g. 7 und 8 ist die Wirkung der vorgenannten Maßnahmen im einzelnen dargestellt.

F i g. 7 zeigt dabei in Abhängigkeit von der normierten Frequenz η = f/f₀ in der Umgebung der Durchlaßmittei.^frequenz η — \ das Betriebsdämpfungsverhalten a& Als Beispiel wurde ein dreikreisiges Filter gewählt, d. h. also eine Kettenschaltung von drei Schaltungseinheiten gemäß Fig. 5. Fig.8 zeigt wiederum den Dämpfungsverlauf für jeweils die obere Hälfte der nicht gewünschten parasitären Durchlaßbereiche des Filters bei geradzahligen Vielfachen (2πηο, mit f)o=l) der gewünschten Durchlaßmittenfrequenz, wobei Δη die Abweichung von 2πη₀ darstellt.

In den Fig. 7 und 8 zeigen die gestrichelten Kurven den theoretischen Verlauf, d. h. also zugleich auch den Verlauf, der sich ergibt, wenn die in den F i g. 5 und 6 angegebenen Beziehungen exakt eingehalten werden. Die vorstehend erwähnten Oszillationsschwingungen liegen dabei in der Umgebung der Minima bei ΔηΦθ in

ί Fig.8. Die ausgezogenen Kurven zeigen den Dämpfungsverlauf, wenn die vorstehend beschriebene Minderung der Verstärkungsfaktoren Ku K\ und zugleich die Korrektur der Verstärkungsfaktoren K₂ und K₂ bzw. der Kapazitätsverhältnisse R und R' vorgenommen

κι wird. Die Dämpfungsminima sind deutlich angehoben, im Beispiel der Fig.8 etwa 1OdB und mehr, während die Durchlaßdämpfung nach F i g. 7 nur geringfügig zunimmt (0,02 dB), was für den praktischen Einsatz bedeutungslos ist. Im gewählten Beispiel wurden dabei

i-i die Verstärkungsfaktoren Ki und Ki um 5% gegenüber dem Formelwert nach den F i g. 5 und 6 gemindert, die Werte für K₂, K₂', R, «'blieben unverändert erhalten. Durch die aus F i g. 8 erkennbare Dämpfungserhöhung ist die Gefahr von Oszillationsschwingungen vollständig beseitigt, d. h. selbst bei Fertigungstoleranzen und temperaturbedingten Änderungen in der Größenordnung von 5% treten keine Oszillationsschwingungen auf.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrische Filterschaltung, bei der an eine in sich geschlossene Leitungsschleife, die das frequenzabhängige Übertragungsverhalten der Filterschaltung bestimmt und bei der geforderten Durchlaßmittenfrequenz das Phasenmaß 2im (n = 1,2,...) hat, an unterschiedlichen Stellen jeweils wenigstens eine Zuführungsleitung und jeweils wenigstens eine Leitung zur Entnahme der elektrischen Signale angeschaltet ist, die in integrierter Halbieitertechnik als durch einen Taktgenerator gesteuerte Eimerkettenschaltung oder CCD-Schaltung (Charge Coupled Devices) realisiert ist, und bei der der Wellenwider stand unterschiedlich gewählt ist gegenüber dem der Zuführungs- und Entnahmeleitungen, und weiterhin für die in sich geschlossene Leitungsschleife Ein- und Auskopplungen vorgesehen sind, die jeweils zusammen mit einem Teil dieser Leitungsschleife und mit integrierten Verstärkern vorgegebener Verstärkungsfaktoren in der Topologie eines Kreuz- oder eines π-Gliedes ausgebildet sind, derart, daß die Leitungsschleife zusammen mit Ein- und Auskopplung eine vierarmige Weichenschaltung mit dem Ersatzschaltbild einer Reaktanz-Abzweigschaltung bildet und bei Kettenschaltung solcher Weichenschaltungen Verbindungsleitungen vorgesehen sind, die zusammen mit einem Teil der an sie angrenzenden Aus- und Einkopplungen eine weitere, eine Zwischenkopplungsschleife darstellende, in sich geschlossene Leitungsschleife bilden, die bei der geforderten Durchlaßmittenfrequenz das Phasenmaß (2π- \)π hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfaktoren der in den jeweiligen Zwischenkopplungsschleifen vorgesehenen Verstärker (Ku K\') dem Betrage nach kleiner gewählt sind als nach einer strengen Dimensionierung als Reaktanz-Abzweigschaltung vorgegeben, jedoch nicht kleiner als eins.

2. Filterschaltung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfaktoren (K\, K\') bis zu 15% kleiner gewählt sind als ursprünglich vorgegeben.

3. Filterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfaktoren der übrigen Verstärker (K₂, K₂) derart geändert werden, daß sich eine vorgegebene Durchlaßcharakteristik ergibt.

4. Filterschaltung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Kapazitätsverhältnisse (R, R') derart geändert werden, daß sich eine vorgegebene Durchlaßcharakteristik ergibt.

schaltung oder CCD-Schaltung (Charge Coupled Devices) realisiert ist, und bei der der Wellenwiderstand unterschiedlich gewählt ist gegenüber dem der Zuführungs- und Entnahmeleitungen, und weiterhin für die in sich geschlossene Leitungsschleife Ein- und Auskopplungen vorgesehen sind, die jeweils zusammen mit einem Teil dieser Leitungsschleife und mit integrierten Verstärkern vorgegebener Verstärkungsfaktoren in der Topologie eines Kreuz- oder eines jr-Gliedes ausgebildet sind, derart, daß die Leitungsschleife zusammen mit Ein- und Auskopplung eine vierarmige Weichenschaltung mit dem Ersatzschaltbild einer Reaktanz-Abzweigschaltung bildet und bei Kettenschaltung solcher Weichenschaltungen Verbindungsleitungen vorgesehen sind, die zusammen mit einem Teil der an sie angrenzenden Aus- und Einkopplungen eine weitere, eine Zwischenkopplungsschleife darstellende, in sich geschlossene Leitungsschleife bilden, die bei der geforderten Durchlaßmittenfrequenz das Phasenmaß