DE2702680C3 - Elektrische Filterschaltung bestehend aus CTD-Leitungen - Google Patents
Elektrische Filterschaltung bestehend aus CTD-LeitungenInfo
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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 nnge . :h,iK>
isi, tue in integrierter 1 hilbleitertcchnik als
diirii' ■■;!··Ίΐ i'iiktnenr; \f>r :?( Mciicrtc Himcrkrticn- Signalwep
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
Töpologie 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
Aus der deutschen Patentschrift 24 53 669 sind unter anderem elektrische Filterschaitungen 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 in einzelnen ebenfalls in der deutschen Patentschrift 24 53 669 beschrieben ist. In F i g. 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 öind als Wellengrößen
Zi und Zi dargestellt. Auch hat die Schaltung zwei
Ausgänge 2 und 4, und es sind die dort weglaufenden Signalgrößen als Wellengrößen W2 und W* ebenfalls mit
zugehörigen Pfeilen zu erkennen.
In Fig. 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 Eir- bzw. 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 Töpologie einer Kreuzgliedschaltung aufgebaut. Die Schaltung enthält
die Verstärker Ki", 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 angesch^senen Leitung erzeugen.
Die Umladekapazitäten der einzelnen CTD-Leitungen sind in F i g. 2 ebenfalls eingezeichnet und dort mit Q, C2
und Cy 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 i'cr Vlinltungstopologie ein
7" Ίρπ 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 Λτ-Gliedes ausgebildet ist Solche Schaltungen sind
für sich bereits in der älteren Anmeldung P 26 08 582.5 vorgeschlagen. Es werden als Verstärker sog. Doppelverstärker
verwendet, die in Fig.3 mit K\ und Ki
bezeichnet sind, und die einen gemeinsamen Eingang über die mit Ct bezeichnete Umladekapazität haben,
und deren Ausgänge auf die mit Q bzw. Cb bezeichneten
Umladekapazitäten der sich anschließenden CTD-Leitungen führen. Die Ein- und Ausgänge der π-Schaltung
sind wiederum mit den Bezugsziffem 1 bis 4 bezeichnet,
und auch die Übertragungsrichtungen der unidirektionalen Leitungsabschnitte sind durch die eingetragenen
Pfeile zu erkennen. Bei der gezeicnneten 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 540J beschrieben ist. Im
Unterschied zu F i g. 3 sind in der Schaltung räch F i g. 4
zwei getrennte Verstärker Kj und K4 verwendet, die
jeweils in eine solche Leitung eingeschaltet sind, die am Eingang und Ausgang die gleiche Umladekapazität (also
z. B. Q bzw. C6) 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 Wellenwiderstandssprung 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. Q und C2.
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 F i g. 3 bereits gezeichnete Schaltung verwendet. Die in sich geschlossene
Leitungsschleife wird von den beiden Leitungen mit der Umladekapazität Ci und den beiden Leitungsabschnitten
der Umladekapazität Q gebildet. Die mit Ci
bezeichneten Leitungen haben das Phasenmaß ηκη - b
und die mit C3 bezeichneten Leitungen das Phasenmaß b. Wie F i g. 5 unmittelbar zeigt, sind also die
Leitungsabschnitte mit den Umladekapazituten Cy
zugleich Bestandteil des in sich geschlossenen Leitungsringes 6 und der Ein- bzw. Auskoppelschaltungen. Für
die bezogene Frequenz η = Λ7ο=1 ist die in sich
geschlossene Leitungsschleife 6 in Resonanz; /'ist dabei
die laufende Frequenzvariable und f0 die Mittenfrequenz
des gewünschten Durchlaßbereiches. Die Wirkungsweise der Weichenschallung läuft darauf hinaus, daß bei der
Resonanzfrequenz /Ό 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 fn die
gesamte in den Eingang Γ 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. S gleichzeitig angegebenen Beziehungen zwischen den Umladekapazitälen und den Vers;är
kiingsfrtktorcn eingeigten werden Derartige ".d\i!tur,
gen können in ihrem elektrischen Ersatzschaltbild als verlustfreie Reaktanz-Abzweigschaltungen 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 F i g. 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 F i g. 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 be-
2D zeichnet und zusammen mit Teilen (Q, Q,') der
angrenzenden Ein- und Auskopp' tilgen gebildet. Die
der Kettenschaltung dienenden
Umladekapazitäten Q. Ihr Phasenmaß beträgt
Umladekapazitäten Q. Ihr Phasenmaß beträgt
(2/1 - h 7I1 ,, - b.
Um kenntlich zu machen, daß die in unterschiedlichen resonanzfähigen Abschnitten (wie z. B. in 6 und 6')
verwendeten Leitungen und Verstärksr unterschiedlich
bemessen werden können, sind in der Schaltung nach F i g. 6 die mit der linken Schaltungshälfte korrespondierenden
Umladekapazitäten bzw. Verstärkungsfaktoren der rechten Schaltungshälfte mit ei ner 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 vo-stehend
beschriebenen Schaltungen nahe der Resonanzfrequenz der in sich geschlossenen Zwischenkopplungsschleife 7
c »nn Oszillationsschwingungen auftreten, wenn z. B. die Verstärker K\ und K\ 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 sind.
Frfindungsgemäß wird für die eingangs genannten
Schaltungen diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Verstärkungsfak'oren der in den jeweiligen Zwischenkopplungsschleifen
vorgesehenen Verstärker (Ki, K\) dem Betrage nach kleiner gewählt sind, als nach einer
strengen Dimensionierung als Resktanz-Abzweigsch?!-
tung vorgegebe.i, jedoch nicht kleiner als eins.
Unter Verstärkungsfaktoren sind hier Spannungsverstärkungsfaktoren
zu verstehen. Im Minimplfall kann der Verstärkungsfaktor K\ 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 wj.hlen, als in den Gleichunger
gem. F i g. 5 ιιηΊ F i g. l>
argegeben ist. Durch du
bewußte Verkleinerung der Verstärkungsfaktoren K\ und K\ tritt im DurchlaBbereich 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 F i g. 6 — also die
Verstärker K.2 und /CY — in ihrem Verstärkungsfaktor
geändert werden. Zusätzlich können erforderlichenfalls die Kapazitätsverhältnisse R, Wgeändert werden.
In den F i g. 7 und 8 ist die Wirkung der vorgenannten κ
Maßnahmen im einzelnen dargestellt.
F i g. 7 zeigt dabei in Abhängigkeit von der normierten
Frequenz η = f/fa in der Umgebung der Durchlaßmittcnfrcqucnz
η=\ das Bctricbsdämpfungsverhalten an
Als Beispiel wurde ein dreikreisiges Filter gewählt, d. h. ι also eine Kettenschaltung von drei Schaltungseinheiten
gemäß Fig. 5. F i g. 8 zeigt wiederum den Dämpfungsverlauf für jeweils die obere Hälfte der nicht
gewünschten parasitären DurchlaBbereiche des Filters
bei geradzahligen Vielfachen (2ηηο, mit ηη=1) der ji
gewünschten Durchlaßmittenfrequenz, wobei Δη die Abweichung von 2m(odarstellt.
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 b
angegebenen Beziehungen exakt eingehalten werden. Die vorstehend erwähnten Oszillationsscnwingungen
liegen dabei in der Umgebung der Miniina bei Δη Φθ in
F i g. 8. Die ausgezogenen Kurven zeigen den Dämpfungsverlauf, wenn die vorstehend beschriebene Minderung
der Verstärkungsfaktoren K\, K\' und zugleich die Korrektur der Verstärkungsfaktoren K2 und /C/ bzw.
der Kapazitätsverhältnisse R und R' vorgenommen wird. Die Dämpfungsminima sind deutlich angehoben,
im Beispiel der F i g. 8 etwa 1OdB und mehr, während die Durchlaßdämpfung nach Fig. 7 nur geringfügig
zunimmt (0,02 dB), was für den praktischen Einsatz bedeutungslos ist. Im gewählten Beispiel wurden dabei
die Verstärkungsfaktoren ACi und ACi' um 5% gegenüber
dem Formelwert nach den F i g. 5 und 6 gemindert, die Werte für Ki, Ki', R. 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.
lliei/ii .■! lil.itl /ui
Claims (4)
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 2/jjt (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 Halbleitertechnik
als durch einen Taktgenerator gesteuerte Eimerkettenschaltung 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
integrieneo Verstärkern vorgegebener Verstärkungsfaktoren
in der Töpologie eines Kreuz- oder eines ^-Gliedes ausgebildet sind, derart, daß die
Leitungsschleife zusammen mit Ein- und Auskopplung eine vierarmige Weichenschaltung mit dem
Ersatzschaltbild einer Reaktanz-Abzweigschaltung bildet und bei Kettenschalt .ing 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 Durchip ßmitte^'requenz das Phasenmaß
(2π— Ί)π hat, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verstärkungrriiktoren der in den
jeweiligen Zwischenkopplungsschleifen vorgesehenen Verstärker (Ku Ki) dem Betrage nach kleiner
gewählt sind als nach einer strengen Dimensionierung als Reaktanz-Abzweigschaltung vorgegeben,
jedoch nicht kleiner als eins.
2. Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfaktoren (Ki,
/Ci') 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.
Priority Applications (12)
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