DE2702680C3 - 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 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 f_n 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

(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.

F^rfindungsgemäß 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.

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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 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 Verstärkungr^riiktoren der in den jeweiligen Zwischenkopplungsschleifen vorgesehenen Verstärker (K_u 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.