DE2800931A1 - Frequenzumsetzungsfilter - Google Patents

Description

- 4 Patentanwälte 9 8 f) Π 9 3 1

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Unser Zeichen; T 5025 2.Januar 1978

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway
Dallas, Texas, V.St.A.

Frequenzumsetzungsfilter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verarbeitung analoger Signale und insbesondere auf elektronische Filter-und Mischvorrichtungen. Filtervorrichtungen empfangen elektrische Eingangssignale, die mehrere Frequenzen einschließlich eines gewünschten Kanals oder Frequenzspektrums Δ f enthalten, und sie lassen nur Signale in dem Frequenzspektrum Af durch. Mischvorrichtungen empfangen ein Frequenzspektrum Äff und sie erzeugen Signale mit einem dem Frequenzspektrum Af proprotionalen Frequenzspektrum um neue Mittenfrequenzen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Frequenzumeetzungsfliter_f

das sowohl die Funktion der Filterung als auch die Funktion der Mischung ausführt. Das bedeutet, daß es Eingangssignale empfängt, die mehrere Frequenzen einschließlich eines gewünschten Frequenzspektrums Af enthalten. Das Ausgangssignal des Frequenzumiw/Ba

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setzungsfilters ist ein elektrisches Signal,das ein dem Frequenzspektrum Af proportionales Frequenzspektrum hat und um eine neue Mittenfrequenz liegt. Das Anwendungsgebiet des Frequenzumsetzungerfilters ist sehr umfangreich. Typische Anwendungsgebiete sind die Verarbeitung von Signalen in Hörfunkempfängern, in Fernsehempfängern und in CB-Sende/Empfangs-Geräten.

Bisher wurden Filter- und Mischvorgänge in elektronischen Schaltungen durchgeführt, die verschiedene unerwünschte Merkmale aufweisen. Dies ist zum Teil auf den schmalen Abstand zwischen benachbarten Kanälen in dem Frequenzspektrum zurückzuführen. Auf Grund dieses Abstandes muß das Filter einen steilen Übergang von seinem Durchlaßbereich zu seinem Sperrbereich aufweisen. Die Breite dieses Übergangs wird allgemein als Flankenbreite des Filters bezeichnet. Zur Erzielung einer schmalen Flankenbreite waren entweder mehrpolige mechanische Filter, diskrete Spulen- und Kondensatorbauelemente oder mehrpolige Quarzfilter erforderlich. Solche Filter sind teuer, und sie sind zu groß für eine Integration auf einem Halbleiter-Chip.

Im Gegensatz dazu wird bei der Erfindung von einem Ladungsübertragungsbauelement zur Erzielung der schmalen Flankenbreite Gebrauch gemacht. Wie dies erreicht wird, wird noch genauer erläutert. Das Ladungsübertragungsbauelement kann ein Ladungskopplungsbauelement (CCD) oder einEimerkettenbauelement (BBD) sein. Das Ladungsübertragungsbauelement ist billig, und es kann auf einem einzigen Halbleiter-Chip integriert werden.

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Die Mischung oder die Frequenzumsetzung wurde "bisher in einer Oszillatorschaltung und einer Mischerschaltung durchgeführt, die von der Filterschaltung getrennt waren. Im Vergleich dazu wird mit Hilfe der Erfindung die Frequenzumsetzung durch eine Abtastschaltung erzielt, die ein Bestandteil der Transversalfilterschaltung ist. Durch Abnahme periodischer Abtastwerte der Eingangssignale werden nach der Erfindung neue Signale erzeugt, die den Eingangssignalen proportionale Frequenzspektren aufweisen, jedoch um Vielfache der Abtastfrequenz im Abstand davon liegen. Diese neuen Signale werden dann sowohl durch das Transversalfilter als auch durch das kontinuierliche Filter übertragen. Das zuerst genannte Filter läßt den gewünschten Kanal bei Vielfachen der Abtastfrequenz durch, und das zuletzt genannte Filter läßt nur einen ausgewählten Kanal durch.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Flanke des kontinuierlichen Filters nicht sehr steil sein muß. Dies ist deshalb der Fall, weil die Abtastfrequenz hoch ist, so daß der Abstand zwischen Vielfachen der Abtastfrequenz groß ist. Das kontinuierliche Filter benötigt daher keine mehrpoligen mechanischen Elemente oder Quarzelemente, und es kann zusammen mit dem von dem Ladungsübertragungselement gebildeten Filter auf einem Halbleiter-Chip integriert werden. Außerdem sind eine getrennte Oszillatorschaltung und eine Mischerschaltung nicht erforderlich. Das erfindungsgemäße Frequenzumsetzungsfilter ist daher kostengünstiger, und es nimmt weniger Platz in Anspruch als Anordnungen, die bisher zum Filtern und zum Mischen benutzt wurden.

Mit Hilfe der Erfindung soll demgemäß eine Vorrichtung zum Filtern und Mischen elektronischer Signale geschaffen

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werden. Ferner soll ein Frequenzumsetzungsfilter mit einem steilen Übergang vom Sperrbereich zum Durchlaßbereich geschaffen werden. Das mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Filter benötigt keine Oszillatorschaltung und keine Mischerschaltung. Außerdem soll dieses Frequenzumsetzungsfilter auf einem einzigen Halbleiter-Chip integriert' werden können.

Nach der Erfindung wird dies mit Hilfe eines Ladungs-Ubertragungsbauelemenisund eines ohne Abtastung arbeitenden kontinuierlichen Filters erzielt. Das Ladungsübertragungsbauelement ist als Transversalfilter ausgebildet. Dieses Filter weist DurchlaßfrequenzbMnderδf bei Mittenfrequenzen von nf_+ f_ auf. Der Ausgang des Ladungs-Übertragungsbauelements ist mit dem Eingang des kontinuierlichen Filters gekoppelt. Das kontinuierliche Filter weist einen einzigen Durchlaßbereich auf. Der einzige Durchlaßbereich hat eine Breite von weniger als f -f - Af/2.

S O

Die Mitte dieses einzigen Durchlaßbereichs liegt so, daß nur ein ausgewählter Durchlaßbereich des Transversalfilters enthalten ist_o

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung teispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 ein Blockschaltbild des Frequenzumsetzungsfilters,

Fig.2a bis 2g Frequenzspektren von Signalen, die an ausgewählten Punkten in dem Frequenzumsetzungsfilter von Fig.1 erscheinen,

Fig.3 ein Blockschaltbild eines als Transversalfilter ausgebildeten LadungsUbertragungsbauelements,

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Fig.4a bis Ad stark vergrößerte Schnittansichten von zwei benachbarten Stufen in dem Transversalfilter von Fig.3»

Fig.4e ein Zeitd^gramm zur Veranschaulichung einer Taktfolge zum Bewegen von Ladungen im Transversalfilter von Fig.3,

Fig.5 eine schematische Darstellung von zwei benachbarten Stufen eines Ladungsübertragungsbauelements mit geteilten Elektroden,

Fig.6a bis 6g Zeitdiagramme von Impuls-Antwortsignalen, die so kombiniert sind, daß die Position der Schlitze der geteilten Elektroden von Fig.5 festgelegt wird,

Fig.7a bis 7g Frequenzspektren der Impuls-Antwortsignale nach den Figuren 6a bis 6g,

Fig.8a einen stark vergrößerten Schnitt einer Ladungsinjektions-Abtastvorrichtung, die einen Teil des Transversalfilters von Fig.1 bildet,

Fig.8b bis 8d Diagramme des Oberflächenpotentials an verschiedenen Zeitpunkten für die Abtastvorrichtung von Fig.8a,

Fig.9 ein genaues Schaltbild einer speziellen Ausführungsform des Frequenzumsetzungfilters von Fig.1, und

Fig.10 ein genaues Schaltbild einer weiteren Ausführungeform des Frequenzumsetzungsfilters von Fig.1.

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InFig.1 ist ein Blockschaltbild eines Frequenzumsetzungsfliters 10 dargestellt. Das Filter 10 weist Eingangsleitungen für den Empfang von EingangsSignalen i(t) und Ausgangsleitungen 17 zur Abgabe von Ausgangssignalen o(t) auf. Das Signal i(t) enthält mehrere FrequenEbänder. Das Filter läßt nur eines dieser Frequenzbänder durch, und es setzt zusätzlich das ausgewählte Frequenzband in ein anderes Frequenzband um.

Das FrequenzumsBtzungsfilter 10 besteht aus zwei Hauptteilen, nämlich einem von einem LadungsUbertragungsbauelement gebildeten Transversalfilter 11 und einem kontinuierlichen (nicht abtastenden)Filter 12„ Das Transversalfilter 11 ist in zwei weitere Bestandteile unterteilt. Dies sind eine Ladungsinjektion-Abtastvorrichtung 13 und ein Übertragungsfunktionsgenerator 14 für abgetastete Daten. Die Eingangs-

leitungen 15 sind mit dem Eingang der Abtastvorrichtung gekoppelt. Der Ausgang der Abtastvorrichtung 13 ist über Leitungen 18 mit dem Eingang des Übertragungsfunktionsgenerators 14 gekoppelt. Der Ausgang des Übertragungsfunktionsgenerators 14 ist über Leitungen 19 mit dem Eingang des kontinuierlichen Filters12 gekoppelt. Die Ausgangsleitungen 17 übertragen das Ausgangssignal des Filters12. Außerdem weist das Transversalfilter 11 Taktleitungen 16 auf, an die Taktsignale mit der Frequenz f_ angelegt werden. Als Reaktion auf diese Taktsignale tastet die Abtastvorrichtung 13 die Eingangssignale i(t) mit der Frequenz f_g ab, und der ÜbertragungsfunKionsgenerator 14 erzeugt Ausgangssignale mit der gleichen Frequenz.

Die Wirkungsweise des Frequensumsetzungsfliters10 läßt sich am besten im Zusammenhang mit den Figuren 2a bis 2g verstehen.

" ¹⁰" ■ 2BÜÜ931

In Fig.2a ist das Frequenzspektrum l(f) des Signals i(t) dargestellt. Das FrequenzSpektrum I(f) enthält mehrere Frequenzbänder 20. Jedes dieser Frequenzbänder hat die Breite Af₁ und der Abstand zwischen benachbarten Frequenzbändern beträgt Afp. Die Mittenfrequenz eines ausgewählten Frequenzbandes 21 liegt bei der Frequenz nf_ + f_.

In den Figuren 2b und 2c ist dargestellt, wie das Signal I(f) beispielsweise in einem Rundfunkempfänger erzeugt werden kann. Das Eingangssignal I'(f) eines Rundfunkempfängers besteht aus mehreren Frequenzbändern. Nur eines dieser Frequenzbänder soll nach Wunsch an einem bestimmten Zeitpunkt empfangen werden. Das Signal I'(f) hat demgemäß den in Fig.2b dargestellten Verlauf. Das Signal I'(f) wird dann durch ein Breitbandfilter übertragen und zur Erzeugung eines Signals I"(f) nach Fig.2c verstärkt. Das Signal I^H (f) wird dann mit einer Frequenz f__ gemischt, wodurch Summen- und Differenzfrequenzbänder erzeugt werden. Die Frequenz F_x ist so gewählt, daß das gemischte Frequenzband 21 eine Mittenfrequenz nf_ + f_ hat, wie oben beschrieben wurde.

Das Signal I(f) wird von der Abtastvorrichtung 13 an den Leitungen 15 empfangen. Die Abtastvorrichtung 13 tastet das Signal l(f) mit der Frequenz f_g ab. Das abgetastete Signal S₁Cn) erscheint an der Leitung 18; es hat das in Fig.2d dargestellte Frequenzspektrum S₁ ff).Auf Grund der Abtastwirkung der Abtastvorrichtung 13 besteht das Frequenzspektrum S₁Cf) aus mehreren Spektren, die jeweils dem Spektrum I(f) proportional sind und bei den Mittenfrequenzen nf_ liegen.

Das abgetastete Signal S₁(n) wird dann vom Ubertragungsfunktionsgenerator 14 empfangen. Der Ubertragungsfunktionsgenerator 14 hat einen Frequenzgang H(f), der aus Durchlaßbändern mit der Breite Af mit den Mitteilfrequenzen nf_ + f_n bestehen. Diese

S-" O

Durchlaßbänder sind in Fig.2e angegeben. Die Breite Af jedes Durchlaßbandes ist größer als δ f-j» jexioch kleiner als Δ f ₁ + Af₂.

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Das bedeutet, daß jedes Durchlaßband des Übertragungsfunktionsgenerators 14 breiter als das gewählte Frequenzband 21, jedoch schmaler als dieses Frequenzband zuzüglich dem Abstand zwischen den Frequenzbändern ist. In Fig.2f ist das Frequenzspektrum S₂(f) des Ausgangssignals s₂(n) des Übertragungsfunktionsgenerators 14 dargestellt. Das Signal s₂(n) erscheint an der Leitung

Das Signal an der Leitung 19 wird vom kontinuierlichen Filter 12 empfangen.Das Filter 12 weist ein einziges Durchlaßband auf. Dieses einzige Durchlaßband hat eine Breite von weniger als f - f - ( Af/2) und es ist so gelegt, daß es nur ein ausgewähltes Durchlaßband des Transversalfilters 11 enthält. Beispielsweise kann das Filter 12 ein Tiefpaßfilter sein, wobei in diesem Fall das Frequenzspektrum 0(f) des an den Ausgangsleitungen 17 erscheinenden Signals bei der Mittenfrequenz f_Q liegt. Dies ist in Fig.2g dargestellt.

Bis hierher bezog sich die Beschreibung auf die Wirkungsweise des Frequenzumsetzungsfilters10. Es ist nun zu erläutern, wie ein von einem Ladungsübertragungsbauelement gebildetes Transversalfilter mit Frequenzdurchlaßbändern nach Fig.2e mechanisch-geometrisch aufgebaut wird und wie ein kontinuierliches Filter 12 mit einem einzigen Durchlaßfrequenzband, das nur ein ausgewähltes Durchlaßband des Transversalfliters 11 enthält, mechanisch-geometrisch aufgebaut wird. '

In Fig.3 ist ein schematisches Schaltbild des Übertragungsfunktionsgenerators 14 dargestellt.Der Übertragungsfunktionsgenerator 14 besteht grundsätzlich aus einer seriellen Anordnung aus mehreren Analog-Spannungs-Verzögerungsstufen 30« Die erste Stufe empfängt das Signal S₁Cn) an der Leitung

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.12-

Jede Stufe speist in serieller Weise die nächste Stufe, und jede Stufe weist auch eine bewertete Ausgangsleitung 31 auf. Die Bewertungsfaktoren sind nacheinander mit h_Q, h , Il, .,.. "bezeichnet. Die Leitungen 31 sind mit einem Summierglied 32 verbunden. An der Leitung 19 erscheint das Ausgangssignal s₂ (n) des Summiergliedes 32.

Die Impulsantwort h(n) des Übertragungsfunktionsgenerators 14 läßt sich in einfacher Weise dadurch ableiten, daß an die Leitung 18 ein Impuls angelegt wird und daß das resultierende Signal an der Leitung 19 berechnet wird. Wenn gilt: S₁(O) = 1 und S₁Cn) = 0 bei η Φ 0 , dann ist offensichtlich h(n) gleich h_Q, 1I₁, h₂ ..... für η = 0, 1, 2 ....N-1

Durch eine entsprechende Auswahl der Werte h₀, h₁, h₂ ·... wird die oben genannte gewünschte Frequenzübertragungsfunktion H(f) erhalten. Bevor die speziellen Werte für h_Q, Ilj, h₂ .... beschrieben werden, die die Übertragungsfunktion H(f) ergeben, wird zunächst erläutert, wie die Analogverzögerungsstufen 30 und die bewerteten Ausgangsleitungen 31 aufgebaut werden.

Zu diesem Zweck zeigen die Figuren 4A bis 4D Schnitte eines Ladungsübertragungsbauelements, das als ein mit drei Taktphasen arbeitendes N-Kanal-Ladungskopplungsbauelement bekannt ist. Fig.4A zeigt in einem Schnitt zwei benachbarte Analogverzögerungsstufen innerhalb dieses Ladungskopplungsbauelements. Die Stufen 30 benutzen ein gemeinsames Halbleitersubstrat 40 mit einer gemeinsamen Isolierschicht 41. Jede Stufe weist eine Gruppe aus drei Elektroden 42, 43 und 44 auf der Isolierschicht 41 auf. Drei gemeinsame Taktleitungen 16a, 16b und 16c verbinden die drei Elektroden jeder Stufe.

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In jeder Stufe wird ein Signal von Minoritätsladungsträgerpaτ keten 45 innerhalb des Substrats 40 mitgeführt. Diese Ladungspakete 45 sind in jeder Stufe in Potentialsenken 46 festgehalten. Diese Potentialsenken 46 werden in ausgewählter Weise unter den Elektroden 42, 43 oder 44 dadurch gebildet, daß an die Leitungen 16a, 16b bzw. 16c eine Spannung mit der richtigen Polarität angelegt wird. Die richtige Polarität ist eine solche Polarität, die die Majoritätsladungsträger im Substrat 40 abstößt. Wenn das Substrat 40 beispielsweise aus p-leitendem Silizium besteht,dann sind die Majoritätsladungsträger Löcher, so daß eine Potentialsenke dadurch gebildet wird, daß an die Leitungen 16a, 16b und 16c eine positive Spannung angelegt wird.

Die Ladungspakete 45 werden dadurch von Stufe zu Stufe weiterbewegt, daß die Spannungen an den Leitungen 16a, 16b und 16c in der richtigen Weise weitergeschaltet werden. Fig.4E zeigt eine brauchbare Taktfolge. Im Zeitpunkt t₁ hat das Taktsignal C1 an der Leitung 16a einen hohen Spannungswert, während das Taktsignal C2 an der Leitung 16b sowie das Taktsignal C3 an der Leitung 16c nahezu den Massewert haben. Daher wird unter den Elektroden 16a jeder Stufe eine Potentialsenke gebildet, wie in Fig.4A dargestellt ist. Im Zeitpunkt t₂ haben die beiden Taktsignale C1 und C2 einen hohen Spannungswert, während das Taktsignal C3 auf Masse bleibt. Somit entsteht unter den Elektroden 42 und 43 eine Potentialsenke, Die Ladungspakete 45 werden dann unter diese Elektroden verteilt, wie in Fig,4B dargestellt ist. Im Zeitpunkt t-* hat das Taktsignal C2 einen hohen Spannungswert, während die Taktsignale C1 und C3 den Massewert haben* Daher entsteht nur unter den

S C 9 S 2

C 9

Elektroden 43 eine Potentialsenke; Ladungspakete 45 sind nur unter den Elektroden 43 vorhanden. Wie in Fig.4C dargestellt ist, können die Taktsignale weiterhin so fortschalten, wie an den Zeitpunkten t₁bis t« angegeben ist. Diese Taktimpulsfolge bewegt die Ladungspakete unter der Elektrode einer Stufe unter die Elektrode 42 der angrenzenden Stufe. Die Zeitpunktet^ bis ty liegen innerhalb der Zeitperiode T₃; die gesamte Verzögerungszeit aller Stufen beträgt Tj=NT

In Fig.5 sinl eine Ausführungsform bewerteter Ausgangsleitungen 31 und das Summierglied 32 dargestellt. Diese Ausführungsform wird als Ladungskopplungsvorrichtung mit geteilten Elektroden bezeichnet. In diesem Bauelement ist eine Elektrode in jeder Stufe 30 in zwei Teilelektroden geteilt.Fig.5 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein Ladungskopplungsbauelement, bei dem die Elektrode 42 in Teilelektroden 42a und 42b aufgeteilt ist.

Dieses Ladungskopplungsbauelement mit geteilten Elektroden arbeitet im Prinzip in der Weise, daß bei der Übertragung von Ladungspaketen 45 innerhalb des Substrats 40 unter einer Elektrode eine proportionale, jedoch entgegengesetzte Ladung aus der Taktleitung in die Elektrode fließen muß. Da die Ladungspakete 45 nahezu gleichmässig unter den Elektroden 42 verteilt sind, ist die Ladungsmenge, die in jede Teilelektrode 42a und 42b fließt, der Elektrodenfläche proportional.

Positive und negative Bewertungen werden dadurch erhalten, daß zugelassen wird, daß die Ladung in der Teilelektrode 42a einen positiven Wert repräsentiert und daß die Ladung in der Teilelektrode 42b einen negativen Wert repräsentiert, worauf dann die zwei Werte im Subtrahierglied 32 voneinander abgezogen werden. Damit beispielsweise ein bewertetes Ausgangs-

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signal l·^ an der m-ten Stufe mit dem Wert fc^ = +1 erhalten wird, sollte der Teilungsschlitz in der m-ten Stufe so auftreten, daß die gesamte Ladung in die Teilelektrode 42a fließt.Damit der Wert I^ = -1 erhalten wird, sollte der Teilungsschlitz in der m-ten Stufe so angebracht sein, daß die gesamte Ladung in die Teilelektrode 42b fließt. Zur Erzielung des Werts hu = 0 sollte der Teilungsschlitz in der m-ten Stufe so angebracht sein, daß gleiche Ladungsmengen in die Teilelektroden 42a und 42b fließen. Werte von h^ zwischen +1 und -1 sind nur durch die Genauigkeit der Anbringung der Teilungsschlitze begrenzt.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 6a bis 6g und die Figuren 7a bis 7g werden nun die speziellen Werte von h_Q, h-j, h₂ ... .beschrieben, die die gewünschte Übertragungsfunktion H(f) ergeben^ . . Zunächst sei daran erinnert, daß der Frequenzgang eines Bauelements gleich der Fourier-Transformierten der Impulsantwort des Bauelements ist. Ein Bauelement mit der Impulsantwort 61 in der Form von cos (2irf_Qt) nach Fig.6a hat daher einen Frequenzgang 71 von +f_Q und -f_Q nach Fig.7a. In der gleichen Weise hat ein Bauelement mit der Impulsantwort 62 der Form (sin χ )/x nach Fig.6b einen Frequenzgang 72 eines idealen Tiefpaßfilters nach Fig.7b. Das bedeutet, daß der Frequenzgang 72 die Form eines einzigen Impulses mit der Dauer Δf bei einer Mittenfrequenz mit dem Wert 0 hat_e Der Ausdruck 1/Δ f gibt den Zeitpunkt an , an dem der erste Nulldurchgang der Impulsantwort der Form (sin χ )/χ auftritt.

Ferner sei daran erinnert, daß eine Multiplikation im Zeitbereich der Faltung im Frequenzbereich entspricht. Fig.6c zeigt eine Impulsantwort 63, die gleich dem Produkt

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aus den Impulsantworten 61 und62 ist. Der Frequenzgang des Bauelements mit der Impulsantwort 63 wird dadurch erhalten, daß der Frequenzgang 71 mit dem Frequenzgang 72 gefaltet wird. Das Ergebnis dieses Faltungsschritts ist der Frequenzgang 72, der in Fig.7c dargestellt ißt. Wie dieser Darstellung zu entnehmen ist, besteht dieser Frequenzgang aus zwei Durchlaßbändern mit der Breite δ f, die bei den Mittenfrequenzen +f_ound -f_Q liegen.

Nun wird die Impulsantwort 63 mit einer weiteren Impuls antwort 64 multipliziert. Fig.6d zeigt die Impulsantwort 64, die gemäß der Darstellung aus einem einzigen Impuls besteht, der vom Zeitpunkt -T^/übis zum Zeitpunkt +T^/2 dauert. Die Multiplikation der Impulsantwort 63 mit der Impulsantwort 64 ergibt eine neue Impulsantwort 65, die in Fig.6e dargestellt ist. Wie der Darstellung zu entnehmen ist, ist die Impulsantwort 65 eine abgeschnittene Form der Impulsantwort 63.

Der Frequenzgang eines Bauelements mit der abgeschnittenen Impulsantwort 65 wird dadurch erhalten, daß der Frequenzgang 73 mit dem Frequenzgang 74 gefaltet wird, der die Fourier-Transformierte der Impulsantwort 64 ist. Das Ergebnis dieses Faltungsschritts 1st ein Frequenzgang 75, der in Fig.7e dargestellt ist. Der Frequenzgang 75 weist zwei Durchlaßbänder mit der Breite Δ f auf, die bei den Mitten-

freqüenzen +f_Q und -f_Q liegen. Außerdem erfolgt der Übergang vom Durchlaßbereich in den Sperrbereich nicht momentan, sondern er weist eine gewisse Breite auf. Die Breite dieses Übergangs wird üblicherweise als Flankenbreite bezeichnet; ihr Wert beträgt etwa 1/^ T^. Die Größe der Flankenbreite nimmt mit einer Zunahme der Dauer der Impulsantwort 64 ab.

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Die Impulsantwort 65 wird dann mit einer weiteren Impulsantwort 66 multipliziert. Fig.6f zeigt die Impulsantwort 66, die die Impulsantwort einer idealen Abtasteinheit ist. Das bedeutet, daß sie aus einer Reihe von Einheitsimpulsen besteht, die um eine Verzögerungszeit T_s im Abstand voneinander liegen. Ein der Impulsantwort 66 entsprechender Frequenzgang 76 ist in Fig.7f dargestellt. Er besteht aus einer Gruppe von Frequenzen O, + (1/T_S), + (2/T₃) ..... .

In diesem Fall ist 1/t_s gleich der Abtastfrequenz I₃. Eine Faltung des Frequenzgangs 76 mit dem Frequenzgang 75 ergibt den Frequenzgang 77 nach Fig.7g. Der Frequenzgang besteht aus einerReihe von Durchlaßbändern mit jeweils der Breite Δ f. Diese Durchlaßbänder liegen bei den Mittenfrequenzen nf_ + f_. Jedes Durchlaßband weist eine Flankenbreite 5 —* ο

von etwa 1/fr T_d)auf. Dieser Frequenzgang ist also angenähert gleich dem gewünschten Frequenzgang H(f), der zuvor im Zusammenhang mit Fig.2e beschrieben wurde.

Eine Impulsantwort, die den Frequenzgang 77 ergibt, wird dadurch erhalten, daß die Impulsantwort 65 mit der Impulsantwort 66 multipliziert wird. Dies ergibt eine Impulsantwort 67» wie sie in Fig.6g dargestellt ist. Die Impulsantwort 67 hat allgemein die_t Form (sin x/x) (cos 2tr f_Qt) multipliziert mit einer Begrenzungsfunktion und einer Abtastfunktion. Diese Impulsantwort wird zur Erzielung des gewünschten Frequenzgangs H(f) im Ubertragungsfunktionsgenerator 14 verwirklicht.

Diese Analyse gibt also an, wie die Teilungsschlitze in den Elektroden 42a und 42b angeordnet werden sollen. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Teilungsschlitze gemäß dem Profil (sin x/x) (cos 2nf_Qt) verlaufen. Die Frequenz f_Q hat den

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Wert 1/(T_S N₀) , wobei 1/Ts die feste Abtastfrequenz ist, während Ng die Anzahl der Stufen 30 ist, in denen der Ausdruck cos 2it f_Qt einen Zyklus vollendet. Die Bandbreite jedes Durchlaßbandes hat den Wert 1/(T₃N₁), wobei gleich der festen Abtastfrequenz ist, während N^ gleich der Anzahl der Stufen ist, die die Funktion sin x/x vor dem Erreichen des ersten Nulldurchgangs durchläuft. Die Größen Nq und N-j sind in Fig.6g angegeben. Die Flankenbreite hat etwa den Wert 1/(4T^), wobei T_d gleich der Gesamtzahl der Stufen des Transversalfilters multipliziert mit dem Abtastintervall T_ ist.

unter Bezugnahme auf die Figuren 8a bis 8d werden nun der Aufbau und die Wirkungsweise der Ladungsinjektions-Abtastvorrichtung 13 erläutert. Fig.8a zeigt in einer stark vergrößerten Schnittansicht eine Ausführungsform der Abtastvorrichtung. Diese Ausführungsform ist in einem Abschnitt 40a des Substrats 40 gebildet, der an die erste Stufe des Übertragungsfunktionsgenerators 14 angrenzt. In diesem Abschnitt des Substrats" liegt eine Ladungsquelle 51. Die Ladungsquelle 51 besteht aus einer Ionendiffusions-oder Ionenimplantationszone· Die die Ladungsquelle 51 bildenden Ionen weisen Majoritätsladungsträger mit einem zu· den Ladungsträgern im Substrat 40 entgegengesetzten Leitungstyp auf. Die Eingangsleitung 15 ist an die Ladungsquelle 51 angeschlossen. Sin Abschnitt 41 a der Isolierschicht 41 liegt auf der Oberfläche des Substrats 40 über der von der Abtastvorrichtung 13 besetzten Zone. Auf der Isolierschicht 41a ist eine Elektrode 53 angebracht. Die Elektrode 53 liegt neben der Elektrode 42 der ersten Stufe 30 des Übertragungsfunktionsgenerators 14; sie liegt im Abstand von der Zone 51. Die Leitung 16c zur Übertragung

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der Taktsignale C3 ist mit der Elektrode 53 verbunden. Außerdem befindet sich auf dem Isolierschichtabschnitt eine Elektrode 52 in dem Abstand zwischen der Elektrode 53 und der Ladungsquelle 51. Die Leitung 16b zum Anlegen der Taktsignale C2 ist an die Elektrode 52. angeschlossen.

In den Figuren 8b bis 8d ist die Abtastwirkung der Abtastvorrichtung 13 beispielsweise für den Fall eines p-leitenden Substrats 40 dargestellt. Wenn das Taktsignal C2 einen niedrigen Wert hat und das Taktsignal C3 einen hohen Wert hat, dann ist im Oberflächenbereich des Substrats 40 zwischen der Ladungsquelle 51 und der Elektrode 53 eine Potentialsperre vorhanden. Das Eingangssignal i(t) an der Leitung 15 kann sich daher zwischen den Werten V_L und V_H ändern, ohne daß Minoritätsladungsträger in die unter der Elektrode 53 liegende Potentialsenke 54 injiziert werden. Dies ist in Fig.8b dargestellt. Wenn andrerseits beide TaktsignalC2 und C3 einen hohen Spannungswert haben, dann werden Minoritätsladungsträger aus der Ladungsquelle 51 in die Potentialsenke 54 unter der Elektrode 53 injiziert. Dadurch entsteht unter den Elektroden 52 und 53 ein Ladungspaket 55. Diese Ladungs-Injektion ist in Fig.8c veranschaulicht.Im Anschluß daran nimmt das Taktsignal C2 einen niedrigen Spannungswert an, während das Taktsignal C3 auf einem hohen Spannungswert bleibt. Es wird zwischen der Ladungsquelle 51 und dem Oberflächenbereich unter der Elektrode 53 erneut eine Potentialsperre erzeugt. Diese Potentialsperre hält das"Ladungspaket 55 unter der Elektrode 53 fest. Die Ladungsmenge im Ladungspaket 55 ist der Größe des Eingangssignals i(t) an der Leitung 15 im Zeitpunkt des Übergangs des Taktsignals C2 vom hohen Spannungswert zum niedrigen Spannungswert proportional. In anderen Worten heißt das, daß das Eingangssignal i(t) im Zeitpunkt einer Taktflanke abgetastet wird. Die Abtastwirkung der Vorrichtung 13 ist daher der Wirkung einer idealen Abtast-

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einheit angenähert} die durch diese Abtastwirkung erzeugten Ladungspakete 55 repräsentieren das Signal S₁ (n), dessen Frequenzspektrum zuvor im Zusammenhang mit Fig.2d als Spektrumm S₂ (f) beschrieben wurde.

In Fig.9 ist ein genaues Schaltbild einer speziellen AusfUhrungsform des gesamten Frequenzumsetzungsfilters 10 dargestellt. Das Frequenzumsetzungsfilter 10 besteht aus einem von einem LadungsUbertragungsbauelement gebildeten Transversalfilter 11 mit einer Ausgangsleitung 19, die an den Eingang eines ohne Abtastung arbeitenden Bandfilters 12 angeschlossen ist. Das Transversalfilter 11 ist ein Filter mit geteilten Elektroden; wie Fig.9 zeigt, hat das Profil der Teilungsschlitze das zuvor beschriebene Profil. Das Bandfilter 12 besteht aus einem Serienresonanzkreis 81 mit einem an die Leitung 19 angeschlossenen Eingang und einem Parallelresonanzkreis 82 mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des Serienresonanzkreises 81 verbunden ist. Der Serienresonanzkreis 81 besteht aus einer Spule 83, die mit einem Kondensator 84 in Serie geschaltet ist. Der Parallelresonanzkreis 82 besteht aus einer Spule 85, die parallel zu einem Kondensator 86 liegt. Die Werte der Spulen 83 und 85 und der Kondensatoren 84 und 86 sind so gewählt, daß ein einziges Durchlaßband entsteht, das mit einem der mehreren Durchlaßbänder des Transversalfilters 11 zusammenfällt. Das Verfahren zur Auswahl spezieller Werte für die Schaltungsbauelemente 83 bis 86 ist herkömmlich. Beispielsweise ist in dem Buch von W.H. Chinn mit dem Titel "Linear Network Design and Synthesis",1964 , ein Verfahren zum Aufbau eines Filters auf Seite 330 angegeben. Die für die Schaltungsbauelemente 83 bis 86 tatsächlich ausgewählten Werte hängen von der Breite und dem Abstand der Durchlaßbänder des Filters 11 ab, von denen eines vom Filter 12 durchgelassen werden soll.

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Das Filter 12 kann auch in einer anderen Form als der in Fig.9 dargestellten Ausführung aufgebaut werden. Abhängig von der erforderlichen Durchlaßbandbreite kann beispielsweise der Serienresonanzkreis 81 oder der Parallelresonanzkreis 82 weggelassen werden.Zur Bildung mehrfacher T-oder π -Glieder können umgekehrt auch zusätzliche Resonanzkreis 81 und 82 hinzugefügt werden. Der Aufbau dieser T-und π -Glieder ist ebenfalls in dem oben angegebenen Buch beschrieben.

In Fig.10 ist ein genaues Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des Frequenzumsetzungsfilters dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist das Filter 12 ein aktives Filter. Es enthält einen hochverstärkenden Gleichspannungs-Rechenverstärker 91· Das Signal S2(n) an der Leitung wird dem Eingang des Rechenverstärkers 91 über zwei in Serie geschaltete Widerstände 92 und 93 zugeführt. Das Ausgangssignal des Rechenverstärkers 91 ist an die Ausgangsleitung 17 angelegt, und es wird über einen Kondensator 94 zu einem Schaltungspunkt zurückgekoppelt, der zwischen den Widerständen 92 und 93 liegt.

ELn zweiter Kondensator 95 koppelt das Eingangssignal des R«chenverstärkers 91 mit Masse. Diese Beschaltung des Rechenverstärkers 91 mit den Schaltungselementen 92 bis 95 bildet ein aktives Tiefpaßfilter. Die tatsächlichen Werte der Schaltungsbauelemente 92 bis 95 können verschieden sein; sie sind auf Grund herkömmlicher Gesichtspunkte ausgewählt. Eine Möglichkeit hierzu ist beispielsweise auf Seite 2-93 des Katalogs der Firma Signetics über integrierte Schaltungen von 1976 angegeben.

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Der Rechenverstärker 91 kann im Filter 12 auch zur Erzielung einer Bandfilterkennlinie benutzt werden. Bei dieser Ausführung werden zwei Rechenverstärker benutzt. Einer der Rechenverstärker ist dabei mit Widerständen und Kondensatoren zur Bildung eines Tiefpaßfilters nach Fig.9 beschaltet.Der andere Rechenverstärker ist mit Widerständen und Kondensatoren zur Bildung eines aktiven Hochpaßfilters beschaltet. Der Eingang des aktiven Hochpaßfilters ist mit dem Ausgang des aktiven Tiefpaßfilters verbunden, so daß ein aktives Bandfilter entsteht. Das aktive Hochpaßfilter wird dadurch geschaffen, daß die Widerstände 92 und 93 durch Kondensatoren ersetzt werden, und daß die Kondensatoren 9^ und 95 durch Widerstände ersetzt werden. Dieser Aufbau ist ebenfalls in dem zuvor erwähnten Katalog auf Seite 2-93 beschrieben.

Es sind nun verschiedene Ausführungsformen des Frequenzumsetzungsfilters beschrieben worden. Aus dieser Beschreibung ist erkennbar, daß im Rahmen der Erfindung ohne weiteres Abwandlungen möglich sind. Beispielsweise kann das von einem Ladungsübertragungsbauelement gebildete Transversalfilter auf einem p-leitenden Substrat oder auf einem η-leitenden Substrat aufgebaut werden. Außerdem können Transversalfilter mit irgendeiner Anzahl von Taktphasen pro Stufe benutzt werden. Auch andere Arten von Ladungsinjektions-Abtastvorrichtungen können angewendet werden. Das ohne Abtastung arbeitende Filter und das Transversalfilter können auf dem gleichen Halbleiter-Chip oder auch auf verschiedenen Halbleiter-Chips integriert werden.

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Claims (13)

1. Patentanwälte " 2 8 U Ü 9 3 1

   Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

   E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

   Ernsbergerstrasse 19

   8 München 60

   Unser Zeichen: T 5025 2.Januar 1978

   TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
   13500 North Central Expressway-Dallas, Texas, V.St.A.

   Patentansprüche

   Frequenzumsetzungsfilter, gekennzeichnet durch ein von einem LadungsÜbertragungsbauelement gebildetes Transversalfilter, mit Durchlaßfrequenzbändern mit der Breite Δ f bei Mittenfrequenzen nf_s+ f_Q und ein mit einer Eingangsleitung an einer Ausgangsleitung des Transversalfilter angeschlossenes kontinuierliches Filter mit einem einzigen Durchlaßband mit einer Breite von weniger als f -f -Af/2 mit einer solchen Mittenfrequenz, daß nur eines der Durchlaßbänder des Transversalfilters enthalten ist.
2. 2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Transversalfilter ein von einem ladungsgekoppelten Bauelement gebildetes Transversalfilter ist.
3. 3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das von einem ladungsgekoppelten Bauelement gebildete Transversalfilter eine Impuls-Ansprechcharakteristik aufweist, die von mehreren in Serie geschalteten Stufen mit geteilten Elektroden gebildet

   Schw/Ba

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   28ÜU931
4. 4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen mit geteilten Elektroden Schlitze entsprechend einem Profil aufweisen, das im Ausdruck (sin n/n) (cos 2π f_on) proportional ist.
5. 5. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kontinuierliche Filter ein Tiefpaßfilter ist.
6. 6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter ein aktives Tiefpaßfilter ist.
7. 7. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kontinuierliche Filter ein Bandfilter ist.
8. 8. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandfilter ein aktives Bandfilter ist.
9. 9. Frequenzumsetzungsfilter, gekennzeichnet durch

   (a) eine Vorrichtung zum Empfangen elektrischer Eingangssignale i(t), die mehrere Frequenzen einschließlich eines Frequenzspektrums Af enthalten, sowie zur Erzeugung von Abtastwerten der Eingangssignale mit einer festen Frequenz f_Q,

   (b) eine Vorrichtung zum Empfangen der Abtastwerte und zur Erzeugung von Signalen, die mehrere Frequenzspektren um die Mittenfrequenzen nf_s + f_Q enthalten, wobei jedes Spektrum dem Frequenzspektrum Δ f proportional ist und

   (c) eine Vorrichtung zum Empfangen der mehreren Frequenzspektren und zum Ausfiltern aller Spektren bis auf eines der dem Spektrum Δ f proportionalen Spektren.

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10. 10. Filter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung nach (b) ein von einem Ladungsübertragungsbauelement gebildetes Transversalfilter ist und daß die Vorrichtung nach (a) eine Ladungsinjektions-Abtastvorrichtung für das Transversalfilter ist.
11. 11. Filter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung gemäß (c) ein Tiefpaßfilter ist.
12. 12. Filter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung gemäß (c) ein Bandfilter ist.
13. 13. Filter nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen gemäß (a), (b) und (c) auf einem einzigen Halbleiter-Chip integriert sind.

    §09828/0995