DE2910071A1

DE2910071A1 - Bandpassfilter

Info

Publication number: DE2910071A1
Application number: DE19792910071
Authority: DE
Inventors: David George Prof Haigh; Wolja Prof Saraga
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1978-03-14
Filing date: 1979-03-14
Publication date: 1979-09-27
Also published as: NL7902034A; CA1137181A; GB2017444B; FR2420245B1; FR2420245A1; GB2017444A; JPS54129951A; SE7902284L; US4260968A

Description

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National Research Development Corporation London SWl e6sL, Großbritannien

Bandpaßfilter

Die Erfindung betrifft aktive induktivitätsfreie Filter und insbesondere Bandpaßfilter, die Widerstände, Kondensatoren und aktive Einheiten zur Signalverarbeitung verwenden. Die aktiven Einheiten, die als positive Impedanzwandler bezeichnet werden, bestehen aus Widerständen und Kondensatoren und verwenden im allgemeinen "Operationsverstärker". Unter der Bezeichnung "Operationsverstärker" soll im folgenden im wesentlichen ein linearer Differenz-Eingangsverstärker mit vorzugsweise hohem Verstärkungsfaktor bei den Betriebsfrequenzen verstanden werden .

Aktive RC-Bandpaßfilter sind vorteilhaft, da es durch einen geeigneten Aufbau möglich ist, Filter mit im wesentlichen der gleichen geringen Empfindlichkeit wie entsprechende LCR-Filter und mit einem sehr stark verringerten Volumen und Gewicht zu erzielen. Eine Methode, die zu ei-

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ner geringen Empfindlichkeit führt, liegt in der Nachbildung oder Simulation von Grund- oder Prototyp-LCR-Bandpaßfiltern. Eine besondere Methode umfaßt die Nachbildung des Aufbaues und der Bauelemente des Grundfilters. Dies kann mit oder ohne frequenzabhängige Impedanz-Skalierung oder -Zahlenbereichanderung erfolgen.

Ein Impedanzwandler ist ein aktiver Zweipol mit drei Anschlüssen, der eine gegebene Impedanz in eine andere Impedanz umwandeln kann. Der erste Pol besteht aus dem ersten und dem dritten Anschluß des Zweipoles, und der zweite Pol besteht aus dem zweiten Anschluß und dem gemeinsamen dritten Anschluß. Ein positiver Impedanzwandler (PIC) kann in herkömmlicher Weise aufgebaut sein, wie z. B. ein p-PIC, bei dem der Impedanz-ümwandlungsfaktor proportional ρ ist, wobei ρ die komplexe Frequenzveränderliche bedeutet, oder

ein ρ -PIC, bei dem der Impedanz-Umwandlungsfaktor propor-

2
tional ρ ist. Eine Vertauschung des ersten und des zweiten Poles des Zweipoles liefert Umwandlungsfaktoren proportional

2
1/p bzw. 1/p .

Bei der Herstellung von Filtern durch mikroelektronische Technologien müssen Probleme des Filteraufbaues bezüglich des angewandten Herstellungsprozesses betrachtet werden. In einem derartigen Prozeß werden die aktiven Filter als Hybrid-Module verwirklicht, die ein Substrat verwenden, auf dem Dünn- oder Dickfilm-Leiter- und Widerstandsmuster aufgetragen sind, an die Operationsverstärker in der Form von Schaltungen angeschlossen sind, die in einem einzigen Chip integriert sind. Es gibt bereits derartige Operationsverstärker, und Dünn- oder Dickfilmwiderstände können durch eine Anzahl von Technologien mit großer Genauigkeit eingestellt werden, wodurch diese Bauelemente für eine Anwendung

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in der Mikroelektronik besonders vorteilhaft werden. Dünnfilmkondensatoren mit z, B, Tantal oder Siliziumdioxid haben jedoch eine Reihe von Nachteilen, die sie weniger vorteilhaft als Keramlk-Chip-Kondensatoren machen. Keramik-Chip-Kondensatoren haben hohe Gütefaktoren und kleine Temperaturkoeffizienten, und sie sind hermetisch abgeschlossen und stabil, was sie für eine Herstellung hochwertiger Filter zweckmäßig macht. Derartige Kondensatoren sind relativ billig, wenn von den Herstellern bevorzugte Nennkapazitätswerte und weite Fertigungstoleranzen verwendet werden. Keramik-Chip-Kondensatoren sind jedoch sehr klein und gewöhnlich nicht gekennzeichnet und müssen daher sorgfältig behandelt werden, um während des Einbaues in die mikroelektro— nischen Schaltungen Fehler zu vermeiden. Dieses Problem könnte vereinfacht werden, wenn es möglich wäre, daß alle Kondensatoren die gleiche Nennkapazität besitzen.

Die bisherigen aktiven Präzisions-Bandpaßfilter können nicht gleichzeitig alle folgenden Eigenschaften erfüllen:

a) Alle Kondensatoren haben den gleichen Nennwert,

b) der Nennwert ist ein vom Hersteller bevorzugter Wert,

c) die Kapazität hat weite (z. B. + 10%) Fertigungstoleranzen, und

d) die Gesamtzahl der Kondensatoren ist der theoretische Mindestwert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein aktives Präzisions-Filter geringer Empfindlichkeit anzugeben, das die obigen Eigenschaften aufweist.

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Erfindungsgemäß hat ein Bandpaßfilter einen Eingang, einen Ausgang und mehrere Schaltungen, die dazwischen eine Leiter bilden, wobei jede Schaltung einen positiven Impedanzwandler aufweist, der so abgeschlossen ist, daß eine Impedanz umgekehrt proportional dem Quadrat der komplexen Frequenz entsteht, wobei die Schaltungen durch Widerstände gekoppelt sind, und wobei der Eingang und der Ausgang widerstandsmäßig so abgeschlossen sind, daß alle reaktiven Schaltungsbauelemente in den Schaltungen enthalten sind.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jedes benachbarte Schaltungspaar durch einen einzigen Widerstand gekoppelt.

Vorzugsweise sind die positiven Impedanzwandler in der ersten und letzten Leiterschaltung positive Impedanzwandler vom p-Typ. Bei dieser Anordnung hat der Filtereingang zwei Anschlüsse, wobei einer der Eingangsanschlüsse mittels des Eingangsabschlußwiderstandes mit einer Seite des Abschlußkondensators in der ersten Schaltung und der andere Eingangsanschluß mittels einer gemeinsamen Filterleitung mit der anderen Seite des Abschlußkondensators in der ersten Schaltung verbunden ist. Der die letzte Schaltung abschließende Lastwiderstand ist parallel zum Abschlußkondensator in der letzten Schaltung vorgesehen, wobei ein Ende des Lastwiderstandes an die gemeinsame Leitung angeschlossen ist und der Ausgang des Filters an einem Pol des positiven Impedanzwandlers in der letzten Schaltung liegt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist jeder positive Impedanzwandler ein positiver Impedanzwandler vom p-Typ. Alternativ kann das Filter so aufgebaut sein, daß ein positiver Impedanzwandler vom p-Typ in der ersten

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und letzten Schaltung und ein positiver Impedanzwandler

vom ρ -Typ in einer Schaltung oder in mehreren Schaltungen der übrigen Schaltungen der Leiter verwendet wird.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung haben alle Kondensatoren einschließlich der in den positiven Impedanzwandlern vorgesehenen Kondensatoren den gleichen Kapazitätswert.

Es ist vorteilhaft, daß der positive Impedanzwandler vom p-Typ aufweist zwei Operationsverstärker in einer Schaltung, wobei ein erster Anschluß mit einem zweiten Anschluß durch eine Reihenschaltung aus einem Kondensator und drei Widerständen verbunden ist, wobei der erste Eingang des ersten bzw. zweiten Operationsverstärkers mit dem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Anschluß und dem dritten Widerstand bzw. dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Anschluß und dem Kondensator verbunden ist, wobei die zweiten Eingänge der Operationsverstärker mit dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand verbunden sind, und wobei der Ausgang des ersten bzw. zweiten Operationsverstärkers mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator und dem ersten Widerstand bzw. dem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten und dem dritten Widerstand verbunden ist. Vorzugsweise sind der zweite und der dritte Widerstand einstellbar, so daß jedes Filter abgestimmt werden kann. Vorzugsweise sind auch der Eingangs- oder Quellenwiderstand und der Lastwiderstand des Bandpaßfilters einstellbar. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegen die Widerstände als Dünn- oder Dickfilmwiderstände auf einem Substrat so vor, daß die Einstellung der Widerstandswerte im aufgebauten Filter durch Laser-Trimmen oder -Feinabgleichen oder -Zurichten erfolgen kann.

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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein RLC-Netz, von dem das aktive Filter abgeleitet ist,

Fig. 2 ein aktives Filter nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines positiven Impedanzwandlers, das für die Schaltung der Fig. 2 geeignet ist,

Fig. 4 eine Anordnung zum Einstellen des positiven Impedanzwandlers für Abstimmzwecke,

Fig. 5 ein 15-16 kHz-Bandpaßfilter 14. Ordnung nach der Erfindung, und

Fig. 6 die Verlust/Frequenz-Kennlinie für das

Ausführungsbeispiel mit dem Bandpaßfilter 14. Ordnung.

In Fig. 1 wird ein erfindungsgemäßes aktives Filter aus dem gezeigten Grund-LCR-Bandpaßfilter erhalten. Das Filter hat Eingangsanschlüsse 1 und 2, an die eine Signalquelle 3 angeschlossen ist, und Ausgangsanschlüsse 4 und Das Grund-LCR-Bandpaßfilter ist sorgfältig aufgebaut, um die gewünschte Übertragungsfunktion, d. h. die Beziehung zwischen den Spannungen an den Ausgangsanschlüssen 4 und und den Eingangsanschlüssen 1 und 2, zu erzielen. Das Filter wirkt zur Übertragung von Frequenzen innerhalb des Durchlaßbandes und zur Dämpfung von Frequenzen außerhalb der Gren-

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zen des Durchlaßbandes. Der Filter-Eingangsanschluß 2 ist direkt mit dem Ausgangsanschluß 5 über eine gemeinsame Leitung 6 verbunden. Der Eingangsanschluß 1 ist mittels eines Quellenwiderstandes Rs an eine Anzahl (n-1) von in Reihe geschalteten Induktivitäten L₁~, L₁ ^, ..., L„ ₁

IZ' ι j η— ι , η

angeschlossen, wobei die letzte Induktivität L _.. mit dem Ausgangsanschluß 4 verbunden ist. Am Verbindungspunkt zwischen dem Quellenwiderstand Rs und der Induktivität L^₂ liegen in parallelen Strecken zur gemeinsamen Leitung 6 ein Nebenschlußkondensator C₁ und eine Nebenschlußinduktivität L₁. In ähnlicher Weise sind an jedem Verbindungspunkt zwischen den in Reihe geschalteten Induktivitäten, was allgemein durch den Verbindungspunkt zwischen der Induktivität

L. ₁ . und der Induktivität L. .,.. dargestellt ist, mit der J · / J J J"*"'

gemeinsamen Leitung 6 ein Nebenschlußkondensator C. und eine Nebenschlußinduktivität L. verbunden. Jede Kombination eines Nebenschlußkondensators C. und einer Nebenschlußinduktivität L. wird hier als abstimmbares Resonanzglied angesehen. Zwischen den Ausgangsanschlüssen 4 und 5 ist der Endfilterabschnitt aus einem Kondensator C_n und einer Induktivität L und weiterhin der Abschluß-Lastwiderstand R_L vorgesehen.

Die so beschriebene LCR-Schaltung kann als aus einem Tiefpaßfilter (mit einer Unterschaltung in Reihe geschalteter Induktivitäten und Nebenschlußkondensatoren) und einer einzigen Nebenschlußinduktivität,- die als Hochpaßfilter wirkt, abgeleitet angesehen werden, wobei die einzige Induktivität zwischen der gemeinsamen Leitung und einem beliebigen Punkt entlang der Leitung der in Reihe geschalteten Induktivitäten anschließbar ist. Es kann dann eine Transformation ohne Änderung der Übertragungsfunktion abgesehen von einem möglichen konstanten Multiplikator einwirken, wodurch

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die einzige Nebenschlußinduktivität in η Nebenschlußinduktivitäten umgewandelt wird, um ein Bandpaßfilter mit η abstimmbaren Resonanzgliedern zu erzeugen.

Fig. 2 zeigt eine Schaltung nach der Erfindung, die eine aktive Simulation oder Nachahmung der in Fig. 1 dargestellten Grundschaltung ist. Die Simulation umfaßt Transformationen, wobei die Unterschaltung der Induktivitäten in eine topologisch gleiche Unterschaltung entsprechender Widerstände transformiert wird, die mit dem Rest der Schaltung über eine Anzahl positiver Impedanzwandler (PIC) eines geeigneten Typs verbunden sind. Die Simulation verwendet allgemeine Methoden (vgl. Gorski-Popiel in "Electronics Letters", Vol. 3, Nr. 8, Seite 381, 1967).

In Fig. 2 sind einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Die Lagen des Quellenwiderstandes R' des Lastwiderstandes R'_L und der Kondensatoren C¹.. bis C entsprechen den in Fig. 1 gezeigten Lagen. Die Signalquelle 3 ist mit den Filter-Eingangsanschlüssen 1 und 2 verbunden. Der Eingangsanschluß ist durch die gemeinsame Leitung 6 an den Anschluß 5 der Ausgangsanschlüsse 4 und 5 angeschlossen. Der Eingangsanschluß 1 ist durch den Quellenwiderstand R' an den Anschluß T₂ eines p-PIC 7 angeschlossen. Ein Kondensator C. verbindet den Anschluß T₃ des PIC 7 mit der gemeinsamen Leitung 6, und ein Widerstand R- verbindet den Anschluß T₁ des PIC 7 mit der gemeinsamen Leitung 6. Der PIC 7_r der Kondensator C₁ und der Widerstand R₁ bilden ein erstes Resonanzglied 12 des Bandpaßfilters. Der Anschluß T₁ des PIC 7 ist mit einem Anschlußpunkt 8 verbunden, der der erste einer Reihe von η Anschlußpunkten 8, 9_r .·♦* 10, 11 ist, die zwischen den (n-1) Reihenwiderständen R₁₃ , R₂3' * * *' ^Rn-1 η

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Anschlußpunkt 8, 9, ..·, 10, 11 ist mit der gemeinsamen Leitung 6 über ein jeweiliges Resonanzglied 12, 13, ..., 14, 15 verbunden. Jedes Resonanzglied, wie z. B. das Resonanzglied 13, hat zwei parallele Zweige 16 und 17, die den jeweiligen Anschlußpunkt 9 und die gemeinsame Leitung 6 verbinden. Jeder Zweig entsprechend dem Zweig 16 hat einen p-PIC, wie z. B. den p-PIC 18, dessen Anschluß T- mit dem Verbindungspunkt 9 und dessen Anschluß T„ mit der gemeinsamen Leitung 6 über einen Kondensator C'₂ verbunden ist. Jeder Zweig entsprechend dem Zweig 17 hat einen Nebenschlußwiderstand, wie z. B. den Nebenschlußwiderstand R₂, der zwischen dem geeigneten Anschlußpunkt 9 und der gemeinsamen Leitung 6 liegt. Der Ausgangsanschluß 4 ist mit dem Anschluß T„ des PIC 19 im letzten Resonanzglied 15 verbunden, und der Lastwiderstand R' liegt an den beiden Ausgangsanschlüssen 4 und 5. Der Anschluß T, jedes PIC im Filter ist an die gemeinsame Leitung angeschlossen.

Bei einer alternativen Anordnung kann das Ausgangssignal vom Filter dem Anschluß T. des PIC 19 entnommen werden, da die Spannung an den beiden Anschlüssen T₁ und T₂ ideal gleich ist.

Die PICs, wie z. B. die PICs 7, 18, 19 und 20, sind alle von herkömmlicher Art, wie z. B. p-PICs. Ein derartiger p-PIC ist in Fig. 3 gezeigt. Der PIC hat zwei Operationsverstärker 21 und 22, die in einer Widerstand-Kondensator-Schaltung verbunden sind. Die Anschlüsse T₁ und T₂ entsprechend der oben verwendeten Terminologie sind durch Anschlußpunkte 23 und 24 angedeutet, und der Anschluß T₃ ist durch zwei getrennte Erdverbindungen 25 und 26 gezeigt. Der Anschluß T- ist mit dem Anschluß T₂ über einen Kondensator 27 und drei Widerstände 28, 29 und 30 verbunden, wodurch

Zwischenverbindungspunkte 31, 32 und 33 entstehen. Der nichtinvertierende Eingang 34 des Verstärkers 21 ist an einem Punkt 2 4 mit dem Ausgangsanschluß T₂ verbunden, und der Ausgangsanschluß 35 des Verstärkers 21 ist mit einem Punkt 31 zwischen dem Kondensator 27 und einem ersten Widerstand 2 8 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang 36 des zweiten Verstärkers 22 ist an einem Punkt 23 mit dem Anschluß T₁ verbunden, und der Ausgang 37 des Verstärkers 22 ist mit einem Punkt 33 zwischen dem zweiten und dem dritten Widerstand 29 bzw. 30 verbunden. Die invertierenden Eingänge 38 und 39 der Verstärker 21 und 22 sind mit dem Punkt 32 zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand 28 bzw. 29 verbunden.

Die Widerstände 29 und 30 in jedem PIC sind zusammen mit dem Quellenwiderstand R' und dem Lastwiderstand R'

fa J-I

einstellbar, so daß das Filter abstimmbar ist. Gewöhnlich sind die Stellwiderstände als Schicht- oder Filmwiderstände auf einem Trägersubstrat ausgebildet. Durch den Aufbau haben die Kondensatoren innerhalb und außerhalb der PICs den gleichen, von den Herstellern bevorzugten Kapazitätswert. Die Kondensatoren und Operationsverstärker sind auf dem Substrat angeordnet. Jeder Stellwiderstand ist absichtlich kleiner als sein berechneter Wert, so daß der Widerstandswert während der Abstimmung des Resonanzgliedes abgestimmt werden kann, indem Material entfernt wird, z. B. durch Laser-Trimmen oder -Zurichten, durch Diamant-Schreiben, durch Funken-Abtragung oder durch Luft-Abrieb. Die Widerstände 28 und 29 (vgl. Fig. 3) beeinflussen den Gütefaktor des Resonanzgliedes einschließlich des PIC. Wenn es erforderlich ist, den Gütefaktor einzustellen, so hat es sich gezeigt, dies durch Einstellen des Widerstandes 29 durchzuführen. Der Widerstand 30 wird eingestellt, um die Resonanzfrequenz jedes Resonanzgliedes einzustellen,

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wie ζ. B. des Resonanzgliedes 12, 13, 14 und 15.

Jedes Resonanzglied des Filters ist so aufgebaut, daß es getrennt in situ abstimmbar ist. Gegebenenfalls wird jedes Resonanzglied zuerst eingestellt, um einen hohen Gütefaktor durch Abgleichen der PlC^Widerstände 29 zu ergeben. Die Resonanzglieder werden dann getrennt auf ihre Aufbau- oder Bemessungsfrequenzen durch Einstellen der PIC-Widerstände 30 abgestimmt, und schließlich werden die Abschlußwiderstände R' und R' eingestellt.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaltbild zum Abstimmen der einzelnen Resonanzglieder des Bandpaßfilters. Die Abstimmschaltung hat einen Eingangssignalgenerator 40, der an einem Anschluß 41 über einen Kondensator 42 und einen Widerstand 43 mit dem Anschluß T₁ eines PIC 44 verbunden ist. Der andere Anschluß 45 des Generators 40 liegt durch einen Filter-Abschlußwiderstand 46 und einen PIC-Abschlußkondensator 47 in jeweiligen parallelen Strecken zum Anschluß T₂ des PIC 44. Ein Widerstand 48 verbindet den Anschluß T₁ des PIC 44 mit der gemeinsamen Leitung 49, die mit dem Anschluß 45 des Generators verbunden ist. Das Ansprechen der Schaltung wird an Ausgangsanschlüssen 50 und 51 gemessen, die jeweils mit dem Verbindungspunkt zwischen dem PIC-Nebenschlußwiderstand 43 und dem Kondensator 42 bzw. der gemeinsamen Leitung verbunden sind. Der Kondensator 53 an den Ausgangsanschlüssen 50 und 51 stellt die Eingangskapazität der Meßausrüstung dar.

Bei der bevorzugten Abstimmanordnung zum Abstimmen eines Zwischenresonanzgliedes, wie z. B. des Gliedes 13,

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wird das Resonanzglied so geändert, daß der PIC 44, die Widerstände 43 und 48 und der Kondensator 47 (vgl. Fig. '4) die jeweiligen Bauelemente 18, R-, die Parallelschaltung der Bauelemente R..- und R₃₃ sowie C, darstellen, und der Widerstand 46 ist nicht vorhanden. Die Frequenz des Eingangssignales des Generators 40 wird auf die Nennresonanzfrequenz des geänderten Resonanzgliedes eingestellt, und der Frequenz-Stellwiderstand 30 (in einigen Fällen auch der Gütefaktor-Stellwiderstand 29) im PIC 44 wird so eingestellt, daß eine Dämpfung größer als ein bestimmter Mindestwert vorliegt, der vom betreffenden Q- oder Gütefaktor abhängt. Beim. Einstellen der Abschlußwiderstände R¹ „ und R¹. wird das geeignete erste oder letzte Filter-Resonanzglied (12 oder 15 in Fig. 2) oberhalb eingestellt, und der geeignete Abschlußwiderstand wird dann parallel mit der PIC-Abschlußkapazität beigefügt, wie der Widerstand 46 in Fig. 4. Es kann dann gezeigt werden, daß bei der Resonanzfrequenz Wr der Schaltung die Dämpfung auf den verbindenden Widerstand 46 durch die folgende Gleichung gegeben ist:

-20 log Γ !! ] = 10 log fl + CR +si 2 1 IdB

¹⁰L Vl J ¹⁰ L C₁R. (l + P₁ } ⁰¹¹¹J ⁺ (W CBJ2 J

_ ml. X Γ ΠΙ 1 ■*

Die Dämpfung hängt von der Zeitkonstanten CR des Kondensators 47 und des Widerstandes 46 ab, und somit ist die Einstellung der Dämpfung gleichwertig zur Einstellung der erforderlichen Zeitkonstanten. Ein Vorwiderstand 54 mit einem hohen Widerstandswert von insbesondere ca. 100 kXl. ist vorgesehen, um einen Gleichstromweg zum PIC zu gewährleisten.

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Das beschriebene aktive Filter verwendet einen kapazitiv abgeschlossenen PIC in jedem Resonanzglied des Filters. Die Anzahl der erforderlichen Kondensatoren, zwei für jedes Resonanzglied, ist so gleich der Ordnung des Filters, d. h. der möglichen Mindestanzahl·. Zusätz^ch zur Erzeugung eines Bandpaßfliters, das die Mindestanzahl gleicher Kondensatoren erfordert, die entsprechend dem bevorzugten Kapazitätswert der Hersteller ausgewählt sind, eriautt das Fiiter-Abstimmverfahren eine Kompensation für eine Änderung in den Kondensator-Nennwerten innerhalb einer weiten Toleranz und eine Kompensation für Fehler oder Mangel der Operationsverstärker (z. B. begrenzter Gleichstrom-Verstärkungsfaktor, begrenztes Verstärkungsfaktor-Bandbreite-Produkt, begrenzte Eingangsimpedanz und von Null· verschiedene Ausgangsimpedanz) und für einige Mängel· oder Fetter der passiven Baueiemente (wie z. B. von Nuil· verschiedene Kondensator-Ver^s^elst^^) bei bestimmten Einste^freguenZen. Zusätz^ch wird der Einfiuß parasitärer Impedanzen auf das Ansprechverhaiten der Schalungen auf einen Mindestwert verringert, da die Schalungen so ausgelegt oder aufgebaut werden können, daß die Spanne der Bauel·ement-Werte ^ein ist, was eine freiere Wahl· des Schal·- tungs-Impedanzpegel·s

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel· des p-PIC in Fig. 3 können der Kondensator 27 und der Ste^widerstand 29 vertauscht werden. Aiternativ können die kapazitiv abgeschossenen p-PICs durch widerstandsmäßig abgeschiosse-

2
ne ρ -PICs in jedem der Resonanzgiieder mit Ausnahme des Eingangs- und Ausgangs-Resoiianzgiiedes (12 und 15 in Fig.

2
2) ersetzt werden. Der ρ -PIC wird erhaiten, indem der Ste^widerstand 29 durch einen zweiten Kondensator ersetzt wird. Bei diesem anderen Ausführungsbeispiel· sind auch zwei Kondensatoren in jedem Zwischenresonanzgiied des Fiiters

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vorgesehen, wobei die beiden Kondensatoren innerhalb eines jeweiligen PIC liegen. Verschiedene übliche Transformationen, die nicht die übertragungsfunktion mit Ausnahme von einem
möglichen konstanten Multiplikator ändern, sind in der Widerstand-Unterschaltung des Filters möglich.

Ein Beispiel eines Filters 14. Ordnung nach der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt, wobei die Erdleitungen zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen sind. Dieses Filter ist so aufgebaut, daß es ein Durchlaßband von 15-16 kHz aufweist und Kondensatoren mit einem Nennwert von 4,7 nF verwendet. Bei diesem Beispiel haben die Bauelemente die folgenden Werte:

Widerstand 60	48,581	f6	XL
61	1 ,787		SL
62	36.963	f6	SL
63	1 .847		SL
64	46.916	,2	SL
65	1.830		SL
66	49.055	,7	SL
67	1 .827		SL
68	49.025	»2	SL.
69	1 .830		SL
70	47,016	,6	SL
71	1 .847		SL
72	36.924	»6	SL
73	1 .787		SL,
74	48.785	SL

In allen PICs ist:

Widerstand 75 2000 JCI
76 2000 SX

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Die PlC-Widerstände 77 haben die folgenden Werte:

In PIC 78 79 80 81 82 83 84

Die sieben Resonanzglieder 85 bis 91 in diesem Filter Ordnung sind auf die folgenden Frequenzen abgestimmt:

Glied

2.791	*XX.*
2.811	SL
2.804	SL
2.803	JO.
2,803	SL
2*809	SL
2.802	JCi-

85	15.161	Hz
86	14.859	Hz
87	14.948	Hz
88	14.961	Hz
89	14,949	Hz
90	14.865	Hz
91	15.129	Hz

Wie zu ersehen ist, sind diese berechneten Frequenzen für die Resonanzfilter alle nahe dem unteren Grenzwert des Filter-Durchlaßbandes. Es hat sich gezeigt, daß diese Methode der Abstimmung der einzelnen Resonanzglieder gelegentlich zu Resonanzfrequenzen führt, die nicht als Einstellfrequenzen bevorzugt sind. Für Hochfrequenzfilter ist es vorzuziehen, jedes Resonanzglied nahe der Mittenbandfrequenz des Filters einzustellen. In dieser Hinsicht hat sich gezeigt, daß mittels KurζSchluß-Bindeglieder, die benachbarte Reihenwiderstände parallel mit dem jeweiligen Resonanzglied aufweisen, die Einstellfrequenz näher zu der Mittenbandfrequenz des Filters gebracht wird.

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Das in Fig. 5 gezeigte 15-16 kHz-Filter 14. Ordnung gibt einschließlich der oben beschriebenen Reihenwiderstände die folgenden Einstellfrequenzen für die Resonanzglieder:

Glied

85	15.525	Hz
86	15.509	Hz
87	15.508	Hz
88	15.509	Hz
89	15.509	Hz
90	15.515	Hz
91	15.491	Hz

Die gemessene Frequenz/Verlust-Kennlinie für dieses Filter 14. Ordnung ohne Gütefaktor-Einstellung und einschließlich eines 6 dB-Verstärkers ist in Fig. 6 gezeigt.

Aktive Filter der oben beschriebenen Art können jede Band-Durchlaß-tibertragungsfunktion gerader Ordnung mit einer Null-Übertragung bei Null-Frequenz und allen übrigen Null-Übertragungen bei unbegrenzter Frequenz verwirklichen. Derartige aktive Filter können bis zu Hochfrequenzen arbeiten, da die Ausführung der PIC-Schaltungen im Filter eine Korrektur für Hochfrequenz-Fehler oder -Mangel erlaubt. Es wurden Schaltungen mit einer Mittenbandfrequenz bis hinauf zu 500 kHz gebaut, und eine Mittenbandfrequenz von 1 MHz ist durchaus möglich.

Beispiele von erfindungsgemäßen Filtern haben Verlust/Frequenz—Ansprechkennlinien, die wesentlich näher einer arithmetischen Symmetrie bezüglich ihrer Mittenbandfrequenz en als die Ansprechkennlinien sind, die durch eine Tiefpaß-Bandpaß-Transformation erhalten werden. Die-

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se näherungsweise arithmetische Symmetrie hat offenbar praktische Vorteile.

Obwohl die Erfindung anhand PICs mit zwei Verstärkern erläutert wurde, gibt es eine Anzahl von PICs mit einem Verstärker, die unter bestimmten Umständen verwendbar sind. Die Nebenschlußzweige, wie z. B. die Nebenschlußzweige in Fig. 2 einschließlich des PIC 18 und des Kondensators C₂' _r können durch Schaltungen mit einem einzigen Verstärker ersetzt werden, die zwei Kondensatoren aufweisen.

Das in Fig. 2 und 3 gezeigte Filter kann einen Pufferverstärker am Ausgangsanschluß 4 erfordern, um Lasteinflüsse zu verhindern. Die Notwendigkeit hierfür kann auf die folgende Weise vermieden werden. Durch Vertauschen der Impedanz aus den Bauelementen C ' und Rj. ' parallel mit dem Widerstand 29 im PIC 19 kann das Ausgangssignal dann vom Ausgang des Verstärkers 22 am Punkt 33 im PIC 19 entnommen werden. Abgesehen von einem Maßstab- oder Skalierfaktor ist die übertragungsfunktion der geänderten Schaltung unter idealen Bedingungen gleich der Übertragungsfunktion der ursprünglichen Schaltung. In einer alternativen Anordnung, bei der das Ausgangssignal wieder vom Punkt 33 im PIC 19 entnommen wird, ist die Parallelimpedanz aus den Bauelementen C ' und Rj.¹ zuerst mit dem Widerstand 19 wie oben ausgetauscht, und dann wird die Parallelimpedanz aus den Bauelementen C* und R' mit dem Kondensator 27 ausgetauscht. Wie oben tritt hier kein Lasteinfluß auf die übertragungsfunktion auf. Dieses Austauschen kann für Filter jeder Ordnung erfolgen und führt zu einem höheren Verstärkungsfaktor. Der neue Abschlußwiderstand zwischen dem neuen Ausgangsanschluß und der gemeinsamen Leitung bezieht sich nicht weiter auf R₁. der Grund-RLC-Schaltung. Die neuen Filter arbeiten noch zwischen einem Quellenwiderstand und einem Abschlußwiderstand.

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Claims

Ansprüche

1. ) Bandpaßfilter, mit einem Eingang, einem Ausgang und mehreren Einheiten, die dazwischenliegen, um eine Leiter zu bilden,

dadurch

gekennz eich η et

daß jede Einheit (12) einen positiven Impedanzwandler (7) aufweist, der so abgeschlossen ist, daß eine Impedanz umgekehrt proportional zum Quadrat der komplexen Frequenz entsteht,

daß die Einheiten (12) durch Widerstandsschaltungen (R_{1 o}) gekoppelt sind, und

daß der Eingang und der Ausgang widerstandsmaßig (R¹„ R¹ ) so abgeschlossen sind, daß alle reaktiven Badelemente des Filters innerhalb der Einheiten (12)- enthalten sind.

2. Bandpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die positiven Impedanzwandler (7, 19) in der ersten und der letzten Einheit der Leiter positive Impedanzwandler vom ρ-Typ sind.

3.

Bandpaßfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

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daß jeder positive Impedanzwandler ein positiver Impedanzwandler vom p-Typ ist.

. Bandpaßfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß jede Einheit (12) einen positiven Impedanzwandler (7) und einen Reihenkondensator (C¹J aufweist, der parallel mit einem Widerstand (R₁) angeschlossen ist.

. Bandpaßfilter nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Kondensator (C₁', 27) der reaktiven Bauelemente den gleichen Kapazitätswert aufweist.

6. Bandpaßfilter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet,

daß die positiven Impedanzwandler Stellwiderstände (29, 30) aufweisen, wodurch jedes Filter abstimmbar ist.

7. Bandpaßfilter nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet,

daß der Eingangs- oder Quellenwiderstand (R¹_) und der Lastwiderstand (R') einstellbar sind.

Jj

8. Bandpaßfilter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Widerstände als Dünn- oder Dickfilmwiderstände auf einem Substrat so ausgeführt sind, daß die Einstellung der Widerstände im zusammengebauten Filter mittels Laser-Zurichtung möglich ist.

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