DE2932419A1 - Elektrische filterschaltung unter verwendung von wenigstens einer simulierten induktivitaet, die gesteuerte schalter, kondensatoren und verstaerker enthaelt - Google Patents

Elektrische filterschaltung unter verwendung von wenigstens einer simulierten induktivitaet, die gesteuerte schalter, kondensatoren und verstaerker enthaelt

Info

Publication number
DE2932419A1
DE2932419A1 DE19792932419 DE2932419A DE2932419A1 DE 2932419 A1 DE2932419 A1 DE 2932419A1 DE 19792932419 DE19792932419 DE 19792932419 DE 2932419 A DE2932419 A DE 2932419A DE 2932419 A1 DE2932419 A1 DE 2932419A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
switch
capacitor
switches
circuit
circuit node
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE19792932419
Other languages
English (en)
Other versions
DE2932419C2 (de
Inventor
Josef Dipl Ing Nossek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to DE19792932419 priority Critical patent/DE2932419C2/de
Priority to AT80104486T priority patent/ATE4568T1/de
Priority to EP80104486A priority patent/EP0024011B1/de
Priority to US06/173,759 priority patent/US4364116A/en
Priority to AU61178/80A priority patent/AU533629B2/en
Priority to JP10841180A priority patent/JPS5664515A/ja
Publication of DE2932419A1 publication Critical patent/DE2932419A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE2932419C2 publication Critical patent/DE2932419C2/de
Expired legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H19/00Networks using time-varying elements, e.g. N-path filters
    • H03H19/004Switched capacitor networks
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H19/00Networks using time-varying elements, e.g. N-path filters
    • H03H19/004Switched capacitor networks
    • H03H19/006Switched capacitor networks simulating one-port networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Filters That Use Time-Delay Elements (AREA)
  • Networks Using Active Elements (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Description

  • Elektrische Filterschaltung \ntcs Verwendung von wenig-
  • stens einer simulierten Induktivität, die gesteuerte Schalter Kondensatoren und Verstärker enthält Die Erfindung betrifft eine elektrische Filterschaltung unter Verwendung von wenigstens einer simulierten Induktivität, die nach vorgegebenen Taktphasen gesteuerte Schalter, Kondensatoren und Verstärker enthält und bei der ein Operationsverstärker vorgesehen ist, zwischen dessen Ausgang und invertierendem Eingang ein Kondensator geschaltet ist und dessen nicht invertierender Eingang an ein festes Bezugspotential, insbesondere Massepotential, geschaltet ist.
  • Schalterfilter der vorgenannten Art sind fur sich bereits durch den Aufsatz "Switched-Capacitor Filter Design Using the Bilinear z-Transform" in der Zeitschrift "IEEE Transactions on Circuits and Systems", Vol. Cas-25, Nr. 12, Dez. 1978, Seiten 1039 bis 1044 und auch durch die Arbeit "Switched-Capacitor Circuits Bilinearly Equivalent to Floating Inductor or F.D.N.R.
  • in der Zeitschrift Electronics Letters, 1. Febr. 1979, Vol 15, Nr. 3, Seiten 87 und 88,bekannt geworden. Es handelt sich dabei um solche Filter, die nicht zeitkontinuierliche Analogsignale im eigentlichen Sinne verarbeiten, sondern zeitdiskrete Signale, die in Form von Abtastproben vorliegen, wobei die Abtastproben im Rhythmus einer Taktfrequenz F erzeugt werden und über die Beziehung T = 1/F wird dementsprechend T die Taktperiode genannt. Schaltungen zur Erzeugung solcher Abtastproben sind für sich bekannt, so daß sie an dieser Stelle nicht im einzelnen erläutert werden müssen. Es ist jedoch auch im folgenden davon auszugehen, daß den dargestellten Schaltungen solche Abtastschaltungen jeweils vor- bzw. nachgeschaltet sein können, so daß es also einerseits gelingt, aus einem Analogsignal entnommene Abtastproben der Filterschaltung eingangsseitig zuzuführen und die ausgangsseitig zur Verfügung stehenden Signale wieder in zeitkontinuierliche Analogsignale umzuwandeln. Der wesentliche technische Vorteil solcher Filter ist darin zu sehen, daß Spulen durch aktive Schaltelemente und Kondensatoren nachgebildet werden, so daß sie sich zur monolitischen Integration von größeren Filterschaltungen eignen. Als Verstärker werden dabei überwiegend die bekannten Operationsverstärker eingesetzt und es wird dabei angestrebt, einerseits eine möglichst geringe Anzahl von Schaltelementen anwenden zu müssen und andererseits auch die Stabilität solcher Schaltungen zu gewährleisten. Bei den vorerwähnten bekannten Schaltungenwlrd ebenfalls der invertierende Eingang mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers über einen Kondensator verbunden, also gewissermaßen gegengekoppelt. Jedoch zeigt sich, daß die zum Einsatz kommenden Operationsverstärker zeitweilig nicht gegengekoppelt sind bzw. eine hohe Gleichtaktunterdrückung benötigen, da der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers während gewisser Schaltphasen kurzzeitig nicht gegengekoppelt ist bzw.
  • nicht stets auf Massepotential gehalten wid. Weiterhin erfolgt die Realisierung der Kondensatoren in der Art der MOS-Technologie (Metalloxydsilizium-Technologie) und es zeigt sich, daß bei diesen Realisierungsverfahren die unvermeidlichen mit jedem schwebenden MOS-Kondensator verbundenen Erdkapazitäten zu erheblichen Störungen der Filterfunktion führen können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schaltungen zur Nachbildung von aktiv realisierbaren Spulen anzugeben, die sowohl als schwebende als auch als elnseitig geerdete Spulen in sogenannten Switched-Capacitor-Filtern eingesetzt werden können und bei denen die durch Schaltvorgänge auftretenden Störungen nach Möglichkeit vermieden sind.
  • Ausgehend von den einleitend genannten Filterschaltungen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vom invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ein Schalter zu einem ersten Schaltungsknoten führt, von dem aus ein Kondensator nach Massepotential geschaltet ist und ein Schalter zu einem zweiten Schaltungsknoten führt, von dem aus ein Kondensator nach Massepotential geschaltet ist, daß vom zweiten Schaltungsknoten ein Schalter zum invertierenden Eingang und ein weiterer Schalter zum Ausgang des Operationsverstärkers führt und ein weiterer Schalter zur ersten Eingangsklemme führt, und daß die Schalter gleichzeitig während einer Taktphase schließen und in anschließenden, zeitlich nicht überlappenden Taktphasen die Schalter nacheinander geschlossen sind.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.
  • Es zeigen in der Zeichnung Fig. 1 die Realisierung einer einseitig geerdeten In-Induktivität Fig, 2 das Taktschema zur Betätigung der einzelnen Schalter in den Taktphasen 1 bis 6' mit der Taktperiode T; das Taktschema hat dabei auch für die folgenden Schaltungen Gültigkeit, Fig. 3 das zur Schaltung von Fig. 1 gehörige elektrische Ersatzschaltbild unter Berücksichtigung der komplexen Frequenz s bzw. unter Berücksichtigung der an sich bekannten Y-Transformation, Fig. 4 eine Schaltung zur Realisierung einer schwebenden Induktivität,d.h. also einer nicht auf Massepotential liegenden Induktivität, Fig. 5 das elektrische Ersatzschaltbild für die Schaltung nach Fig. 4 mit analogen Bezeichnungen zu Fig. 3, Fig. 6 eine Schaltung zur Realisierung einer geerdeten Induktivität mit reduzierter Aussteuerung des Operationsverstärkers, Fig. 7 einen elektrischen Zweipol in Form einer Eapazität C, die die Erdkapazität C'hat, Fig. 8 einen elektrischen Zweipol zur Nachbildung eines ohmschen Widerstandes, bei dem die Erdkapazitäten C' auftreten, 2 Fig. 9 die Schaltung für einen Schalterkondensator-Hochpaß, der an einer Spannungsquelle UO mit dem getakteten Innenwiderstand CO und dem getakteten Lastwiderstand CL betrieben wird; am Lastwiderstand CL liegt dabei die Ausgangsspannung UL, Fig. 10 das elektrische Ersatzschaltbild der in Fig. 9 gezeigten Schaltung unter Berücksichtigung der Erdkapazitäten, Fig. 11 die Realisierung zweier schwebender Parallelresonanzkreise mit Kompensation der parasitären Erdkapazitäten, Fig.12 eine Schaltung zur Herausführung des reflektierten Signals durch die nach Art einer Weichenschaltung ein Ubertragungsverhalten erreicht werden kann, das invers ist zum Ubertragungsverhalten des in der Schaltung angeschlossenen Filters.
  • Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist zu erkennen ein Operationsverstärker 10, dessen nicht invertierender Eingang 12 auf Bezugspotential, im vorliegenden Fall auf Massepotential 18., geschaltet ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist mit 13 bezeichnet, sein invertierender Eingang mit 11,und zwischen Ausgang 13 und invertierendem Eingang 11 liegt der Kondensator 14, von dem als bevorzugte Ausbildungsform angenommen sei, C daß er den Kapazitätswert ; hat. Im Zuge der Schaltung sind weiter zu erkennen die Schalter S13, S14, S15, S16 und S23, von denen der Schalter S13 auf einen Schaltungsknoten 19 und die Schalter S15 und S16 auf einen Schaltungsknoten 20 führen. Der Schaltungsknoten 19 und der Schaltungsknoten 20 stehen Uber den Schalter S14 in Verbindung und es liegt weiterhin zwischen dem Schaltungsknoten 19 und Massepotential 18 ein Kondensator 16, während zwischen dem Schaltungsknoten 19 und Bezugspotential 18 ein Kondensator 15 liegt. Das dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel, nämlich die Nachbildung einer verlustfreien Spule ergibt sich C dann, wenn bei einem Kapazitätswert Ç des Kondensators 14 der Kapazitätswert des Kondensators 16 C 3 beträgt, wobei davon ausgegangen ist, daß der Kondensator 15 den Kapazitätswert C hat. Der Schaltungsknoten 20 ist über den Schalter S23 mit einer der oberen Eingangsklemmen 17 verbunden. Die untere Eingangsklemme ist mit 21 bezeichnet. Im vorliegenden Fall liegt also auch die Eingangsklemme 21 auf Bezugspotential 18.
  • Wenn zwischen den Klemmen 7 und 21 die Spannung U anliegt, dann fließt in die Schaltung der Strom Die Bezeichnung der Schalter ist in Fig. 1 und auch für die weiteren Figuren so gewählt, daß die Schalter S in Verbindung mit einer zweistelligen Zahl bezeichnet sind, deren zweite Ziffer übereinstimmt mit den Taktphasen, in denen diese Schalter geschlossen sein müssen.
  • Die einzelnen Taktphasen sind in Fig. 2 dargestellt, wobei davon auszugehen ist, daß die Zeiten, in denen die einzelnen Schalter geschlossen sind, durch den Zeitabschnitt kenntlich gemacht sind, der über die Bezugslinie hinausragt. Auch ist davon auszugehen, daß einzelne Taktphasen sich nicht überschneiden, wie dies beispielsweise in den Taktphasen 3, 4, 5 und 6 zu erkennen ist, bei denen Schalter mit beispielsweise der Taktphase 4 erst geschlossen werden düren, wenn mit der Taktphase 3 betriebene Schalter bereits geöffnet sind. Entsprechend gilt dies auch für die übrigen Schalter. In Fig. 2 ist auch die eingangs bereits definierte Taktperiode T zu erkennen.
  • Betrachtet man unter diesen Voraussetzungen die in Fig. 1 gezeigte Schaltung, dann ist zu erkennen, daß die Schalter S13 und 523 während der Taktphase 3, der Schalter S14 während der Taktphase 4, der Schalter S15 während der Taktphase 5 und der Schalter S16 während der Taktphase 6 geschlossen sein muß.
  • Bei der in Fig. 1 dargestellten Realisierung einer geerdeten Induktivität haben die Erdkapazitäten überhaupt keinen Einfluß, da die benötigten MOS-Kondensatoren entweder geerdet oder mit einer Elektrode an einen niederohmigen Operationsverstärkerausgang angeschaltet sind. Weiterhin liegt der nicht invertierende Eingang 11 des Operationsverstärkers stets auf Massepotential und er ist außerdem stets durch den Kondensator 14 gegengekoppelt.
  • Im elektrischen Ersatzschaltbild von Fig. 3 ist unmittelbar die Wirkung der Schaltung nach Fig. 1 zwischen den Klemmen 17 und 21 zu erkennen. Die Impedanz Z der Schaltung bestimmt sich dabei nach der Form Z = s . L = # # R, wobei weiterhin gilt Rc = T/2C, T² L = 4C. Mit s = # + jQ ist weiterhin die komplexe Frequenzvariable des Referenzfilters definiert und durch sogenannte die Größe # = I/2 . s wird die/ #-Transformation berücksichtigt, deren theoretischer Inhalt an sich bekannt ist und die auch im folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung noch erläutert wird. RC ist der sogenannte Sprungwiderstand, für den sich in der englischen Fachsprache auch der Ausdruck "step resistance" eingebürgert hat.
  • Dieser letztgenannte Vorteil bleibt auch im Ausführungsbeispiel von Fig. 4 vollständig erhalten, in der die Realisierung einer schwebenden Induktivität, also einer nicht einseitig auf Bezugspotential liegenden Induktivität, dargestellt ist. Es tritt dabei jedoch eine Impedanz von einer Spulenklemme zur Erde hinzu, die jedoch in vielen Fällen durch eine geschickte Anordnung der Gesamtschaltung oder auf jeden Fall durch den Einsatz eines zusätzlichen Verstärkers wieder eliminiert werden kann.
  • Im Ausführungsbeispiel von Fig. 4 und der zugehörigen Ersatzschaltung in Fig. 5 ist die Realisierung einer schwebenden Induktivität gezeigt. Wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits erwähnt, sind auch hier die einzelnen Schalter unmittelbar mit den Taktphasen zu erkennen, so daß diesbezüglich auch die für Fig. 1 bereits gegebenen Erläuterungen Gültigkeit haben.
  • Abweichend von Fig. 1 ist in der Schaltung nach Fig. 4, daß zwischen der Eingangsklemme 21 ein weiterer Schalter S33 angeordnet ist, über den der Schaltungsknoten 25 erreicht wird. om Schaltungsknoten 25 führt ein Schalter S456 unmittelbar zu dem auf Massepotential liegenden nicht invertierenden Eingang 12 des Operationsverstärkers 10. Der Schalter 533 wird ebenso wie der Schalter S23 während der Taktphase 3 geschlossen, während der Schalter S456 während der Taktphasen 4, 5 und 6 geschlossen ist. Zwischen dem Schaltungsknoten 25 und Massepotential bildet sich eine parasitäre Schaltkapazität aus, die gestrichelt eingezeichnet ist und deren Kapazitätswert mit C' bezeichnet ist. Für das elektrische Ersatzschaltbild von Fig. 5 gelten analog die zu Fig. 3 bereits gegebenen Erläuterungen und es sind auch dort die sich ergebenden formelmäßigen Beziehungen unmittelbar an die einzelnen Schaltelemente angeschrieben. Dementsprechend erscheint zwischen den Klemmen 17 und 21 eine schwebende Induktivität und es bildet sich zwischen der Klemme 21 und Bezugspotential ein Ableitwiderstand R' = T und dazu parallel eine parasitäre Kapazität mit dem Wert - aus.
  • Im Ausführungsbeispiel von Fig. 6 ist die Realisierung einer geerdeten Induktivität gemäß Fig. 1 mit reduzierter Aussteuerung des Operationsverstärkers gezeigt. Schaltungen dieser Art lassen sich entsprechend auch bei der Realisierung schwebender Induktivitäten gemäß Fig. 4 aufbauen. Ein Vergleich der Figuren 1 und 6 läßt erkennen, daß die dort gezeigten Schaltungen in wesentlichen Teilen übereinstimmen. Gegenüber Fig. 1 wird beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 nach dem Schalter S23 ein weiterer Schaltungsknoten 23 eingeführt, der einerseits auf den in der Taktphase 6 zu schließenden Schalter S26 und andererseits an den Kondensator 15' führt. Dem Kondensator 15' im Querzweig folgt ein weiterer Schaltungsknoten 22, von dem aus der Schalter S36 unmittelbar auf Bezugspotential 18, im Beispiel also an die Eingangsklemme 21 führt. Am Schaltungsknoten 22 liegt ein weiterer Schalter S43, der wiederum auf den Kondensator 15 führt. Analog zu den vorstehenden Ausführungen ist auch zu erkennen, daß die gegenüber Fig. 1 in Fig. 6 neu hinzugekommenen Schalter S26 und S36 während der Taktphase 6 geschlossen sind, während der Schalter S43 gleichzeitig mit den Schaltern S23 und S13 während der Taktphase 3 geschlossen ist. Die Kapazitätsverhältnisse bleiben für die verlustfreie Schaltung vollständig erhalten, Jedoch sind lediglich die Kapazitätswerte zur besseren Übersicht mit dem Faktor 2 behaftet dargestellt.
  • Die physikalische Wirkungsweise und die Vorteile,die sich mit solchen Schaltungen erzielen lassen, werden später noch erläutert.
  • Zum besseren Verständnis wird im folgenden anhand der Figuren 7 und 8 die physikalische Wirkungsweise für die in den Schaltungen verwendeten Teilschaltungen erläutert.
  • Da es sich bei SC-Filtern (Switched-Capacitor-Filter) um analoge Abtastsysteme handelt, die, wie schon erwähnt, Abtastfolgen verarbeiten, müssen Ersatzströme und Ersatzspannungen definiert werden, die nach Anwendung der bilinearen Transformation auf realisierbare, rational gebrochene Zweipol- bzw. Cbertragungsfunktionen führen. Da die Signale im allgemeinen in Form von Spannungswerten in das SC-Filter eingegeben bzw. entnommen werden, ist es besonders wichtig, eine realitätsbezogene Spannungsdefinition zu wählen, damit bei der Signalein- bzw. -auskopplung keine Kunstschaltungen benötigt werden.
  • Die Spannungen an den Kondensatoren eines Schalter-Kondensator-Netzwerks springen beim vom Taktzeitplan kontrollierten Fließen von Ladungspaketen von einem Vorherwert ub(nTg = Ub' anT auf einen Nachherwert ua (nT) = Ua.ePnT. Als Ersatzspannung, mit der wir von nun an rechnen, wird U(z) = U (z) (1) definiert. Diese Festlegung ermöglicht nicht nur die einfachste Signalein- bzw. -auskopplung, sondern erleichtert auch die Zusammenschaltung der im folgenden noch zu behandelnden Netzwerkelemente zu einem SC-Filter, Aus der Ladungsdefinition folgt die Stromdefinition I(z) = 2 z Q(z). (3) z+1 Diese Ladungs- und Stromdefinitionen sind so gewählt, daß sich mit der neuen Frequenzvariablen s p = S + jU für das am häufigsten auftretende Zweipolelement spulensparsamer LC-Filter, den Kondensator, die einfachste Realisierung im SC-Filter ergibt.
  • Im folgenden werden unter Anwendung der Spannungs- und Stromfestlegungen (1) und (3) die Zweipole Kapazität, Widerstand und Induktivität realisiert und die Einflüsse der parasitären Kapazitäten bzw. des nicht idealen Operationsverstärkers untersucht.
  • Wie bereits vorstehend erwähnt, ergeben für die in Fig. 7 gezeigte Kapazität die Definitionen (1) und (3) eine besonders einfache Realisierung der Impedanz Z(s) = 1/sC.
  • Es gilt: Q(z) = C(Ua-Ub).
  • Mit Ua , U, Ub = Uz-1 folgt Q(z) = C.U(z) (1-z 1) 2C z-1 und I(z) = . . U(z). (5) T z+1 Der Index "a" (after) bedeutet dabei den Zustand nach dem Schalten und entsprechend den Index "b" (before) den Zustand vor dem Schalten.
  • Damit wird U T z+1 Rc 1 Z = = = = . (6) 1 2C z-1 # sC Rc ist der Sprungwiderstand der Kapazität.
  • Die den schwebenden Kondensator C begleitende Erdkapazität C1 kann bereits beim Entwurf des zeit-invarianten Referenzfilters eingerechnet werden.
  • In Fig. 8 ist eine Schaltung zur Nachbildung eines Widerstandes gezeigt. Gemäß den einleitend genannten Literaturstellen läßt sich eine konstante reelle Impedanz durch einen periodisch umgepolten Kondensator realisieren. Dies erfolgt am Kondensator C durch die während der Taktphasen 1 bzw. 2 geschlossenen Schalter.
  • Ohne Berücksichtigung der Erdkapazitäten gilt zunächst U(z) = U1(z) - U2(z) und I(z) = I1(z) = - I2(Z), sowie Ub = - Ua .
  • Damit folgt Q(z) = C(Ua-Ub) = CU(1+z-1) 2C und weiter 1(z) = . U(z) U T Z = = = Rc (7) Es ist hier besonders wichtig, die den schwebenden MOS-Kondensator begleitende Erdkapazität gemäß Fig. 2 symmetrisch anzuordnen. Würde diese parasitäre Kapazität nicht symmetrisch aufgeteilt, so wiederholte sich die Topologie des Netzwerks nur mehr alle 2T Sekunden.
  • Dies wiederum hätte die Erzeugung von zusätzlichen Spiegelfrequenzen + Q + w und damit verschärfte 2 Forderungen an die zeit-invarianten Vor- bzw. Nachfilter zur Folge. Es wird deshalb im folgenden immer von symmetrisch aufgeteilten Erdkapazitäten eines periodisch umgepolten MOS-Kondensators ausgegangen.
  • Unter dieser Voraussetzung ergibt sich fUr die Anordnung in Fig. 8 die folgende Beziehung Aus dieser Leitwertmatrix läßt sich eine Ersatzschaltung ableiten, die aus einem Kreuzglied mit dem halben Sprungwiderstand (R/2) in den Linienzweigen und der Kapazität C'/2 in den Diagonalzweigen besteht. Äquivalent zu diesem Kreuzglied-Ersatzschaltbild ist bekanntlich ein überbrücktes T-Glied, das ebenfalls für Schaltungsentwürfe verwendet werden kann.
  • Dieser,durch die parasitären Erdkapazitäten hervorgerufene nicht minimalphasige Charakter des Netzwerks beeinflußt das SC-Filter praktisch nicht, da er nur in den Abschlüssen auftritt.
  • Im Gegensatz zu den eingangs genannten Literaturstellen soll hier nicht zur Realisierung eines induktiven Scheinwiderstandes eine RC-aktive Realisierung mit den vorstehend besprochenen Zweipolrealisierungen und den einleitend genannten Nachteilen nachgebildet werden.
  • Es wird vielmehr nach einer direkten Realisierung der Differenzengleichungen gesucht, die sich für den Zweipol "Induktivitätenn (vgl. Fig. 1 bis Fig. 6) ergeben.
  • U(z) 2 z-1 z-1 T Z = = # #L = # . (9) I(z) T z+1 z+1 2C Aus (9) ergibt sich mit den Definitionen (1) - (3) T z-1 2 z 1-z-1 U(z)#C = # # # # Q(z) = # Q(z) .
  • 2 z+1 T z+1 (1+z-1)² Weiters gilt Ub Q(z) = C(Ua(z) - Ub(Z)) = CU(z) (1 - (z)) . (10) Ua Durch Vergleich von (9) und (10) erhält man Ub z-2 + 3z-1 (z) = - . (11) Ua 1-z-1 D.h. es wird eine Schaltung gesucht, die die Ubertragungsfunktion (11) realisiert und die von dem die Induktivität realisierenden Kondensator ihr Eingangssignal Ua bezieht und noch vor Eintreffen des nächsten Ladungspaketes diesem die Ausgangsspannung Ub aufzwingt. Auf Grund des Nennerpolynoms N(z) = 1 - z-1 in (11) erkennt man, daß die diese Übertragungsfunktion realisierende Anordnung Integratorcharakter haben muß. Die unterschiedlichen Gewichtsfaktoren für die Vorwärtsverzögerungen können durch Ladungsverteilung bei entsprechend gewähltem C-Verhältnis realisiert werden.
  • Aus der Übertragungsfunktion (11), die bei der Realisierung einer Induktivität verwirklicht wird, kann man erkennen, daß die Spannung am Operationsverstärkerausgang Ub die Signalspannung an der Induktivität U = Ua übersteigen kann.
  • Eine Möglichkeit zur Herabsetzung von Ub um den Faktor zwei ist in der im wesentlichen bereits erläuterten Fig. 6 angegeben.
  • Die in der Schaltung in Fig. 6 auftretenden Erdkapazitäten können voll berücksichtigt werden. Bei Realisierung einer schwebenden Spule mit reduzierter Aussteuerung ist die Auswirkung der Erdkapazitäten nicht ohne weiteres zu beseitigen. Ein zusätzlicher Verstärker kann jedoch für zwei benachbarte schwebende Spulen gleichzeitig Abhilfe schaffen.
  • Die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers Ub folgt ebenso wie die Spulenspannung Ua der Signalspannung. D.h. die Sprünge im treppenförmigen Verlauf werden umso kleiner, je kleiner die Signalfrequenz relativ zur Taktfrequenz ist. Es muß zwar die Kapazität C (Fig. 4) fallweise erheblich umgeladen werden, jedoch braucht bei diesen Umladevorgängen nicht der ganze Operationsverstärker über alle Stufen hinweg einzuschwingen.
  • In den Figuren 9 und 10 ist als Realisierungsbeispiel für eine Filterschaltung eine Hochpaßschaltung vom Grad 3 gezeigt, die in ihren Längs zweigen die Konden- satoren C1 und C2 enthält und in dem dazwischenliegenden Querzweig einen Serienresonanzkreis aus den Kondensatoren C2 und Spule L. Als Schaltkapazitäten treten zusätzlich die zu den Kondensatoren C1 bis C3 gehörenden Erdkapazitäten auf die als Summenkapazität C1' + C21 + C3' parallel zum Serienresonanzkreis C2, L liegen. Die Spannungsquelle UO mit dem Innenwiderstand Rg und der Lastwiderstand RL, an dem die Ausgangsspannung UL auftritt, sind in den Figuren 9 und 10 ebenfalls zu erkennen und es sind auch deren Erdkapazitäten CO' bzw. CL über einen parallel zu den Widerständen Rg bzw. RL liegenden Ubertrager mit dem Ubersetzungsverhältnis 1 : 1 berücksichtigt. Ein Vergleich der Figuren 1, 7 und 8 mit Fig. 10 läßt unmittelbar erkennen, daß in die Schaltung von Fig. 9 die an Hand der vorstehend genannten Figuren erläuterten Schaltelemente eingefuhrt sind. Es wird also zwischen den Klemmen 17 und 21 vollständig die Spule gemäß Fig. 1 nachgebildet. Die zur Hochpaßschaltung gehörenden kapazitiven elemente C1, C2 und C3 aus der Schaltung von Fig. 10 werden auch in der realisierten Schaltung gemäß Fig. 9 unmittelbar als Kondensatoren C1, C2 und C3 an genau den gleichen Schaltungsstellen nachgebildet. Analog ist auch der Wirkwiderstand gemäB Fig. 8 für den Widerstand R0 durch den periodisch umgepolten Kondensator CO und für den Lastwiderstand RL durch den periodisch umgepolten Kondensator CL nachgebildet. Entsprechend Fig. 7 sind für die umzupolenden Schalter am Kondensator CO und am Kondensator CL die Taktphasen mit 1 und 2 bezeichnet und es sind lediglich zur Unterscheidung am Kondensator CO die Schalter mit S11 und S21 bzw. mit S12 und S22 bezeichnet. Entsprechend dazu sind die Schalter am Kondensator CL mit S31 und S41 bzw. S32 und S42 bezeichnet.
  • Die Realisierung andersartiger Filterschaltungen läßt sich in analoger Anwendung der vorstehenden Ausführungen ebenfalls erreichen, insbesondere auch durch die Anwendung von schwebenden Spulen gemäß Fig. 4, die bei der Nachbildung von Tiefpässen, Bandpässen bzw. Bandsperren angewendet werden kann.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsvariante ist in Fig. 11 für Tiefpaßschaltungen gezeigt und durch die gestrichelten Linien am Schaltungseingang und am Schaltungsausgang soll erkenntlich gemacht werden, daß lediglich ein Ausschnitt aus einer solchen Tiefpaßschaltung dargestellt ist. Nachgebildet wird dabei eine Schaltung, in deren Querzweig ein Kondensator Cc liegt und bei der zwei im Längs zweig liegende Parallelresonanzkreise nachgebildet werden müssen, wie dies durch die ebenfalls gestrichelt eingezeichneten elektrischen Ersatzschaltbilder unmittelbar zu erkennen ist. Dem in Längszweigen liegenden, mit Ca und Cb bezeichneten Kondensatoren wird dabei eine schwebende Induktivität gemäß Fig. 5 zugeschaltet, so daß unmittelbar auf die diesbezüglich gegebenen Erläuterungen zurückzugreifen ist. Zur besseren oberlicht sind die einzelnen Schalter nurmehr durch die miteingezeichneten Taktphasen kenntlich gemacht. In der Schaltung von Fig. 11 wird nun zusätzlich ein Spannungsverstärker 26 mit der Verstärkung +1 verwendet. Dieser Spannungsverstärker ist über einen Schalter S6', der in der Taktphase 6' (vgl. Fig. 2) geschlossen ist, an einen Schaltungsknoten 25 angeschaltet, an dem auch der Kondensator 15 liegt, d.h.
  • also derjenige Kondensator, der für die Induktivitätsnachbildung gemäß Fig. 4 den größten Kapazitätswert aufweist. Mit Hilfe dieser Anordnung lassen sich die bei schwebenden Induktivitäten auftretenden parasitären Ableitungsadmittanzen beseitigen.
  • Dabei wird eine neue Taktphase 6', die zwischen den Taktphasen 6 und 3 einzufügen ist, benötigt. Daß der nichtinvertierende Eingang des zusätzlichen Operationsverstärkers nicht an Masse liegt, ist hier kein echter Nachteil, da er nicht umgeschaltet wird und seine Eingangskapazität voll eingerechnet werden kann.
  • In der Schaltung von Fig. 12 wird das von einem SC-Filter reflektierte Signal als Ausgangssignal der Schaltung ausgenutzt. In der gezeichneten Schaltung ist wiederum der Signalgenerator UO zu erkennen, der über einen Schalter S53, der während der Taktphase 3 geschlossen ist, an die übrige SC-Filterschaltung angeschlossen ist. Es wird dabei der den Generatcrinnenwiderstand C0 nachbildende, periodisch umgepolte Kondensator (vgl. Fig. 9) an einen weiteren Schaltungsknoten 30 geführt. on diesem Schaltungsknoten führt der Schalter S46 zu einer Ausgangsklemme 31 und es kann zwischen der Klemme 31 und 3ezugspo+ential 18 das vom SC-Filter reflektierte Signal 9 . UO (9 = Reflexionsfaktor) abgenommen werden, wenn dafür gesorgt ist, daß der Schalter S53 während der Taktphase 3 und der Schalter S46 während der Taktphase 6 geschlossen sind. Eine solche Schaltung wirk-t also als strenge Weichenschaltung.
  • Allgemein kann also das reflektierte Signal am Ein - und Ausgang des SC-Filters ohne merklichen Zusatzaufwand zu bestimmten Zeitpunkten abgegriffen werden. Vorausetzung ist dabei, daß çom jeweiligen Tor des Filters ein nicht geschalteter kapazitiver Pfad zur Masse besteht. Diese Bedingung wird in fast allen Fällen schon wegen der Berücksichtigung der Erdkapazitäten erfüllt sein.
  • Weiters kann durch gleichartige Ausgestaltung des Lastwiderstandes mit einer zweiten Signalquelle das SC-Filter in beiden Übertragungsrichtungen simultan benützt werden. Allerdings ist die Ubersprechdämpfung zwischen beiden Ubertragungsrichtungen identisch mit der Reflexionsdämpfung des SC-Filters.
  • 8 Patentansprüche 12 Figuren Leerseite

Claims (8)

  1. Patentansprücne Elektrische Filterschaltung unter Verwendung von wenigstens einer simulierten Induktivität, die nach vorgegebenen Taktphasen gesteuerte Schalter, Kondensatoren und Verstärker enthält und bei der ein Operationsverstärker vorgesehen ist, zwischen dessen Ausgang und invertierendem Eingang ein Kondensator geschaltet ist und dessen nichtinvertierender Eingang an ein festes Bezugspotential, insbesondere Massepotential, geschaltet ist, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß vom invertierenden Eingang (11) des Operationsverstärkers (10) ein Schalter (S13) zu einem ersten Schaltungsknoten (19) führt, von dem aus ein Kondensator (16) nach Massepotential (18) geschaltet ist und ein Schalter (514) zu einem zweiten Schaltungsknoten (20) führt, von dem aus ein Kondensator (15) nach Massepotential (18) geschaltet ist, daß vom zweiten Schaltungsknoten (20) ein Schalter (sie) zum invertierenden Eingang (11) und ein weiterer Schalter (S16) zum Ausgang (13) des Operationsverstärkers (70) führt und ein weiterer Schalter (S23 zur ersten Eingangsklemme (17) führt, und daß die Schalter (513 und S23) gleichzeitig während einer Taktphase (3) schließen und in anschließenden, zeitlich nicht überlappenden Taktphasen (4, 5, 6) die Schalter (S14, S15 und S16) nacheinander geschlossen sind (Fig. 1, 2, 3).
  2. 2. Filterschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kapazitätswert des zwischen Ausgang (13) und invertierendem Eingang (11) des Operationsverstärkers (1o) liegenden Kondensators (14) den vierten Teil (C/4) des Kapazitätswertes (C) des zwischen dem zweiten Schaltungsknoten (20) und Massepotential (18) liegenden Kondensators (15) und demgegenüber der zwischen dem ersten Schaltungsknoten (19) und Massepotential (18) liegenden Kondensator (16) den dritten Teil (C/3) von dessen Kapazitätswert (c) hat (Fig. 1, 2, 3).
  3. 3. Filterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h ge k e n n z e i c h n et , daß der vom zweiten Schaltungsknoten (20) ausgehende Kondensator (15) einerseits über einen Schalter (S33 ) mit der zweiten Eingangsklemme (21)und andererseits über einen Schalter(S456) mit Massepotential (18) verbunden ist und diese beiden Schalter (S33 und S456) entsprechend während der Taktphase (3 bzw. 4, 5 und 6) nacheinander geschlossen sind (Fig. 2, 4, 5)
  4. 4. Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß vom zweiten Schaltungsknoten (20) ein Schalter (S2S)zu einem dritten Schaltungsknoten (23) führt, an dem einerseits auch der zur ersten Eingangs klemme (17) führende Schalter (S23) liegt, und andererseits ein zusätzlicher Kondensator (15') zu einem vierten Schaltungsknoten(22) führt, von dem aus einerseits ein Schalter (S43) zum zweiten Schaltungsknoten (20) und andererseits ein Schalter (536) zur zweiten Eingangsklemme (21) führt, und daß die zusätzlichen Schalter (S43, S26 und S36) entsprechend während der Taktphase (3 bzw. 6) geschlossen sind (Fig. 2, 6, 4).
  5. 5. Filterschaltung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der zusätzliche Kondensator (15') den gleichen Eapazitätswert hat wie der über den Schalter (S43) angeschaltete Kondensator (15) (Fig. 2, 6, 4).
  6. 6. Filterschaltung nach einem der vorhergehenden An-.
    sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß zur Realisierung einer allgemeinen Abzweigschaltung deren Kondensatoren als Kondensatoren (c C2, C3) nachgebildet sind, und daß in äußeren Schaltkreisen über weitere Schalter (S11, S21, S31, S41 bzw. S12, S22, S32, S42) periodisch umgepolte Kondensatoren (CO, CL) zur Nachbildung der Widerstände eingeschaltet sind und daß die Schalter (511, S21, S31, S41) während der Taktphase (1) und die Schalter (ski2, S22, S32, S42)während der Taktphase (2) geschlossen sind (Fig. 2, 9, 10).
  7. 7. Filterschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß von der zweiten Eingangsklemme (21) ein Spannungsverstärker (26) mit der Verstärkung (+1) über einen Schalter (56') an einen Schaltungsknoten (25) angeschaltet ist, an den auch der Kondensator (15) angeschaltet ist, der zur Induktivitätsnachbildung den größten Kapazitätswert aufweist, und daß der Schalter (561) während einer Taktphase (6') geschlossen ist, die unmittelbar zwischen den Taktphasen (6 und 3) auftritt (Fig. 2, 11).
  8. 8. Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß der den Generatorinnenwiderstand nachbildende periodisch umgepolte Kondensator (CO) an einen sechsten Schaltungsknoten (30) angeschaltet ist, von dem einerseits ein Schalter (S53) zur Signalspannung quelle (UO) und andererseits ein Schalter (S46) an eine Ausgangsklemme (31) führt, und daß die Schalter (S53 und 546) entsprechend in den Taktphasen (3 bzw. 6) geschlossen sind (Fig. 2, 12).
DE19792932419 1979-08-09 1979-08-09 Elektrische Filterschaltung unter Verwendung von wenigstens einer simulierten Induktivität, die gesteuerte Schalter, Kondensatoren und Verstärker enthält Expired DE2932419C2 (de)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19792932419 DE2932419C2 (de) 1979-08-09 1979-08-09 Elektrische Filterschaltung unter Verwendung von wenigstens einer simulierten Induktivität, die gesteuerte Schalter, Kondensatoren und Verstärker enthält
AT80104486T ATE4568T1 (de) 1979-08-09 1980-07-29 Elektrische filterschaltung unter verwendung von wenigstens einer simulierten induktivitaet, die gesteuerte schalter, kondensatoren und verstaerker enthaelt.
EP80104486A EP0024011B1 (de) 1979-08-09 1980-07-29 Elektrische Filterschaltung unter Verwendung von wenigstens einer simulierten Induktivität, die gesteuerte Schalter, Kondensatoren und Verstärker enthält
US06/173,759 US4364116A (en) 1979-08-09 1980-07-30 Switched-capacitor filter circuit having at least one simulated inductor
AU61178/80A AU533629B2 (en) 1979-08-09 1980-08-08 Simulated inductance
JP10841180A JPS5664515A (en) 1979-08-09 1980-08-08 Electric filter circuit including controlled switch* condenser and amplifier using at least one quasiiinductance

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19792932419 DE2932419C2 (de) 1979-08-09 1979-08-09 Elektrische Filterschaltung unter Verwendung von wenigstens einer simulierten Induktivität, die gesteuerte Schalter, Kondensatoren und Verstärker enthält

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE2932419A1 true DE2932419A1 (de) 1981-02-12
DE2932419C2 DE2932419C2 (de) 1982-10-28

Family

ID=6078100

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19792932419 Expired DE2932419C2 (de) 1979-08-09 1979-08-09 Elektrische Filterschaltung unter Verwendung von wenigstens einer simulierten Induktivität, die gesteuerte Schalter, Kondensatoren und Verstärker enthält

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JPS5664515A (de)
DE (1) DE2932419C2 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3002056C2 (de) * 1980-01-21 1985-06-27 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Elektrische Filterschaltung unter Verwendung von wenigstens einer simulierten Induktivität, die gesteuerte Schalter, Kondensatoren und Verstärker enthält

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Electornics Letters, 1. Febr. 1979, Vol. 15, No. 3, S. 87, 88 *
electronics Letters, 23. Nov. 1978, Vol. 14, No. 24, S. 788-789 *
IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. CAS-25, No. 12, Dez. 1978, S. 1039-1044 *

Also Published As

Publication number Publication date
JPS5664515A (en) 1981-06-01
DE2932419C2 (de) 1982-10-28
JPS6211812B2 (de) 1987-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0024011B1 (de) Elektrische Filterschaltung unter Verwendung von wenigstens einer simulierten Induktivität, die gesteuerte Schalter, Kondensatoren und Verstärker enthält
EP0032737B1 (de) Elektrische Filterschaltung unter Verwendung von wenigstens einer simulierten Induktivität, die gesteuerte Schalter, Kondensatoren und Verstärker enthält
DE3706104A1 (de) Verfahren und schaltungsanordnung zum multiplexen eines digital programmierbaren kapazitiven elements
DE3022252C2 (de) Elektrische Filterschaltung zur Verarbeitung analoger Abtastsignale
DE3001969C2 (de) Elektrische Filterschaltung unter Verwendung von wenigstens einer simulierten Induktivität, die gesteuerte Schalter, Kondensatoren und Verstärker enthält
DE2840346C2 (de) Aus Schaltern, Kondensatoren und Verstärkern bestehendes Filter für elektrische Schwingungen
DE3301656A1 (de) Anordnung zum simulieren elektrischer bauelemente
DE2932419A1 (de) Elektrische filterschaltung unter verwendung von wenigstens einer simulierten induktivitaet, die gesteuerte schalter, kondensatoren und verstaerker enthaelt
EP0008674B1 (de) Integrierte Filterschaltung
DE2933667C3 (de) Verlustbehafteter Abtastintegrator mit elektronischen Schaltern. insbesondere zur Realisierung getakteter aktiver Filterschaltungen
DE2838006A1 (de) Integrierte filterschaltung
DE3044724C2 (de) Verlustbehafteter Abtastintegrator, insbesondere zur Realisierung getakteter Filterschaltungen
DE3149481C2 (de) Aus Schaltern und Kondensatoren bestehende Filterschaltung für elektrische Schwingungen
DE2933643C2 (de) Abtastintegrator mit elektronischen Schaltern, insbesondere zur Realisierung getakteter aktiver Filterschaltungen
DE3132492C2 (de) Zweipfad-Filter
DE3132479C2 (de) N-Pfad-Filter unter Verwendung von Schaltern und Kondensatoren
DE3325319C2 (de) Aus Schaltern und Kondensatoren bestehende Filterschaltung unter Verwendung eines Spannungsumkehrschalters
DE2613106C3 (de) Spulenlose Filterschaltung
DE1278545B (de) Schaltungsanordnung zur impulsweisen Energieuebertragung ueber ein Reaktanznetzwerk
DE1804966C3 (de) Nach Art eines Vierpols ausgebildetes Hochpaßfilter für elektrische Schwingungen
DE3002056A1 (de) Elektrische filterschaltung unter verwendung von wenigstens einer simulierten induktivitaet, die gesteuerte schalter, kondensatoren und verstaerker enthaelt
DE3200615A1 (de) Schaltung zur simulation eines elektrischen zweipols
DE2453228A1 (de) Filterschaltung mit beidseitig geerdeten gyratoren und einer kanonischen anzahl von kapazitaeten
DE1931988B2 (de) Aus schaltern und kondensatoren bestehende schaltungsanordnung zur verzoegerung elektrischer signale
DE3314468A1 (de) Allpassfilterschaltung

Legal Events

Date Code Title Description
OAP Request for examination filed
OD Request for examination
Q176 The application caused the suspense of an application

Ref document number: 3002056

Country of ref document: DE

AG Has addition no.

Ref country code: DE

Ref document number: 3002056

Format of ref document f/p: P

D2 Grant after examination
AG Has addition no.

Ref country code: DE

Ref document number: 3002056

Format of ref document f/p: P

8339 Ceased/non-payment of the annual fee