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Elektrische Filterschaltung bestehend aus
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CTD-flementen Die Erfindung betrifft eine elektrische Filterschaltung,
bestehend aus CTD-Llementen unidirektionalen Ubertragungsverhaltens mit einer oder
mehreren in sich geschlossenen Leiterschleifen, die das frequenzabhängige Übertragungsverhalten
der Filterschaltung bestimmen und bei der die einzelnen Leiterschleifen über Koppelschaltungen
miteinander gekoppelt sind.
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CTD-Eilterschaltungen der vorbezeichneten Art sind beispielsweise
aus den Deutschen Patentschriften Nr.24 53 669 und Nr.25 34 319 bereits bekannt
geworden. In diesen Druckschriften ist auch darauf hingewiesen, daß unter CTD-Leitungen
einerseits sogenannte BBD-Anordnungen (Bucked Brigade Devices), also sogenannte
Eimerkettenschaltungen, und andererseits auch sogenannte CCD-Anordnungen (Charged
Coupled Devices) zu verstehen sind.
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CCD-Schaltungen sind solche Einrichtungen, die nach dem Prinzip der
gekoppelten Ladungen arbeiten. Als
übergeordneter Begriff für diese
beiden Schaltung arten hat sich die Bezeichnung "CTD"-Linrichtung (Charge Transfer
Devices) eingebürgert, und es ist für diese CTD-Leitungen charakteristisch, daß
sie aus einer größeren Anzahl, also beispielsweise n einzelnen CTD-Elementen bestehen,
die als vollintegrierbare Gesamtanordnung realisiert werden können. Bekanntlich
müssen solche CTD-Anordnungen über ein Takt signal mit einer vorgebbaren Taktfrequenz
fT betriebenrden, wobei das Taktsignal den einzelnen Umladekondensatoren zugeführt
wird. In der Praxis werden dabei sogenannte blehrphasen-CTD-Anordnungen bevorzugt,
deren Taktsignale zueinander phasenverschoben sind, derart, daß benachbarte Umladekapazitäten
mit phasenverschobenen Takten betrieben werden. wenn man demzufolge ein sogenanntes
p-Phasentaktsystem (p=2,3,4..) verwendet, dann besteht ein CTD-Element aus p benachbarten
Umladekapazitäten.
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In den vorgenannten Patentschriften sind nun Filterschaltunren angegeben,
bei denen solche CTD-Leitungen zu einem in sich geschlossenen resonanzfähigen lting
geschaltet sind, wobei die esonanzfrequenz dieser Ringe unmittelbar von der Anzahl
n der für die in sich geschlossenen Leiterschleife verwendeten CTU-Leitung elemente
und der Taktfrequenz bestimmt wird. Für die Filtercharakteristik ist mitbestimmend
das Verhältnis der Umladekapazitäten der in der Ausgangsleitung verwendeten CTDAnordnung
zu der Umladekapazität der in der geschlossenen Leiterschleife verwendeten CTDAnordnung.
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Es sind weiterhin auch Ein- und Auskoppelschaltungen eezeigt, die
bei der ttealisierung von CTD-Filterschaltungen verwendet werden können, auch ist
angegeben, wie bei der Bemessung solcher Schaltungen vorzugehen ist. Unter anderem
ist auch darauf hingewiesen, daM solche Filterschaltungen vor allem einem vollintegrierten
aufbau zugänglich sein sollen, so daß unter l3erticksichtigalng die-
ses
Konzepts das Bestreben besteht, für die kopplung der einzelnen Leiterschleifen geeignete
Schaltungsstrukturen vorzusehen.
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Der Erfindung, liegt die aufgabe zugrunde, Koppelschaltungen anzugeben,
bei denen einerseits das unidirektionale Übertragungsverhalten der CTD-Leitungen
berticksichtigt ist und die zugleich auch einer integrierten Realisierung zugänglich
sind.
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Gemäß der Erfindung wird für die einleitend genannte Filterschaltungen
diese Aufgabe in der eise gelöst, daß die einzelne lioppelschaltung als Schaltungsstruktur
mit Gyratorverhalten ausgebildet ist, und daß die Gyratorschaltung aus Schaltungsstrukturen
besteht, die floatende Elektroden enthalten.
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in den Ausführungsbeispielen der beigefügten Zeichnungen wird die
Erfindung nachstehend noch näher erläutert.
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Es zeigen in der Zeichnung Fig. 1 im Blockschaltbild eine erfindungsgemäße
Schaltungsstruktur; Fig.2 Gleichungssysteme für Strukturen nach Fig.1 und Fig.3;
Fig.3 eine aus den Gleichungssystemen aus Fig.2 resultierende Struktur und die zugehörige
Bemessung; Fig.4 eine CTD-Resonatorschaltung mit Gyratorstrukturen als Noppelschaltung;
Fig.5 die zu Fig.4 gehörige charakteristische Funktion und die 3-dB-Bandbreitenbeziehung,
wodurch sich die Realisierung allgemein auf bekannte Bemessungsvorschriften für
elektrische Filter zurückführen läßt;
Fig.6 ein Realisierungsbeispiel
für einen Gyrator nach Fig.3, das dem Grundkonzept nach die integrierte Realisierungsmöglichkeit
erkennen läßt, jedoch kein technisches Layout darstellt.
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In der Schaltung von Fig.l sind zwei in sich geschlossene Leiterschleifen
aus CTD-Elementen zu erkennen, die mit R und R bezeichnet sind. Durch die miteingetra-0
genen pfeile ist das unidirektionale übertragungsver halten kenntlich gemacht und
es ist die Wirkungsweise solcher Schaltungen in den einleitend erwähnten Patentschriften
bereits erläutert. Die in sich geschlossenen Leiterschleifen R und R sind nun über
eine Schaltungs-0 struktur G miteinander verknüpft, die, wie nachstehend noch erläutert
wird, Gyratorstruktur hat. Auch ist gezeigt, daß dem ?resonator R eine weitere Gyratorschal-0
tung G vorgeschaltet und dem Hesonator R eine Gyrator-0 struktur G1 nachgeschaltet
ist, und daß sich, wie gestrichelt kenntlich gemacht, an die beiden Koppelschaltungen
G und G1 weitere in sich geschlossene Leiter-0 schleifen angekoppelt sein können.
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Zum Verständnis genügt es hier, lediglich die Koppelschaltung G zu
betrachten. Es sind die in die Koppelschaltungen einlaufenden Signalwellengrößen
mit u 1 und U2 bezeichnet, die aus der Koppelsohaltung auslaufenden Signalwellengrößen
mit v1 und v2, wobei diese Wellen größen die Dimension einer elektrischen Spannung
haben.
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Fig.2 enthält im linken Teil die Gleichungen der Streumatrix, die
die Größen v1 und v2 mit den Größen u1 und U2 verknüpfen. Die Gyratorschaltung G
soll nun den linken Teil des Gleichungssystems von r'ig.2 erfüllen und es wird zunächst
die Größe K, als Hilfgröße betrachtet.
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Bei der Erfindung wird nun von folgender Uberlegung ausgegangen. Wandelt
man die mit dem linken Gleichungssystem von Fig.2 gegebene Streumatrix in die Betriebskettenmatrix
um, dann läßt sich zeigen, daß deren Determinante den Wert -1 hat. Mit anderen Worten
heißt das, daß eine solche Schaltungsstruktur Gyratorverhalten zeigt, bzw. als Gyrator
aufzufassen ist.
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Im rechten Teil des Gleichungssystems von Fig.2 sind die Aus- bzw.
Eingangsgrößen v1, v2 bzw. u1, u2 zunächst formal über Kapazitätsverhältnisse darstellende
Faktoren cl/c3 und c2/c3 sowie eine Größe K = 1 -miteinander verknüpft.
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Fig.3 zeigt als Beispiel eine Gyratorschaltung G, mit der das rechte
Gleichungssystem von Fig.2 realisiert werden kann. Es werden CTD-Leitungen verwendet,
deren Umladekapazitäten c1, c2 und c3 unmittelbar an den einzelnen Leitungsabschnitten
in Fig.3 angeben sind und deren Ubertragungsrichtung ebenfalls durch die miteingetragenen
Pfeile unmittelbar zu erkennen ist.
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Die Ein- und Ausgangssignale u1, u2, v1, v2 stehen an den CTD-Leitungsabschnitten
mit der Umladekapazität c3 an. Diese Leitungsabschnitte sind nach Art eines Querzweiges
über CTD-Leitungen mit der Umladekapazität c2 verbunden, wobei im linken Schaltungsabschnitt
die Ubertragungsrichtung der Leitung c2 entgegengesetzt ist zu der im rechten Schaltungsabschnitt.
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Verfolgt man den Signalweg der Signale u1 und u2, dann ist zu erkennen,
daß sie an den Punkten 4 und 4' verzweigt und einerseits auf die bereits besprochenen
Leitungen mit den Umladekapazitäten c2 gegeben werden.
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Andererseits sind an die Punkte 4 und 4' weitere CTD Leitungen angeschaltet,
die die Umladekapazität c1
haben und deren mit eingetragene Übertragungsrichtung
auf die mit S bezeichneten Senken frihrt. Solche Senken haben die Charakteristik
eines ohmschen abschlußwiderstandes und sind beispielsweise aus dem Buch "Charge
Transfer Devices" (M.S.Tompsett, C.H.Séquin, Academic Press, Inc., New York, San
brancisco, London 1975) für sich bekannt. Weiterhin sind zu erkennen zwei mit Q
bezeichnete Punkte, bei denen es sich um sogenannte Quellen handelt, das heißt also
um Anordnungen, die zur Erzeugung von Ladungspaketen geeignet sind. Schaltungsstrukturen
zur erzeugung solcher Quellen si.ld ebenfalls aus dem vorgenannten Buch bekannt.
Von den Punkten Q führen CTD-Leitungen, die wiederum die Umladekapazität c1 haben,
zu den Punkten 5 und 5', an denen einerseits die CTD-Leitungen mit der "mladekapazität
c2 einmünden und andererseits die die Signale v1 und v2 führenden Leitungen mit
der Umladekapazität c3 wegführen. Symbolisch sind ferner dargeste~lt floatende Elektroden,
die mit 1, -1 und 1-E bezeichnet ind. t;s handelt sich dabei gewissermaßen um angekeppelte
1eitungsabschnitte, deren Spannungsver@tärkungsfaktor 1 bzw. -1 bzw. 1- ist.
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In Fig.3 sind unmittelbar auch die Beziehungen angegeben, über die
die Umladekapazitäten c1 bzw. c2 bzw.c3 und die Größe # mit der Größe K verknüpft
sind und es kann entsprechend den einleitend genannten Patentschriften die Umladekapazität
der einzelnen Leitung auch als wellenleitwert aufgefaßt werden, wenn hinsichtlich
der elektrischen trsatzvorstellung in Leitungsersatzschal tungen gedacht wird. Auch
für CTD-Leitungen läßt sich danach ein Phasenmaß b angeben, jedoch ist in rig.3
deshalb keinerlei Phasenmaß angegeben, weil die Schaltung kein Resonanzverhalten
zeigt und die Phasenbeziehungen zeine Einfluß auf die Bemessungsformeln haben,
sofern
alle möglichen Leitungswege zwischen den Punkten 4, 4', 5, 5' untereinander das
gleiche Phasenmaß haben.
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In der Schaltung von Fig.4 sind zwei Gyratoren G über CTD-Leitungen
mit der Umladekapazität c3 in Kette geschaltet und es ist dieser Schaltungsabschnitt
entsprechend teig.1 mit R bezeichnet. Im übrigen sind auch in Fig.4 wirkungsgleiche
Elemente mit den gleichen Bezugshinweisen versehen, so daß die vorstehenden Ausführungen
sinngemäß Gültigkeit haben. Lediglich zur Unterscheidung von der einfachen Schaltung
in Fig.3 sind die Ein- und Ausgangsgrößen mit einer Apostrophierung versehen, so
daß also die an den Ein-und Ausgangsleitungen mit der Umladekapazität c3 ein-bzw.
auslaufenden Signalwellengrößen mit u1', u2' bzw.
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v1, , v2, bezeichnet sind. Gibt man den in den Gyratorschaltungen
G vorgesehenen Leitungsabschnitten c1 eine solche elektrische Länge, daß sie das
Phasenmaß b/2 haben, den Leitungen c2 das Phasenmaß b und den Verbindungsleitungen
im Schaltungsabschnitt R mit der Umladekapazität c3 eine solche elektrische Länge,
daß sie das Phasenmaß g-b haben, dann ist die in tig.4 gezeichnete Schaltung ein
CTD-Resonator für beide Mbertragungsrichtungen, wie sie durch die eingezeichneten
Pfeile kenntlich gemacht sind.
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Mit Hilfe der in ig.5 angegebenen Formeln kann nun der CTD-Resonator
nach Fig.4 ganz allgemein bemessen werden. Mit f als nesonanzfrequenz und f als
laufen-0 de Frequenzvariable sind die Frequenzparameter festgelegt. Das Verhältnis
v1'/v2' liefert die charakteristische Funktion P , wenn dabei die Größe u2' zu Null
gesetzt wird. Die charakteristische Funktion ist bekanntlich in der iltertheorie
eine dem bchaltungsentwurf
dienende Bemessungsgröße. Schließlich
ist in Fig.5 auch die Beziehung für die 3-dB-Bandbreite B3dB ange-' geben, die wiederum
die Verbindung zu der in Fig.2 definierten nilfsgröße 8 und zum Gleichungssystem
von big.3 herstellt. Es zeigt sich damit, daß die Schaltung nach Fig.4 alle Ligenschaften
einer Reaktanzschaltung hat.
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In Fig.6 sind zum besseren Verständnis, jedoch nicht als technisches
Layout die in Fig.3 lediglich schematisch dargestellten Schaltungsstrukturen unmittelbar
als Kapazitätsbeläge der CTD-Leitungen gezeichnet. Es sind zu erkennen die mit 4
bzw. 4' und 5 bzw. 5' bezeichneten Verzweigungspunkte, zwischen denen CTD-Leitungsabschnitte
mit der Umladekapazität c2 liegen, ebenso die die Eingangs- bzw. Ausgangssignalspannungen
u1 v1 bzw. u2, v2 führenden Leitungsabschnitte mit der Umladekapazität c3. Ferner
sind zu erkennen die beiden mit S bezeichneten Senken, an die die beiden Leitungen
der Umladekapazität c1 herangeführt sind, und schließ~ lich das zweite Leitungspaar
mit der Umladekapazität c1, bei dem d i e die Ubertragungsrichtung zur Verzweigung
5 bzw.5' zeigt. Bei den mit Q bezeichneten Abschnitten handelt es sich um Strukturen,
die, wie bereits erwähnt, geeignet sind, Ladungspakete zu erzeugen. Die in Fig.3
allgemein dargestellten Quellen Q sind zur besseren Übersicht in Fig.6 als jeweils
zwei Quellen dargestellt und demzufolge in Q1, Q1,, Q2, Q2' unterteilt. Es werden
nun die mit 6 und 7 bezeichneten floatenden Elektroden vorgesehen, die die an den
CTD-Leitungen herrschende Signalspannung gewissermaDen 'gbfühlen", derart, daß in
den den Quellen Q in Pfeilrichtung nachfolgenden CTD-Leitungen eine Ladung entsprechend
dieser Spannung erzeugt wird. Der Verstärkungsfaktor 1-# wird an den Stellen erreicht,
an denen die Umladekapazitäten <c
sind, der Verstärkungsfaktor
1 wird erreicht an den Stellen, an denen die Umladekapazitäten wiederum den ert
c1 haben. Entsprechend gilt dies auch für den mit -1 eingetragenen anschnitt, dessen
Realisierung entsprechend einer älteren Anmeldung (P 29 36 731.5) erfolgen kann.
Wie bereits erwähnt, ist das Vorzeichen der übrigen Verstärkungsfaktoren 1 und 1-h
positiv, was dadurch erreicht wird, daß die entsprechenden Abschnitte der floatenden
elektroden den Quellen Q1' und Q2 direkt benachbart sind, während bei der Quelle
Q2' zur Erzielung des Verstärkungsfaktors -1 ein Kapazitätsbelag mit der Umladekapazität
c1 zwischen der ltuelle k2' und dem zugehörigen Abschnitt der floatenden Elektrode
7 liegt.
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Wie bereits erwähnt, lassen sich mit den gezeigten Schaltungen auch
Filterschaltungen mit einer größeren Anzahl von {esonanzkreisen aufbauen, da entsprechend
den in big.5 dargestellten Beziehungen ihre Bemessung auf bekannte Bemessungsvorschriften
aufgebaut werden kann. Erwähnenswert ist auch, daß die erforderlichen Verstärkungsfaktoren
nicht größer als 1 sind, was insbesondere der Stabilität der gesamten Schaltung
zugute kommt.
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1 Patentanspruch 6 figuren
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