DE3132458C2

DE3132458C2 - N-Pfad-Filter

Info

Publication number: DE3132458C2
Application number: DE19813132458
Authority: DE
Inventors: Josef Dr. 8000 München Nossek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-08-17
Filing date: 1981-08-17
Publication date: 1986-05-28
Also published as: DE3132458A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein N-Pfad-Filter unter Verwendung von Schaltern, Kondensatoren und Verstärkern, bei dem die Schalter von 3 bis N zeitlich nicht überlappenden Taktphasen gesteuert sind und bei dem eingangsseitig eine Signalspannung angelegt wird. Es ist Aufgabe der Erfindung, Filterschaltungen ab dem Grad 2 anzugeben, bei denen einerseits vorgegebene Übertragungsfunktionen realisierbar sind und andererseits die Zahl der erforderlichen Trennverstärker möglichst gering ist. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe unter anderem dadurch gelöst, daß die Signalspannung (U ↓1) in unterschiedlichen Taktphasen (1, 2, 3, 4) auf hierfür vorgesehene Kondensatoren (5, 6, 7, 8) gebracht und zu nächst gespeichert wird, durch weitere Schaltvorgänge auf weitere Kondensatoren (zB. C ↓1, C ↓2, C ↓3) transportiert wird und schließlich an den Verstärker (12) gelangt und dieser Vorgang auf einzelne Pfade (I, II, III, N) aufgeteilt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein N-Pfad-Filter gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der DE-AS 20 50 708 ist ein zeitvariantes Filter mit frequenzabhängigen Übertragungseigenschaften bekannt Dort werden unter anderem als Schaltelemente Kondensatoren und Schalter verwendet Wesentlich für dieses Filter ist jedoch, daß es zum Typ der sogenannten Resonanztransfer-Filter gehört
N-Pfad-Filter der einleitend genannten Art sind dem Grundkonzept nach durch den Aufsatz von David L.

Fried »Analog Sample-Data-Filters« bekannt geworden, der in der Zeitschrift IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-7, August 1972, S. 302 - S. 304, veröffenlicht ist. Im einzelnen wird dieser Stand der Technik anhand der F i g. 1 und 2 insofern näher erläutert, als dort auch der Erfindung zugrunde liegende Überlegungen mitgeschildert sind. Bekanntlich sind N-Pfad-Filter solche Filterschaltungen, die auch einer Integrierbarkeit zugänglich sind, so daß es also dadurch gelingt, insbesondere auf Spulen zu verzichten. Solche N-Pfad-Filter sind weiterhin auch in anderen Literaturstellen beschrieben, wie beispielsweise in dem Buch von Heinlein und Holmes »Active Filters for Integrated Circuits«, das 1974 im Oldenbourg-Verlag erschienen ist. In dieser Literaturstelle ist bereits darauf hingewiesen, daß es zur Realisierung von sogenannten N-Pfad-Filtern unter anderem auch nötig sein kann, die einzelnen Pfade schaltungstechnisch untereinander gleich auszubilden, damit die Funktionstüchtigkeit solcher Filter gewährleistet bleibt. Allerdings finden sich in dem zuletzt genannten

Buch keinerlei spezielle Hinweise auf die sogenannten Schalter-Kondensator-Filter (SCF), weil Schalter-Kondensator-Realisierungen erst durch die moderneren Technologien ermöglicht werden. Solche Schalter-Kondensator-Anordnungen, für die im angelsächsischen Sprachgebrauch auch der Ausdruck »Switched-Capacitor«-(SC)-Anordnungen üblich ist, beruhen darauf, daß es beispielsweise mit Hilfe von MOS-FET-Technologien gelingt, schnelle Schalter zu schaffen, bei denen an einer eigens dafür vorgesehenen Elektrode die Schaltspannung im Rhythmus einer regelmäßigen Taktphase (z. B. kürzer als Tbzw. kürzer als T/N) angelegt werden kann, während gleichzeitig weitere Elektroden der Signalverarbeitung zur Verfügung stehen.

Wenn man die im erstgenannten Aufsatz — was anhand der F i g. 1 und 2 noch erläutert wird — angegebenen Strukturen eingehend überprüft, zeigt sich, daß sie zur Realisierung schmaler Bandpässe an sich gut geeignet sind. Will man jedoch Filter höheren Grades unmittelbar daraus ableiten und realisieren, dann müssen Pufferverstärker verwendet werden, Verstärker also, die beispielsweise den Verstärkungsfaktor 1 haben und die lediglich der Entkopplung aufeinander folgender Stufen dienen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, als N-Pfad-Filter wirkende Filterschaltungen anzugeben, die vorgegebene Übertragungsfunktionen haben und bei denen die Zahl der erforderlichen Trennverstärker möglichst gering ist. Dies wird insbesondere durch die Wahl des Taktschemas in Bezug auf die Schaltung gewährleistet, so daß also Filterschaltungen ab dem Grad 2 für den einzelnen Pfad möglichst mit nur einem Verstärker realisierbar sind.

Diese Aufgabe wird mit den im ersten Patentanspruch angegebenen Mitteln gelöst
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere zur Realisierung schmaler Bandfilterschaltungen in den

Unteransprüchen angegeben.

An Hand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert

Es zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 eine J?C-Ausführungsform mit de.- zugehörigen Übertragungsfunktion sowie die zugehörige Schalter-Kondensator-Ausführungsform mit dem Taktplan für die Taktphasen 1 und 2;

F i g. 2 einen mehrstufigen Aufbau unter Verwendung von Pufferverstärkern, der sich aus F i g. 1 ergibt mit einem Kondensator als Gegenkopplung zwischen dem Ausgang und der vorletzten Stufe;

F i g. 3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform für die vier Pfade 1 bis IV und den zugehörigen Taktplan mit den Taktphasen 1 bis 4.

In Fig. 1 ist gewissermaßen gemäß der eingangs genannten Literaturstelle »IEEE Journal of Solid State Circuits« ein ÄC-Zweitor dargestellt, bei dem im Eingangslängszweig der Widerstand R und im darauffolgenden Querzweig ein Kondensator C geschaltet sind. Die Eingangssignalspannung ist mit U\, die Ausgangssignalspannung ist mit U₂ bezeichnet und die zugehörige Übertragungsfunktion U₂ZUt = 1/(1 + sCR) ist ebenfalls angegeben, wobei s die komplexe Frequenz darstellt. Durch den Doppelpfeil ist kenntlich gemacht, daß ein zugehöriges Schalter-Kondensaor-Konzept jeweils in Querzweigen einen ersten Kondensator Qa und einen zweiten Kondensator Chat Diese Kondensatoren sind durch Schalter in den Längszweigen verbunden, so daß also im Eingangs- und im Ausgangslängszweig Schalter mit gleichen Taktphasen 1 zum Beispiel geschlossen (bzw. offen) sind, wenn der die Kondensatoren Ox und C verbindende Kondensator während der Taktphase 2 offen (bzw. geschlossen) ist Dieses Konzept ist unmittelbar auch dem zugehörigen Taktplan mit den Taktphasen 1 und 2 zu entnehmen, wo auch dargestellt ist, daß diese Taktphasen innerhalb einer Taktperiode Tgegeneinander verschoben sind, sich jedoch nicht überlappen.

F i g. 2 zeigt die unmittelbare ÄC-Ausführung für den Fall, daß mehrere Stufen unter Verwendung einer Gegenkopplung gewissermaßen in Kette geschaltet werden.

Die Eingangsspannung ist wiederum mit U\ und die Ausgangsspannung mit U₂ bezeichnet, die dazwischen liegenden Pufferverstärker haben den Verstärkungsfaktor 1, so daß sich nach dem ersten Verstärker die Spannung t/'und nach dem zweiten Verstärker die Spannung U"ausbildet. Vor dem zweiten Verstärker ist also Gegenkopplungskondensator Cangeschaltet, der unmittelbar mit dem Ausgang des dritten Verstärkers verbunden ist, das heißt also mit dem Filterausgang.

F i g. 3 zeigt nun ein erfindungsgemäßes A/-Pfad-Filter, das als dreistufiges Filter mit N=4 Pfaden aufzufassen ist. In F i g. 3 sind die einzelnen Pfade mit 1 bis IV bezeichnet, wobei eingangsseitig die Spannung U\(n ■ T/N) anliegt und ausgangsseitig die Spannung U₂(n ■ T/N) abgenommen wird. Für die einzelnen Pfade sind die Schalter symbolisch in der Art von MOS-FET-Transistoren so dargestellt, daß die ebenfalls miteingezeichneten Taktphasen 1,2,3,4 die Schalter in diesen Taktphasen sschließen. Der Taktplan für die Schaltphasen 1 bis 4 ist in Abhängigkeit von der Zeit t ebenfalls dargestellt und es endet somit eine Gesamttaktperiode nach der Zeit T. Dieser Vorgang wiederholt sich selbstverständlich periodisch.

Im Filter selbst sind die Kondensatoren 5, 6, 7 und 8 zu finden,.die dem Kondensator CIx von Fig. 1 entsprechen. Weiterhin sind zu finden die Speicherkondensatoren Q, C2 und C₃, so daß also auch in dieser Hinsicht die Pfade untereinander gleichartig ausgebildet sind. Im ersten Pfad I wird der Speicherkondensator C\ während der Taktphase 2, der Speicherkondensator C₂ während der Taktphase 3 und der Speicherkondensatcr d während der Taktphase 4 an den Kondensator 5 geschaltet. Entsprechend ändert sich dies in den Pfaden 11 bis IV, so daß also dort die Taktphasen 3,4,1 für den Pfad II, bzw. 4,1,2 für den Pfad III, bzw. 1,2,3 für den Pfad IV die Speicherkondensatoren Q bis C₃ an die Kondensatoren 6 bzw. 7 bzw. 8 anschalten. Im Filtereingang finden sich für die einzelnen Pfade die Schalter mit den Taktphasen 1,2,3,4, in denen entsprechend die Kondensatoren 5 bzw. 6 bzw. 7 bzw. 8 an den Filtereingang angeschaltet sind. In der Reihenfolge 3,4,1,2 wird der jeweils letzte Speicherkondensator C₃ der Pfade 1 bis IV an den Filterausgang geschaltet. Das beschriebene System läßt sich also in entsprechender Weise auch auf Filter mit mehr als N-A Pfaden erweitern. Wie im Pfad I ebenfalls kenntlich gemacht ist, bildet sich entsprechend F i g. 2 am Speicherkondensator C\ die Spannung U' und am Speicherkondensator C₂ die Spannung U" aus. Es erscheint dementsprechend auch eine Ausgangsspannung U₂ jeweils an den Speicherkondensatoren C₃.

Wie Fig.3 weiter zu entnehmen ist, erscheint am Ausgang des Filters nur noch ein Verstärker, der im Ausführungsbeispiel als Operationsverstärker 12 ausgebildet ist. Der Verstärker 12 hat den Verstärkungsfaktor v= +1, sein nicht invertierender Eingang (+) ist mit der Bezugsziffer 13 bezeichnet, während sein invertierender Eingang (—) zugleich den Ausgang 11 des Operationsverstärkers 12, bzw. zugleich auch die Ausgangsklemme 14 des gesamten Filters darstellt. Die Kondensatoren 5, 6, 7, 8 und auch die Speicherkondensatoren C\ und C₃ liegen genau so wie die zweite Ausgangsklemme des Filters auf Bezugspotential 10. Die Speicherkondensatoren C₂ liegen mit einer ihrer Elektroden in der bereits beschriebenen Weise an den ihnen jeweils vorgeschalteten Schaltern mit'der Taktphase 3 im Pfad I bzw. mit der Taktphase 4 im Pfad 11, bzw. mit der Taktphase 1 im Pfad III und schließlich mit der Taktphase 2 im Pfad IV. Ihre andere Elektrode liegt am Ausgang 11 des Operationsverstärkers 12 bzw. am Filterausgang 14.

Zur physikalischen Wirkungsweise sei ergänzend für ein solches Filter mit Tiefpaßpfaden roch auf folgendes hingewiesen.

Wird der am Ausgang des Schalter-Kondensator-/V-Pfad-Filters von F i g. 1 geschaltete Entkoppelverstärker in die Filterschaltung mit einbezogen, so ist die Nachbildung des Referenz-Tiefpasses von F i g. 2 möglich. Es ist damit eine Ebnung des Durchlaßbereiches möglich.

Die Uberii agüiigsfüiikiiüii isi die eines Poienz-Tiefpasses vom Grad 3 und lautet

U\ ~ (SCR? + 2 (sCRf + 2 sCR + 1

Die entsprechende Schalter-Kondensator-Realisierung findet sich in Fig.3, wobei die beiden ersten Trennverstärker wieder auf Grund des angegebenen Taktplanes entfallen können. Die Gesamtübertragungsfunktion lautet

U₁ ₌ α'(α+\)

pi

ζ = e ^N.

15 Um die geringe Toleranzempfindlichkeit eines solchen schmalen Bandpasses zu demonstrieren, wurde ein Beispiel durchgerechnet, und es zeigt, daß für eine 3-dB-Bandbreite BBz = 120 Hz bei einer Mittenfrequenz von /„,=65,925 kHz (relative Bandbreite ist BB₃Zf_n,= l,82%o) sich aus diesen Werten ein C-Verhältnis von oc= ergibt. Auch zeigt sich, daß die Mittenfrequenz von den Dimensionierungsparameter « und V tatsächlich unabhängig ist, und daß auch die Auswirkungen von λ bzw. V-Toleranzen relativ gering sind.

20

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. N-Pfad-Filter mit Schaltern, die nicht dem Resonanztransfertyp angehören. Kondensatoren und Verstärkern, bei dem die Schalter von 3 bis N zeitlich nicht überlappenden Taktphasen gesteuert sind und bei dem eingangssseitig eine Signalspannung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannung (Ui) in der ersten Taktphase (1) einem eingangsseitig mit Massepotential (10) verbundenen Kondensator (5) des ersten Pfades (I) aufgeprägt wird, daß sich dieser Kondensator (5) in der darauffolgenden Taktphase (2) mit dem ersten Speicherkondensator (Ci), dessen zweite Elektrode entweder mit Massepotential (10) oder mit dem Ausgang (11) eines Verstärkers (12) verbunden ist, ausgleicht und gleichzeitig dem Kondensator (6) des zweiten Einzelpfades (H) die Signalspannung (U\) aufgeprägt wird, daß der Kondensator (5) in der dritten Taktphase (3) sich mit dem zweiten Speicherkondensator (C₂), dessen zweite Elektrode entweder mit dem Ausgang (U) des Verstärkers (12) oder mit Massepotential (10) verbunden ist, ausgleicht und der Kondensator (6) des zweiten Einzelpfades (II) sich mit dessen erstem Speicherkondensator (Ci) ausgleicht und gleichzeitig der Kondensator (7) des dritten Einzelpfades (III) die Signalspannung (U\)

aufgeprägt erhält, daß sich dieser Vorgang bis zur N-ten Taktphase wiederholt, und daß während jeder Taktphase der jeweils letzte Speicherkondensator (C₃) von jeweils nur einem einzelnen Pfad (I, II, III,... N) in einer zyklischen Abfolge mit dem Eingang (13) des Verstärkers (12), und dessen Ausgang (11) mit der Ausgangsklemme (14) des Filters verbunden wird.

2. N-Pfad-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Einzelpfade (I, II, HI, IV) mit jeweils drei Speicherkondensatoren vorgesehen sind, deren erste Elektroden über je einen gesteuerten Schalter mit der Signalspannung (U_t) verbindbar sind und von denen der jeweils erste (Ci) und dritte Kondensator (C₃) an seiner zweiten Elektrode mit Massepotential verbunden ist, während die zweite Elektrode des jeweils zweiten Kondensators CC₂) mit dem Ausgang (11) des Verstärker (12) verbunden ist und jeweils ein von vier Taktphasen (1,2,3,4) geschalteter Kondensator (5,6,7,8) vorgesehen ist

3. N-Pfad-Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Speicherkondensatoren (C\, Ci, C₃) den gleichen Kapazitätswert (Q = C₂ - C₃) haben.

4. N-Pfad-Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (12) den Verstärkungsfaktor 1 (V= +1) hat

5. N-Pfad-Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein gegengekoppelter Operationsverstärker ist