DE3132479A1 - N-pfad-filter unter verwendung von schaltern und kondensatoren - Google Patents

N-pfad-filter unter verwendung von schaltern und kondensatoren

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H19/00Networks using time-varying elements, e.g. N-path filters
    • H03H19/002N-path filters

Landscapes

  • Filters That Use Time-Delay Elements (AREA)
  • Networks Using Active Elements (AREA)

Description

  • N-Pfad-Filter unter Verwendung von Schaltern und
  • Kondensatoren Die Erfindung betrifft ein N-Pfad-Filter unter Verwendung von Schaltern und Kondensatoren, bei dem die Schalter von drei bis N zeitlich nicht überlappenden Taktphasen gesteuert sind, und bei dem eingangsseitig eine Signalspannung angelegt wird.
  • N-Pfad-Filter der vorgenannten Art sind dem Grundkonzept nach durch den Aufsatz von David L.Eried "Analog Sample-Data-Filters" bekannt geworden, der in der Zeitschrift IEEE Journal of SolidState Circuits, Vol. SC-7, Augttst 72, S.302-304, veröffentlicht ist. Im einzelnen wird dieser Stand der Technik anhand der Figuren 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 speziellen 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 T bzw. 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 Figuren 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, ohne daß solche Trennverstärker erforderlich sind. Dies wird insbesondere durch die Wahl des Takt schemas in Bezug auf die Schaltung gewährleistet, so daß also Filterschaltungen ab dem Grad 2 für den einzelnen Pfad ohne Verwendung von Verstärkern realisierbar sind.
  • Gemäß3 der Erfindung wird diese Aufgabe für die einleitend genannten Filterschaltungen in der Weise gelöst, daß die Signalspannung in der ersten Taktphase einem Kondensator des ersten Pfades aufgeprägt wird, daß sich dieser Kondensator in der darauffolgenden Takt phase mit dem ersten Speicherkondensator ausgleicht und gleichzeitig dem Kondensator des zweiten Einzelpfades die Signalspannung aufgeprägt wird, und daß der Kondensator weiterhin in der dritten Taktphase sich mit dem zweiten Speicherkondensator des ersten Einzelpfades ausgleicht und der Kondensator des zweiten Einzelpfades sich mit dessen erstem Speicherkondensator ausgleicht und gleichzeitig der Kondensator des dritten Einzelpfades die Signalspannung aufgeprägt erhält, daß sich dieser Vorgang bis zur N-ten Taktphase wiederholt, und daß während jeder Taktphase der jeweils letzte Speicher-Kondensator von jeweils nur einem einzelnen Pfad in einer zyklischen Abfolge mit dem Ausgangsklemmenpaar verbunden wird.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere zur Realisierung schmaler Bandfilterschaltungen in den Unteransprüchen angegeben, An Hand von Ausfiihrungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.
  • Es zeigen in der Zeichnung Fig. 1 eine RC-Ausführungsform mit der zugehörigen Übertragungsfunktion sowie die zugehörige Schalter-Kondensator-Ausführungsform mit dem Taktplan für die Taktphasen 1 und 2; Fig. 2 einen mehrstufigen Aufbau unter Verwendung von Pufferverstärkern, der sich aus Fig. 1 ergibt; Fig. 3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform fitr die vier Pfade I bis IV und den zugehörigen Taktplan mit den Taktphasen 1 bis 4.
  • In Fig.1 ist gewissermaßen gemäß der eingangs genannten Literaturstelle "TEER Journal of Solid State Circuits ein RC-Zweitor dargestellt, bei dem im Eingangslängszweig der Widerstand R und im darauffolgenden Querzweig ein Kondensator C geschaltet sind. Die Eingangssignalspannung ist mit U1, die Ausgangssignalspannung ist mit U2 bezeichnet und die zugehörige Übertragungsfunktion U2/U1 = 1/(1+sCR) ist ebenfalls angegeben, wobei s die komplexe Frequenz dargestellt. Durch den.Doppelpfeil ist kenntlich gemacht, daß ein zugehöriges Schalterkondensatorkonzept jeweils in querzveigen einen ersten Kondensator C/& und einen zweiten Kondensator C hat.
  • Diese Kondensatoren sind durch Schalter in den Längszweigen verbunden, so daß also im Bingangs- und im Ausgangslängszweig Schalter mit gleichen Taktphasen 1 zum Beispiel geschlossen (bzw. offen) sind, wenn der die Kondensatoren C/ 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 T gegeneinander verschoben sind, sich jedoch nicht überlappen.
  • Fig.2 zeigt die unmittelbare RC-Ausfuhrung für den Fall, daß mehrere Stufen in Kette geschaltet werden. Die Eingangsspannung ist wiederum mit U1 und die Ausgangsspannung mit U2 bezeichnet, die dazwischen liegenden Pufferverstärker haben den Verstärkungsfaktor 1, so daß sich nach dem ersten Verstärker die Spannung U' und nach dem zweiten Verstärker die Spannung U" ausbildet.
  • Fig.3 zeigt nun ein erfindungsgemäßes N-Pfad-Filter, das als dreistufiges Filter mit N=4 Pfaden aufzufassen ist. In Fig.3 sind nun die einzelnen Pfade mit I bis IV bezeichnet, wobei eingangsseitig die Spannung U1(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 schließen.
  • 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 e/ von Fig. 1 entsprechen. Weiterhin sind zu finden die Speicherkondensatoren C1, C2 und C3, so daß also auch in dieser Hinsicht die Pfade untereinander gleichartig ausgebildet sind.
  • Im ersten Pfad I wird der Speicherkondensator C1 während der Taktphase 2, der Speicherkondensator C2 während der Taktphase 3 und der Speicherkondensator C3 während der Taktphase 4 an den Kondensator 5 geschaltet. Entsprechend ändert sich dies in den Pfaden II 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 Cl 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 i bis IV an den Filterausgang geschaltet. Das beschriebene System läßt sich also in entsprechender Wei se auch auf Filter mit mehr als N=4 Pfaden erweitern.
  • Wie im Pfad I ebenfalls kenntlich gemacht ist, bildet sich entsprechend Fig.2 am Speicherkondensator Cl die Spannung U' und am Speicherkondensator C2 die Spannung U" aus. Es erscheint dementsprechend auch eine Ausganges spannung U2 jeweils an den Speicherkondensatoren C3.
  • Wie Fig.3 zu entnehmen ist, sind also gemäß der angegebenen Taktwahl in Bezug auf die Ge samt schaltung Verstärker nicht mehr erforderlich. ffi Zur physikalischen Wirkungsweise sei ergänzend für ein solches Filter mit Tiefpaßpfaden noch auf folgendes hingewiesen.
  • Ausgehend von den ersten Vorschlägen zur Realisierung von Schalter-Kondensator-N-Pfad-Filtern wird hier mit dem in Fig.1 angegebenen Elementar-Tiefpaß ersten Grades zur übersichtlicheren Darstellung begonnen.
  • Eine Analyse der in Fig.1 ebenfalls mit dargestellten Schalter-Kondensator-Anordnung ergibt Setzt man eine Näherung für #T«1 (Schmalbandnäherung mit W als Kreisfrequenz) ein, so erhält man 2 z-1 1 s = T z + 1 T (2) und damit für den RC-Tiefpaß in Fig.1 U1 = 1 0 1 (3) 1 1+s.CR 1+TR(z-1) Damit ergibt sich für die Dimensionierung die Bedingung CR = (α + 1 ) T. (4) s ist die komplexe Frequenz und z = e pT .
  • Zur Erhöhung der Sperrdämpfung sollen mehrere solcher Elementar-Tiefpässe rückwirkungsfrei in Kette geschaltet werden. Nimmt man der Einfachheit halber, ohne Beschränkung der Allgemeinheit an, daß es sich um drei identische Stufen handelt, so erhält man für das Referenzfilter die Schaltung von Fig.2 mit der Übertragung s funktion U2 1 (1+s.OR)3 (5) Bemerkenswert ist nun, daß zur Realisierung der Einzel pfade und beim Gesamt-Schalter-Kondensator-Filter gemäß Fig.3 keine Trennverstärker benötigt werden, da die Rückwirkungsfreiheit durch geschickte i'hl der Taktphasen erreicht werden kann. Ein besonders einfaches Taktschema ergibt sich für ein aus (N-1)-Stufen bestehendes N-Pfad-Filter. Fig.3 zeigt bereits ein solches dreistufiges 4-Pfad-Filter. Anhand des oberen Binzelpfades soll die Rückwirkungsfreiheit erläutert werden.
  • Die Kondensatoren 5,6,7,8 (C/«) werden zunächst während Taktphase 1 (bzw. 2,3,4) auf die Quellspannung U1 geladen und gleichen sich anschließend während Taktphase 2 (bzw. 3,4,1) mit dem ersten Kondensator C1 aus. Die dabei entstehende Spannung U' entspricht der Ausgangsspannung der ersten Stufe des RC-Tiefpasses in Fig.1.
  • Gleichzeitig ist dies die Eingangsspannung der zweiten Stufe, die in der dritten Taktphase beim Ausgleichsvorgang mit dem zweiten Speicherkondensator C2 zur Spannung U" führt. Wieder trägt ein Kondensator o/ am Ende dieses Vorgangs einen Abtastwert der Ausgangsspannung, die zugleich Eingangsspannung der letzten Stufe ist. Da jeweils die Ausgangsspannung U' bzw. U" an zur weiteren Verwendung zur Verfügung stehen, brauchen sie nicht gesondert über Trennverstärker an geschalteten Kapazitäten erzeugt werden.
  • Die Gesamtübertragungsfunktion lautet T wobei hier z = e pN gilt.
  • Sie stimmt bei Anwendung der Näherung (2) mit (5) bis auf zwei zusätzliche Verzögerungen im Zähler, die in der Wahl der Taktphasen am Filterausgang begründet ist, überein.
  • 3 Patentanßprüche 3 Figuren Leerseite

Claims (3)

  1. Patentansprüche 9 N-Pfad-Filter unter Verwendung von Schaltern und Kondensatoren, bei dem die Schalter von drei bis N zeitlich nicht überlappenden Taktphasen gesteuert sind und bei dem eingangsseitig eine Signalspannung angelegt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Signalspannung (U1) in der ersten Taktphase (1) einem Kondensator (5) des ersten Pfades (I) aufgeprägt wird, daß sich dieser Kondensator (5) in der darauffolgenden Taktphase (2) mit dem ersten Speicherkondensator-(C1) ausgleicht und gleichzeitig dem Kondensator (6) des zweiten Einzelpfades (II) die Signalspannung (U1) aufgeprägt wird, und daß der Kondensator (5) weiterhin in der dritten Taktphase (3) sich mit dem zweiten Speicher-Kondensator (c2) des ersten Einzelpfades (I) ausgleicht und der Kondensator (6) des zweiten Einzelpfades (II) sich mit dessen erstem Speicherkondensator (C1) ausgleicht und gleichzeitig der Kondensator (7) des dritten Einzelpfades (III) die Signalspannung (U1) 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 (1, II, III, ,.. N) in einer zyklischen Abfolge mit dem Ausgangsklemmenpaar verbunden wird.
  2. 2. N-Pfad-Filter 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 vier Linzelpfa de (I, II, III, IV) mit jeweils drei Speicherkonden satoren (C1, C2, C3) und jeweils einem von vier Taktphasen (1, 2, 3, 4) geschalteten Kondensator (5, 6, 7, 8) vorgesehen sind.
  3. 3. N-Pfad-Filter nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die drei Speicherkondensatoren (C1, C2, C3) den gleichen Kapazitätswert (C1 = C2 = C3 = C) haben.
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