DE3132479C2

DE3132479C2 - N-Pfad-Filter unter Verwendung von Schaltern und Kondensatoren

Info

Publication number: DE3132479C2
Application number: DE19813132479
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. Betzl; Josef Dipl.-Ing. Dr. 8000 München Nossek; Roland Dipl.-Ing. Dr. 8012 Riemerling Schreiber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-08-17
Filing date: 1981-08-17
Publication date: 1984-10-31
Also published as: DE3132479A1

Abstract

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. Aufgabe der Erfindung ist es, solche Filterschaltungen ab dem Grad 2 anzugeben, die vorgegebene Übertragungsfunktionen haben, ohne daß Trennverstärker erforderlich sind. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß die Signalspannung (U ↓1) 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 (C ↓1) ausgleicht und gleichzeitig dem Kondensator (6) des zweiten Einzelpfades (II) die Signalspannung (U ↓1) aufgeprägt wird, und daß der Kondensator (5) weiterhin in der dritten Taktphase (3) sich mit dem zweiten Speicherkondensator (C ↓2) des ersten Einzelpfades (I) ausgleicht und der Kondensator (6) des zweiten Einzelpfades (II) sich mit dessen erstem Speicherkondensator (C ↓1) ausgleicht und gleichzeitig der Kondensator (7) des dritten Einzelpfades (III) die Signalspannung (U ↓1) aufgeprägt erhält, daß sich dieser Vorgang bis zur N-ten Taktphase wiederholt, und daß während jeder Taktphase der jeweils letzte Speicherkondensator (C ↓3) von jeweils nur einem einzelnen Pfad (I, II, III, . . .N) in einer zyklischen Abfolge mit dem Ausgangsklemmenpaar verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein N-Pfad-Filier unter Verwendung von Schaltern und Kondensatoren, bei dem die Schalter von drei bis Nzeitlich nicht überlappenden Taktphasen gesteuert sind, bei dem eine eingangsseitig angelegte Signalspannung in einer ersten Taktphase einem Eingangskondensator des ersten Pfades aufgeprägt wird und bei dem fich dieser Eingangskondensator in der darauffolgenden Taktphase mit einem ersten Speicherkondensator des ersten Pfades ausgleicht.

Filter dieser Art sind aus der DE-AS 20 50 708 bekannt, es erfolgt dort die Realisierung jedoch als sogenanntes Resonanztransferfilter.

/V-Pfad-Filter der vorgenannten Art sind dem Grundkonzept nach weiterhin durch den Aufsatz von David L Fried »Analog Sample-Data-Filters« bekanntgeworden, der in der Zeitschrift IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-7, August 72, S. 302-304, veröffentlicht ist. Im einzelnen wird dieser Stand der Technik anhand der F i g. 1 und 2 insofern näher erläutert, als dort auch der Erfindung zugrundeliegende 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 yV-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 Literaturstelie 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-fechnologien gelingt, schnelle Schalter zu schaffen, bei denen an einer eigens dafür vorgesehenen Elektrode die Schaltspaiinung im Rhythmus einer regelmäßigen Taktphase (z. B. kürzer als 7~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 Fig.! 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 die Entkopplung aufeinanderfolgender Stufen dienen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, als N-Pfad-Filter wirkende Filterschaitungen anzugeben, die vorgegebene Übertragungsfunktionen haben, ohne daß solche Trennverstärker erforderlich sind. Dies wird insbesondere durch die Wahl des Taktschemas in bezug auf die Schaltung gewährleistet, so daß also Filterschal· tungen ab dem Grad 2 für den einzelnen Pfad ohne Verwendung von Verstärkern realisierbar sind.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe für die einleitend genannten Filterschaltungen in der Weise gelöst, daß gleichzeitig zum Ausgleichvorgang des ersten Speicherkondensators des ersten Pfades dem Eingangskondensator des zweiten Einzelpfades die Signaispannung aufgeprägt wird, d^ß der Eingangskondensator weiter-

so hin in der dritten Taktphase sich mit dem zweiten Speicherkondensator des ersten Pfjdes ausgleicht und der Eingangskondensator des zweiten Pfades sich mit dessen erstem Speicherkondensator ausgleicht und gleichzeitig der Eingangskondensator des dritten Pfades die Signalspannung aufgeprägt erhält, daß sich dieser Vorgang bis zur N-ten Taktphase wiederholt, und daß während jeder Taktphase der jeweils letzte Speicher-Kondensator nur eines einzelnen Pfades in einer zyklischen Abfolge mit dem Ausgangskiemmenpaar verbunden wird.

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

Fig. 1 eine /?C-Ausführungsform mit der zugehörigen Übertragungsfunktion sowie die zugehörige Schal-

ter-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 Fig. 1 ergibt:

F i g. 3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform für 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 »IEEE Journal of Solid State Circuits« ein Ä-C-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 Ui bezeichnet, und die zugehörige Übertragungsfunktion LJiIUx = 5/(1 + sCR) ist ebenfalls angegeben, wobei s die komplexe Frequenz dargestellt. Durch den Doppelpfeil ist kenntlich gemacht, daß ein zugehöriges Schalterkondensatorkonzept jeweils in Querzweigen einen ersten Kondensator CIa 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 CIx 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.

F i g. 2 zeigt die unmittelbare /?C-Ausführung für den Fall, daß mehrere Stufen in Kette geschaltet werden. Die Eingangsspannung ist wiederum mit U₁ und die Ausgangsspannung mit Ui 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 {/"ausbildet.

Fig. 3 zeigt nun ein erfindungsgemäßes /V-Pfad-Filter. das als dreistufiges Filter mit N = 4 Pfaden aufzufassen ist. In F i g. 3 sind nun die einzelnen Pfade mit I bis IV bezeichnet, wobei eingangsseitig die Spannung U\(n ■ T/N) anliegt und ausgangsseitig die Spannung Ui(n ■ T/N) abgenommen wird. Für die einzelnen Pfade sind die Schalter symbolisch in der Art von MOS-FET-Transistoreii so dargestellt, daß die ebenfalls miteingezeichneten Taktphasen t, 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 Eingangskondensatoren 5, 6, 7 und 8 zu finden, die dem Kondensator CIx von F i g. 1 entsprechen. Weiterhin sind zu finden die Speicherkondensatoren C], 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 Speicherkondensator Ci während der taktphase 4 an den Kondensator 5 geschaltet. Entsprechend ändert sich dies in den Pfaden Il bis IV, so daß also dort die Taktphasen 3, 4, 1 für den Pfad II. bzw. 4, 1, 2 für den Pfad III, bzw. I₁ 2, 3 für den Pfad IV die Speiche; kondensatoren G bis Cl an die Eingangskondensatoren 6 bzw. 7 bzw. 8 anschalten. Im FiI-tercineans finden sich füi die einzelnen Pfade die Schalter mit den Taktphasen 1, 2,3,4. in denen entsprechend die Eingangskondensatoren 5 bzw. 6 bzw. 7 bzw. 8 an den Filtereingang angeschaltet sind. In der Reihenfolge 3,4,1,2 wird der jeweils letzte Speicherkondensator Cj der Pfade I bis IV an den Filterausgang geschaltet Das beschriebene System läßt sich also in entsprechender Weise auch auf Filter mit mehr als N = 4 Pfaden erweitern. Wie im Pfad I ebenfalls kenntlich gemacht ist, bildet sich entsprechend F i g. 2 am Speicherkondensator Ci die Spannung U'und am Speicherkondensator Ci die Spannung U" aus. Es erscheint dementsprechend auch eine Ausgangsspannung Ui jeweils an den Speicherkondensatoren Ci.

Wie Fig.3 zu entnehmen ist. sind also gemäß der angegebenen Taktwahl in bezug auf die Gesamtschaltung Verstärker nicht mehr erforderlich.

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

Ausgehend von den ersten Vorschlägen zur Realisierung von Schalter-Kondensator-Λ/ ^fad-Filtern wird hier mit dem in Fig. 1 angegebenen £:cmcntar-Tiefpaß ersten Grades zur übersichtlicheren Darstellung begonnen.

Eine Analyse der in F i g. 1 ebenfalls mit dargestellten Schalter-Kondensator-Anordnung ergibt

a+\

4 (a+1)- (z-

Setzt man eine Näherung für ωΤ < 1 (Schmalbaridnäherung mit ω als Kreisfrequenz) ein, so erhält man

2 z-1

und damit für den /?C-Tiefpaß in F i g.
Ui _ 1 1

U_x

l+s-CR

Damit ergibt sich für die Dimensionierung die Bedingung

CR = (a + 1)7.

s ist die komplexe Frequenz und ζ = eP^T.

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 S'.ufen handelt, so erhält man für das Referenzfilter die Schaltung von Fig. 2 mit der Übertragungsfunktion

(1 +s- CR)¹

Bemerkenswert ist nun, daß zur Realisie/ung der Einzelpfade und beim Gesamt-Schalter-Kondensator-Filter gemäß Fig. 3 keine Trennverstärker benötigt werden, da die Rückwirkungsfreiheit durch geschickte WaIiI der Taktphasen erreicht werden kann. Ein besonders einfaches Taktschema ereibt sich für ein aus

(N — 1)-Stufen bestehendes N- Pfad- Filter. Fig. 3 zeigt bereits ein solches dreistufiges 4-Pfad-Filter. Anhand des oberen Einzelpfades soll die Rückwirkungsfreiheit erläutert werden. Die Eingangskondensatoren 5, 6, 7, 8 (CIa) werden zunächst während Taktphase 1 (bzw. 2,3, 4) auf die Quellspannung U\ geladen und gleichen sich anschließend während Taktphase 2 (bzw. 3, 4, 1) mit dem ersten Kondensator Q aus. Die dabei entstehende Spannung U' entspricht der Ausgangsspannung der ersten Stufe des /?C-Tiefpasses in Fig. I. 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 C/λ am Ende dieses Vorgangs einen Abtastwert der Ausgangsspannung, die zugleich Eingangsspannung der letzten Stufe ist. Da jeweils die Ausgangsspannung U' bzw. U" an Cine zur weiteren Verwendung zur Verfügung stehen, brauchen sie nicht gesondert über Trennverstärker an geschalteten Kapazitäten erzeugt werden. Die Gesamtübertragungsfunktion lautet

7T^(7|"T 1 '—7 TTiF ⁽⁶⁾

wobei hier

r=e^

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.

nierzu ί Dian ^.eicnnungen

40

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

!. N-Pfad-Filter unter Verwendung von Schaltern und Kondensatoren, bei dem die Schalter von drei bis N zeitlich nicht überlappenden Taktphasen gesteuert sind, bei dem eine eingangsseitig angelegte Signalspannung (U₁) in einer ersten Taktphase (1) einem Eingangskondensator (5) des ersten Pfades (I) aufgeprägt wird und bei dem sich dieser Eingangskondensator (5) in der darauffolgenden Taktphase (2) mit einem ersten Speicherkondensator (G) des ersten Pfades (I) ausgleicht, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig zum Ausgleichvorgang des ersten Speicherkondensators (Ci) des ersten Pfades (I) dem Eingangskondensator (6) des zweiten Pfades (II) die Signalspannung (U₁) aufgeprägt wird, daß der Eingangskondensator (5) des ersten Pfades (I) weiterhin in der dritten Taktphase (3) sich mit dem zweiten Speicher-Kondensator (Ci) des ersten Pfciaes (I) ausgleicht, daß der Eingangskondensator (6) des zweiten Pfades (Ii) sich mit dessen erstem Speicherkondensator (Ci) ausgleicht und gleichzeitig der Eingangskondensator (7) des dritten Pfades (III) die Signalspannung (Ui) aufgeprägt erhält, daß sich dieser Vorgang bis zur /V-ten Taktphase wiederholt und daß während jeder Taktphase der jeweils letzte Speicherkondensator (Cj) nur eines einzelnen Pfades (I, II, III, ...N)in einer zyklischen Abfolge mit dem Ausgangskiemmenpaar verbunden wird.
2. /V-Pfau Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier EinzeHfade (I, II, III, IV) mit jeweils drei Speicherkondensatoren (Ci, Ci, Cj) und jeweils einem von vier Taktpi «sen (I, 2, 3, 4) geschalteten Eingangskondensator (5, 6, 7,8) vorgesehen sind.
3. /V-Pfad-Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Speicherkondensatoren Cd, Ci. Cj) den gleichen Kapazitätswert (Ci = Ci = d = Q haben.