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Zweipfad-Filter unter Verwendung von Kondensatoren,
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Verstärkern und Schaltern Die Erfindung betrifft ein Zweipfad-Filter
unter Verwendung von Kondensatoren, Verstärkern und Schaltern, die von zwei zeitlich
sich nicht überlappenden Taktphasen gesteuert sind und deren Einzeipfade eine Hochpaßübertragungsfunktion
(im Nyquistbereich) aufweisen.
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N-Pfad-Filter bzw. Zw.eipfad-Filter der vorgenannten Art sind beispielsweise
aus dem Aufsatz "A Synchronous Switched Capacitor Filter" von R.Dessoulavy, A.Knob,
F.Krummenach'er und A.E,Vittoz, erschienen im IEEE Journal of Solid State Circuits,
Vol. SC-15, Nr.3, S.301-305, bekannt geworden. Bekanntlich geht es bei derartigen
Filterschaltungen darum, Schaltungen zu finden, die einer Integrierbarkeit zugänglich
sind, so daß der für sie erforderliche Raumverbrauch möglichst minimiert werden
kann. Die physikalische Wirkungsweise solcher Nr-Pfad-Filter findet sich bereits
auch in frtilieren Literaturstellen wie beispielsweise in dem Buch von Heinlein
und Hilmes "Active Filters for integrated Circuits", das 1974 im Oldenbourg-Verlag
erschienen ist. Hier 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 Funktionsttichtigkeit
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-Itealisierungen erst durch die moderneren Technologien
ermöglicht werden.
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Solche Schalter-Kondensator-Anordnungen9 für die im angelsächsischen
Sprachgebrauch auch der Ausdruck "Switches-Capacitor"-(SO)-Anordnungen üblich ist,
beruhen darauf, da es beispielsweise mit Hilfe von MOS-FET-Technologien gelingt,
schnelle Schalter zu schaffen, bei denen an einer eiens dafür vorgesehenen Elektrode
die Schaltspannung im lthythmus einer regelmäßigen Taktphase (z.B, kürzer als T
bzw kürzer als T/N) angelegt werden kann9 während gleichzeitig weitere Elektroden
der Signalverarbeitung zur Verfügung stehen.
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In der erstgenannten Literaturstelle (IEEE Journal) wird dem Grundkonzept
nach von der Überlegung ausgegangen, die Takt rest nicht in die Durchlaßmitte des
N Pfad-Filters fallen zu lassen, so datd also dort keine TiefpaIbschaltungen für
die Einzeipfade verwendet werden.
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Unter - Taktresten sind dabei eine Art Modulationsgeräusche zu verstehen,
die darauf beruhen, daß die einzelnen Pfade eines N-Pfad-Filters im Rhythmus einer
vorgegebenen Taktfrequenz mit Takt phasen T bzw. Taktphasen T/N geschaltet werden
müssen. Wie sich jedoch zeigt 7 hat diese bekannte Schaltung den Nachteil, daß sie
auf Grund von Differenzbildungen relativ toleranzempfindlich ist und auch nicht
unempfindlich gegenüber Erdkapazitäten ist Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
Zweipfad-Filterschaltungen anzugeben, die möglichst unempfindlich gegenüber Erdkapazitäten
bzw. gegenüber Bauteiletoleranzen ausgebildet werden können.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist im Patentanspruch 2 angegeben.
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Anhand von Ausfiihrungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch
näher erläutert,
Es-zeigen in der Zeichnung die Fig. 1 a) eine mögliche
Ausgest21tung mit einem Operationsverstärker sowie den zugehörigen Takt plan in
Abhängigkeit von der Zeit t mit der Taktperiode T; b) einen zu Fig. la zugehörigen
Referenztiefpaß aus konzentrierten Schaltelementen; Fig. 2 eine-weitere Ausgestaltung
der Erfindung.
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In der Fig. 1a ist zu erkennen ein Operationsverstärker 3 mit seinem
invertierenden Eingang (-) 7 und seinem nicht invertierenden Eingang (+) 4, der
unmittelbar auf Bezugspotential 5 geschaltet ist. Am invertierenden Eingang 7 liegt
ein Kondensator C1, der über einen Schalter mit der Taktphase 1 geschaltet wird,
und es erscheint die Spannung U1 am Eingang 8 des Filters. Am Ausgang 6 des Operationsverstärkers
liegt ein mit der Takt phase 2 geschalteter Schalter zur Ausgangsklemme 9, an der
dann die Ausgangsspannung U2 erscheint. Über die Schalter mit der Taktphase 1 liegen
gewissermaßen parallelgeschaltet die Kondensatoren C2 und C3, von denen aus Schalter
mit der Taktphase 2 auf Bezugspotential geschaltet sind. Der Kondensator 2 liegt
zwischen dem Ausgang 6 und dem invertierenden Eingang 7 des Operationsverstärkers
3. Der Kondensator C3 ist so geschaltet, daß er-während der 3 Takt phase 1 aufgeladen
wird und während der Taktphase 2 entladen wird. Die in Fig.t mitgezeichneten Taktphasen
1 und 2 sind stets so gewählt, daß sie sich während einer Taktperiode T nicht überlappen,
auch ist davon aus zugehen, daß die mit der Taktphase 1 bzw. 2 bezeichneten Schalter
immer dann schließen, wenn Taktsignal - im Taktplan über der Grundlinie liegend
dargestellt -anliegt-.
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In Fig. 1b ist ein RC-Referenzfilter gezeichnet, bei dem dann keine
Schalter mehr vorgesehen sind0 Dieses Referenzfilter stellt eine Zweitorschaltung
dar, an der eingangsseitig die Spannung U1 anliegt Es folgt im Eingangslängszweig
ein Kondensator C9 im darauffolgenden Querzweig ein Widerstand k, anschließend ein
Verstärker V und schließlich tritt am Ausgang die Ausgangs spannung U2 auf, Es läßt
sich nun zeigen9 da15 das in Fig. 1 dargestellte Schalterfilter derartig ausgebildet
ist9 und daß weiterhin die Schaltelemente in Bezug auf den Taktplan derart gewählt
sind9 daß ein Hochpal5filter entsteht 9 das auf der bilinearen Simulation von einseitig
ohmisch abgeschlossenen Reaktanzhochpässen beruht Im Ausführungsbeispiel von Fig.
2 sind Sunktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet9 so daß
insoweit auf Fig. 1 verwiesen werden kann0 Hinzu kommt lediglich ein weiterer Operationsverstärker
3(9 der mit seinem nicht invertierenden Eingang unmittelbar mit dem nicht invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 3 verbunden ist und mit diesem gemeinsam an Bezugspotential
5 geschaltet ist0 Auch die hondensatoren C2 und C3 sind dem Operationsverstärker
3' zugeordnetO Jedoch wird der Kondensator C3 in der entgegengesetzten Taktphase
als beim Operationsverstärker 3 zugeschaltet so daß er also während der Taktphase
2 an den Kondensator C2 angeschaltet wird und sich während der Taktphase 1 auf Bezugspotential
5 entladen kann0 Am Eingang 8 des Filters liegt wiederum die Bingangsspannung U1,
die während der Taktphase 1 auf den zum Operationsverstärker 3 gehörigen Kondensator
C1 und während der Taktphase 2 auf den zum Operationsverstärker 39 gehörigen Kondensator
C1 gegeben wird. Entsprechend wird die Ausgangsklemme 9 des Filters während der
Takt
phase 2 an den Operationsverstärker 3 und während der Taktphase 1 an den Operationsverstärker
3' geschaltet. Am-Ausgang 9 erscheint die Spannung U2.
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Zur physikalischen Wirkungsweise eines solchen Zweipfad-Filters mit
Hochpaßpfaden sei ergänzend noch auf folgendes hingewiesen, Fig.la zeigt einen Resonator
1. Grades als Schalter-Kondensator-Anordnung, die die gleiche Übertragungsfunktion
aufwlest wie der Referenzhochpaß von Fig. 1b.
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Eine Analyse von Fig.la ergibt
und weiter
während für den Referenzfilter-itochpaß in Fig, ob gilt U2 R = V s (3) U 1 1 1 R+
c s+ltC Sollen die Gleichungen (2) und (3) übereinstimmen, so muß 2C1 und T 2C 2
+C 3 20 2+C3 - RC 1 erfüllt sein. Dabei wurde der Faktor z in Gleichung (2) weggelassen,
der auch in der Schalter-ltondensator-Anordnung nach Fig.1a durch Andern z.B. der
Taktphase 2 am Ausgang 9 der Stufe beseitigt werden kann.
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Die entsprechende erweiterung zum 2-Pfad-Resonator ist in Fig.2 dargestellt.
Die Taktphasen 1 und 2 am Ausgang 9 können in Fig.2 auch vertauscht werden9 eine
Anderung der Eingangsspannung macht sich dann unmittelbar9 unverzögert dm Ausgang
bemerkbar. Die beschriebene Schalter-Kondensator-Anordnung ist völlig unempfindlich
gegenüber Brdkapazitäten, die Operationsverstärker sind stets gegengekoppelt und
die Gesamtanordnung ist mit einem 2-Phasen-Takt voll funkionstüchtig.
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Die Verwendung von Schalter-Kondensator-Hochpaßfilter9 deren Realisienlng
auf der bilinearen Simulation von einseitig ohmisch abgeschlossenen Reaktanzhochpässen
beruhen, haben also den Vorteil, daß, wie eingangs schon erwähnt, die schaltungen
unempfindlich gegenüber Erdkapazitäten realisierbar sind. Auch können höhergradige
Filter entworfen werden, die möglichst unempfindlich gegenüber Bauweisetoleranzen
sind und die unmittelbar auf der Simulation von sogenannten LC-Filtern, also Filtern
aus konzentrierten Schaltelementen mit Spulen und Kondensatoren, beruhen, und darüberhinaus
können höhergradige Filter (vgl.Fig.2) entworfen werden, die nicht bloß einfache
Kettenschaltungen, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Entkopplungsverzerrern,
von Stufen niedrigen Grades'sind, so daß also Filterschaltungen höheren Grades unmittelbar
realisiert werden können 2 Patentansprüche 2 Figuren
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