DE3132492C2

DE3132492C2 - Zweipfad-Filter

Info

Publication number: DE3132492C2
Application number: DE19813132492
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: 1984-11-29
Also published as: DE3132492A1

Abstract

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 Einzelpfade eine Hochpaßübertragungsfunktion (im Nyquistbereich) aufweisen. Aufgabe der Erfindung ist es, Zweipfad-Filterschaltungen anzugeben, die möglichst unempfindlich gegenüber Erdkapazitäten bzw. gegenüber Bauteiletoleranzen ausgebildet werden können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß diese Schalter-Kondensator-Hochpaßfilter in einer solchen Weise realisiert sind, daß sie auf der bilinearen Simulation von einseitig ohmisch abgeschlossenen Reaktanzhochpässen beruhen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zweipfad-Fllter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

N-Pfad-Filter bzw. Zweipfad-Fllter der vorgenannten Art sind beispielsweise aus dem Aufsatz »A Synchronous Switched Capacitor Filter« von R. Dessoulavy, A. Knob, F. Krummenacher und A. E. Vittoz, erschienen im IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-15, (1980), Nr. 3, S. 301 bis 305, bekannt geworden. Bekanntlich geht es bei derartigen Filterschaltungen darum. Schaltungen zv finden, die einer Integrierbarkelt zugänglich sind, so daß der für sie erforderliche Raumverbrauch möglichst minimiert werden kann. Die physikalische Wirkungswelse solcher N-Pfad-Filter findet sich bereits auch In früheren Literaturstellen, wie beispielsweise in dem Buch von Heinlein und Holmes »Active Filters for Integrated Circuits«, das 1974 Im Oldenbourg-Verlag erschienen 1st. Hier Ist bereits daraui 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 Hinwelse auf die sogenannten Schalter-Kandensator-Fllter (SCF), well Schalter-Kondensator-Realisierungen erst durch die moderneren Technologien ermöglicht werden.

Solche Schalter-Kondensator-Anordnungen, für die Im angelsächsischen Sprachgebrauch auch der Ausdruck »Swltched-Capacltor«-(SC)-Anordi\ungen 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.

In der erstgenannten Literaturstelle (IEEE Journal) wird dem Grundkonzept nach von der Überlegung ausgegangen, die Taktreste nicht In die Durchlaßmitte des N-Pfad-Flltcrs fallen zu lassen, so daß also dort keine Tiefpaßschaltungen für die Einzelpfade verwendet werden. Unter Taktresten sind dabei eine Art Modulatlonsgerausche zu verstehen, die darauf beruhen, daß die einzelnen Pfade eines N-Pfad-Fllters Im Rhythmus einer vorgegebenen Taktfrequenz mit Taktphasen T bzw. Taktphasen T/N geschaltet werden müssen. Wie sich jedoch zeigt, hat diese bekannte Schaltung den Nachteil, daß sie auf Grund von Dlfferenzblldungeti relativ toleranzempfindlich ist und auch nicht unempfindlich gegenüber Erdkapazitäten Ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Zwelpfad-Fllterschaltungen anzugeben, die möglichst unempflnd-Hch gegenüber Erdkapazitäten bzw. gegenüber Bauteiletoleranzen ausgebildet werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. :' Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist Im Patentanspruch 2 angegeben.

te Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.

j?| Es zeigen in der Zeichnung die

!$' 55 Fig. 1 a) eine mögliche Ausgestaltung mit einem Operationsverstärker sowie den zugehörigen Taktplan In

Il Abhängigkeit von der Zelt / mit der Taktperlode Γ;

|f Fig. 1 b) einen zu Fig. la zugehörigen Referenztiefpaß aus konzentrierten Schaltelementen;

|£ Flg. 2 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung.

fi In der Flg. la Ist zu erkennen ein Operationsverstärker 3 mit seinem Invertierenden Eingang (-)7 und seinem

i'rl 6° nicht invertierenden Eingang (+) 4, der unmittelbar auf Bezugspotentlal 5 geschaltet Ist. Am invertierenden

■i Eingang 7 liegt ein Kondensator Ci, 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

Taktphase 2 geschalteter Schalter zur Filterausgangsklemme 9, an der dann die Ausg;ingsspannung Ui erscheint. Über die Schalter mit der Taktphasc I liegen gewissermaßen parallclgcschalict die Kondensatoren Ci und Ci, M von denen aus Schalter mit der Taktphasc 2 auf Bezugspotentlal geschaltet sind. Der Kondensator C₂ Hegt

zwischen dem Ausgang 6 und dem Invertierenden F.lngang 7 des Operatlonsverstürkcrs 3. Der Kondensator (\

Ist so geschaltet, daß er während der Taktphasc 1 aufgeladen wird und wahrend der Taktphase 2 entladen wird. Die In Flg. 1 mitgezeichneten Taktphasen 1 und 2 sind stets so gewählt, daß sie sich wahrend einer Taklpc-

riode T nicht überlappen, auch ist davon auszugehen, daß die mit der Taktphase 1 bzw. 2 bezeichneten Schalter immer dann schließen, wenn ein Taktsignal - im Taktpian aber der Grundlinie liegend dargestellt - anliegt.

In. Flg. Ib 1st ein RC-Rcferenzfllter gezeichnet, bei dem naturgemäß keine Schalter vorgesehen sind. Dieses Rcferenzfilter stellt eine Zweltorschaltuni; dar, an der eingangsseitlg die Spannung U₁ anliegt. Es folgt im Eingangslängszweig ein Kondensator C, im darauffolgenden Querzweig ein Widerstand R, anschließend ein * '|i Verstärker V und schließlich tritt am Ausgang die Ausgangsspannung U₂ auf.

|v Es läßt sich nun zeigen, daß das in FI g. 1 dargestellte Schalterfilter derartig ausgebildet 1st und daß weiterhin

ip die Schaltelemente In bezug auf den Taktplan derart gewählt sind, daß einseitig mit einem reellen Widerstand

K abgeschlossene Reaktanzhochpässe durch blllneare Abbildung Ihrer Frequenzvariablen auf die z-Variable des

J§ Schalter-Kcradensator-Hochpaßfiliers simuliert werden. Im Ausführungsbeispiel von Flg. 2 sind funktionsglei- ;|: ehe Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, so daß insoweit auf FI g. 1 verwiesen werden kann.

§fc Hinzu kommt lediglich ein weiterer Operationsverstärker 3', der mit seinem nicht invertierenden Eingang

|| unmittelbar mit dem nicht Invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3 verbunden ist und mit diesem H gemeinsam an Beiugspotentlal 5 geschaltet 1st. Auch die Kondensatoren C₂ und C₁ sind dem Operationsverstär-H ker 3' zugeordnet. Jedoch wird der Kondensator C₃ In der entgegengesetzten Taktphase als beim Operatlonsver- '5

Wi stärker 3 zugeschaltet, so daß er also während der Taktphase 2 an den Kondensator C₂ angeschaltet wird und j:' sich während der Taktphase 1 auf Bezugspotential S entladen kann. Am Eingang 8 des Filters Hegt wiederum

&; die Eingangsspannung U₁, die während der Taktphase 1 auf den zum Operationsverstärker 3 gehörigen Konden-

|| sator Ci und während der Taktphase 2 auf den zum Operationsverstärker 3' gehörigen Kondensator C_t gegeben f* wird. Entsprechend wird die AusgangskJemme 9 des Filters während der Taktphase 2 an den Operatlonsverstär-¹ ker 3 und wahrend der Taktphase 1 an den Operationsverstärker 3' geschaltet. Am Ausgang 9 erscheint die

; Spannung U₂.

> Zur physikalischen Wirkungsweise eines solchen Zwelpfad-Fllters mit Hochpaßpfaden sei ergänzend noch auf

f folgendes hingewiesen:

f Flg. la zeigt einen Resonator 1. Grades als Schalter-Kondensalor-Anordnung, die die gleiche Übertragungs-

( funktion aufweist wie der Referenzhochpaß von Fig. Ib.

[ Eine Analyse von Fig. la ergibt

I-, 2 1 -2~'

:' U₂ '^T ι+ 2"¹ ι se,

T 1 + 2 ^T 2 T

und weiter

U₂ C, s -ϊ

— _ . . _{z ω}

^{2 +} 2 ^{S +} 2C₂ + C₃ T

(2)

während Tür den Referenzfilter-Hochpaß in F i g. Ib gilt ..

U₂ R s

— _ ν ₌ ν

^U' R₊-!- s +J- ⁽³⁾

^R+sC ^S+RC

Sollen die Gleichungen (2) und (3) übereinstimmen, so muß

2 C, 2C₃ J_

V = - und ■———- = „,, (4)

erfüllt sein. Dabei wurde der Faktorz ² in Gleichung (2) weggelassen, der auch in der

Schalter-Kondensator-Anordnung nach Fi g. la durch Ändern z. B. der Taktphase 2 am «> Ausgang 9 der Stufe beseitigt werden kann.

Die entsprechende Erweiterung zum 2-Pfad-Resonator Ist In FI g. 2 dargestellt. Die Taktphaser 1 und 2 am Ausgang 9 können in Flg. 2 auch vertauscht werden, eine Änderung der Eingangsspannung macht sich dann unmittelbar unverzögert am Ausgang bemerkbar. Die beschriebene Schalter-Kondensator-Anordnung Ist völlig unempfindlich gegenüber Erdkapazitäten, die Operationsverstärker sind stets gegengekoppelt und die Gesamtanordnung 1st mit einem 2-Phasen-Takt voll funktionstüchtig.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zwelpfad-Filter, dessen Einzel pfade aus Schalter-Kondensator-Hochpaßflltern bestehen, die von zwei zeltlich sich nicht überlappenden Taktphasen gesteuert sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese

Schalter-Kondensator-Hochpaßfilter In einer solchen Weise rsalislert sind, daß einseitig mit einem reellen Widerstand abgeschlossene Reaktanzhochpässe durch bilineare Abbildung ihrer Frequenzvariablen auf die z-Variable des Schalter-Kondensator-Hochpaßfllters simuliert werden.

2. Zwelpfad-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzelpfad einen Hochpaß von Grad 1 simuliert, derart, daß ein Operationsverstärker (3) vorgesehen 1st, dessen nicht invertierender Eingang

'0 (4) mit Massepotential (5) verbunden ist und dessen Ausgang (6) über einen ersten Kondensator (C₂) mit dem Invertierenden Eingang (7) verbunden Ist, von dem aus ein zweiter Kondensator (Ci) über einen wahrend der ersten Taktphase (1) geschlossenen Schalter mit der Filtereingangsklemme (8) verbunden ist, daß ein dritter Kondensator (C₃) vorgesehen ist, der während der ersten Taktphase (1) dem ersten Kondensator (C₂) parallelgeschaltet und während der zweiten Taktphase (2) gegen Bezugspotentlal (5) kurzgeschlossen

wird, daß der Ausgang (6) des Operationsverstärkers (3) während der zweiten Taktphase (2) mit der Ausgangsklemme (9) des Filters verbunden 1st und daß einander entsprechende Schalter in den beiden Einzelpfad&n gegenphasig betätigt werden.