-
-
Aus Schaltern und Kondensatoren bestehende Filterschal-
-
tung für elektrische Schwingungen Die Erfindung betrifft eine aus
Schaltern und Kondensatoren bestehende Filterschaltung für elektrische Schwingungen
unter Verwendung von invertierenden und nichtinvertierenden Schalter-Kondensator-Integratoren,
bei der die Schalter von vier Taktphasen gesteuert werden.
-
Filterschaltungen der vorbezeichneten Art sind bereits aus der Literaturstelle
"Electronics Letters 14. Februar 1980, Vol. 16, No. 4, Seiten 131 bis 133 bekannt
geworden.
-
Es sind dort eine Reihe von Schaltungen angegeben, bei denen die Schalter
entweder von zwei Taktphasen, von vier Taktphasen, oder sogar von sechs Taktphasen
gesteuert werden. Auch ist in der genannten Literaturstelle die Nachrealisierung
eines Abschlußwiderstandes beschrieben, der jedoch für Filter, bei denen sogenannte
Brune-Glieder nachrealisiert werden, nicht anwendbar ist. Solche Brune-Glieder sind
für sich als Schaltungen mit konzentrierten Elementen in dem Buch 1,Network Analysis
and Synthesis" von Louis Weinberg, Mc Graw-Hill Book Campany, Inc. 1962, Seiten
431 bis 443 beschrieben. Es ist dort auch deren mathematische Behandlung und ihre
Kettenschaltung bzw.
-
ihre Einschaltung in Filterschaltungen höheren Grades im einzelnen
beschrieben. Brune-Glieder, insbesondere die sogenannten kanonischen Brune-Glieder,
bestehen bekanntlich aus einem-2bertrager mit dem Ubersetzungsverhältnis ü:1, dem
eine Spule eingangsseitig parallelgeschaltet und ein Kondensator im Querzweig nachgeschaltet-ist,
so daß insgesamt eine Vierpolsohaltung entsteht, die in dem besagtem Buch von Weinberg
ebenfalls angegeben ist. Für den Aufbau von Filterschaltungen sind solche Brune-Glieder
deshalb
vorteilhaft, weil sie unmittelbar auch in Kette geschaltet werden können. Wenn solche
Brane-Glieder durch Schalterkondensatorfilter nachgebildet werden, dann bleiben
auch die guten Eigenschaften der Schaltungen aus konzentrierten Schaltelement duraus
erhalten. In der Regel sind für solche Brune-Glieder auch ohmsche Abschlußwiderstände
erforderlich.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für solche Filterschaltungen,
bei denen das letzte Filterelement ein kanonisches Brune-Glied ist, die Nachbildung
eines ohmschen Filterabschlußwiderstandes anzugeben, wobei die sogenannte bilineare
Frequenztransformation angewendet wird. Es wird also gewissermaßen ein beidseitig
ohmisch abgeschlossenes Schalterkondensatorfilter nachgebildet, um dadurch auch
bei der integrierten Realisierung die guten Stabilitäts- und Empfindlichkeitseigenschaften
des ohmisch abgeschlossenen LC-Refernz-Filters zu erhalten. Erforderlichenfalls
wird auch vorausgesetzt, daß die Nachbildung des Generatorinnenwiderstandes nach
bekannten Methoden ebenfalls angewendet werden kann.
-
Für die einleitend genannten Filter wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß der erste Eingang des nichtinvertierenden Integrators mit dem
Ausgang des invertierenden Integrators und der erste Eingang des invertierenden
Integrators mit dem Ausgang des nichtinvertierenden Integrators verbunden ist, daß
der zweite Eingang des nichtinvertierenden Integrators mit der Eingangsklemme des
Filters und der Ausgang des invertierenden Integrators mit der ersten Ausgangsklemme
des Filters verbunden ist, daß der zweite Eingang mit dem Ausgang des invertierenden
Integrators verbunden ist und der Ausgang des nichtinvertierenden Integrators mit
der zweiten Ausgangsklemme des Filters verbunden ist, und daß ein Eingangssignal
invertiert vom Eingang zum ersten
Ausgang und nichtinvertiert zum
zweiten Ausgang übertragen wird, und daß weiterhin die Taktphasen so gewählt -sind,
daß sich die beiden ersten Taktphasen innerhalb einer Taktperiode nicht überlappen,
daß die beiden weiteren Taktphasen die halbe Taktrequenz der ersten Taktphase haben,
daß die dritte Taktphase gegenüber der vierten Taktphase um eine ganze Taktperiode
verschoben ist, und daß diese beiden Taktphasen mit der ersten Taktphase synchronisiert
sind.
-
In den Unteransprüchen sind noch vorteilhafte Ausführungen angegeben,
insbesondere auch vorteihafte Schaltungen und vorteilhafte Bemessungen.
-
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend noch
näher erläutert.
-
Es zeigen in der Zeichnung FIG 1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform;
FIG 2 das zur Schaltung nach FIG 1 gehörige Taktschema.
-
Aus dem in FIG 2 gezeigten Taktschema ist folgendes zu erkennen. Für
die Schaltung sind an sich vier Taktphasen #1, 2' 3 und 4 erforderlich. Die Abtastperiode
T ist in FIG 2 ebenfalls zu erkennen und auch die Tatsache, daß sich die Taktphasen1
und 2 nicht überlappen und die gleiche Taktfrequenz haben. Die Taktphasen 3 und
haben unter sich ebenfalls die gleiche Taktfrequenz und zwar die halbe Taktfrequenz
der Taktphasen 1 bzw.
-
Die Taktphase 3 ist gegenüber der Taktphse 4 um eine ganze Taktperiode
T verschoben, und schlieElich sind diese beiden Taktphasen 3 und #4 mit der ersten
Taktphase 1 synchronisiert.
-
In der Schaltung von FIG 1 sind nun unmittelbar die Schalter mit einem
S 1md einer nachfolgenden Zahl bezeichnet.
-
Auch sind an die Schalter die Taktphasen angeschrieben, in denen die
Schalter jeweils geschlossen sind.
-
Im Ausführungsbeispiel von FIG 1 ist zu erkennen ein gestrichelt eingerahmter
nichtinvertierender Integrator 1, in dem der Operationsverstärker 21 vorgesehen
ist sowie der ebenfalls gestrichelt umrahmte invertierende Integrator 2 mit dem
Operationsverstärker 20. Weiterhin sind in FIG 1 ezugspotential bzw. die Erdsymbole
hierfür mit der Bezugsziffer 8' versehen. So liegt der nichtinvertierende Eingang
des Operationsverstärkers 21 auf Bezugspotential 8'. Der nichtinvertierende Integrator
1 besteht aus einemSchaltemetzwerk mit den Schaltern S1, S4, S2, S5, S3 und S6.
Von Bezugspotential 8' führen also die Schalter S4 und S1 auf die .ngangsklemme
8 des Filters, an der gegenüber Bezugspotential 8' die Spannung -U1 anliegt. Ebenfalls
von Bezugspotential 8' kommend, führt eine Leitung über die Schalter S2 und S5 zum
invertierenden (-) Eingang des Operationsverstärkers 21.
-
Schließlich führt noch eine Schaltverbindung von Bezugspotential über
die Schalter S6 und S3 zum sogenannten ersten Eingang 3des nichtinvertierenden Integrators
1.
-
Die Schalter S1, S2 und S3 werden in der Taktphase 1 geschlossen,
die Schalter S4, S5 und s6 in der Taktphase Zwischen den Verbindungspunkten der
Schalter S1 und S4 zu den Schaltern S2 und S5 ist ein Kondensator 13 geschaltet
der die Kapazität Co hat, an den sich ein weiterer Kondensator 14, ebenfalls mit
der Kapazität CO anschließt und zu den Verbindungspunkten zwischen den Schaltern
S3 und S6 führt. Zu erkennen ist ferner der Integrationskondensator 15, der im Ausführungsbeispiel
die Kapazität C1Co hat und der zwischen dem Ausgang 6 und dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 21 liegt. Vom Ausgang 6 des Operationsverstärkers 21 führt
eine Leitung unmittelbar zur zweiten Ausgangsklemme 12 des Filters an der gegenüber
Bezugspotential 8' die
Spannung Ut = I1Roz 1/2m1ftritt.
-
Auf die erste Eingangsklemme 8 folgt ein Kondensator 22, der die Kapazität
hat und der auf und der auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
20 führt.
-
Dem Operationsverstärker 20 des invertierenden Integrators 2 ist ebenfalls
ein Integrationskondensator zugeordnet, der im Ausführungsbeispiel die Bezugsziffer
18 hat und der die Kapazität C2CO hat. Dieser Integrationskondensator liegt zwischen
dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers 20 und seinem Ausgang 4,
von dem aus unmittelbar die erste Filterausgangsklemme 9 erreicht wird, zwischen
der gegenüber Bezugspotential 8' die Ausgangsspannung U2 liegt.
-
In FIG 1 ist nun zu erkenn, daß dort mit der Eingang klemme 8 unmittelbar
der sogenannte zweite Eingang 7 des nichtinvertierenden Integrators 1 verbunden
ist. Die zwischen den Eingangsklemmen 8, 8' liegende Spannung wird gewissermaßen
als Eingangssignal -U1 invertiert an den Klemmen 9 und 8' in Form der Ausgangsspannung
U2 abgegeben.
-
Am invertierenden Integrator 2 ist nun eine zweite Singangsklemme
10 zu erkennen, die mit dem Ausgang 4 des invertierenden Integrators 2 unmittelbar
verbunden ist.
-
Der erste Eingang des invertierenden Integrators ist mit der Bezugsziffer
5 bezeichnet und ist unmittelbar mit dem Ausgang 6 des nichtinvertierenden Integrators
1 verbunden.
-
Das Eingangssignal -U1 wird also invertiert vom Eingang 8,8' zum ersten
Ausgang 9, 8' (U2) und nichtinvertiert zum zweiten Ausgang 12, 8' (u1,) übertragen.
-
Um die vorstehend aufgeführten Bedingungen zu erfüllen, sind auch
im invertierenden Integrator 2 noch eine Reihe von Schaltern und Kondensatoren enthalten.
In diesem Zusammenhang sind in FIG 1 weiterhin zu erkennen- die Schalter S10, S7,
S8, 511, S9 und S12. Von Bezugspotential 8' kommend, führt also der Schalter S10
über den Schalter S7 auf die ersten Eingangsklemme 5 des invertierenden Integrators
2. Ebenfalls von>Bezugspotential kommend,f=hrt ein weiterer Anschluß über die
Schalter S11 uns S8 zum intertierenden Eingang des Operationsden verstärkers 20.
ZwischenlVerbindungspunkten der Schalter 510 uns S7 bzw. S8 und S11 liegt ein Kondensator
16, der die Kapazität CO hat. Ebenfalls die Kapazität CQ hat ein Kondensator 17,
der zwischen den Verbindungspunkten zwischen den Schaltern S8 und S11 bzw. S12 und
S9 liegt.
-
Die Schalter S12 und S9 sind so in die Leitungsführung eingeschaltet,
daß von Bezugspotential 8' zunächst der Schalter S12 und dann der Schalter S9 erreicht
wird, von dem aus der zweite Eingang 10, wie schon beschrieben, des invertierenden
Integrators 2 erreicht wird.
-
Schließlich ist noch zu erkennen, daß die Schalter S7, S8 und S9 während
der Taktphase 1 geschlossen sind, während die Schalter S10, S11 und S12 in der Taktphase
schließen.
-
Im Ausführungsbeispiel von FIG 1 sind noch die Schalter S13 und S14
enthalten, die während der Taktphase 3 bzw.
-
schließen, was wiederum unmittelbar an den Schaltern angegeben ist.
Der Schalter S13 führt dabei vom zweiten Eingang 10 des invertierenden Integrators
2 zum invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers 21.
-
Dem Schalter S13 ist dort nachgeschaltet ein Kondensator 19, der die
Kapazität C hat. Unmittelbar parallel dazu liegt der Schalter S14, dem der Kondensator
23 mit der Kapazität 1Co zugeordnet ist.
-
Im Ausführungsbeispiel haben also die während der dritten Taktphase
bzw. während der vierten Taktphase %4zugeschalteten Kondensatoren 19 und 23 den
gleichen Kapazitätswert 1Co.
-
Für die3smessung erweisen sich folgende Größen als günstig.
-
ü - 1 L 1 α1 = ü TRo 2 ü ü CRo α2 α2 = . γ2
= ü - 1 T ü Dabei bedeuten ü den Ubersetzungsfaktor des eingangs bereits erwähnten
kanonischen Brune-Gliedes, L die Induktivität und C die Kapazität des im Brune-Glied
enthaltenen Kondensators, Ro einen Bezugswiderstand und T die anhand der FIG 2 erläuterte
Taktperiode.
-
Die gezeigte Schaltung hat den Vorteil, daß Abschlußwiderstände von
Brune-Gliedern unmittelbar nachrealisiert werden können,wobei nur zwei weitere Taktphasen
nämlich die Taktphasen #3 und #4 für die Schaltung erforderlich sind. Es bleiben
deshalb auch die stabilen Eigenschaften insbesondere bezüglich der geringen Empfindlichkeit
gegenüber den Bauteiletoleranzen der Schaltelemente solcher Abzweigschaltungen für
das integrierte Schalterkondensatorfilter in vollem Umfang erhalten.
-
Leerseite