DE3149481C2

DE3149481C2 - Aus Schaltern und Kondensatoren bestehende Filterschaltung für elektrische Schwingungen

Info

Publication number: DE3149481C2
Application number: DE19813149481
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl.-Ing. 8150 Holzkirchen Smolka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-12-14
Filing date: 1981-12-14
Publication date: 1985-08-14
Also published as: DE3149481A1

Abstract

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. Aufgabe der Erfindung ist es, für in Schalter-Kondensator-Technik realisierte Brune-Glieder Abschlußwiderstände nachzubilden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß der erste Eingang (3) des nichtinvertierenden Integrators (1) mit dem Ausgang (4) des invertierenden Integrators (2) und der erste Eingang (5) des invertierenden Integrators (2) mit dem Ausgang (6) des nichtinvertierenden Integrators (1) verbunden ist, daß der zweite Eingang (7) den nichtinvertierenden Integrator (1) mit der Eingangsklemme (8) des Filters und der Ausgang (4) des invertierenden Integrators (2) mit der ersten Ausgangsklemme (9) des Filters verbunden ist, daß der zweite Eingang (10) mit dem Ausgang (4) des invertierenden Integrators (2) verbunden ist und der Ausgang (6) des nichtinvertierenden Integrators (1) mit der zweiten Ausgangsklemme (12) des Filters verbunden ist, und daß ein Eingangssignal (-U ↓1) invertiert vom Eingang (8, 8Δ) zum ersten Ausgang (9, 8Δ) und nichtinvertiert zum zweiten Ausgang (12, 8Δ) übertragen wird, und daß weiterhin die Taktphasen ( Θ ↓1 bis Θ ↓4) geeignet gewählt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine aus Schaltern und Kondensatoren bestehende Filterschaitung nach dem Oberbeg;iff des Patentanspruches 1.

Filterschaltungen dieser Art sind bereits aus dsr Zeitschrift IEEE Transactions on Circuits and Systems, VoI CAS-27, No. 6, Juni 1980. S. 545-552. bekannt geworden. Bei diesen Schaltungen ist jedoch das angestrebte Ziel insofern anders, als dort nicht eine bilineare Transformation benutzt wird, sondern Näherungen, was nachteilig bei hohen Frequenzen ist

Filterschaltungen dieser Art sind auch 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 Takiphasen 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 »Network Analysis and Synthesis« von Louis Weinberg. Mc Graw-Hill Book Company. Inc. 1962. Seiten 431 bis 443 beschrieben. Es ist dort auch deren mathematische Behandlung und ihre Kettenschaltung b/w. ihre Einschaltung in Filter schaltungen höheren Grades im "in/cli.ji beschrieben. Brune-Glicder. insbesondere die sogenannten kanonischen Brune-Gliedcr. bestehen bekanntlich aus ;incm Übertrager mit dem Übersetzungsverhältnis ü : 1. dem eine Spule eingangsseitig parallelgeschaltet und ein Kondensator im Querzweig nachgeschaltet ist. so daß insgesamt eine Vierpolschaltung 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 Knete geschaltet werden können. Wenn solche Brune-Glieder durch Schalterkondens.i'orfilter nachgebildet werden, dann bleiben auch die guten Eigenschaften der Schaltungen aus konzentrierten Schaltelement durchaus erhalten. In der Regel sind für solche Brunc-Glieder auch ohmsche Abschlußwiderständc erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, fur solche Filterschaltungen. bei denen das letzte Filterelement cm kanonisches Brune-Glied ist. die Nachbildung eines ohmschen Filterabschlußwiderstandes anzugeben, wo bei die sogenannte bilineare Frequenztransformator! angewendet wird. Es wird also gewissermaßen ein beidseitig öhmisch abgeschlossenes Schalterkondensatorfilter nachgebildet, um dadurch auch bei der integrierten Realisierung die guten Stabilitäts- und Empfindlichkeitseigenschaften des ohmisch abgeschlossenen LC-Referenz-Filters zu erhalten. Erforderlichenfalls wird auch vorausgesetzt, daß die Nachbildung des Generatorinnenwiderstandes nach bekannten Methoden eben-

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falls angewendet werden kann.

Für die einleitend genannten Filter wird diese Aufgabe erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmaien des Patentanspruches 1 gelöst

In den Unteransprüchen sind noch vorteilhafte Ausführungen angegeben, insbesondere auch vorteilhafte Schaltungen und vorteilhafte Bemessungen.

Anhand von Ausführungsbsispielen wird die Erfindung nachstehend noch näher erläutert

Es zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform;

F i g. 2 das zur Schaltung nach F i g. 1 gehörige Taktschema.

Aus dem in Fig. 2 gezeigten Taktschema ist folgendes zu erkennen: Für die Schaltung sind an sich vier Taktphasen Φι, Φι, Φι und Φ* erforderlich. Die Abtastperiode Γ ist in Fig. 2 ebenfalls zu erkennen und auch die Tatsache, daß sich die Taktphasen Φ\ und Φ2 nicht überlappen und die gleiche Taktfrequenz haben. Die Taktphasen Φι und Φα, haben unter sich ebenfalls die gleiche Taktfrequenz und zwar die halbe Taktfrequenz der Taktphasen Φ\ bzw. Φ₂. Die Taktphase Φι is', gegenüber der Taktphase Φα um eine ganze Taktperiode T verschoben, und schließlich sind diese beiden Taktphasen Φι und Φα mit der ersten Taktphase Φ\ synchronisiert

In der Schaltung von F i g. 1 sind nun unmittelbar die Schalter mit einem Sund 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 Bezugspotential bzw. die Erdsymbole hierfür mit der Bezugsziffer 8' versehen. So liegt der nichtinverticrende Eingang des Operationsverstärkers 21 auf Bezugspotential 8'. Der nichtinvertierende Integrator 1 besteht aus einem Schalternetzwerk mit den Schaltern S1. S 4.52.55. 53 und 56. Von Bezugspotential 8' führen also die Schalter 54 und 51 auf die Eingangsklemme 8 des Filters, an der gegenüber Bezugspctential 8' die Spannung — U\ anliegt. Ebenfalls von Bezugspotential S' kommend. fü.i^rt eine Leitung über die Schalter 52 und 55 zum invertierenden ( —) Eingang des Operationsverstärkers 21. Schließlich führt noch eine Schaltverbindung von Bezugspotential über die Schalter 56 und 53 zi:m sogenannten ersten Eingang 3 des nichtinvertierenden Integrators 1. Die Schalter 51. 52 ^:.:nd 53 werden in der Taktphase Φ\ geschlossen, die Schalter 54, 55 und 56 in der Taktphase Φ-t. Zwischen den Verbindungspunkten der Schalter 5 1 und 5 4 zu den Schaltern 52 und 5 5 ist ein Kondensator 13 geschaltet, der die Kapazität Co hat, an den sich ein werterer Kondensator 14, ebenfalls mit der Kapazität Q anschließt und zu den Verbindungspunkten zwischen den Schaltern 53 und 56 führt. Zu erkennen ist ferner der Iniegrationskondensator 15, der im Ausführungsbeispiel die Kapazität: «iCö 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 Ausgangskl^jnme 12 des Filters, an der gegenüber Bezugspotential 8' die Spannung U\ = — l[R₀Z-^u'² auftritt

Auf die erste Eingangsklemme 8 folgt ein Kondensa-

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65 tor 22, der die Kapazität y^Co 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 «2Q 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 £' die Ausgangsspannung Ui liegt

In F i g. 1 ist nun zu erkennen, daß dort mit der Eingangsklemme 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 — U\ invertiert an den Klemmen 9 und 8' in Form der Ausgangsspannung U2 abgegeben.

Am invertierenden Integrator 2 ist r>un eine zweite Eingangsklemme 10 zu erkennen, die i«-r dem Ausgang 4 des invertierenden Integrators 2 unmitte.bar verbun den ist. Der erste Eingang des invertierenden Integrators ist mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet und ist unmittelbar mit dem Ausgang 6 des nichtinvertierenden Integrators 1 »erbunden.

Das Eingangssignal -Ui wird also invertiert vom Eingang 8,8' zum ersten Ausgang 9,8' (Ui) und nichtinvertiert zum zweiten Ausgans 12,8' (Ui) 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 F i g. 1 weiterhin zu erkennen die Schalter 510. S7, S8, 511, 59 und 512. Von Bezugspotential 8' kommend, führt also der Schalter SlO über den Schalter S 7 auf die erste Eingangsklemme 5 des invertierenden Integrators 2. Ebenfalls von Bezugspotential kommend, führt ein weiterer Anschluß über die Schalter 511 und 58 zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 20. Zwischen den V?rbindungspunkten der Schalter S10 und S7 bzw. S8 und 511 liegt ein Kondensator 16. der die Kapazität Cj hat. Ebenfalls die Kapazität Ca hat ein Kondensator 17, der zwischen den Verbindungspunkten zwischen den Schaltern 58 und S11 bzw. 512 und S9 lie^t. Die Schalter S12 und S9 sind so in die Leitungsführung eingeschaltet, daß von Bezugspotential 8' zunächst der Schalter 512 und dann der Schalter 59 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 S 7, S8 und 59 während der Taktphase Φ\ geschlossen sind, während die Schalter S 10. S 11 und S 12 in der Taktphase Ψ7 scnließen.

Im Ausführungsbeispiel von F i g. 1 sind noch die Schalter S13 und 514 enthalten, die während der Taktphase Φι bzw. Φα schließen, was wiederum unmittelbar an den Schaltern angegeben ist. Der Schalter 513 führt dabei vom zweien Eingang 10 des invertierenden Integrators 2 .'.um invertierenden Eingang (—) des Operationsverstärkers 21. Dem Schalter 513 ist dort nachgeschaitet ein Kondensator 19, der die Kapazität /1Q hat. Unmittelbar parallel dazu liegt der Schalter 514, dem der Kondensator 23 mit der Kapazität y\G> zugeordnet ist.

Im Ausführungsbeispiel haben also die während der dritten Taktphase Φι bzw. während der vierten Taktphase Φι, zugeschalteten Kondensatoren 19 und 23

den gleichen Kapazitätswert /2C0.

Für die Bemessung erweisen sich folgende Größe als günstig:

ΰ-1 L 1 Λ-,

_ ü ^CR° - -^L

Dabei bedeuten ü den Übersetzungsfaktor des eingangs bereits erwähnten kanonischen Brune-Gliedes, L die Induktivität und Cdie Kapazität des im Brune-Glied enthaltenen Kondensators, Rq einen Bezugswiderstand und Tdie anhand der F ig. 2 erläuterte Taktperiode.

Die gezeigte Schaltung hat den Vorteil, daß Abschlußwiderstände von Brune-Gliedern unmittelbar nachresüsiert v/erden können, wobei mir zwei weitere Taktphasen nämlich die Taktphasen <P\ und Ά für die Schaltung erforderlich sind. Es bleiben deshalb auch die stabilen Eigenschaften insbesondere bezüglich der geringen Empfindlichkeit gegenüber den Bautcilctoleranzen der Schaltelemente solcher Abzweigschaltungen für das integrierte Schalterkondensatorfilter in vollem Umfang erhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. 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 und bei der der erste Eingang (3) des nichtinvertierenden Integrators (1) mit dem Ausgang (4) des invertierenden Integrator (2) und der erste Eingang (5) des invertierenden Integrators (2) mit dem Ausgang (6) des nichtinvertierenden Integrators (ί) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zwpite Eingang (7) des nichtinvertierenden Integrators (1) mit der Eingangsklemme (8) des Filters und der Ausgang (4) des invertierenden Integrators (2) mi; der ersten Ausgangsklemme (9) des Filters verbunden ist, daß der zweite Eingang (10) mit dem Ausgang (4) des invertierenden Integrators (2) verbunden ist und der Ausgang (6) des nichtinvertierenden Integrators (1) mit der zweiten Ausgangsklemme (12) des Filters verbunden ist, daß ein Eingangssignal (— U\) invertiert vom Eingang (8,8') zum ersten Ausgang (9,8') und nichtinvertiert zum zweiten Ausgang (12, 8') übertragen wird, <"aß weiterhin die Taktphasen (Φ\ bis Φή so gewählt sind, daß sich die beiden ersten Taktphasen (Φι. Φι) innerhalb einer Taktperiode (T) nicht überlappen, daß die beiden weiteren Taktphasen {Φι, Φ«) die halbe Taktfrequenz der erste.. 1 aktphase (Φι) haben, daß die dritte Taktphase (Φι) gegenüber der «-ierten Taktphase (Φ*) um eine ganze Taktperiode (T) verschoben ist und daß diese beiden Taktphasen 'Φι. Φί) mit der erst.-n Taktphase (Φ\) sy nchronisiert sind.

2. Filterschaitung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter ('S 1 bis 56) des nichtinvertierenden Integrators (1) derart geschaltet sind, daß während der ersten Taktphase (Φ\) drei Schalter (S 1, S2. S3) geschlossen sind und zwei dazwischen liegende Kondensatoren (13, 14) aufgeladen werden und während der zweiten Taktphasc (Φ2) drei Schalter (S4, S5. Sb) geschlossen sind und auf den Integrationskondensator (15) des nichtinvertierenden Integrators (1) entladen werden, daß die Schalter (S7 bis S 12) des invertierenden Integrators (2) derart geschaltet sind, daß während der ersten Taktphase (Φ\) drei Schalter (S 7, SS. S9) geschlossen sind und dadurch zwei Kondensatoren (16, 17) mit dem invertierenden Eingang des zugehörigen Operationsverstärkers (20) verbunden sind und dabei die Ladung dieser beiden Kondensatoren (16, 17) auf den zugehörigen Integrationskondensator (18) des invertierenden Integrators (2) übertragen wird, daß während der /weiten Taktphase (Φ2) drei Schalter (S 10. SIl. S 12) geschlossen sind und die beiden Kondensatoren (16, 17) des invertierenden Integrators (2) entladen werden, daß weiterhin die Eingangsklemme (8) über einen Kondensator (22) mit dem invertierenden LiPgang des /um invertierenden ao Integrator (2) gehörenden Operationsverstärkers (20) verbunden ist und der Ausgang des invertierenden Integrators (2) über eine Sericnschaltung aus einem Kondensator (19) und einem während der dritten Taktphase (Φ}) geschlossenen Sehalter (S 13) und über eine dazu parallel geschaltete Serienschaltung aus einem weiteren Kondensator (23) und einem während der vierten Taktphase (Φ4) geschlossenen Schalter (S 14) mit dem invertierenden Eingang des zum nichtinvertierenden Integrator (1) gehörenden Operationsverstärkers (21) verbunden ist.

3. Filterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die während der dritten Taktphase (Φι) bzw. während der vierten Taktphase (Φα) zugeschalteten Kondensatoren (19,23) den gleichen Kapazitätswert haben.