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Aktive Niederfrequenz-Tiefpaßfilteranordnung
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Stand der Technik Die Erfindung geht von einer aktiven Niederfrequenz-Tiefpaßfilteranordnung
nach der Gattung des Anspruchs aus.
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Es sind schon aktive Niederfrequenz-Tiefpaßfilteranordnungen bekannt,
die aus einer Reihenschaltung von aktiven Tiefpaßfiltern verschiedener Filtercharakteristik
bestehen. Derartige Filteranordnungen werden be-ispielsweise hinter Mikrofonverstärkern
in SprechfunkcJcräten eingesetzt. Dabei muß die Filteranordnung eine bestimmte,
durch Vorschriften festgeleyte Kennlinie aufweisen, die bisher nur dadurch erreicht
werden konnte, daß man sich mit einer nichtverzerrten (sinusförmigen) Ausgangs spannung
von nur etwa 75 % der maximalen Ausgangsspannung der Filteranordnung zufrieden gab.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße aktive Niederfrequenz-Tiefpaßf
eranordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs hat den Vorteil, daß
die unverzerrte Ausgangsspannung der Filteranordnung bis zu etwa 95 % der maximalen
Ausgangssparlnung erreichen kann und daß dennoch der vorgeschriebene Kennlinienverlauf
eingehalten wird.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 A die maximale Ausgangsspannung U01 eines
bekannten aktiven Niederfrequenz-Tiefpaßfilters bei Übersteuerung (a) und bei Nichtübersteuerung
(b), Fig. 1 B die maximale Ausgangsspannung U02 eines erfindungsgemäßen Filters
bei Übersteuerung (a) und bei Nichtübersteuerung (b), Fig. 2 ein Blockschaltbild
einer erfindungsgemäßen aktiven Niederfrequenz-Tiefpaß filteranordnung mit Spannungsverläufen
A bis D an den Schaltungspunkten A bis D des Blockschaltbildes und Fig. 3 die Kennlinien
von Verstärker (1), Bessel-Filter (2), Verstärker und Bessel-Filter (3) sowie Verstärker,
Bessel-Filter und Tschebyscheff-Filter (4) bei nichtbegrenz-tem Signal.
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Beschreibung der Erfindung Wird ein bekannter NiederfrequenzversLärker
stark übersteuert, so liefert er eine annähernd reciteckförmicje Ausgangsspannung.
Einc dem Niederfrequenzverstärker nachgeschal tete bekannte aktive Tiefpaßfilteranordnung
gibt dann eine verzerrte Niederfrequenzspannung U01 ab; vgl.
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Fig. 1 A, Spannungsverlauf a. Wird der Niederf.requenzverstärker
nur
so wei t ausesteuert, daß die Ausgangsspannung U01 der Filteranordnung sinusförmig
ist, dann beträgt die Ausgangsspannuny nur etwa 75 % der maximalen Ausgangsspannung;
vgl. Fig. 1 A, Spannungsverlauf b. Die in Fig. 1 A gezeigten Spannungsverläufe gelten
für eine Frequenz von 1000 Hz.
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Eine Erhöhung der unverzerrten Ausgangsspannung bis zu 95 % der maximalen
Ausgangs spannung unter Einhaltung des vorgeschriebenen Kennlinienverlaufs läßt
sich erzielen, wenn man die in dem Blockschaltbild nach Fig. 2 gezeigte erfindungsgemäße
Filteranordnung verwendet.
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In dem Blockschaltbild bezeichnet 10 ein Mikrofon, zum Beispiel ein
Sprechfunkgerätc-Mikrofon, an das sich ein Mikrofon-Vorverstärker 11 anschließt.
Auf den Mikrofonvorverstärker folgt eine erfindungsgemäße aktive Niederfrequenz-Tiefpaßfilteranordnung
12; vgl. den in Fig. 2 durch strichpunktierte Linien umrahmten Schaltungsteil.
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Die Filteranordnung 12 setzt sich aus einer Reihenschaltung aus einem
Verstärker 13, einem Bessel-Filter 14 und einem Tschebyscheff-Filter 15 zusammen,
dessen Ausgang 16 den Ausgang der Filteranordnung bildet. Der Verstärker 13 und
die Filter 14 und 15 enthalten als aktive Bauteile je einen Operationsverstärker
17, 18, 19.
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Im einzelnen ist der Ausgang des Vorverstärkers 11 mit dem nichtinvertierenden
Eingang 20 des Operationsverstärkers 17 verbunden, dessen invextierender Eingang
21 über eine erste Reihenschaltung aus einem Widerstand 22 und einem Kondensator
23 hohen Kapazitätswertes mit Masse verbunden ist. Der ersten Reihenschaitung ist
eine zweite Reihenschaltung aus einem Widerstand 24 und einem Kondesnsator 25 kleinen
Kapazitätswertes parallelgeschaltet. Den Ausgang 26 des
Operationsverstärkers
17 und den invertiercnden Eingang 21 verbindet ein Gegenkopplungswiderstand 27,
und zwischen dem Ausgang 26 und Masse liegt eine dritte Reihenschaltung aus einem
Potentiometer 28 und einem Kondensator 29. Der Schleifer des Potentiometers 28 steht
mit dem Eingang des Bessel-Filters 14 in Verbindung, dessen Aufbau nicht näher beschrieben
zu werden braucht, da er dem Fachmann bekannt ist. Das gleiche gilt für das Tschebyscheff-Filter
15, das zwischen dem Ausgang des Bessel-Filters 14 und dem Ausgang 16 der Filteranordnung
liegt.
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Wesentlich für die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Filteranordnung
sind die Einbeziehung des Verstärkers 12 in die Filteranordnung, die getroffene
Filterauswahl und die Dimensionierung der Filteranordnung.
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In Fig. 3 sind die an eine aktive Tiefpaßfilteranordnung gestellten
Forderungen gezeigt. In einem Frequenzbereich zwischen 300 und 3000 fIz muß die
Kennlinie der Filteranordnung innerhalb des durch eine obere (o) und eine untere
(u) Grenzlinie gegebenen Dämpfungsbereiches liegen und bei einer Frequenz von etwa
6000 Hz eine Dämpfung von zum Beispiel 18 dB aufweisen; vgl. Grenzlinie s.
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Während der Vorverstärker 11 die von dem Mikrofon 10 abgegebene Mikrofonspannung
in der üblichen Weise verstärkt, ist der Operationsverstärker 17 des anschließenden
Verstärkers 13 derart beschaltet und dimensioniert, daß er in einem Frequenzbereich
unterhalb einer bestimmten Frequenz von zum Beispiel 1000 Hz annähernd linear verstärkt.
Oberhalb der bestimmten Frequenz weist er eine zunehmende Verstärkung auf; vgl.
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strichpunktierte Kennlinie 1 in Fig. 3. Diese beschriebene Frequenzabhängigkeit
des Verstärkers 13 ist im wesentlichen auf die zweite Reihenschaltung aus den Widerst---nd
24 und dem Kondensator 25 zur-iickzuführcn.
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Der Operationsverstärker 18 des auf den Verstärker 113 folgenden Bessel-ilters
14 ist derart beschaltet und bemessen, daß es einen von der bestimmten Frequenz
an stark abfallenden Dämpfungs verlauf aufweist; vgl. punktierte Kennlinie 2 in
Fig. 3. Die Kennlinie 2 des Bessel-Filters 14 ergibt in Verbindung mit der Kennlinie
1 des Verstärkers 13 eine resultierende Kennlinie 3 (gestrichelte Kennlinie in Fig.
3), die von der bestimmten Frequenz an etwas weniger stark abfällt als die Kennlinie
2.
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Der Operationsverstärker 19 des sich an das Bessel-Filter 14 -anschließenden
Tschebyscheff-Filters 15 ist derart beschaltet undbemessen, daß die Kennlinien von
Verstärker, Bessel-Filter und Tschebyscheff-Filter eine resultierende Kennlinie
4 ergeben (vyl. durchgezogene Kennlinie in Fiy. 3), die innerhalb der vorgeschriebenen
Grenzlinien a, o und s liegt. Die starke Dämpfung zunahme des Bessel-Filters 14
ab 1000 liz wird also durch die Kennlinien von Verstärker 13 und Tschebyscheff-Filter
15 kompensiert.
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Um außer der für die Filteranordnung geforderten Kennlinie auch die
Erhöhung der unverzerrten Ausgangsspannung bis zu etwa 95 % der maximalen Ausgangsspannung
U02 zu erhalten (vgl. Fig. 1 B, Spannungsverlauf b), wird die bei übersteuertem
Verstärker 13 (vgl. Spannungsverlauf A in Fiy. 2 unten) erhaltene Rechteckspannung
(vyl. Spannungsverlauf B in Fig. 2 unten) durch die stark abfallende Kennlinie 2
(Fig. 3) des Bessel-Filters 14 deru art verschliffen (vgl. Spannungsverlauf C in
Fig. 2), daß die Sprungantwort des auf das Bessel-Filt-er folgenden Tschebyscheff
Filters 15 klein bleibt; vgl. Spannungsverlauf D in Fig. 2.
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Durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen wird eine bessere Uber
tragungsqualität bei größerer Aussteuerung erreicht.