DE3325325C2 - Aus Schaltern und Kondensatoren bestehende Filterschaltung - Google Patents

Abstract

Angegeben wird eine Schalter-Kondensator-Filter-Schaltung mit einem Spannungsumkehrschalter. Die Schaltung enthält nur einen Operationsverstärker und die Schalter werden in vier voneinander unabhängigen Taktphasen gesteuert. Nachgebildet wird eine Anordnung zur Realisierung einer geerdeten Kapazität und eines geerdeten Einheitselementes. Eine zweite Schaltung ist beschrieben, mit der sich eine Induktivität nachbilden läßt. Parasitäre Kapazitäten sind durch den speziellen Schaltungsaufbau beseitigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine aus Schaltern und Kondensatoren bestehende Filterschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Für den Aufbau integrierter Filterschaltungen, bei denen Spulen nachgebildet werden, gibt es bekanntlich eine Reihe unterschiedlicher Möglichkeiten. Einer dieser Möglichkeiten besteht darin, sogenannte Schalter-Kondensator-Filter zu realisieren, die bei den heute zur Verfügung stehenden technologischen Möglichkeiten den in der Praxis zu stellenden Anforderungen in hohem Maß gerecht werden. Eine spezielle Gattung dieser Schalter-Kondensator-Filter sind Schalter-Kondensator-Filter, bei denen eine Spannungsumkehr erfolgt. Im einzelnen sind solche Filter bereits in der Zeitschrift AEÜ, 33 (1979) Seiten 13 bis 19 und Seiten 107 bis 144 angegeben. In diesen beiden Aufsätzen ist gezeigt, welche umfangreichen Möglichkeiten zur Nachbildung von klassischen Filterschaltungen bestehen. In der Zeitschrift Proc. ECCTD-81, The Haague, Seiten 675 bis 680 werden bereits Möglichkeiten besprochen, wie bei solchen SC-Filtern (Schalter, Kondensator-Filtern) die Bodenkapazitäten die integrierten Anordnungen vermindert werden können. Schließlich sind in der Zeitschrift AEÜ, Band 35 (1981), Seiten 121 bis 130, Schalter-Kondensator-Elemente für VIS-SC-Filter (Voltage-Inverter-Switches-SC-Filter) mit geringerem Einfluß parasitärer Kapazitäten angegeben. Auch bei diesen Schaltern wird für die Schalter ein Taktschema verwendet, bei dem vier einander nicht überlappende Taktphasen für die einzelnen Schalter auftreten.

Als aktives Element ist ein Operationsverstärker verwendet, dessen nichtinvertierender Eingang auf Massepotential liegt Der Ausgang dieses Operationsverstärkers ist über einen Kondensator und ein Schaltersystem mit dem invertierenden Eingang verbunden. Im eigentlichen Eingang der Schaltung folgt ein Schalter, dem wiederum ein Kondensator folgt, und die zweite Elektrode dieses Kondensators ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden. Auch bei den bekannten Schaltungen treten noch parasitäre Kapazitäten beim Integrationsprozeß auf.

Weitere Schaltungen sind durch die DE-OS 18 11 503 und die beiden japanischen Patentanmeldungen Nr. 88 415-80 und Nr. 37 019-80 bekannt geworden. Bei der DE-OS 18 11 503 handelt es sich um Schaltungen, bei rlenen mit Hilfe geschalteter Kondensatoren die Integrationszeitkonstante in RC-aktiven Netzwerken verändert werden kann. Bei den beiden japanischen Patentanmeldungen handelt es sich um einen um eine Maßnahme zur Reduzierung der Signallaufzeit in einer Filterzel-Ie, zum anderen um eine Schaltung zur Realisierung einer biquadratischen Übertragungsfunktion. Ein Zusammenhang mit den Schaltungen zur Eliminierung des Einflusses parasitärer Kapazitäten besteht nicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, Schaltungsmöglichkeiten anzugeben, bei denen praktisch alle parasitären Kapazitäten innerhalb spezieller Spannungsumkehr- und Nachladeschalterrealisierungen unwirksam gemacht sind.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Schaltungsvariante ist im Patentanspruch 2 angegeben.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.
Es zeigt in der Zeichnung

Fig. 1 eine Schaltung zur Realisierung einer geerdeten Kapazität und eines geerdeten Einheitselementcs:
Fig.2 das Taktschema, in dem jeweils die zugehörigen Schalter geschlossen sind in Abhängigkeit von der Zeit /;

Fig. 3 eine Möglichkeit zur Realisierung einer geerdeten Induktivität, bei der ebenfalls das Takischcma nach F i g. 2 anzuwenden ist.

Die in F i g. 1 gezeigte Schaltung enthält einen Operationsverstärker K, dessen nichtinvertierender Eingang mit S, dessen invertierender Eingang mit T und dessen Ausgang mit A bezeichnet ist. Dem invertierenden Eingang unmittelbar vurgeschaltet ist ein Kondensator C,

5G der von der Eingangsklemme nc über einen Schalter (Taktphase 1) erreicht wird. Der nichtinverticrende Eingang S liegt auf Massepotential O, wie dies im Schaltsymbol kenntlich gemacht ist. Dem Kondensator C ist vorgeschaltet eine Leitung, die über einen Schalter (Taktphase 3) auf den Ausgang A führt. Vom Ausgang A führt ferner ein Schalternetzwerk, das in der Taktphase 1, 2 und 4 bzw. der Taktphase 2 und 4 betätigt wird, auf den invertierenden Eingang T. Dieses Schalternetzwerk besteht also aus zwei in Serie geschalteten Schaltern, dene., der Rückkopplungskondensator Ci zugeordnet ist. Der Rückkopplungskondensatör C> hängt also mit seiner einen Elektrode am invertierenden Eingnng T parallel dazu liegt der während der Taktphase 2 und 4 geschaltete Schalter, und in der Serienschaltiing für den während der Faktphase 1, 2 und 4 zu schaltenden Schulter liegt die zweite Elektrode des Kondensators C₁. Weiterhin ist dem Ausgang n des Operationsverstärkers K ein während der Taktphase 1 zu belangender .Schulter

nachgeschaltet, dem einerseits ein Kondensator Ca folgt, den man gewissermaßen auch als Haltekondensator bezeichnen könnte. Der Kondensator C/, ist mit seiner zweiten Elektrode mit Massepotential O verbunden. Seine erste Elektrode hängt am Eingang eines Puffer-Verstärkers P, der den Verstärkungsfaktor 1 hat, wie dies in Klammern angegeben ist.

Im Taklschema von Fig. 2 sind in Abhängigkeit von der Zeit t die Taktphase 1, 2, 3 und 4 dargestellt Es ist daraus zu erkennen, daß für den Betrieb der hier be- ίο schriebenen Schaltungen Taktspannungen erforderlich sind, die die zugehörigen Schalter in sich nicht überlappenden Taktphasen schließen. In F i g. 1 ist nun unmittelbar an den Schaltern die jeweilige Taktphase angegeben, in denen diese Schalter zu schließen sind.

Im Ausführungsbeispiel von F i g. 3 sind wirkungsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern wie in F i g. 1 bezeichnet, so daß insoweit nicht mehr darauf eingegangen werden muß.

Im Ausführungsbeispiel von F i g. 3 wird nun zusatzlieh der nichtinvertierende Eingang S über einen während der Taktphase 2 zu betätigenden Schalter dem Kondensator C vorgeschaltet Diese Schaltveröindung führt auf einen während der Taktphase 4 zu betätigenden Schalter und dann auf den Verstärkerausgang A. Der Verstärkerausgang A wird während der Taktphase 2 an die eine Elektrode des Kondensators G, geschaltet, dessen andere Elektrode mit Massepotential O verbunden ist. Der Ausgang des Pufferverstärkers P wird während der Schaltphase 4 an den Rückkopplungskondensator Ci gelegt, der mit seiner anderen Elektrode am invertierenden Eingang Tliegt. Parallel zum Kondensator Cf liegt wiederum ein Schalter, der während der Taktphasen 1 und 3 zu betätigen ist. Zugeordnet ist der weitere, in Serie geschaltete Schalter, der jetzt in den Taktphasen 2 und 3 zu schließen ist. Von diesem Schalter wird der Ausgang A des Operationsverstärkers K erreicht. Gewissermaßen »parallel« zu dieser Anordnung liegt ein Kondensator C der als Speicherkondensator bezeichnet werden könnte. Vom invertierenden Eingang Γ wird also hier ebenfalls die eine Elektrode dieses Speicherkondensators C₅ erreicht, und an der anderen Elektrode liegt der während der Taktphase 1 zu betätigende Schalter, der dann auf den Ausgang A führt. Während der Taktphase 4 wird diese Elektrode des Kondensators Cv an Massepotential Ogelegt.

Zur weiteren Erläuterung sei noch folgendes ausgeführt:

Ein Spannungsumkehrschalter und ein Wiederaufiat.icschalter sind aktive ZwHpole, die ihre Klemmenspanniing in zwei Schaltschritten umpolen, Der erste und der letzte Schritt sollen hier Au'zeichungsschritt und Inversionsschritt genannt werden. Für einen Spannungsumkehrschritt wird die Spannung im ersten Schritt über seinen Klemmen aufgezeichnet und an einem Hilfs- bzw. einem Haltekondensator innerhalb der SC-Schaltung gespeichert. Im zweiten Schritt wird die umgekehrte Spannung gewissermaßen rückwärts über einen Operationsverstärker an den Eingangsklemmen eingeprägt. Für einen Wiederaufladeschalter sind die Klemmen scheinbar während des Aufzeichnungsschrittes kurzgeschlossen, und die Ladung, die dann über die Klemmen fließt, wird in einem Hilfskondensator gespeichert. Im zweiten Schritt, der nun als Wiederaufladeschritt bezeichnet sei, wird dieser Kondensator in einer solchen Weise entladen, daß die gleiche Ladung noch einmal über die Klemmen fließ;, '.ind zwar in der gleichen Richtung wie beim ersten Mal. Einzelheiten hierüber finden sich auch in den eingangs genannten Literaturstellen. Da die Gesamtwirkung von Wiederaufladeschaltern die gleiche ist wie von SpannungsumkehrschsJtera, werden sie gewissermaßen auch als »VIS's« (Voltage-Inverter-Switches) bezeichnet

Es wird also die Spannungsumkehrbedingung dann erfüllt wenn im ersten Schritt alle Ladungen registriert werden, die durch die Netzwerk-Kondensatoren fließen, das heißt also jene Kondensatoren, die unmittelbar den Elementen der Referenzfilter entsprechen. In einem zweiten Schritt werden diese Ladungen durch die entsprechenden Kondensatoren noch einmal in der gleichen Richtung geschoben wie beim ersten Mai. Auch hierüber ist bereits in der eingangs genannten Literaturstelle (AEÜ, 1981, Seite 121 bis 130) berichtet worden. Es ist go diejenige Ladung, die durch einen Kondensator C während des Aufzeichnungsschrittes fließt, weiterhin sind Vb und v_a die Werte für die Spannung ν über den Kondensator C vor dem Aufzeichnungsschritt und genau nach dessen Beendigung. Da die Ladungen, die in beiden Schritten über den Kondenserr Cfließen, einander gleich sind, gut Gleichung (i).

= v_b + 2 qo/C.

Schaltungen, mit deren Hilfe die Gleichung (1) erfüllt wird, sind in der eingangs erwähnten Literaturstelle AEÜ, 35 (1981), Seiten 121 bis 130 beschrieben. Wie eingangs bereits erwähnt, stören gerade die parasitären Kapazitäten, die durch die Deckplatten der Kondensatoren in diesen Schaltungen verursacht werden, die ordnungsgemäße Einhaltung von Gleichung (1). Die hier angegebenen Schaltungen haben demgegenüber den Vorteil, daß Gleichung selbst bei vorhandenen parasitären Kapazitäten (bei idealen Verstärkern) stets erfüllt wird. Die Schaltung ist im wesentlichen anhand der F i g. 1 vorstehend bereits beschrieben. Während des Aufzeichnungsschrittes, das heißt also in der Taktphase 1, ist die Deckplatte des Kondensators Cmit anderen Schaltungsbestandteilen verbunden, und die Ladung qo, die während der Ladungsumverteilung fließt, wird im RüCKkopplungskondensator C/ gespeichert Gleichzeitig wird der Haltekondensator Ch auf die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers K aufgeladen. Diese Spannung ist identisch mit der Ausgangsspannung des Pufferverstärkers P (Verstärkungsfaktor 1) und wird durch die Gleichung (2) beschrieben.

v_h = qo/Cr.

Im zweiten Schritt, dem Rückstellschritt (alle Schalter mit der Taktphase 2 sind geschlossen), wird der Kondensator Ci entladen, während die Spannung v/, an der Ai:sgä.igiklemme des Pufferverstärkers P konstant bleibt. Während des Wiederaufladeschrittes (alle Schalter mit der Taktpiiase 3 sind geschlossen) wird der Rückkopplungskondensator Q zwischen den Ausgang des Pufferverstärkers P und den invertierenden Eingang Tdes Operationsverstärkers K geschaltet, während der Kondensator C in die Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers K geschaltet wird. Die Ladung, die dann durch die Kondensatoren Ciund Cfließ», \%\ durch Gleichung (3) gegeben.

<7o' = C₁ v_h.

Benützt man die Gleichung (2), erhält man die gewünschte Beziehung

qo <7o

die die äquivalente Spannungsumkehrbedingung für Wiederaufladeschalter ist. In der eingangs genannten Literaturstelle AEÜ, 33 (1979), Seiten 107 bis 114, wird dies auch als Prinzip der umgekehrten Wiederaufladung bezeichnet. Wenn der Wiederaufladeschritt abgeschlossen ist, muß der Rückkopplungskondensator G wiederum entladen werden, d. h. also, es müssen die mit der Taktphase 4 bezeichneten Schalter geschlossen werden.

Der Schaltung von Fig. 1 kann unmittelbar entnommen werden, daß sowohl die Deckkapazität wie auch die Grundkapazität, die ja parasitäre Kapazitäten des Rückkopplungskondensators C sind, den Ladungsfluß der Ladungen qo und qo' nicht mehr beeinflussen. Darüber hinaus haben die Deckpiattenkapazität des Haltekondensators Ch und die Eingangskapazität des Pufferverstärkers P keinen Einfluß auf den Ladungstransport.

cn /ΊοίΙ /4t0 A nr\wfirn ir» «τ nook Γ ι η 1 %tr\A 1 τι ir Di»oltci<*-

rung von Wiederaufladeschaltern vollständig unempfindlich gegenüber Streukapazitäten ist. In der (eingangs genannten) Literatursielle AEÜ 35, 1981, Seiten 121 bis 130, wurde bereits gezeigt, daß die Deckplattenkapazität des Kondensators Ceiner Schaltelementänderung entspricht und somit ihr Einfluß klein bleibt.

Die Schaltung von F i g. 1 kann also zur Realisierung einer geerdeten Kapazität oder auch eines Einheitselementes des Referenznetzwerkes verwendet werden.

Zur Realisierung einer Induktivität oder auch eines Gyro-Elements muß die Spannung über den Kondensator C umgedreht werden, nachdem der Wiederaufladeschritt abgeschlossen ist. Die endgültige Spannung ist dann durch Gleichung (5) gegeben.

(4) (6) bis (8) benutzt, ist zu sehen, daß auch Gleichunj erfüllt ist.

Man sollte festhalten, daß die Schaltupgstopol· ähnlich ist wie bei den bekannten Schaltungen, so auch deren Vorteile erhalten bleiben; erforderlich lediglich einige zusätzliche Schalter und ein zusätzlu Speicherkondensator C_s. Die Betätigung der Schi während der Taktphasen 1, 2, 3 und 4 weicht allerd von der in AEÜ 35, 1981, !21 bis 130 beschriebe Schaltung ab; beide Schaltungen, sowohl die Schalt nach Fig. 1 als auch die Schaltung nach Fig. 3 er dem vier Taktphasen.

V₁ - -V₁ (v_b + 2qo/C).

(5)

Die Schaltung nach Fig. 3 erfüllt die Gleichung (5). wobei hervorzuheben wäre, daß kein weiterer Operationsverstärker benötigt wird. Die Ladung qo wird im Kondensator C₅ im ersten Schaltschritt gespeichert, während der Kondensator Cr entladen wird. Die Spannung über dem Kondensator Cam Ende dieser Phase ist durch Gleichung (6) gegeben.

v_h

q₀ C.

(6)

Im zweiten Schritt wird der Kondensator Centladen, und seine Ladung wird übergeführt auf den Rückkopplungskondensator Cf. Die Ausgangsspannung über dem Operationsverstärker K wird dann so

v_h = V₀CZCf.

(7)

Im Rücksetzschritt, während der Taktphase 3 also, wird der Kondensator Cf wieder entladen und im Wiederaufladeschritt — Taktphase 4 — wird die Ausgangsspannung Vh des Pufferverstärkers Pan den Rückkopplungskondensator Cf gelegt und gleichzeitig wird der Speicherkondensator C₅ entladen, so daß also die gesamte Ladung während dieser Zeit durch den Kondensator C fließt, und zwar von der Grundplatte zur Deckplatte; dieser Vorgang läßt sich durch Gleichung (8) beschreiben.

q" = Vh Cf -*- Hq .

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(8)

Für die Gesamtspannung über dem Kondensator C ergibt sich V₁ — — q'/C; wenn man also die Gleichungen Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Aus Schaltern und Kondensatoren bestehende Filterschaltung mit einem Spannungsumkehrschalter, die von vier unterschiedlichen Taktphasen gesteuerte Schalter und einen Operationsverstärker (K) enthält, dessen nichtinvertierender Eingang (S) auf Massepotential (O) liegt, mit dessen invertierendem Eingang (T) ein erster Kondensator (C) verbunden ist und dessen Ausgang (A) über Schalter und einen Rückkopplungskondensator (Cf) mit dem invertierenden Eingang (T) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang (A) des Operationsverstärkers (K) über einen Schalter (i) ein zweiter Kondensator (Ch) verbindbar ist, dessen einer Anschluß auf Massepotential (O) liegt und dessen dem Operationsverstärkerausgang (A) zugewandter Anschluß mit dem Eingang eines Pufferverstärkers (P) verbunden ist, und daß der Ausgang dieses Puffinerstärkers (P) über einen Schalter (3) mit dem Rückkopplungskondensator (Cf) und dessen zugehörigen Schaltern (1+2+4; 2+4) verbindbar ist(Fig.l).

2. Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers (K) ein weiterer Rückkopplungskondensator (Cs) angeordnet ist, der in Reihe mit einem Schalter (1) zwischem dem Ausgang (A) und dem invertierenden Eingang (T) liegt und über einen weiteren gegenüber Schalter (1) mit unterschiedlicher 'laktphase gesteuerten Schalter (4) mit Massepoteniial (O) verbindbat ist (F i g. 3).