DE3345718C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein aktives RC-Bandsperrfilter zweiten Grades laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Aktive RC-Filter zweiten Grades sowie deren Theorie sind bekannt (NTZ 1973, Heft 6, S. 279-282). Sie können in vier Grundschaltungen eingeteilt werden, deren gemeinsames Grundprinzip darin besteht, sechs komplexe Leitwerte (Admittanzen) Y 1 bis Y 6 in Reihe zu schalten und durch zwei sogenannte Noratoren sowie zwei sogenannte Nullatoren die Spannungen U _o an den Knotenpunkten zwischen dem ersten und zweiten, dritten und vierten sowie fünften und sechsten Leitwert gleichzuhalten (Grundschaltungen nach Fig. 1 und 3 der obigen Literaturstelle). Es ist auch bekannt, daß diese beiden Noratoren und Nullatoren zu sogenannten Nulloren zusammengefaßt werden können und dann im Prinzip einem Verstärker entsprechen, der einen invertierenden und einen nicht invertierenden Eingang und einen gemeinsamen Ausgang besitzt, im einfachsten Fall ist dies ein Operationsverstärker. Es ist ferner bekannt, aufbauend auf einer dieser Grundschaltungen (Typ S 1 nach Fig. 3 der obigen Literaturstelle), bei welcher die jeweils invertierenden Eingänge der beiden Verstärker miteinander verbunden sind, ein Bandsperrfilter aufzubauen (Fig. 6m obiger Literaturstelle). Der erste, zweite, dritte und fünfte Leitwert ist hierbei ein Wirkleitwert (G 1, G 2, G 3, G 5), der vierte Leitwert eine Kapazität (C 4) und der sechste Leitwert besteht aus einem an Masse liegenden Wirkleitwert (G 6 a) sowie aus der Parallelschaltung eines Wirkleitwertes (G 6 b) und eines Kondensators (C 6), die mit dem eingangsseitigen Ende des ersten Wirkleitwertes (G 1) verbunden sind. Aus der Theorie dieser Filter ergibt sich, daß ein solches bekanntes Bandsperrfilter durch Änderung der beiden verwendeten kapazitiven Leitwerte (C 4 und C 6 nach Fig. 6m obiger Literaturstelle) in der Sperrfrequenz in einem vorgegebenen Frequenzbereich geändert werden könnte. Eine solche Abstimmung mit gleichlaufenden Drehkondensatoren ist technisch relativ aufwendig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, aufbauend auf der bekannten Theorie von aktiven RC-Filtern zweiten Grades der eingangs erwähnten Art spezielle Schaltungen aufzuzeigen, die als Bandsperrfilter wirken, bei denen eine Abstimmung der Sperrfrequenz ausschließlich mit Wirkleitwertelementen durchführbar ist und bei denen durch die Abstimmung die Güte und Sperrdämpfung möglichst unbeeinflußt bleibt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem RC-Bandsperrfilter laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Aufbauend auf den bekannten Grundschaltungen von aktiven RC-Filtern zweiten Grades (Fig. 3 der eingangs erwähnten Literaturstelle) wird gemäß der Erfindung eine solche Wahl der einzelnen in Reihe geschalteten komplexen Leitwerte gewählt, daß ausschließlich durch Veränderung von zwei Wirkleitwerten die Sperrfrequenz des so aufgebauten Bandsperrfilters geändert werden kann. Dabei sind für die Verwirklichung der Erfindung alle vier bekannten Grundschaltungen solcher Filter geeignet, außerdem auch noch die bekannten gespiegelten Grundschaltungen (gespiegelte Grundschaltungen Typ U 1, U 2 laut Fig. 3 im Zusammenhang mit Textstelle auf Seite 280, rechte Spalte der obengenannten Literaturstelle). Als Verstärker sind Operationsverstärker geeignet, für höhere Frequenzen auch Differenzverstärker mit transformatorisch zusammengefaßten oder über eine Kapazität entkoppelten Ausgängen, die an die entsprechenden Schaltungspunkte angeschaltet sind und wie bei einem Operationsverstärker gegen Masse ihre Ausgangsspannung an diese Schaltungspunkte liefern. Ein erfindungsgemäßes Bandsperrfilter ist nicht nur sehr einfach beispielsweise durch ein Doppelpotentiometer in der Sperrfrequenz abstimmbar, sondern besitzt darüber hinaus auch noch konstante Güte, da bei der Änderung der Wirkleitwerte deren Verhältnis konstant bleibt. Die Sperrfrequenz ist proportional zur Wurzel als dem Produkt der beiden veränderbaren Wirkleitwerte. Auch die Sperrdämpfung wird durch die veränderbaren Wirkleitwerte nicht beeinflußt. Eine erfindungsgemäßes Filter kann auch sehr einfach und billig realisiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen aktiven RC-Bandsperrfilters und anhand einer zugehörigen Tabelle die verschiedenen Schaltungsmöglichkeiten für die Eingänge der hierbei verwendeten Verstärker, wie sie als Grundschaltungen an sich bekannt sind.

Fig. 2 zeigt im Detail eine besonders geeignete praktisch ausgeführte Schaltungsvariante nach dem Grundprinzip gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen RC-Bandsperrfilters bestehend aus der Reihenschaltung von sechs komplexen Leitwerten, von denen der erste als Wirkleitwert G 1, der zweite als Kapazität C 2, der dritte als Parallelschaltung eines Wirkleitwertes G 3 und einer Kapazität C 3, der vierte als Kapazität C 4, der fünfte als Wirkleitwert G 5 und der sechste als Parallelschaltung eines an Masse 7 liegenden Wirkleitwertes G 6 a und eines mit dem Eingang 1 des ersten Wirkleitwertes G 1 verbundenen weiteren Wirkleitwertes G 6 a ausgebildet ist. Die Eingangsgröße U _e wird gegen Masse 7 am freien Ende 1 des ersten Wirkleitwertes G 1 zugeführt, die Ausgangsgröße wird wiederum gegen Masse 7 am Verbindungspunkt 3 des zweiten und dritten Leitwertes C 2 bzw. G 3/C 3 entnommen. An den Schaltungspunkten 3 und 5 sind die Ausgänge zweier Verstärker V 1 und V 2 angeschaltet, im gezeigten Ausführungsbeispiel Operationsverstärker mit im Idealfall unendlich großer Verstärkung. Deren Eingänge 8, 9 bzw. 10, 11 können im Sinne der Tabelle nach Fig. 1 nach den bekannten Grundschaltungstypen S 1, S 2, U 1, U 2 sowie der dazu gespiegelten Grundschaltungen U 1′ und U 2′ mit den verbleibenden Schaltungspunkten 2, 4 und 6 verbunden werden. Die beiden Wirkleitwerte G 1 und G 3 sind im Gleichlauf miteinander abstimmbar.

Die Übertragungsfunktion der Schaltung nach Fig. 1 lautet in allen möglichen sechs Grundschaltungen:

Damit dieser Ausdruck auf die Form

eines Sperrbandfilters gebracht werden kann (A = konstanter Grunddämpfungsfaktor, Q = Güte und ω _s der Sperrfrequenz) ergibt sich durch Koeffizientenvergleich mit

G 6 a «G 6 b = G 6 ≈ G 6 a + G 6 b :

C 3 G 5 - G 6a C 4 = 0

Aus dieser Beziehung ergibt sich, daß bei einer Änderung von G 1 und G 3 unter Beibehaltung des Verhältnisses G 3/G 1 = konstant die Güte Q gleich bleibt und sich die Sperrfrequenz ω _s mit der Wurzel aus dem Produkt G 1 und G 3 ändert.

Aus der Übertragungsfunktion

ergibt sich daß für H _h ≈1 der Leitwert G 6 a « G 5 sein muß. Dies hat den Vorteil, daß der zweite Verstärker V 2 nur die Eingangsspannung liefern muß und dadurch ein großer Gesamtaussteuerbereich erreicht wird, der ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis garantiert. Eine eventuelle Verschiebung der Null-Stellen infolge der endlichen Güte der Bauelemente kann durch Änderung des Wirkleitwertes G 6 a wieder korrigiert werden, dieser Wirkleitwert ist daher vorzugsweise einstellbar ausgeführt. Es kann damit eine hohe Sperrtiefe erreicht werden. Im allgemeinen wird diese Einstellung eines Mittelwertes ausreichen. Um eine gute Sperrdämpfung im ganzen Abstimmbereich zu erreichen, müßte der Leitwert G 6 a in Abhängigkeit von der Sperrfrequenz geändert werden, also zusammen mit den Wirkleitwerten G 1 und G 3 abgestimmt werden. Dies wäre relativ aufwendig. Um eine für die Praxis ausreichend gute Sperrdämpfung im ganzen Abstimmbereich zu erhalten, ist es vorteilhafter, parallel zum Wirkleitwert G 5 eine zusätzliche kleine Kapazität C 5 zu schalten, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist. Dadurch kann die Sperrdämpfung im ganzen Abstimmbereich konstant gehalten werden.

Fig. 2 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Grundschaltung Typ U 2′ nach Fig. 1 und zwar für ein Bandsperrfilter von 250 Hz bis 5 kHz mit einer Güte Q = 5. Die dabei verwendeten Bauelemente sind wie folgt dimensioniert.

G 1 = G 3 = (4 . . .100 kΩ)^-1; C 2 = 390 pF

C 3 = 1,5 nF; C 4 = 15 nF; G 5 = (100 kΩ)^-1

G 6 a = (1 MΩ)^-1; G 6 b = (10 kΩ)^-1; C 5 = 3,9 pF

Claims (3)

1. Aktives RC-Bandsperrfilter zweiten Grades bestehend aus der Reihenschaltung von sechs komplexen Leitwerten, von denen der erste ein Wirkleitwert (G 1), der vierte eine Kapazität (C 4), der fünfte ein Wirkleitwert (G 5) ist und der sechste aus der Parallelschaltung zweier Leitwerte besteht, von denen der eine mit Masse (7) und der andere mit dem freien Ende (1) des ersten Wirkleitwertes (G 1) verbunden ist, wobei die Eingangsgröße (U _e ) gegen Masse (7) am freien Ende (1) des ersten Wirkleitwertes (G 1) angelegt und die Ausgangsgröße (U _a ) gegen Masse (7) am Verbindungspunkt (3) zwischen dem zweiten und dritten Leitwert entnommen ist und an den Verbindungspunkt (3) zwischen dem zweiten und dritten Leitwert der Ausgang eines ersten Verstärkers (V 1) und an den Verbindungspunkt (5) zwischen dem vierten und fünften Leitwert (C 4 bzw. G 5) der Ausgang eines zweiten Verstärkers (V 2) angeschaltet ist, wobei jeder Verstärker (V 1, V 2) einen invertierenden und einen nicht invertierenden Eingang (9, 11 bzw. 8, 10) aufweist und diese Eingänge (8, 9; 10, 11) der beiden Verstärker (V 1, V 2) so mit den übrigen Verbindungspunkten (2, 4, 6) der Leitwert-Reihenschaltung verbunden sind, daß die Spannungen (U _o ) an diesen übrigen Verbindungspunkten (2, 4, 6) gleich sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der zweite Leitwert eine Kapazität (C 2) ist,
• b) der dritte Leitwert aus der Parallelschaltung eines Wirkleitwertes (G 3) und einer Kapazität (C 3) besteht,
• c) die beiden parallelgeschalteten Leitwerte des sechsten Leitwertes jeweils Wirkleitwerte (G 6 a, G 6 b) sind, von denen der eine (G 6 a) an Masse (7) liegt während der andere (G 6 b) mit dem freien Ende (1) des ersten Wirkleitwertes (G 1) verbunden ist, und
• d) der erste Wirkleitwert (G 1) und der Wirkleitwert (G 3) des dritten Leitwertes im Gleichlauf miteinander abstimmbar sind.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an Masse (7) liegende Wirkleitwert (G 6 a) des sechsten Leitwertes einstellbar ist.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem fünften Wirkleitwert (G 5) ein Kondensator (C 5) geschaltet ist.