DE3421645A1

DE3421645A1 - Aktives hochpass- oder tiefpassfilter

Info

Publication number: DE3421645A1
Application number: DE19843421645
Authority: DE
Inventors: Omar Dipl.-Ing. 1000 Berlin Bitar
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1984-06-09
Filing date: 1984-06-09
Publication date: 1985-12-12
Anticipated expiration: 2004-06-10
Also published as: DE3421645C2

Description

EK/PLI Scht-Li

3.5.1984

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Aktives Hochpaß- oder Tiefpaßfilter Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem aktiven Hochpaß- oder Tiefpaßfilter nach der Gattung des Anspruchs 1 aus.

Es ist bekannt (Tietze/Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 1974, .Springer-Verlag, Seiten 325 ff.), zur Verbesserung der Flankensteilheit von Filtern passive frequenzabhängige Netzwerke mit aktiven Bauelementen zusammenzuschalten, wodurch aktive Filter entstehen. Je nach Aufbau des Netzwerkes sind hierbei Filter mit Tiefpaß-, Hochpaß-, Bandpaß-, Bandsperr- und All paßverhalten realisierbar. Bei bestimmten Anwendungen werden jedoch aktive Filter mit einer sehr großen Flankensteilheit benötigt,, die entweder nur durch eine Hintereinanderschaltung von mehreren aktiven Filtern erreicht werden kann oder durch den Einsatz von aktiven Filtern mit einer Vielzahl von Kondensatoren und Widerständen. Kondensatoren für hochwertige Filter sind verhältnismäßig groß, so daß sie der übiicherweise angestrebten Miniaturisierung von elektrischen Schaltungen mit diskreten Bauelementen im Wege stehen.

Der vorliegenden Schaltung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung für ein aktives Hochpaß- oder Tiefpaßfilter anzugeben, das trotz hoher Flankensteilheit mit möglichst wenigen Kondensatoren auskommt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße aktive Hochpaß- oder Tiefpaßfilter mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß unter Verwendung eines aktiven Bandpaßfilters, das nur ein einfaches Netzwerk mit dem Hochpaßbzw. Tiefpaßverhalten ergänzt ist, ein steiler Dämpfungsverlauf erzielt wird. Dabei kommt man mit einer geringen Zahl von Kondensatoren aus.

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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen aktiven Hochpaß- oder Tiefpaßfilters möglich. -

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Netzwerk ein Hochpaß- bzw. Tiefpaßfilter ersten Grades verwendet. Ein derartiges Filter kann ein einfaches RC-Glied mit nur einem Kondensator sein.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein stark vereinfachtes Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen aktiven Hochpaß- oder Tiefpaßfilters,

Fig. 2 ein ausführliches Schaltbild eines erfindungsgemäßen aktiven Hochpaßfilters,

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild eines erfindungsgemäßen aktiven Tiefpaßfilters,

Fig. 4 den Dämpfungsverlauf eines aktiven Hochpaßfilters nach Fig. 2 in Abhängigkeit von der Frequenz und

Fig. 5 den Dämpfungsverlauf eines aktiven Tiefpaßfilters nach Fig. 3 in Abhängigkeit von der Frequenz.

Beschreibung der Erfindung

In dem Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen aktiven Hochpaß- oder Tiefpaßfilters nach Fig. 1 bezeichnet 10 einen Eingang und 11 einen Ausgang des Filters. Der Eingang steht erstens über ein aktives Bandpaßfilter 12 und einen ersten Widerstand Rl sowie zweitens über ein Netzwerk 13 und einen zweiten Widerstand R2 mit dem Ausgang 11 in Verbindung.

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Die Wirkungsweise eines dem vorstehend beschriebenen Schaltbild entsprechenden aktiven Hochpaßfilters ist folgende.

Eine an dem Eingang 10 liegende Niederfrequenzspannung U_£ der Frequenz f, gelangt an den Eingang des aktiven Bandpaßfilters 12, das in der üblichen Weise eine glockenförmige Frequenzcharakteristik mit einem maximalen Amplitudenwert bei einer Resonanzfrequenz f aufweist. Hat die Frequenz f-^ einen die Resonanzfrequenz f unterschreitenden Wert, so gibt das aktive Bandpaßfilter 12 eine Spannung Ul ab, die eine der Abweichung entsprechende Phasenlage und einen entsprechend verminderten Betrag aufweist. Das Netzwerk 13 hat eine Hochpaßcharakteristik, die eine der Änderung der Phasenlage der Spannung Ul am Ausgang des Bandpaßfilters 12 gegenläufige Änderung der Spannung U2 am Ausgang des Netzwerkes 13 bewirkt. Der Betrag der Spannung U2 wird durch das Netzwerk ebenfalls bei einer Frequenz f^ < f entsprechend reduziert. Die Widerstände Rl und R2 dienen zum Entkoppeln der Ausgänge des aktiven Bandpaßfilters 12 und des Netzwerkes 13. Die Werte dieser Widerstände sind so· bemessen, daß im Durchlaßbereich des aktiven Hochpaßfilters eine weitgehend konstante Dämpfung auftritt; vgl. Dämpfungsverlauf oberhalb der Pol stelle Pl in Fig. 4. Im Sperrbereich tritt, wenn die Beziehung-3T«iivT erfüllt wird und wenn die Phasenlagen der Spannungen Ul

Ki Kc

und U2 um etwa 180 voneinander abweichen, am Ausgang 11 des aktiven Hochpaßfilters durch eine Mischung der Spannungen Ul und U2 eine Auslöschung auf, die eine Pol stelle Pl der Hochpaßfiltercharakteristik nach Fig. 4 zur Folge hat. In Fig. 4 ist auf der Abszisse die Frequenz f in Hz und auf der Ordinate die Dämpfung a in dB aufgetragen.

Da die Phasenlagen und die Beträge der Ausgangsspannungen Ul und U2 in der Praxis von dem gewünschten Verlauf abweichen, tritt unterhalb der Polstelle Pl eine zunächst ansteigende und danach abfallende Dämpfung auf. Dieser Bereich ist für viele Anwendungen des aktiven Hochpaßfilters nicht störend, da in der Regel allein die Flankensteilheit beim Obergang vom Sperrbereich zum Durchlaßbereich ausschlaggebend ist.

Der Dämpfungsverlauf unterhalb der Polstelle Pl kann im übrigen durch eine entsprechende Wahl der Widerstandswerte von Rl und R2 beeinflußt werden.

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Die FiItercharakteristik nach Fig. 4 wurde an einem aktiven Hochpaßfilter gemessen, das einen dem Schaltbild nach Fig. 2 entsprechenden Aufbau hat, der im folgenden beschrieben wird. Ein Eingang 20 des aktiven Hochpaßfilters nach Fig. 2 steht erstens mit dem Eingang eines aktiven Bandpaßfilters 21 und zweitens mit dem Eingang eines Netzwerkes 22 in Verbindung. Ein Ausgang des Bandpaßfilters 21 und ein Ausgang des Netzwerkes 22 sind über zwei in Reihe geschaltete Widerstände Rl und R2 miteinander.verbunden. An einem Abgriff 23 zwischen den beiden Widerständen schließt sich ein Impedanzwandler 24 an, dessen Ausgang den Ausgang des kompletten Hochpaßfilters bildet. Das aktive Bandpaßfilter 21 weist eingangsseitig eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 25 und einem Kondensator 26 auf, die mit einem invertierenden Eingang eines Verstärkers 27 verbunden ist. Ein nichtinvertierender Eingang des Verstärkers 27 liegt auf dem halben Betriebspotential Ug. Von dem Ausgang des Verstärkers führt ein erster Weg über einen Widerstand 28 an den invertierenden Eingang des Verstärkers 27 und ein zweiter Weg über einen Kondensator 29 an einen Schaltungspunkt 30 zwischen dem Widerstand 27 und dem Kondensator 26. Zwischen dem Schaltungspunkt 30 und Masse liegt ein weiterer Widerstand 31.

Das Netzwerk 22 umfaßt im Falle des aktiven Hochpaßfilters ein Hochpaßfilter 32 ersten Grades aus einem mit dem Eing&.ig 20 verbundenen Längskcndensator 33, einem Querwiderstand 34 und einem zwischen dem Betriebspotential IL und einem Schaltungspunkt 35 zwischen dem Längskondensator 33 und dem Widerstand 34 liegenden Widerstand 36. An den Schaltungspunkt 35 schließt sich weiterhin eine Entkopplungsstufe 37 an, die einen Transistor 38 enthält, dessen Basis mit dem Schaltungspunkt 35, dessen Kollektor mit dem positiven Betriebspotential U_R und dessen Emitter über einen Widerstand 39 mit Masse verbunden ist. Der Emitter bildet gleichzeitig den Ausgang des Hochpaßfilters 22, der über die in Reihe geschalteten Widerstände R2 und Rl mit dem Ausgang des Verstärkers 27 verbunden ist. Der sich an den Schaltungspunkt 23 anschließende Impedanzwandler 24 enthält einen Transistor 42, dessen Basis mit dem Schaltungspunkt 23, dessen Kollektor mit dem positiven Betriebspotential U_D und dessen Emitter erstens über einen Wider-

stand 43 mit Masse und zweitens mit dem Ausgang 40 des kompletten aktiven

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Hochpaßfilters verbunden ist. Das vorstehend beschriebene aktive Hochpaßfilter weist nur drei Kondensatoren 26, 29 und 3.3 auf, das heißt, es kommt mit weniger Kondensatoren aus als alle bekannten aktiven Hochpaßfilter gleicher Flankensteilheit.

Das HochpaSfilter nach Fig. 2 weist die im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 4 erläuterte Wirkungsweise auf. Ergänzend sei bemerkt, daß-der Impedanzwandler 37 dafür sorgt, daß erstens die Signal spannung am Schaltungspunkt 35 hochohmig abgegriffen wird, zweitens die Signal spannung niederohmig weitergeleitet wird und drittens eine Entkopplung zwischen dem Schaltungspunkt 35 und dem Schaltungspunkt 23 auftritt. Der Impedanzwandler 24 bewirkt, daß die Äusgangsspannung IL niederohmig abgegeben wird.

Bei einem in Fig. 3 gezeigten Schaltbild für ein aktives Tiefpaßfilter steht ein Eingang 50 über einen Kondensator 51 mit einem aktiven Bandpaßfilter 52 in Verbindung, das denselben Aufbau wie das aktive Bandpaßfilter 21 in Fig. 2 aufweisen kann. Mit dem Eingang 50 ist weiterhin ein Netzwerk 53 verbunden, das ein Tiefpaßfilter 54 ersten Grades aus einem Längswiderstand 55 und einem Querkondensator 56 sowie eine nachgeschaltete Entkopplungsstufe 57 aufweist. Diese Entkopplungsstufe hat vorzugsweise denselben Schaltungsaufbau wie die Entkopplungsstufe 37 in Fig. 2. Zwischen den das aktive Tiefpaßfilter 52 und das Netzwerk 53 verbindenden Widerständen Rl und R2 befindet sich ein Schaltungspunkt 58, der mit einem Impedanzwandler 59 verbunden ist. Der Impedanzwandler kann denselben Aufbau wie der Impedanzwandler 24 in Fig. 2 aufweisen. Sein Ausgang entspricht dem Ausgang 60 des kompletten aktiven Tiefpaßfilters. Ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen 61, 62 liegt zwischen dem positiven Betriebspotential IL und Masse. Zwischen den beiden Widerständen 61 und 62 wird ein Vorspannungspotential für den Transistor der Entkopplungsstufe 57 abgegriffen.

Zu der Wirkungsweise eines aktiven Tiefpaßfilters nach Fig. 3 ist folgendes zu sagen. Das Netzwerk 53 bewirkt, daß im Sperrbereich (Fig. 5) eine Spannung 114 gebildet wird, deren Phasenlage der Phasenlage der Spannung U3 etwa entgegengesetzt ist. Wird die Beziehung -JL ^-Hj erfüllt, dann tritt eine Polstelle P2 auf. Auch hierbei ist der bei Frequenzen oberhalb der Polstelle P2 (Fig. 5) auftretende Abfall und nachfolgende Anstieg der Dämpfung a bei bestimmten Anwendungen des aktiven Tiefpaßfilters, vorzugsweise bei Niederfrequenzfiltern in Sprechfunkgeräten, ohne Bedeutung.

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Claims

EK/PLI Scht-Li 8.6.1984 ROBERT BOSCH GMBH, 7Ü00 Stuttgart 1 Ansprüche

1. Aktives Hochpaß- oder Tiefpaßfilter, gekennzeichnet durch ein aktives Bandpaßfilter (12), das durch ein Netzwerk (13) überbrückt ist, welches die Phasenlage und den Betrag der Eingangsspannung (Ur) des.aktiven Hochpaß- oder Tiefpaßfilters in Abhängigkeit von der Frequenz derart ändert, daß sich die Phasenlage im Sperrbereich in etwa entgegengesetzt zu der Phasenlage der Ausgangsspannung (Ul) des Bandpaßfilters (12) und daß sich der Betrag der Ausgangsspannung (U2) des Netzwerkes in derselben Richtung wie der Betrag der jeweiligen Ausgangsspannung des Bandpaßfilters ändert. "■."'.·■· ^;-*^:"

2. Aktives Hochpaß- oder Tiefpaßfilter ;nach.-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk (13) bei einem aktiven Hochpäßfilter ein Hochpaßfilter (32) ersten Grades und bei einem aktiven Tiefpaßfilter ein Tiefpaßfilter (54) ersten Grades ist..

3. Aktives Hochpaß- oder Tiefpaßfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hochpaß- bzw. Tiefpaßfilter (32, 54) eine Entkopplungsstufe (37) nachgeschaltet i'st.

4. Aktives Hochpaß- oder Tiefpaßfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des aktiven Bandpaßfilters (12) und dem Ausgang des Netzwerkes (13) zwei in Serie geschaltete Widerstände (Rl, R2) liegen und daß zwischen beiden Widerständen das Ausgangspotential (U-) des aktiven Hochpaß- bzw. Tiefpaßfilters abgegriffen wird.

BAD ORIGINAL

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5. Aktives Hochpaß- oder Tiefpaßfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Bandpaßfilter (21) einen Verstärker (27) aufweist, dessen invertierender Eingang über einen Kondensator (26) und einen Widerstand (25) mit dem Eingang (20) des Filters, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem halben positiven Betriebspotential (LL) und dessen Ausgang erstens über einen Widerstand (28) mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers und . zweitens über einen Kondensator (29) mit einem Schaltungspunkt (30) verbunden ist, der zwischen dem Widerstand 25) und dem Kondensator (26) liegt und der über einen Widerstand (31) mit Masse verbunden ist.

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