DE3421645C2

DE3421645C2 - Hochpaß- bzw Tiefpaßfilter

Info

Publication number: DE3421645C2
Application number: DE19843421645
Authority: DE
Inventors: Omar Dipl Ing Bitar
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1984-06-09
Filing date: 1984-06-09
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2004-06-10
Also published as: DE3421645A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Hochpaß- bzw. Tiefpaßfilter nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche 1 bis 4 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-, Band sperr- und Allpaßverhalten realisierbar. Bei bestimmten Anwendungen werden jedoch aktive Filter mit einer sehr großen Flankensteilheit benötigt, die entweder nur durch eine Hintereinanderschaltung von mehreren aktiven Fil tern erreicht werden kann oder durch den Einsatz von aktiven Filtern mit einer Vielzahl von Kondensatoren und Widerständen. Kondensatoren für hoch wertige Filter sind verhältnismäßig groß, so daß sie üblicherweise an gestrebten Miniaturisierung von elektrischen Schaltungen mit diskreten Bau elementen im Wege stehen.

Aus der DE 28 20 905 C2 ist bekannt, zwei gleichartige Bandpaßfilter mit gleicher Verstärkung parallelzuschalten, wobei die Resonanzfrequenz eines Bandpaßfilters unterhalb des Durchlaßbereichs des durch die zwei Bandpässe gebildeten Gesamtfilters und die Resonanzfrequenz des anderen Bandpaßfilters oberhalb dieses Durchlaßbereichs liegt. Dadurch erhält das Filter innerhalb des Durchlaßbereichs einen flachen Phasenverlauf mit einer Phasenverschiebung von annähernd 0°. Dadurch wird erreicht, daß das Filter im wesentlichen die Oberschwingungen unterdrückt.

In dem Aufsatz "Active Filters: Part 12, Short Cuts to Network Design" in Electronics, 1969, 18. August, Seiten 82 bis 91 von Robert R. Shephard wird eine Parallelschaltung eines Hochpasses und eines Tiefpasses vorgeschlagen und korrespondierende Filterdurchlaßkurven gezeigt. Mit Hilfe dieser Filter ist eine bestimmte Temperaturstabilität der Ausgangsfunktion erreichbar.

Eine Erhöhung der Flankensteilheit im Übergangs- bzw. Sperrbereich bei gleichzeitiger Minimierung des Aufwands an Kondensatoren ist mit den bekannten Schaltungsanordnungen nicht erreichbar.

Der vorliegenden Schaltung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schal tung für ein Hochpaß- bzw. Tiefpaßfilter anzugeben, das trotz hoher Flankensteilheit mit möglichst wenigen Kondensatoren auskommt, ohne L/R-Glieder zu verwenden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Hochpaß- bzw. Tiefpaßfilter mit den kennzeich nenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 bzw. 4 hat den Vorteil, daß unter Verwendung eines aktiven Bandpaßfilters, das nur durch ein einfaches Netzwerk mit dem Hoch paß- bzw. Tiefpaßverhalten ergänzt ist, ein steiler Dämpfungsverlauf er zielt wird. Dabei kommt man mit einer geringen Zahl von Kondensatoren aus.

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

Fig. 2 ein ausführliches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Hochpaßfilters,

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild eines erfindungsgemäßen Tiefpaßfilters,

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

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

Beschreibung der Erfindung

In dem Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Hochpaß- oder Tiefpaßfilters nach Fig. 1 bezeichnet 10 einen Eingang und 11 einen Aus gang des Filters. Der Eingang steht erstens über ein aktives Bandpaß filter 12 und einen ersten Widerstand R1 sowie zweitens über ein Netz werk 13 und einen zweiten Widerstand R2 mit dem Ausgang 11 in Verbindung.

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

Eine an dem Eingang 10 liegende Niederfrequenzspannung U_E der Frequenz f₁ gelangt an den Eingang des aktiven Bandpaßfilters 12, das in der üblichen Weise eine glockenförmige Frequenzcharakterisik mit einem maximalen Amplitudenwert bei einer Resonanzfrequenz f₀ aufweist. Hat die Frequenz f₁ einen die Resonanzfrequenz f₀ unterschreitenden Wert, so gibt das aktive Bandpaßfilter 12 eine Spannung U1 ab, die eine der Abweichung entsprechende Phasenlage und einen entsprechend verminderten Betrag aufweist. Das Netz werk 13 hat eine Hochpaßcharakteristik, die eine der Änderung der Phasen lage der Spannung U1 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 f₁<f₀ entsprechend reduziert. Die Widerstände R1 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. Dämpfungs verlauf oberhalb der Polstelle P1 in Fig. 4. Im Sperrbereich tritt, wenn die Beziehung

erfüllt wird und wenn die Phasenlagen der Spannungen U1 und U2 um etwa 180° voneinander abweichen, am Ausgang 11 des aktiven Hoch paßfilters durch eine Mischung der Spannungen U1 und U2 eine Auslöschung auf, die eine Polstelle P1 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.

Dabei tritt unterhalb der Polstelle P1 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 Übergang vom Sperrbereich zum Durch laßbereich ausschlaggebend ist.

Der Dämpfungsverlauf unterhalb der Polstelle P1 kann im übrigen durch eine entsprechende Wahl der Widerstandswerte von R1 und R2 beeinflußt werden.

Die Filtercharakteristik 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 Hochpaßfil ters nach Fig. 2 steht erstens mit dem Eingang eines aktiven Bandpaß filters 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 R1 und R2 miteinander verbunden. An einem Abgriff 23 zwischen den beiden Widerständen schließt sich ein Impedanzwandler 24 an, dessen Ausgang den Ausgang des kompletten Hochpaß filters 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 U_B. Von dem Ausgang des Verstärkers führt ein erstes 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 25 und dem Kondensator 26. Zwischen dem Schaltungs punkt 30 und Masse liegt ein weiterer Widerstand 31.

Das Netzwerk 22 umfaßt im Falle des aktiven Hochpaßfilters ein Hochpaß filter 32 ersten Grades aus einem mit dem Eingang 20 verbundenen Längskon densator 33, einem Querwiderstand 34 und einem zwischen dem Betriebspoten tial U_B 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 Transi stor 38 enthält, dessen Basis mit dem Schaltungspunkt 35, dessen Kollektur mit dem positiven Betriebspotential U_B und dessen Emitter über einen Wider stand 39 mit Masse verbunden ist. Der Emitter bildet gleichzeitig den Aus gang des Hochpaßfilters 22, der über die in Reihe geschalteten Widerstände R2 und R1 mit dem Ausgang des Verstärkers 27 verbunden ist. Der sich an den Schaltungspunkt 23 anschließende Impedanzwandler 24 enthält einen Transi stor 42, dessen Basis mit dem Schaltungspunkt 23, dessen Kollektor mit dem positiven Betriebspotential U_B und dessen Emitter erstens über einen Wider stand 43 mit Masse und zweitens mit dem Ausgang 40 des kompletten aktiven Hochpaßfilters verbunden ist. Das vorstehend beschriebene aktive Hochpaß filter weist nur drei Kondensatoren 26, 29 und 33 auf, das heißt, es kommt mit weniger Kondensatoren aus als alle bekannten aktiven Hochpaßfilter gleicher Flankensteilheit.

Das Hochpaßfilter nach Fig. 2 weist die im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 4 erläuterte Wirkungsweise auf. Ergänzend sei bemerkt, daß die Entkopplungs stufe 37 dafür sorgt, daß erstens die Signalspannung am Schaltungs punkt 35 hochohmig abgegriffen wird, zweitens die Signalspannung nieder ohmig weitergeleitet wird und drittens eine Entkopplung zwischen dem Schaltungspunkt 35 und dem Schaltungspunkt 23 auftritt. Der Impedanz wandler 24 bewirkt, daß die Ausgangsspannung U_A 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 Bandpaß filter 52 in Verbindung, das denselben Aufbau wie das aktive Bandpaß filter 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 Bandpaßfilter 52 und das Netzwerk 53 verbindenden Wider ständen R1 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 U_B und Masse. Zwischen den beiden Widerständen 61 und 62 wird ein Vorspannungs potential 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 Span nung U4 gebildet wird, deren Phasenlage der Phasenlage der Spannung U3 etwa entgegengesetzt ist. Wird die Beziehung

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 Nieder frequenzfiltern in Sprechfunkgeräten, ohne Bedeutung.

Claims

1. Hochpaßfilter mit einem passiven Hochpaß, dadurch gekennzeichnet, daß dem passiven Hochpaß (32) ein derartiges aktives elektronisches Bandpaßfilter (21) parallel geschaltet ist und die Ausgänge des passiven Hochpasses (32) und des aktiven elektronischen Bandpaßfilters (21) über je einen derart bemessenen Ausgangswiderstand (R1, R2) zu einer Summierungsstelle (23) geführt sind, daß die Ausgangsspannung (U1) des aktiven elektronischen Bandpaßfilters (21), bezogen auf den ihr zugeordneten Ausgangswiderstand (R1) und die Ausgangsspannung (U2) des Hochpasses (32), bezogen auf den ihr zugeordneten Ausgangswiderstand (R2), im Sperrbereich der Filterkurve des gesamten Hochpaßfilters in etwa gleiche Beträge und entgegengesetzte Phasenlagen aufweisen und sich damit an einer durch die angestrebte Flankensteilheit vorgegebenen Frequenz eine Polstelle (P1) bildet.

2. Hochpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem passiven Hochpaß (32) eine Entkopplungsstufe (37) nachgeschaltet ist.

3. Hochpaßfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive elektronische Bandpaßfilter (21) einen Verstärker (27) aufweist, dessen invertierender Eingang über einen Kondensator (26) und einen Widerstand (25) mit einem Eingang (20) des aktiven elektronischen Bandpaßfilters (21), dessen nichtinvertierender Eingang mit dem halben positiven Betriebspotential (U_B) und dessen Ausgang erstens über einen Widerstand (28) mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers (27) und zweitens über einen Kondensator (29) mit einem Schaltungspunkt (30) verbunden ist, der zwischen dem Widerstand (25) und demm Kondensator (26) liegt und der über einen weiteren Widerstand (31) mit Masse verbunden ist.

4. Tiefpaßfilter mit einem passiven Tiefpaß, dadurch gekennzeichnet, daß dem passiven Tiefpaß (54) ein derartiges aktives elektronisches Bandpaßfilter (52) parallelgeschaltet ist und die Ausgänge des passiven Tiefpasses (54) und des aktiven elektronischen Bandpaßfilters (52) über je einen derart bemessenen Ausgangswiderstand (R1, R2) zu einer Summierungsstelle (58) geführt sind, daß die Ausgangsspannung (U1) des aktiven elektronischen Bandpaßfilters (52), bezogen auf den ihr zugeordneten Ausgangswiderstand (R1) und die Ausgangsspannung (U2) des Tiefpasses (54), bezogen auf den ihr zugeordneten Ausgangswiderstand (R2), im Sperrbereich der Filterkurve des gesamten Tiefpaßfilters in etwa gleiche Beträge und entgegengesetzte Phasenlagen aufweisen und sich damit an einer durch die angestrebte Flankensteilheit vorgegebenen Frequenz eine Polstelle (P2) bildet.

5. Tiefpaßfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem passiven Tiefpaß (54) eine Entkopplungsstufe (57) nachgeschaltet ist.

6. Tiefpaßfilter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive elektronische Bandpaßfilter (52) einen Verstärker (27) aufweist, dessen invertierender Eingang über einen Kondensator (26) und einen Widerstand (25) mit einem Eingang des aktiven elektronischen Bandpaßfilters (52), dessen nichtinvertierender Eingang mit dem halben positiven Betriebspotential (U_B) und dessen Ausgang erstens über einen Widerstand (28) mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers (27) 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 weiteren Widerstand (31) mit Masse verbunden ist.