DE3421645C2 - Hochpaß- bzw Tiefpaßfilter - Google Patents
Hochpaß- bzw TiefpaßfilterInfo
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H11/00—Networks using active elements
- H03H11/02—Multiple-port networks
- H03H11/04—Frequency selective two-port networks
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- Networks Using Active Elements (AREA)
Description
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.
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.
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.
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 UE 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 UB. 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 UB 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 UB 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 UB 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 UA 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 UB
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 (6)
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 (UB) 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 (UB) 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.
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DE19843421645 DE3421645C2 (de) | 1984-06-09 | 1984-06-09 | Hochpaß- bzw Tiefpaßfilter |
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DE3421645A1 DE3421645A1 (de) | 1985-12-12 |
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DE19843421645 Expired - Fee Related DE3421645C2 (de) | 1984-06-09 | 1984-06-09 | Hochpaß- bzw Tiefpaßfilter |
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Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2820905C2 (de) * | 1978-05-12 | 1980-04-24 | Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen | Elektronisches Filter |
-
1984
- 1984-06-09 DE DE19843421645 patent/DE3421645C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE3421645A1 (de) | 1985-12-12 |
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Legal Events
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