DE3527523C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Filterschaltung mit einem ersten mit dem Eingangsanschluß gekoppelten Integrator, dessen Ausgangssignal jeweils über einen zweiten Integrator und über einen Widerstand gegengekoppelt wird und welcher ebenso wie der zweite Integrator einen Spannungs-Stromkonverter, der einen von einer Strom­ quellenanordnung gesteuerten Verstärker mit einem hoch­ ohmigen Ausgang umfaßt und dessen Ausgangsstrom linear von der Eingangsspannung und vom Strom der Stromquellenan­ ordnung abhängt, und eine Schaltung zur Integration des Ausgangsstromes des Spannungs-Stromkonverters umfaßt.

Eine solche Filterschaltung ist bekannt aus der Zeitschrift "IEEE Journal of Solid-State Circuits", Vol. SC-16, Nr. 6. Dezember 1981, S. 729-737 und arbeitet in nieder­ frequenten Bereich. Solche Filter können z. B. in einem Fernsehempfänger zur Gewinnung der Kennfrequenzen für die Stereo- bzw. Zweitonsignale eingesetzt werden.

Filter weisen ein frequenzabhängiges Übertragungsverhalten auf, das sich so auswirkt, daß sie bestimmte Frequenz­ bereiche unterdrücken (Sperrbereiche) und andere bevorzugt übertragen (Durchlaßbereiche). Eine Filterschaltung, die mit den oben genannten Integratoren aufgebaut ist, besitzt einen Frequenzbereich, der durch die Zeitkonstante eines Integrators festgelegt ist. Liegen die bevorzugt zu über­ tragenden Frequenzen im niederfrequenten Bereich, muß ein solcher Integrator eine große Zeitkonstante besitzen. Bei der vollständigen Integration solcher Filter auf einem Halbleitersubstrat sind der Kapazitäts- und der Wider­ standswert begrenzt, die die Zeitkonstante des Integrators mitbestimmen. Größere Zeitkonstanten können noch über eine Verkleinerung der Ströme der Stromquellenanordnung erreicht werden. Für den oben genannten Verwendungszweck in einem Fernsehempfänger werden sehr kleine Ströme benötigt, da ein Filter für einen niedrigen Frequenz­ bereich erforderlich ist. Die Stabilität der Zeitkonstante und damit die Stabilität des Frequenzbereiches hängen von der zeitlichen Konstanz (z. B. Alterungs- und Temperatur­ einflüsse) der Gleichströme ab. Bei kleinen Strömen ist die Stabilität der Zeitkonstante nicht mehr gewähr­ leistet. Auch die Einstellung der Gleichströme ist sehr schwierig, da kleine Abweichungen der Gleichströme die Filtereigenschaften verändern.

Es sei noch erwähnt, daß aus der US-PS 43 88 694 eine Schaltungsanordnung zur simultanen Ausführung einer Integration und Division bekannt ist. Hierbei wird das Eingangssignal einem Verstärker zugeführt, dessen Ausgangssignal in einem elektronischen Schalter mit einer Impulsfunktion multipliziert wird. Dem Schalter ist ein Integrator nachgeschaltet. Eine derartige Schaltungs­ anordnung ist jedoch nicht in Filterschaltungen vorgesehen und dient in Meßanordnungen dazu, bestimmte Meßdaten gleichzeitig zu integrieren und durch einen Zeitfaktor zu dividieren.

Des weiteren ist aus der FR 24 44 386 eine Schaltungs­ anordnung bekannt, die in einem Demodulator für Farbfern­ sehsignale eingesetzt wird und die einen Differenz­ verstärker mit einem Stromspiegel und einen nachgeschal­ teten Speicherkondensator umfaßt. Mit dem Speicher­ kondensator ist noch ein Verstärker verbunden, der an einem Anschluß des Differenzverstärkers angeschlossen ist. Der Differenzverstärker wird von einer Stromquelle gesteuert, die nur während des Auftretens der Zeilen­ impulse einen Strom liefert. Es handelt sich bei dieser Schaltungsanordnung also um eine Abtast-Halteschaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filter­ schaltung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie auf einem Halbleitersubstrat als integrierte Schaltung verwendet werden kann und daß die Integratoren eine große Zeit­ konstante aufweisen, die auch bei Alterungs- und Temperatureinflüssen stabil ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stromquellenanordnung Stromimpulse liefert, deren Mittel­ wert einen vorgebbaren Wert hat.

In der erfindungsgemäßen Filterschaltung sind zwei Inte­ gratoren enthalten, die jeweils einen Spannungs-Strom­ konverter umfassen, dessen Eingangsspannung nur während des Auftretens eines Stromimpulses in einen Ausgangsstrom umgesetzt wird. Dieser Ausgangsstrom ist abhängig von der Steilheit des Spannungs-Stromkonverters, der ein lineares Verhältnis zwischen Eingangsspannung und Ausgangsstrom herstellt. Der Ausgangsstrom wird dem Eingang einer Schaltung zugeführt, die diesen Strom integriert. Am Ausgang dieser Schaltung erscheint dann eine Spannung, die gleich dem integrierten Eingangssignal des Spannungs- Stromkonverters ist. Der Mittelwert der Stromimpulse der Stromquellenanordnung entspricht dem Gleichstrom, von dem der Durchlaßbereich des Filters abhängt. Da der Verstärker von Stromimpulsen gesteuert wird, deren Amplituden viel größer als der Gleichstrom sind, wirken sich Ungenauig­ keiten bei der Einstellung und Alterungs- und Temperatur­ einflüsse kaum aus.

Eine Ausführungsform für den Spannungs-Stromkonverter sieht vor, daß der Verstärker als Differenzverstärker ausgebildet ist und zwei Transistoren umfaßt, deren Basen jeweils über einen Impedanzwandler die Eingangsspannung zugeführt wird, deren Emitter an die Stromquellenanordnung angeschlossen sind und deren Kollektoren mit einem Strom­ spiegel verbunden sind. Der Differenzverstärker muß einen hochohmigen Ausgang aufweisen, um zu gewährleisten, daß ein lineares Verhältnis zwischen Eingangsspannung und Ausgangsstrom besteht.

Des weiteren ist vorgesehen, daß die Basen der zwei Transistoren des Differenzverstärkers mit einem Abschwächer gekoppelt sind. Dieser Abschwächer beeinflußt ebenfalls die Zeitkonstante des Integrators. Der Einfluß eines Abschwächers ist begrenzt durch die vorhandene Fläche des Halbleitersubstrats und dem zu realisierenden Widerstandswert.

Eine Ausführungsform für die Schaltung zur Integration des Ausgangsstromes des Spannungs-Stromkonverters umfaßt einen weiteren Verstärker und einen Kondensator und ist so angeordnet, daß der Ausgangsstrom dem invertierenden Eingang des Verstärkers und dem mit dem Ausgang des Verstärkers gekoppelten Kondensator zugeführt wird.

Im einfachsten Fall enthält die Stromquellenanordnung eine Stromquelle, die periodisch Stromimpulse liefert. Die Frequenz der Stromimpulse muß mindestens doppelt so groß sein wie die obere Grenzfrequenz des Filters, damit das Abtasttheorem eingehalten wird.

Anhand der Zeichnungen werden im folgenden Ausführungs­ beispiele beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Filterschaltung und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für einen in der Filterschaltung verwendeten Integrator.

In Fig. 1 ist ein Bandpaßfilter zweiter Ordnung darge­ stellt, das der oben genannten Zeitschrift entnommen wurde. Dieses Filter ist z. B. dazu geeignet, eine der Kennfrequenzen von 117 Hz oder 274 Hz für die Stereo- bzw. Zweitonsignale eines Fernsehempfängers zu gewinnen. Die Fig. 1 enthält zwei Integratoren 3 und 5, die jeweils einen invertierenden (-) und einen nichtinvertierenden (+) Eingang besitzen. Die Wirkungsweise der beiden Eingänge wird weiter unten mit Hilfe der Fig. 2 erläutert. Eine Wechselspannungsquelle 1 mit einer Spannung Ue ist über einen Widerstand 2 von 1 kOhm an den invertierenden Eingang des Integrators 3 angeschlossen. Des weiteren ist der invertierende Eingang des Integrators 3 über einen Widerstand 4 von 20 kOhm mit seinem Ausgang verbunden. An diesem Ausgang wird die Ausgangsspannung Ua des Filters abgenommen. Ebenso ist dieser Ausgang mit dem inver­ tierenden Eingang des zweiten Integrators 5 verbunden, dessen Ausgang mit dem nichtinvertierenden Eingang des Integrators 3 gekoppelt ist. Der nichtinvertierende Eingang des Integrators 5 ist an Masse angeschlossen. Die Integratoren 3 und 5 sind identisch aufgebaut und werden im folgenden anhand der Fig. 2 beschrieben.

Der Integrator besteht aus einem Spannungs-Strom­ konverter 7 und einer Schaltung 8 zur Integration des Ausgangsstromes des Spannungs-Stromkonverters. Die Eingangsspannung des Integrators liegt zwischen der Basis einen NPN-Transistors 10 und der Basis eines NPN- Transistors 11. Der Kollektor des Transistors 10 ist an eine Spannungsversorgung von 15 Volt und der Emitter einerseits an einen an Masse angeschlossenen Widerstand 12 von 560 kOhm und andererseits an die Basis eines Transistors 13 angeschlossen. Der Kollektor des NPN- Transistors 13 ist ebenfalls an die Spannungsversorgung und der Emitter an einen an Masse angeschlossenen Wider­ stand 14 von 100 kOhm angeschlossen. Der Emitter des Transistors 13 ist noch über einen Widerstand 15 mit der Basis des ersten NPN-Transistors 16 eines Differenz­ verstärkers verbunden. Der Kollektor des Transistors 11 ist auch an die Spannungsversorgung und der Emitter des Transistors 11 an einen mit Masse verbundenen Wider­ stand 17 von 560 kOhm angeschlossen. Des weiteren ist der Emitter mit der Basis eines NPN-Transistors 18 verbunden, dessen Kollektor auch mit der Spannungsversorgung gekoppelt ist und dessen Emitter über einen Widerstand 19 von 4 kOhm mit der Basis eines zweiten NPN-Transistors 20 des Differenzverstärkers verbunden ist. Ein Widerstand 21 von 4 kOhm stellt noch eine Verbindung zwischen dem Emitter des Transistors 18 und Masse her.

Zwischen den Basen der beiden Transistoren 16 und 20 des Differenzverstärkers liegt noch ein Widerstand 22 von 270 Ohm, so daß aus den Widerständen 15, 19 und 22 ein Abschwächer für die Eingangsspannung des Differenz­ verstärkers gebildet wird. Die Transistoren 10, 11, 13 und 18 sind als Emitterfolger geschaltet und wirken als Impedanzwandler.

Die beiden miteinander verbundenen Emitter der Tran­ sistoren 16 und 20 sind an den Kollektor eines NPN- Transistors 23 angeschlossen. Der Emitter des Tran­ sistors 23 ist über einen Widerstand 24 von 10 kOhm mit Masse verbunden. Der Basis des Transistors 23 werden über einen Widerstand 25 von 340 kOhm Spannungsimpulse von einer Spannungsquelle 26 zugeführt. Wird ein Spannungs­ impuls von der Spannungsquelle 26 geliefert, wird der Transistor 23 leitend und den Emittern der Transistoren 16 und 20 wird ein Strom zugeführt. Ist kein Spannungsimpuls vorhanden, ist der Transistor 23 gesperrt. Mit Hilfe des Transistors 23 werden also die Spannungsimpulse in Strom­ impulse umgeformt, die den Emittern der Transistoren 16 und 20 zugeleitet werden.

Die Kollektoren der Transistoren 16 und 20 sind mit einer Stromspiegelschaltung gekoppelt, die aus zwei PNP- Transistoren 27 und 28 besteht. Der Kollektor und die Basis des Transistors 27 sind miteinander und mit dem Kollektor des Transistors 16 verbunden. Die Kollektoren der beiden Transistoren 28 und 20 sind ebenso wie die Basen der Transistoren 27 und 28 zusammengeschaltet. Die Emitter der beiden Stromspiegeltransistoren 27 und 28 sind an die Spannungsversorgung angeschlossen. Der Ausgangs­ strom des Spannungs-Stromkonverters 7 wird an der Ver­ bindung zwischen den Kollektoren der beiden Tran­ sistoren 20 und 28 der Schaltung 8 zugeführt.

Die Schaltung 8 enthält einen Operationsverstärker 30 und einen Kondensator 31. Der Ausgangsstrom des Spannungs- Stromkonverters wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 zugeführt. Der nichtinvertierende Eingang dieses Operationsverstärkers ist an Masse ange­ schlossen. Der Kondensator 31 von 150 pF stellt eine Verbindung zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers her. Am Ausgang des Operationsverstärkers 30 liegt die Ausgangsspannung des Integrators vor.

Die Spannung an der Basis des Transistors 10 und der Ausgangsstrom des Spannungs-Stromkonverters sind phasen­ gleich. Im umgekehrten Fall ist die Spannung an der Basis des Transistors 11 und der Ausgangsstrom gegenphasig. In dem Ausführungsbeispiel der Schaltung 8 ist die Ausgangs­ spannung gleich dem mit einem negativen Vorzeichen bewerteten Integral über den Ausgangsstrom des Spannungs- Stromkonverters. Daher wird der Eingang, der an der Basis des Transistors 11 liegt, als nichtinvertierender Eingang und der Eingang, der an der Basis des Transistors 10 liegt, als invertierender Eingang bezeichnet.

Das Verhältnis zwischen Eingangsspannung und Ausgangsstrom des Spannungs-Stromkonverters ist abhängig von der Steil­ heit des Differenzverstärkers. Die Zeitkonstante des Integrators ist gleich dem reziproken Verhältnis der Steilheit des Spannungs-Stromkonverters und der Kapazität des Kondensators 31. Die Steilheit ist proportional dem Mittelwert des von den Transistoren 16 und 20 des Differenzverstärkers gelieferten Stromes und dem Wert des aus den Widerständen 15, 20 und 22 gebildeten Abschwächers. Da bei der Realisierung einer integrierten Schaltung die Widerstandswerte und die Kapazität begrenzt sind, kann eine größere Zeitkonstante nur über eine Verminderung des Stromes erreicht werden.

Wird den Basen der Transistoren 10 und 11 ein Wechsel­ spannungssignal zugeführt, so kann dieses in einen Ausgangsstrom transformiert werden, der der Schaltung 8 nur zugeführt wird, wenn ein Stromimpuls den Emittern der Transistoren 16 und 20 vom Kollektor des Transistors 23 geliefert wird. Die Frequenz der die Spannungsimpulse liefernden Spannungsquelle 26 kann z. B. 5 kHz bei einem Impuls/Pausenverhältnis von 0,1 sein, wenn die Kenn­ frequenz für Stereo- bzw. Zweitonsignale von 117 Hz bei Anwendung des Integrators in einem in Fig. 1 beschriebenen Bandpaß gewonnen werden soll. Die Amplitude der Strom­ impulse hat einen um den Faktor 10 höheren Wert als der Mittelwert des von dem Kollektor des Transistors 23 gelieferten Stromes. Der der Schaltung 8 zugeführte Strom wird integriert und es ergibt sich am Ausgang dieser Schaltung 8 eine Spannung, die gleich dem integrierten Eingangssignal des Spannungs-Stromkonverters ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Stromquellen­ anordnung kann z. B. aus einem Schalttransistor, einer Spannungsimpulsquelle und einer Gleichstromquelle bestehen. Zu den Emittern der Transistoren 16 und 20 fließt nur dann ein Strom der Gleichstromquelle über den Schalttransistor, wenn der Basis des Schalttransistors ein Spannungsimpuls zugeführt wird, so daß dieser aus dem gesperrten in den leitenden Zustand wechselt.

Claims (5)

1. Filterschaltung mit einem ersten mit dem Eingangs­ anschluß gekoppelten Integrator (3), dessen Ausgangssignal jeweils über einen zweiten Integrator (5) und über einen Widerstand (4) gegengekoppelt wird und welcher ebenso wie der zweite Integrator (5) einen Spannungs-Stromkon­ verter (7), der einen von einer Stromquellenanord­ nung (23-26) gesteuerten Verstärker (16, 20) mit einem hochohmigen Ausgang umfaßt und dessen Ausgangsstrom linear von der Eingangsspannung und vom Strom der Stromquellen­ anordnung (23-26) abhängt, und eine Schaltung (8) zur Integration des Ausgangsstromes des Spannungs-Strom­ konverters (7) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen­ anordnung (23-26) Stromimpulse liefert, deren Mittelwert einen vorgebbaren Wert hat.

2. Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker als Differenz­ verstärker ausgebildet ist und zwei Transistoren (16, 20) umfaßt, deren Basen jeweils über einen Impedanz­ wandler (19, 13; 11, 18) die Eingangsspannung zugeführt wird, deren Emitter an die Stromquellenanordnung (23-26) angeschlossen sind und deren Kollektoren mit einem Stromspiegel (27, 28) verbunden sind.

3. Filterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Basen der zwei Transistoren (16, 20) des Differenzverstärkers mit einem Abschwächer (15, 20, 22) gekoppelt sind.

4. Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (8) zur Integration des Ausgangsstromes des Spannungs-Strom­ konverters (7) einen Verstärker (30) und einen Konden­ sator (31) umfaßt und daß der Ausgangsstrom dem inver­ tierenden Eingang des Verstärkers (30) und dem mit dem Ausgang des Verstärkers (30) gekoppelten Kondensator (31) zugeführt wird.

5. Filterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellenanordnung eine Stromquelle (23-26) enthält, die periodisch Stromimpulse liefert.