DE3743603A1

DE3743603A1 - Aktives filter

Info

Publication number: DE3743603A1
Application number: DE19873743603
Authority: DE
Inventors: Hideyuki Hagino; Takahiro Kusano
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-12-26
Filing date: 1987-12-22
Publication date: 1988-07-07
Also published as: JPS63166309A; GB8729529D0; US4841179A; DE3743603C2; KR900008363B1; GB2200007B; JPH0828644B2; GB2200007A; KR880008511A

Description

Die Erfindung betrifft ein aktives Filter nach dem Oberbe griff des Patentanspruches 1 und insbesondere ein aktives Filter, das als ein Phasenentzerrer verwendet wird.

Es gibt aktive Filter, die in Video-Bandaufzeichnungsgeräten (VTR) und in Fernsehempfängern (TV) eingesetzt werden. Diese Art von Filtern kann abhängig von ihrem Verstärkungsverlauf als Bandbetonungsfilter (BEF), Bandabsenkungs- oder Bandent zerrungsfilter (BDF) oder Phasenentzerrer bezeichnet werden.

Der Phasenentzerrer bedeutet im allgemeinen eine Schaltung, deren Verstärkungsverlauf bzw. Verstärkungskurve festgelegt ist und nicht von der Frequenz abhängt, wobei lediglich die Phase veränderlich ist.

Die Übertragungsfunktion dieser Schaltung wird im allge meinen durch eine komplexe Zahl ausgedrückt, deren Zähler und Nenner zueinander konjugiert sind, wie dies im folgen den angegeben ist:

wobei K eine reelle Konstante ist. Der Verstärkungsverlauf G(ω) und der Phasenverlauf bzw. die Phasenkurve R(ω) dieser Schaltung sind gegeben durch:

Wie aus den obigen Ausdrücken folgt, hat der Phasenentzerrer die Phasenentzerrungsfunktion.

Im praktischen Gebrauch dieser Art von Filter wird ein Ein gangssignal X(S) zum positiven Eingangsanschluß eines ersten Operationsverstärkers (OP AMP) des Differenz-Eingang/Ausgang- Typs gespeist. Der positive Ausgangsanschluß des ersten Ope rationsverstärkers ist mit dem positiven Eingangsanschluß eines zweiten Operationsverstärkers des Differenz-Eingang/Aus gang-Typs verbunden. Der positive Eingangsanschluß des zwei ten Operationsverstärkers ist mit einem Anschluß eines ersten Kondensators verbunden. Der andere Anschluß des Kon densators ist wechselstrommäßig geerdet. Der positive Aus gangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers ist mit dem negativen Ausgangsanschluß des ersten Operationsverstärkers verbunden und an den positiven Eingangsanschluß des ersten Operationsverstärkers über einen zweiten Kondensator ange schlossen. Der positive Ausgangsanschluß des zweiten Ope rationsverstärkers ist an den Eingangsanschluß eines Puffers angeschlossen. Der Ausgangsanschluß dieses Puffers ist an die negativen Eingangsanschlüsse des ersten und zweiten Operationsverstärkers angeschlossen. Der Ausgangsanschluß des Puffers liefert ein Ausgangssignal Y(S).

Die Eingangs/Ausgangs-Kennlinie des aktiven Filters ist ge geben durch:

wobei gm₁ und gm₂ die differentiellen Übertragungsleitwerte des ersten und des zweiten Operationsverstärkers und C₁ sowie C₂ die Kapazitätswerte des ersten und zweiten Konden sators bedeuten. Wenn in der Gleichung (1) die Leitwerte qm₁ und qm₂ wie folgt gewählt werden:

gm₂-gm₁ = gm₁ (2)

dann beschreibt die Gleichung (1) die Phasenentzerrer-Kurven bzw. -Kennlinien. Wenn in der Gleichung (1) S = j ω gesetzt wird, so kann diese Gleichung (1) umgeschrieben werden in:

wobei ω eine Winkelfrequenz bedeutet und j die konjugierte Größe anzeigt.

Der Verstärkungsverlauf ist definiert als der Absolutwert der Übertragungsfunktion, so daß vorliegt:

Durch Einsetzen der Gleichung (2) in obige Gleichung erhält man:

Die obige Gleichung zeigt ein Allpassfilter an, das den Verstärkungsfaktor 1 aufweist und unabhängig von der Frequenz ist. Der Phasenverlauf bzw. die Phasenkennlinie dieses Filters ist gegeben durch:

Durch Einsetzen der Gleichung (2) in obige Gleichung erhält man:

Die obige Gleichung beschreibt die Kennlinie des Phasenentzerrers, dessen Verstärkungsfaktor festgelegt ist und bei dem lediglich die Phase veränderlich ist.

Zur Verwirklichung des oben erwähnten aktiven Filters kann in einfacher Weise ein sehr "primitiver" Operationsverstärker betrachtet werden, der aus vier Transistoren und einer einzigen Konstantstromquelle besteht. Ein erster und ein zweiter Transistor sind paarweise angeordnet. Der erste Transistor ist ein NPN-Transistor, der an seinem Emitter mit der Konstantstromquelle und an seiner Basis mit dem negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers verbunden ist. Der zweite Transistor ist ein NPN-Transistor, der mit seinem Emitter mit dem Konstantstromkreis und mit seiner Basis an den positiven Eingangsanschluß des Operationsverstärkers angeschlossen ist. Ein dritter und ein vierter Transistor sind paarweise angeordnet. Der dritte Transistor ist ein PNP-Transistor, dessen Emitter mit einer Betriebsstromquelle verbunden ist und dessen Kollektor an den Kollektor des ersten Transistors angeschlossen ist. Der vierte Transistor ist ein PNP-Transistor, dessen Emitter an der Betriebsstromquelle liegt und dessen Kollektor mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist. Die Basen des dritten und des vierten Transistors sind miteinander verbunden und an den Kollektor des vierten Transistors angeschlossen. Der (positive) Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers wird vom Kollektor des dritten Transistors abgeleitet.

Der so aufgebaute Grund-Operationsverstärker hat einen Anschluß für den Ausgangsanschluß. Um den Operationsverstärker mit positivem und negativem Ausgangsanschluß wie im ersten Operationsverstärker im aktiven Filter aufzubauen, werden zwei Grund-Operationsverstärker benötigt. Um daher das aktive Filter mittels der Grund-Operationsverstärker aufzubauen, müssen drei Operationsverstärker verwendet werden. Dies zeigt an, daß die Filterschaltung kompliziert ist. Wenn das Filter in einer integrierten Schaltung realisiert ist, so muß deren Schaltungsaufbau vereinfacht werden.

Um das aktive Filter für den Phasenentzerrer zu verwenden, d. h., um die Phasenentzerrer-Kennlinien zu erhalten, ist es erforderlich, die Differenz zwischen dem differentiellen Übertragungs-Leitwert gm₁ sowie dem Leitwert gm₂ und dem Leitwert gm₁ auszugleichen.

Zur Verwirklichung der Gleichung (2), also gm₂-gm₁ = gm₁, muß das Verhältnis von gm₁ und gm₂ genau auf 1 : 2 eingestellt werden.

Da dieser Faktor gm durch alle Transistoren und die Konstantstromquelle im Operationsverstärker bestimmt wird, müssen die Konstanten aller Bauelemente zwischen dem ersten Operationsverstärker und dem zweiten Operationsverstärker exakt gleich sein, damit gut paarweise Leitwerte gm₁ und gm₂ erhalten werden.

Die bestehende Schaltung kann die Gleichung (2) nicht befriedigend erfüllen. Somit ist es gegenwärtig ein technisches Problem, wie das aktive Filter in integrierter Schaltungstechnik bzw. als integrierte Schaltung hergestellt werden kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein aktives Filter zu schaffen, das eine geringere Anzahl von Operationsverstärkern benötigt und das für die Herstellung als integrierte Schaltung (IC) geeignet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem aktiven Filter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Patentansprüchen 2 bis 6.

Die Erfindung ermöglicht also ein aktives Filter mit einem zum Empfang eines Eingangssignales gekoppelten Signaleingangsanschluß, einem ersten Operationsverstärker mit positivem und negativem Eingangsanschluß und einem positiven Ausgangsanschluß, wobei der positive Eingangsanschluß mit dem Signaleingangsanschluß verbunden ist und der positive Ausgangsanschluß über einen ersten Kondensator geerdet ist, einem zweiten Operationsverstärker mit positivem und negativem Eingangsanschluß und einem positiven Ausgangsanschluß, wobei der positive Eingangsanschluß mit dem positiven Ausgangsanschluß des ersten Operationsverstärkers verbunden ist und der positive Ausgangsanschluß an den positiven Eingangsanschluß des ersten Operationsverstärkers über einen zweiten Kondensator angeschlossen ist, einem Puffer mit Eingangs- und Ausgangsanschlüssen, wobei der Eingangsanschluß an den positiven Ausgangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers angeschlossen und der Ausgangsanschluß mit dem negativen Eingangsanschluß des ersten Operationsverstärkers verbunden ist, einem ersten Widerstand, der an einem ersten Ende an das positive Eingangsende des ersten Operationsverstärkers und an einem zweiten Ende an den negativen Eingangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers angeschlossen ist, einem zweiten Widerstand, der an einem ersten Ende an das zweite Ende des ersten Widerstandes und an einem zweiten Ende an den Ausgangsanschluß des Puffers angeschlossen ist, und einem Signalausgangsanschluß, der mit dem Ausgangsanschluß des Puffers verbunden ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung eines aktiven Filters nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild zur Erläuterung des genauen Schaltungsaufbaues des in Fig. 1 gezeigten Operationsverstärkers,

Fig. 3 eine Kurve, die graphisch den Verstärkungsverlauf der Schaltung von Fig. 1 wiedergibt, und

Fig. 4 ein Schaltbild zur Erläuterung eines anderen Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen aktiven Filters.

Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläütert.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild, das den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt. In Fig. 1 wird ein Eingangssignal X(S) als Eingangssignal zu einem Signaleingangsanschluß 1 zum positiven Eingangsanschluß eines ersten Operationsverstärkers OP₁ des Differenz-Eingang-Typs gespeist. Der positive Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP₁ ist mit dem positiven Eingangsanschluß eines zweiten Operationsverstärkers OP₂ des Differenz-Eingang- Typs verbunden. Der positive Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP₂ ist mit einem Anschluß eines ersten Kondensators C₁ verbunden. Der andere Anschluß des Kondensators C₁ ist wechselstrommäßig geerdet. Der positive Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP₂ ist mit dem Eingangsanschluß eines Puffers BF verbunden und an den positiven Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers OP₁ über einen zweiten Kondensator C₂ angeschlossen. Der Ausgangsanschluß des Puffers BF ist an den negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP₁ angeschlossen und mit dem positiven Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP₁ über einen ersten Widerstand R₁ und einen zweiten Widerstand R₂, die in Reihe liegen, verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R₁ und dem Widerstand R₂ ist an den negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP₂ angeschlossen. Das Ausgangssignal Y(S) wird vom Ausgangsanschluß des Puffers BF abgeleitet und an den Signalausgangsanschluß 2 abgegeben.

Der erste und der zweite Operationsverstärker OP₁, OP₂ bestehen aus vier Transistoren Q₁ bis Q₄ und einer einzigen Konstantstromquelle I, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.

Der erste und der zweite Transistor Q₁, Q₂ sind paarweise angeordnet. Der Transistor Q₁ ist ein NPN-Transistor, der an seinem Emitter mit einer Konstantstromquelle I und an seiner Basis mit dem negativen Eingangsanschluß 11 des Operationsverstärkers verbunden ist. Der Transistor Q₂ ist ein NPN-Transistor, der an seinem Emitter mit dem Konstantstromkreis I und an seiner Basis mit dem positiven Eingangsanschluß 12 des Operationsverstärkers verbunden ist. Der dritte und der vierte Transistor Q₃, Q₄ sind paarweise angeordnet. Der Transistor Q₃ ist ein PNP-Transistor, dessen Emitter mit einer Betriebsspannungsversorgung Vcc verbunden ist und dessen Kollektor an den Kollektor des Transistors Q₁ angeschlossen ist. Der Transistor Q₄ ist ein PNP-Transistor, dessen Emitter mit der Betriebsspannungsversorgung Vcc verbunden ist und dessen Kollektor an den Kollektor des Transistors Q₂ angeschlossen ist. Die Basen der Transistoren Q₃, Q₄ sind miteinander verbunden und zusammen an den Kollektor des Transistors Q₄ angeschlossen. Der Kollektor des Transistors Q₃ ist mit einem Ausgangsanschluß 13 des Operationsverstärkers verbunden, von welchem das (positive) Ausgangssignal abgeleitet wird.

In dem so aufgebauten aktiven Filter sind Eingangs- und Ausgangssignale in der folgenden Beziehung:

wobei gm₁ und gm₂ die differentiellen Übertragungs-Leitwerte der Operationsverstärker OP₁, OP₂ bedeuten. Um die Übertragungsfunktion des Filters zu erhalten, entsteht durch Umformen der obigen Gleichung (3):

Wenn die Gleichung (4) die in Reihe verbundenen Widerstände einen gleichen Widerstandswert haben, also wenn

R₁ = R₂ (5)

so beschreibt die Gleichung (4) die Phasenentzerrer-Kennlinien. Dies bedeutet, daß das aktivve Filter gemäß Fig. 1 als ein Phasenentzerrer dient.

Durch Einsetzen von j ω in S in der Gleichung (4) entsteht:

Dann sind Verstärkungs- und Phasenkennlinien bzw. -Verlauf G(ω) und R(ω) des Phasenentzerrers gegeben durch:

Durch Einsetzen der Gleichung (5) in Gleichung (6) entsteht:

Diese Gleichungen beschreiben die Phasenentzerrer-Kennlinien, deren Verstärkungsfaktor konstant ist und bei denen lediglich die Phase veränderlich ist.

Im Falle von R₁ ≠ R₂, beispielsweise R₁ < R₂, dient das aktive Filter als Bandabsenkungsfilter (BDF) mit einer Sohle oder Unterkante von Go = R₂/R₁ < 1 bei:

Wenn R₁ < R₂ vorliegt, so dient es als ein Bandbetonungsfilter (BEF) mit einem Spitzenwert von Go = R₂/R₁ < 1 bei:

Diese drei Fälle können graphisch dargestellt werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.

Es sei hier darauf hingewiesen, daß die Operationsverstärker OP₁, OP₂ jeweils Differenz-Eingang-Typ-Operationsverstärker mit einem einzigen Ausgangsanschluß sind. Wenn die Operationsverstärker, wie diese in Fig. 2 gezeigt sind, zum Aufbau des aktiven Filters verwendet werden, so werden lediglich zwei Operationsverstärker benötigt, was die Schaltungsanordnung vereinfacht.

Um in den bestehenden Schaltungen die Phasenentzerrer- Kennlinien aufzubauen, muß die Differenz zwischen dem Leitwert gm₁ und dem Leitwert gm₂ gleich dem Leitwert gm₁ gemacht werden. Dagegen ist es in der Schaltung gemäß diesem Ausführungsbeispiel lediglich erforderlich, daß das Verhältnis des Widerstandes R₁ und des Widerstandes R₂ den Wert "1" hat. Daher ist es einfach, die Bedingungen für die Bildung von Phasenentzerrer-Kennlinien zu erfüllen.

Mit anderen Worten, das erfindungsgemäße aktive Filter erfordert nicht im Wert gut paarweise Bauelemente zwischen den Operationsverstärkern, mit Ausnahme des Widerstandes R₁ und des Widerstandes R₂. In dieser Hinsicht ist die beschriebene Schaltung für die Herstellung in integrierter Technik geeignet.

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen aktiven Filters. Wie gezeigt ist, liegen Kondensatoren C₃, C₄ (C₃ = C₄) jeweils über einem Widerstand R₁ bzw. R₂. Der übrige Schaltungsaufbau ist genau der gleiche wie derjenige der Schaltung von Fig. 1.

Diese Kondensatoren C₁, C₂ haben überhaupt keinen Einfluß auf die Phasenentzerrer- Kennlinien. Im praktischen Gebrauch können parasitäre Kapazitäten C _R1, C _R2 jeweils um die Widerstände R₁, R₂ auftreten, wie dies gezeigt ist. Wenn in einem derartigen Fall diese parasitären Kapazitäten verschieden sind, so beeinflußt die Differenz in nachteilhafter Weise die Entzerrer- Kennlinie, d. h., liefert Kennlinien-Verschiebungen. Derartige nachteilhafte Einflüsse können im wesentlichen durch die parallelen Kondensatoren C₃, C₄ entfernt werden. Die parasitären Kapazitäten C _R1, C _R2 sind im allgemeinen sehr klein. Daher gilt in der Schaltung von Fig. 4 die folgende Beziehung:

Wie aus der obigen Beziehung zu ersehen ist, wird die Genauigkeit des Kapazitätverhältnisses verbessert.

Wie oben beschrieben ist, ist der Ausgangsanschluß des Puffers mit dem negativen Eingangsanschluß des ersten Operationsverstärkers verbunden. Zwei in Reihe geschaltete Widerstände liegen zwischen dem positiven Eingangsanschluß des Operationsverstärkers und dem Ausgangsanschluß des Puffers. Der Verbindungspunkt dieser Widerstände ist an den negativen Eingangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers angeschlossen. Dieses aktive Filter kann als ein Phasenentzerrer verwendet werden, wenn der Widerstandswert der Widerstände gleich ist. Das aktive Filter ist für die Herstellung als integrierte Schaltung in höchstem Maße geeignet.

Claims

1. Aktives Filter mit einem zum Empfang eines Eingangs signales gekoppelten Signaleingangsanschluß und einem Signalausgangsanschluß zur Lieferung eines Signales, gekennzeichnet durch
einen ersten Operationsverstärker (OP ₁) mit positivem und negativem Eingangsanschluß und einem positivem Aus gangsanschluß, wobei der positive Eingangsanschluß mit dem Signaleingangsanschluß (1) verbunden und der po sitive Ausgangsanschluß über einen ersten Kondensator (C ₁) geerdet ist,
einen zweiten Operationsverstärker (OP ₂) mit positivem und negativem Eingangsanschluß und einem positiven Aus gangsanschluß, wobei der positive Eingangsanschluß mit dem positiven Ausgangsanschluß des ersten Operations verstärkers (OP ₁) verbunden und der positive Ausgangs anschluß an den positiven Eingangsanschluß des ersten Operationsverstärkers (OP ₁) über einen zweiten Konden sator (C ₂) angeschlossen ist,
ein Puffer (BF) mit Eingangs- und Ausgangsanschluß, wo bei der Eingangsanschluß an den positiven Ausgangsan schluß des zweiten Operationsverstärkers (OP ₂) ange schlossen und der Ausgangsanschluß mit dem Signalaus gangsanschluß (2) und dem negativen Eingangsanschluß des ersten Operationsverstärkers (OP ₁) verbunden ist,
einen ersten Widerstand (R ₁), der am ersten Ende an den positiven Eingangsanschluß des ersten Operationsverstär kers (OP ₁) angeschlossen und mit dem zweiten Ende mit dem negativen Eingangsanschluß des zweiten Operationsverstär kers (OP ₂) verbunden ist, und
einen zweiten Widerstand (R ₂), der am ersten Ende mit dem zweiten Ende des zweiten Widerstandes (R ₁) und am zweiten Ende mit dem Ausgangsanschluß des Puffers (BF) verbunden ist.

2. Aktives Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte des ersten und des zweiten Widerstands (R ₁, R ₂) gleich sind, wodurch das aktive Filter als ein Phasenentzerrer dient.

3. Aktives Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des ersten Widerstandes (R ₁) größer als derjenige des zweiten Widerstandes (R ₂) ist, wodurch das aktive Filter als ein Bandabsenkungsfilter dient.

4. Aktives Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des ersten Widerstandes (R ₁) kleiner als derjenige des zweiten Widerstandes (R ₂) ist, wodurch das aktive Filter als ein Bandbetonungs filter dient.

5. Aktives Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dritten Kondensator (C ₃), der parallel zum ersten Widerstand (R ₁) liegt und einen vierten Kondensator (C ₄), der parallel zum zweiten Widerstand (R ₂) liegt und einen zu dem Kapazitätswert des dritten Kondensators (C ₃) gleichen Kapazitätswert hat.

6. Aktives Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Operationsverstärker (OP ₁, OP ₂) jeweils einen ersten bis vierten Transistor (Q ₁ bis Q ₄) und eine Konstantstromquelle (I) umfassen, wobei der erste bis vierte Transistor (Q ₁ bis Q ₄) jeweils eine Basis, einen Kollektor und einen Emitter aufweisen, daß der erste Transistor (Q ₁) ein NPN-Transistor ist, dessen Basis mit dem negativen Eingangsanschluß (12) und dessen Emitter mit der Konstantstromquelle (I) verbunden sind, daß der zweite Transistor (Q ₂) ein NPN-Transistor ist, dessen Basis mit dem positiven Eingangsanschluß (12) und dessen Emitter mit der Konstantstromquelle (I) ver bunden sind, daß der dritte Transistor (Q ₃) ein PNP- Transistor ist, dessen Emitter mit einer Betriebsspan nungsversorgung (Vcc) verbunden ist und dessen Kollektor an den Kollektor des ersten Transistors (Q ₁) und an den positiven Ausgangsanschluß (13) angeschlossen ist, und daß der vierte Transistor (Q ₄) ein PNP-Transistor ist, dessen Emitter mit der Betriebsspannungsversorgung (Vcc) verbunden ist, dessen Kollektor an den Kollektor des zweiten Transistors (Q ₂) angeschlossen ist und dessen Basis an die Basis des dritten Transistors (Q ₃) und den Kollektor des vierten Transistors (Q ₄) angeschlossen ist.