DE3743603C2

DE3743603C2 -

Info

Publication number: DE3743603C2
Application number: DE3743603A
Authority: DE
Inventors: Hideyuki Fukaya Saitama Jp Hagino; Takahiro Kumagaya Saitama Jp Kusano
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-12-26
Filing date: 1987-12-22
Publication date: 1993-02-11
Also published as: KR900008363B1; JPH0828644B2; GB2200007B; US4841179A; DE3743603A1; GB8729529D0; GB2200007A; JPS63166309A; KR880008511A

Description

Die Erfindung betrifft ein aktives Filter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges aktives Filter ist aus der JP 61-1 70 113 A (vgl. auch die hierzu korrespondierende, jedoch nachveröffentlichte US 46 75 616) bekannt. Mit Hilfe dieses aktiven Filters ist die Realisierung eines Allpassses möglich.

Ein Allpaßfilter ist auch aus WILSON, George: The Design and Gain Bandwith Dependence of a Class of Single Amplifier Second-Order All-Pass RC Active Networks, in: IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. CAS-24, No. 8, August 1977, S. 446-454, bekannt. Dieses Allpaßfilter ist wegen der Einstellung der einzelnen Bauelemente für die Integration wenig geeignet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein in integrierter Schaltungstechnik ausführbares aktives Filter zu schaffen, das auf einfache Weise die Realisierung eines Bandpasses, eines Allpasses und einer Bandsperre erlaubt.

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

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Patentansprüchen 2 bis 4.

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 eines in Fig. 1 gezeigten Operationsverstärkers,

Fig. 3 die Verstärkungskennlinie der Schaltung von Fig. 1 und

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

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild, das den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt. In Fig. 1 wird ein Eingangssignal X(S) über einen Signaleingangsanschluß 1 zum positiven Eingangsanschluß eines ersten Operationsverstärkers OP₁ gespeist. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP₁ ist mit dem positiven Eingangsanschluß eines zweiten Operationsverstärkers OP₂ 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 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 einen 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 der Konstantstromquelle 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 Filter sind Eingangssignal X(S) und Ausgangssignal Y(S) 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 (1):

Wenn in der Gleichung (2) die in Reihe verbundenen Widerstände einen gleichen Widerstandswert haben, also wenn

R₁ = R₂ (5)

so beschreibt die Gleichung (2) die Allpaßfilter-Kennlinien. Dies bedeutet, daß das aktive Filter gemäß Fig. 1 als ein Allpaßfilter dient.

Durch Einsetzen von jω in S in der Gleichung (2) entsteht:

Dann sind Verstärkungskennnlinie G(ω) und Phasenkennlinie R(ω) des Phasenentzerrers gegeben durch:

Durch Einsetzen der Gleichung (3) in Gleichung (4) entsteht:

Diese Gleichungen beschreiben die Allpaßfilter-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 eine Bandsperre (BDF) mit Go = R₂/R₁ <1 bei:

Wenn R₁ <R₂ vorliegt, so dient es als ein Bandpaß (BEF) mit 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 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 Allpaßfilter- 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 Allpaßfilter-Kennlinien zu erfüllen.

Mit anderen Worten, das erfindungsgemäße aktive Filter erfordert nicht in ihrem jeweiligen 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 Allpaßfilter- 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 Allpaßfilter-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 Allpaßfilter verwendet werden, wenn der Widerstandswert der Widerstände gleich ist. Das aktive Filter ist für die Herstellung als integrierte Schaltung in hohem Maße geeignet.

Claims

1. Aktives Filter mit folgenden Merkmalen:

(a) einem ersten Operationsverstärker (OP₁), bei dem der nicht-invertierende Eingang mit dem Eingangsanschluß (1) des Filters und über einen ersten Kondensator (C₂) mit dem Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers (OP₂) verbunden ist, bei dem der Ausgang ferner über einen zweiten Kondensator (C₁) mit Masse und mit dem nicht-invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers (OP₂) verbunden ist und bei dem der invertierende Eingang mit dem Ausgangsanschluß (2) des Filters verbunden ist,
(b) der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers (OP₂) ist mit dem Ausgangsanschluß des Filters verbunden,
(c) zwischen den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (OP₂) und den Ausgangsanschluß (2) des Filters ist ein Pufferfilter (BF) geschaltet,

dadurch gekennzeichnet, daß

(d) der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers nicht mit dem Ausgangsanschluß (2) des Filters, sondern mit dem Mittenabgriff einer Reihenschaltung aus zwei Widerständen (R₁, R₂) verbunden ist, wobei der jeweils andere Anschluß der beiden Widerstände mit dem Eingangsanschluß (1) bzw. dem Ausgangsanschluß (2) des Filters verbunden ist.

2. Aktives Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Reihenschaltung der beiden Widerstände der Widerstandswert des ersten Widerstandes (R₁) höher als derjenige des zweiten Widerstandes (R₂) gewählt wird, wodurch das aktive Filter als eine Bandsperre arbeitet.

3. Aktives Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Reihenschaltung der beiden Widerstände der Widerstandswert des ersten Widerstandes (R₁) niedriger als derjenige des zweiten Widerstandes (R₂) gewählt wird, wodurch das aktive Filter als ein Bandpaß arbeitet.

4. Aktives Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dritten Kondensator (C₃), der parallel zu dem ersten Widerstand (R₁) der Reihenschaltung der beiden Widerstände (R₁, R₂) liegt, und einen vierten Kondensator (C₄), der parallel zu dem zweiten Widerstand (R₂) der Reihenschaltung der beiden Widerstände (R₁, R₂) liegt und einen zu dem Kapazitätswert des dritten Kondensators (C₃) gleichen Kapazitätswert hat, wodurch das aktive Filter als ein Allpaß arbeitet.