DE3806442C2 - Integriertes aktives elektronisches Filter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein integriertes aktives elektronisches Filter mit extrem niedriger Empfindlichkeit auf Veränderungen seiner Bestandteile, das speziell für die Herstellung in MOS-Technik geeignet ist.

Es ist bekannt, aktive integrierte Filter aus Widerständen, Kondensatoren und Operationsverstärkern aufzubauen, die in zusammengesetzten Netzwerken miteinander verbunden sind, um passive Filter aus Widerständen, Spulen und Kondensatoren nachzubilden.

Es ist auch bekannt (US 43 66 456), zur Verbesserung der Genauigkeit des Ansprechverhaltens eines Filters in solchen integrierten Filtern die Widerstände durch geschaltete Kondensatoren zu ersetzen, die man in integrierten Schaltungen mit sehr viel größerer Genauigkeit als Widerstände erhalten kann. Bei solchen Filtern mit geschalteten Kondensatoren hängt die Genauigkeit der Grundparameter in der Praxis nur von der Genauigkeit der Kapazitätsverhältnisse ab, und sie ist daher sehr hoch.

Bezüglich des Entwurfs solcher Filter ist es bekannt, ein konventionelles, passives stufenartiges Filter, das aus Widerständen, Kondensatoren und Spulen zusammengesetzt ist, so zu berechnen, daß sein Frequenzverhalten mit einer gewünschten Maske übereinstimmt, und aus diesem Filter dann entsprechend einer bekannten Prozedur ein Flußdiagramm zu erhalten, in welchem die Komponenten durch die entsprechenden Übertragungsfunktionen entsprechend der Laplac´s-Transformation ersetzt sind. Schließlich sind Syntheseverfahren bekannt, um, ausgehend von diesem Flußdiagramm, ein aktives Filter zu erhalten, das aus Operationsverstärkern, Kondensatoren und Schaltern gebildet ist (um geschaltete Kondensatoren auszubilden).

Bei der Berechnung des passiven stufenartigen Filters ist es auch bekannt, die Empfindlichkeit auf Veränderungen der Komponenten zu minimieren, indem das Filter am Eingang und am Ausgang mit zwei identischen Widerständen abgeschlossen wird (Electronic Letters, Band 2, Seiten 224, 225, Juni 1966, "Inductorless Filters"). Diese Eigenschaft wird auch bei aktiven Filtern bewahrt, die man aus dem stufenartigen Filter mit doppeltem Abschluß erhält.

Wie der Fachmann weiß, werden die Filtereigenschaften eines Filters besser, wenn die Filterordnung zunimmt, d. h. wenn die Anzahl der Pole des Filters zunimmt. Bei einem aktiven Filter des oben beschriebenen Typs ist die Anzahl der Pole gleich der Anzahl der in dem Filter enthaltenen Operationsverstärker.

Bei der Gestaltung aktiver Filter in integrierten Schaltungen ist unter dem Gesichtspunkt des Verbrauchs an Siliziumfläche der teuerste Anteil der Schaltung durch die Operationsverstärker gebildet, und es werden daher Filter mit der geringstmöglichen Ordnung in bezug auf die gewünschte Selektivität entworfen. Obwohl es grundsatzlich möglich ist, die Filterordnung um 1 zu vermindern, wobei die Selektivität gleichbleibt, indem man den doppelten Abschluß beseitigt, wird dies doch im allgemeinen nicht ausgeführt, um eine Vergrößerung der Empfindlichkeit des Filters zu vermeiden.

In den meisten Anwendungsfällen, speziell in der Nachrichtentechnik, werden die Vorgaben hinsichtlich des Frequenzverhaltens durch die Verwendung von Filtern fünfter Ordnung erfüllt, und die meisten, in der Praxis hergestellten Filter enthalten daher fünf Operationsverstärker. Wenn der doppelte Abschluß beseitigt wird, dann können die gleichen Anforderungen hinsichtlich der Selektivität grundsätzlich auch durch ein Filter vierter Ordnung erfüllt werden, jedoch wird dies in der Praxis nicht realisiert, da es wichtiger ist, die Empfindlichkeit klein zu halten.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein aktives Filter anzugeben, das eine Selektivität und eine Empfindlichkeit aufweist, die für ein aktives Filter fünfter Ordnung mit doppeltem Abschluß typisch sind, d. h. für ein Filter mit fünf Operationsverstärkern typisch sind, jedoch nur vier Verstärker enthält, um folglich Halbleiterfläche zu sparen. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Filter vierter Ordnung mit doppeltem Abschluß anzugeben, das die gleiche Selektivität wie ein Filter vierter Ordnung mit einem einzigen Abschluß aufweist.

Die Erfindung erreicht diese Ziele und erfüllt weitere Aufgaben mit einem aktiven Filter, das vier Operationsverstärker in Kaskade aufweist, mit geschalteten Kondensatoren in Serie am Eingang eines jeden Verstärkers, mit festen Kondensatoren parallel zu zwei dieser Verstärker, mit festen und geschalteten Kondensatoren parallel zu den übrigen Verstärkern und mit festen und geschalteten Kondensatoren gemeinsam für Gruppen mehrerer in Kaskade geschalteter Verstärker, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Pfad parallel geschalteter fester und geschalteter Kondensatoren den Eingang des Filters mit dem Eingang des vierten Verstärkers verbindet und ein fester Kondensator den Eingang des Filters mit dem Eingang des zweiten Verstärkers verbindet.

Die Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf eine in den Zeichnungen dargestellte bevorzugte Ausführungsform näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm, das Frequenzgangkurven und Masken für verschiedene Filter zeigt;

Fig. 2 ein Schaltbild eines passiven Filters fünfter Ordnung mit doppeltem Abschluß;

Fig. 3 ein Flußdiagramm entsprechend dem Filter nach Fig. 2;

Fig. 4 ein Schaltbild eines passiven Filters vierter Ordnung mit doppeltem Abschluß;

Fig. 5 ein Flußdiagramm entsprechend dem Filter nach Fig. 4;

Fig. 6 ein Flußdiagramm, das aus dem Diagramm nach Fig. 5 entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung abgeleitet worden ist, und

Fig. 7 das Schaltbild eines aktiven Filters mit geschalteten Kondensatoren, das ausgehend von dem Flußdiagramm nach Fig. 6 zusammengestellt worden ist.

Das Diagramm nach Fig. 1 zeigt die Verstärkung, in Dezibel, eines Filters in Abhängigkeit von der Frequenz in kHz des Eingangssignals. Die Linien 10 und 12 definieren eine Maske, innerhalb der die Frequenzkurve des Filters liegen soll.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines typischen mehrstufigen passiven Filters fünfter Ordnung, bestehend aus einem ersten Zweig, der von einem Widerstand R₁ und einem Kondensator C₁ gebildet wird, einem zweiten Zweig aus einer Spule L₂ und einem Kondensator C₂, einem dritten Zweig aus einem einzigen Kondensator C₃, einem vierten Zweig aus einer Spule L₄ und einem Kondensator C₄ und einem fünften Zweig, der von einem Widerstand R₅ und einem Kondensator C₅ gebildet wird. Ein Erzeuger für einen Eingangsstrom I_in ist in der Schaltung ebenfalls eingezeichnet. Die Widerstände R₁ und R₅ sind Abschlußwiderstände gleicher Größe, und das Filter ist deshalb vom doppelt abgeschlossenen Typ, das minimale Empfindlichkeit auf Veränderungen seiner Komponenten aufweist, wie im einleitenden Teil der Beschreibung erläutert worden ist.

In Fig. 1 ist eine typische Durchlaßkurve 14 des Filters nach Fig. 2 eingezeichnet, die so berechnet ist, daß sie zu der Maske paßt. Die Kurve ist durch fünf Pole und fünf Nullstellen gekennzeichnet, von denen zwei Doppelnullstellen im endlichen Bereich und eine eine einfache Nullstelle im unendlichen ist.

Fig. 3 ist das Flußdiagramm, das den passiven Filter nach Fig. 1 entspricht, daß man durch an sich bekannte Transponierungen erhält. Benachbart einem jeden Zweig des Diagramms ist die Übertragungsfunktion durch Symbole angegeben, die der Fachmann kennt, und zwar als Funktion der in Fig. 2 dargestellten Parameter. Aus dem Flußdiagramm kann man mittels bekannter Berechnungsverfahren ein aktives Filter mit fünf Verstärkern synthetisieren, das einen Satz fester und geschalteter Kondensatoren enthält. Das aktive Filter hat auch eine minimale Empfindlichkeit, wie sein passiver Vorgänger.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild eines passiven Filters vierter Ordnung mit doppeltem Abschluß. Dieses Filter enthält nur vier Zweige, deren Beschreibung hier weggelassen ist, da es ähnlich dem nach Fig. 4 aufgebaut ist, und das entsprechende Flußdiagramm ist in Fig. 5 dargestellt. Mit diesem Filter, das ebenfalls minimale Empfindlichkeit aufweist, kann die Maske nach Fig. 1 nicht mehr erfüllt werden, wie aus der Frequenzgangkurve 16, die in Fig. 1 gepunktet eingezeichnet ist, ersichtlich ist. Diese Kurve hat vier Punkte und vier Nullstellen, von denen eine eine doppelte Nullstelle im endlichen Bereich und eine eine doppelte Nullstelle im Unendlichkeitsbereich ist.

Gemäß der Erfindung sind zur Verbesserung der Selektivität in dem Flußdiagramm nach Fig. 5 die in Fig. 6 mit gestrichelten Linien eingezeichneten Pfade hinzugefügt. Die hinzugefügten Pfade, zwei zu zwei mit entgegengesetzten Vorzeichen, und sämtlich im Absolutwert entsprechend einer willkürlichen Konstante a identisch, neutralisieren einander hinsichtlich der Empfindlichkeit, sie haben jedoch die Wirkung, daß sie die doppelte Nullstelle, die in der Kurve 16 nach Fig. 1 im Unendlichen lag, in den endlichen Bereich bringen und auch die andere doppelte Nullstelle leicht verschieben. Der Frequenzgang, der sich so ergibt, ist in Fig. 1 gestrichelt mit 18 eingezeichnet, der somit noch in der von den Linien 10 und 12 vorgegebenen Maske liegt.

Unter Verwendung der oben beschriebenen Transformationsverfahren, die der Fachmann kennt, erhält man aus dem Flußdiagramm nach Fig. 6 das synthetisierte aktive Filter nach Fig. 7, das, obgleich es nur vier Verstärker aufweist, das Erfordernis des doppelten Abschlusses (mit der damit zusammenhängenden minimalen Empfindlichkeit) und der von der Maske vorgegebenen Selektivität erfüllt, die normalerweise nur von einem Filter fünfter Ordnung mit doppeltem Abschluß oder durch ein Filter vierter Ordnung mit einzelnem Abschluß erfüllt werden kann.

Das Filter nach Fig. 7, das entsprechend der "Volldifferential"-Art angegeben ist, enthält vier Operationsverstärker A1, A2, A3 und A4. An den Eingängen eines jeden Verstärkers sind jeweils geschaltete Kondensatoren S11, S12, S13 und S14 in Serie geschaltet. Parallel zu den Verstärkern A2 und A3 sind jeweils feste Kondensatoren Cy und C15 angeschlossen, und parallel zu den anderen zwei Verstärkern A1 und A4 sind jeweils feste Kondensatoren und geschaltete Kondensatoren C16, S16, Cx, Sx geschaltet. Weitere feste Kondensatoren C18, C19 sind zwischen den Eingang des ersten Verstärkers A1 und den Ausgang des dritten Verstärkers A3 und zwischen den Ausgang des ersten Verstärkers A1 und den Eingang des dritten Verstärkers A3 geschaltet. Schließlich sind geschaltete Kondensatoren S20, S21 und S22 zwischen den Eingang des ersten Verstärkers A1 und den Ausgang des zweiten Verstärkers A2, zwischen den Eingang des zweiten Verstärkers A2 und den Ausgang des dritten Verstärkers A3 und zwischen den Eingang des dritten Verstärkers A3 und den Ausgang des vierten Verstärkers A4 geschaltet.

Als Auswirkung der Pfade, die zu dem Flußdiagramm entsprechend der Erfindung hinzugefügt worden sind, enthält das Filter nach Fig. 7 darüber hinaus (im Unterschied zu einem Filter vierter Ordnung, das man mit konventionellen Verfahren erhält):

einen geschalteten Kondensator S30 mit einem Wert a, der den Eingang des Filters mit dem Eingang des ersten Verstärkers A1 verbindet,
einen festen Verstärker C31, der den Eingang des Filters mit dem Eingang des zweiten Verstärkers A2 verbindet und einen Wert a/Y hat, wobei Y der Wert des Kondensators Cy ist, der dem Verstärker A2 parallel geschaltet ist,
einen geschalteten Kondensator S32, der den Eingang des Filters mit dem Eingang des vierten Verstärkers A4 verbindet und den Wert a hat, und
einen festen Kondensator C32 parallel zu dem geschalteten Kondensator S32 mit einem Wert a/X, wobei X der Wert des Kondensators Cx ist, der dem vierten Verstärker A4 parallel geschaltet ist.

Diese hinzugefügten festen und geschalteten Kondensatoren unterscheiden das Filter nach der vorliegenden Erfindung von einem konventionellen Filter, und sie haben die Wirkung, daß sie die doppelte Nullstelle näher heranholen, die ohne sie im Unendlichen liegen würde, was es ermöglicht, eine Frequenzkurve zu erhalten, die in der Maske liegt, wie dies bei einem Filter gleicher Ordnung aber mit einzelnem Abschluß der Fall ist. Die Anwesenheit dieser hinzugefügten Kondensatoren macht das aktive Filter nach der vorliegenden Erfindung als Darstellung eines passiven Filters unmöglich. Allgemein gesagt, es gibt kein passives Filter, aus dem das Filter nach der vorliegenden Erfindung abgeleitet werden kann.

Claims (1)

1. Aktives Filter, enthaltend vier Operationsverstärker in Kaskade mit geschalteten Kondensatoren in Serie am Eingang eines jeden Verstärkers, mit festen Kondensatoren parallel zu zwei dieser Verstärker, mit festen und geschalteten Kondensatoren parallel zu den übrigen Verstärkern, und mit festen und geschalteten Kondensatoren gemeinsam an Gruppen mehrerer in Kaskade geschalteter Verstärker, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pfad aus festen und geschalteten Kondensatoren in Parallelschaltung den Eingang des Filters mit dem Eingang des vierten Verstärkers verbindet und ein fester Kondensator den Eingang des Filters mit dem Eingang des zweiten Verstärkers verbindet.