DE3806442C2 - Integriertes aktives elektronisches Filter - Google Patents
Integriertes aktives elektronisches FilterInfo
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- H03H19/004—Switched capacitor networks
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Networks Using Active Elements (AREA)
- Filters That Use Time-Delay Elements (AREA)
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 Iin 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.
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)
- 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.
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