DE4021226A1 - Spannungsgesteuerte filterschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Filterschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Spannungsgesteuerte Filter sind Regelglieder, deren Frequenz­ gang in Abhängigkeit von einer an das Filter angelegten Steu­ erspannung veränderbar sind. Solche Filter sind in unter­ schiedlichsten Ausführungen bekannt und werden beispielsweise auf dem Gebiet der Audio-Signalverarbeitung eingesetzt.

Nachteilig an bekannten spannungsgesteuerten Filtern ist deren begrenzter Dynamikumfang, der dazu führt, daß das Filter je nach Bauform mit steigender Amplitude des Eingangssignals zu­ nehmend übersteuert wird. Die Filterübersteuerung führt unter anderem zu einem instabilen Filter-Ausgangssignal, zu erhöhten Klirrfaktoren, und beim Einsatz des Filters auf dem Gebiet der Audiosignalverarbeitung zu einer deutlichen Klangverschlechte­ rung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filterschaltung der in Rede stehenden Art bei einfachem Aufbau bezüglich ihres Dynamikumfangs zu verbessern.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Demnach besteht der Kern der Erfindung in der Verwendung eines Paares von spannungsgesteuerten Filtern, die mit demselben Steuersignal beaufschlagt werden und deren Signalbeaufschla­ gung und -weiterverarbeitung derart erfolgt, daß die durch die Parallelschaltung der beiden Filter gewonnene Übersteuerungs­ festigkeit (der theoretische Gewinn an Dynamikumfang beträgt 6 Dezibel beim erfindungsgemäßen Parallelbetrieb von zwei span­ nungsgesteuerten Filtern) nicht mit einem erhöhten Anteil an Störgeräuschen verbunden ist.

Zu diesem Zweck ist es erfindungemäß vorgesehen, die beiden am Eingang der Filterschaltung angeordneten spannungsgesteuerten Filter des Filterpaares mit einem jeweils gegenphasigen Signal derselben Amplitude zu beaufschlagen und aus den gegenphasigen Ausgangssignalen des Filterpaares ein Differenzsignal zu bil­ den. Dieses Differenzsignal weist aufgrund der Gegenphase der der Differenzbildung zugrundeliegenden Ausgangssignale des Filterpaares wunschgemäß die in etwa doppelte Amplitude des Signals am Eingang des Filterpaares auf. Wegen der Differenz­ bildung im Differenzverstärker werden Störgeräusche, wie kohä­ rentes spektrales Rauschen der einzelnen spannungsgesteuerten Filter, weitgehend eliminiert.

Die der Erfindung als Kern zugrunde liegende Basisschaltung mit einem ein Paar spannungsgesteuerte Filter umfassenden Schaltkreis kann unter entsprechender Erhöhung an Dynamikge­ winn und unter Beibehaltung eines niedrigen Störgeräuschpegels durch die Parallelschaltung einer Mehrzahl solcher Schaltkrei­ se optimiert werden. Zu diesem Zwecke ist es gemäß einer vor­ teilhaften Variante der Erfindung vorgesehen, zwischen Eingang und Ausgang der Filterschaltung eine geradzahlige Mehrzahl von Basis-Schaltkreisen parallel zusammenzufassen. Dabei werden die Steuereingänge sämtlicher spannungsgesteuerter Filter mit demselben Steuersignal beaufschlagt. Die Parallelanordnung der Basis-Schaltkreise erfolgt auf der Grundidee des vorstehend beschriebenen Basis-Schaltkreises unter konsequenter Verviel­ fältigung des Prinzips der phasenumgekehrten Beaufschlagung der jeweilgen Basis-Schaltkreise entsprechen der phasenumge­ kehrten Beaufschlagung der einzelnen Filter des Basis- Schaltkreises. Ebenso werden die Ausgänge der Basis- Schaltkreise paarweise zusammengefaßt Differenzverstärkern zu­ geführt, um die Differenzbildung durchzuführen, deren Prinzip anhand des Basis-Schaltkreises beschrieben worden ist.

Im einzelnen wird jeweils einem der Schaltkreise eines Basis- Schaltkreispaares eine Phasenumkehrstufe vorgeschaltet sowie ein Differenzverstärker nachgeschaltet, dessen beiden Eingänge zur Bildung eines Differenzsignals aus den Ausgangssignalen der Schaltkreise des Basis-Schaltkreispaares an deren Ausgänge angeschlossen ist. Analog hierzu werden dann den Schaltkreis­ paaren paarweise zusammengefaßt Phasenumkehrstufen entsprechend vor- und Differenzverstärker nachgeschaltet, um letzendlich ein einziges Differenz-Ausgangssignal zu gewinnen.

Vorteilhafterweise ist am Eingang der Filterschaltung ein Sig­ nalabschwächer, etwa in Gestalt eines Spannungsteilers her­ kömmlicher Art vorgesehen, dessen Abschwächungsfaktor vorzugs­ weise der Anzahl der verwendeten spannungsgesteuerten Filter entspricht, um den Dynamikgewinn der erfindungsgemäßen Filter­ schaltung durch eine Verminderung dessen Eingangsempfindlich­ keit voll auszuschöpfen.

Zugunsten einer Minimierung der Abmessung des erfindungsgemäs­ sen Schaltkreises werden die Filterschaltungsbauelemente vor­ teilhafterweise in einem gemeinsamen Chip intergriert.

Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Filterschal­ tung in Audio-Signalaufbereitungsgeräten, wie beispielsweise Rauschminderungsgeräten oder Entzerrern (Equalizer) einge­ setzt, wobei die Übertragungsfunktion des Filters gleichspan­ nungsgesteuert ist.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher er­ läutert werden; in dieser zeigen die Fig. 1 und 2 Block­ schaltbilder unterschiedlicher Ausführungsformen der erfin­ dungsgemäßen Filterschaltung.

Die in Fig. 1 gezeigte Filterschaltung umfaßt einen Schalt­ kreis A, der den Basis-Schaltkreisen B und C von Fig. 2 ent­ spricht, sowie einen dem Schaltkreis A vorgeschalteten Signal­ abschwächer 1 in Gestalt eines Spannungsteilers mit Widerstän­ den 1A und 1B. Am Eingang des Abschwächers, also am freien En­ de des Widerstands 1A liegt das Eingangssignal der Filter­ schaltung an, während das freie Ende des Widerstands 1B auf Masse liegt.

Der Schaltkreis A weist eingangsseitig einen Inverter bzw. ei­ ne Phasenumkehrstufe 2 auf, also ein nicht verstärkendes Schaltungsteil, dessen Ausgangssignal mit Bezug auf das Ein­ gangssignal eine um 180° verschobene Phasenlage einnimmt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Inverter 2 in an sich bekannter Weise auf der Grundlage eines Operationsver­ stärkers 2a aufgebaut, dessen nicht-invertierender Eingang auf Masse liegt, und dessen Ausgang über einen Widerstand 2B an den nicht-invertierenden Eingang rückgekoppelt ist. Die Spannungsversorgung des Operationsverstärkers 2A sowie fre­ quenzkompensierende Glieder sind nicht dargestellt. Der inver­ tierende Eingang des Operationsverstärkers 2A ist über einen Widerstand 2C an den Ausgang des Signalabschwächers, also an den Verbindungspunkt der Widerstände 1A und 1B des Spannungs­ teilers 1 angeschlossen.

Der Basis-Schaltkreis A umfaßt weiterhin zwei identisch aufge­ baute spannungsgesteuerte Filter (VCF) 3 und 4. Derartige Fil­ ter sind Regelglieder, deren Eckfrequenz in Abhängigkeit einer anliegenden Steuerspannung verschiebbar ist. Spannungsgesteu­ erte Filter können bekanntlich in unterschiedlichster Weise aufgebaut sein. Für die vorliegende Filterschaltung eignen sich grundsätzliche alle bekannten spannungsgesteuerten Fil­ ter. Es kommt lediglich darauf an, daß die Filter 3 und 4 be­ züglich ihrer die Filter-Übertragungsfunktion bestimmenden Pa­ rameter weitgehend übereinstimmen. An den Steuereingängen der Filter 3 und 4 liegt dasselbe Steuersignal in Gestalt einer Spannung V_c and. Der Signaleingang des Filters 3 ist direkt mit dem Ausgang des Signalabschwächers 1 verbunden, wäh­ rend der Signaleingang des Filters 4 an den Ausgang des Inver­ ters 2 angeschlossen ist.

Das am Ausgang des Abschwächers 1 anliegende Signal durchläuft also parallel mit derselben Amplitude, jedoch mit umgekehrter Phase beide Filter 3 und 4.

Den spannungsgesteuerten Filtern 3 und 4 ist ein Differenzver­ stärker 5 nachgeschaltet, der im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Operationsverstärker 5A besteht, der in an sich be­ kannter Weise als Differzierglied geschaltet ist. Zu diesem Zweck ist der Ausgang des Operationsverstärkers 5A über einen Widertstand 5B an den invertierenden Eingang rückgekoppelt, während der nicht-invertierende Eingang über einen Widerstand 5C auf Masse gelegt ist. Die Spannungsversorgung des Opera­ tionsverstärkers 5A sowie frequenzkompensierende Glieder sind nicht dargestellt.

Der Ausgang des mit dem Signal der ursprünglichen Phasenlage beaufschlagten spannungsgesteuerten Filters 3 ist über einen Widerstand 5D an den nicht-invertiertenden Eingang des Opera­ tionsverstärkers 5A angeschlossen. An den invertierenden Ein­ gang des Operationsverstärkers 5A ist der Ausgang des anderen Filters, das von dem Signal umgekehrter Phasenlage durchlaufen wird, über einen Widerstand 5E angeschlossen. Die Werte der Widerstände 5D und 5E stimmen überein. Der Wert des Rückkop­ plungswiderstands 5B ist normalerweise so gewählt, daß der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers 1 beträgt. Der Verstärkungsfaktor kann jedoch auch einen von 1 verschiedenen Wert einnehmen, um etwaige Signalverluste zwischen Eingang und Ausgang der Filterschaltung zu kompensieren.

Aufgrund der 180°-Phasendifferenz der am Eingang des Diffe­ renzverstärkers 5 mit derselben Amplitude anliegenden Nutzsig­ nale erfahren diese im Differenzverstärker eine Addition, so daß das Ausgangssignal eine Amplitude aufweist, welche doppelt so groß ist wie die Amplitude jedes der Differenzverstärker­ Eingangssignale. Mit anderen Worten wird mit der beschriebenen Schaltung auf der Grundlage eines Paares von spannungsgesteu­ erten Filtern im Vergleich zu herkömmlichen Filterschaltungen, die ledidiglich ein einziges spannungsgesteuertes Filter um­ fassen, ein Dynamikgewinn von etwa 6 Dezibel (Faktor 2) er­ zielt.

Um diesen Dynamikgewinn vorteilhaft voll zu nutzen, ist der Signalabschwächer 1 am Eingang der Filterschaltung auf eine Signalabschwächung von 6 Dezibel einzustellen, so daß das Aus­ gangssignal der Filterschaltung dieselbe Amplitude aufweist wie das Eingangssignal der Filterschaltung. Mit anderen Worten beträgt die Gesamtverstärkung des beschriebenen Filterschal­ tung 1.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Filterschaltung auf der grund­ lage eines Paares von spannungsteuerten Filtern besteht, neben dem genannten Gewinn an Übersteuerungsfestigkeit, darin, daß etwaige Störsignale, wie spektrales Rauschen, mit denen der Differenzverstärker 5 zusammen mit den Nutzsignalen aus den Filtern 3 und 4 beaufschlagt wird, im Differenzverstärker so­ weit eliminiert werden, wie diese Störsignale dieselbe Phasen­ lage aufweisen. Dies kommt insbesondere dem Rauschverhalten der Filterschaltung zugute, welches dasjenige einer Filter­ schaltung auf der Grundlage eines einzigen spannungsgesteuer­ ten Filters deutlich übertrifft.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß beispielsweise der Klirr­ faktor im Vergleich zu herkömmlichen Filterschaltungen um durchschnittlich eine Dekade geringer ist.

Der Gewinn an Dynamik läßt sich dadurch weiter steigern, daß die anhand der Fig. 1 beschriebene Filterschaltung mit Bezug auf den Schaltkreis A geeignet vervielfältigt wird. Eine sol­ che Vervielfältigung des Grund-Schaltkreises A ist anhand der Fig. 2 schematisch für den Fall einer Verdoppelung darge­ stellt.

Demanch weist die in Fig. 2 dargestellte Filterschaltung zwei Grundschaltkreise B und C auf, welche jeweils identisch sind mit dem Grundschaltkreis A von Fig. 1. Die Schaltkreise B und C werden von Signalen durchlaufen, die vom Eingangssignal der Filterschaltung abgeleitet sind und dieselbe Amplitude, jedoch eine umgekehrte Phasenlage aufweisen. Zum Zweck der Phasenver­ schiebung um 180° ist dem Schaltkreis C ein Inverter 6 vorge­ schaltet. Als Inverter eignet sich bespielsweise ein gemäß Fig. 1 beschalteter Operationsverstärker (Inverter 2).

Die Steuereingänge der in den Schaltkreisen B und C enthalte­ nen spannungsgesteuerten Filter (insgesamt vier Filter) werden sämtliche mit der identischen Steuerspannung V_c beaufschlagt.

Die Ausgangssignale der beiden Schaltkreise B und C, die be­ züglich ihrer Amplitude übereinstimmen, jedoch durch eine um­ gekehrte Phasenlage charakterisiert sind, werden ähnlich den Ausgangssignalen der Filter 3 und 4 in Fig. 1 an einen Diffe­ renzverstärker 7 angelegt, der beipielsweise wie der Diffe­ renzverstärker 5 von Fig. 1 auf der Grundlage eines Opera­ tionsvertsärkers aufgebaut ist.

Wie bei der Schaltung von Fig. 1, ist bei der Schaltung von Fig. 2 die Amplitude des Nutzsignals am Ausgang des Differenz­ verstärkers wegen der speziellen Phasenlage der Eingangssigna­ le dopplet so hoch wie diejenige jedes Eingangssignals, wäh­ rend Störsignale, die nicht der speziellen Phasenverschiebung unterliegen, weitestgehend kompensiert werden.

Durch einen mit zwei Widerständen 8A und 8B ähnlich wie der Spannungsteiler 1 von Fig. 1 aufgebauten Spannungsteiler 8 am Eingang der Filterschaltung von Fig. 2 wird das Eingangssignal soweit abgesenkt, daß Eingangs- und Ausgangssignale der Fil­ terschaltung dieselbe Amplitude aufweisen, so daß der Dynamik­ gewinn voll ausgenutzt werden kann.

Da der Dynamikgewinn innerhalb jedes Schaltkreises B und C wie im Falle des Schaltkreises A von Fig. 1 jeweils 6 Dezibel be­ trägt und der Gewinn durch Parallelschaltung dieser Schalt­ kreise mit dem ausgangsseitigen Differenzverstärker nochmals 6 Dezibel ist, ergibt sich für die Filterschaltung von Fig. 2 ein theoretischer Dynamikgewinn von 12 Dezibel, der aufgrund von Fertigungsstreuungen in der Praxis etwas niedriger liegt.

Grundsätzlich kann auch die Filterschaltung von Fig. 2 bezüg­ lich ihrer Schaltkreise A und B zugunsten eines Dynamikgewinns gemäß dem vorbeschriebenen Prinzip vervielfältigt werden.

Claims (7)

1. Filterschaltung zur Veränderung des Frequenzgangs in Abhän­ gigkeit von einer Steuerspannung, gekennzeichnet durch wenigstens einen Schaltkreis (A; B; C) mit
einem eingangsseitigen Paar spannungsgesteuerter Filter (3, 4), die bezüglicher ihrer Übertragungsfunktionen im wesentlichen übereinstimmen, und deren Steuereingänge mit demselben Steuersignal (V_c) beaufschlagt werden,
einer einem der Filter (4) des Filterpaares (3, 4) vorge­ schalten Phasenumkehrstufe (2), und
einem Differenzverstärker (5), dessen beiden Eingänge zur Bildung eines Differenzsignals aus den Ausgangssignalen der beiden Filter (3, 4) des Filterpaars an deren Ausgänge angeschlossen sind.

2. Filterschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine geradzahlige Mehrzahl von zwischen Eingang und Ausgang der Filterschaltung parallel angeordneten und zu Paaren zusam­ mengefaßten Schaltkreisen (B. C),
wobei die Steuereingänge sämtlicher spannungsgesteuerter Filter der Schaltkreise (A, B, C) jedes Schaltkreispaares (B, C) mit demselben Steuersignal (V_c) beaufschlagt wer­ den,
wobei a) jeweils einem Schaltkreis (C) jedes Schaltkreispaares (B, C) eine Phasenumkehrstufe (6) vorgeschaltet ist, und wobei jedem Schaltkreispaar (B, C) ein Differenzver­ stärker (7) nachgeschaltet ist, dessen beiden Ein­ gänge zur Bildung eines Differenzsignals aus den Ausgangssignalen der Schaltkreise des Schaltkreis­ paares (B,C) an deren Ausgänge angeschlossen ist und
wobei b) den Schaltkreispaaren (B, C) paarweise zusammengefaßt Pha­ senumkehrstufen entspreched a) Vor- und Differenz­ verstärker nachgeschaltet sind, um letzendlich ein einziges Differenz-Ausgangssignal zu gewinnen.

3. Filterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen am Eingang der Filterschaltung angeordneten Signalabschwächer (1, 8).

4. Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschwächungsfaktor des Signalab­ schwächers (1, 8) der Anzahl der verwendeten spannungsge­ steuerten Filter (3, 4) entspricht.

5. Filterschaltung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen Signalabschwächer in Gestalt eines Spannungs­ teilers (1, 8).

6. Filterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine Integration der Filterschaltungs­ bauelemente in einem gemeinsamen Chip.

7. Verwendung der Filterschaltung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche in Audio-Signalaufbereitungsgeräten, wie bei­ spielsweise Rauschminderungsgeräten oder Entzerrern (Equa­ lizer).