DE4115017C2

DE4115017C2 - Verstimmbares Filter

Info

Publication number: DE4115017C2
Application number: DE19914115017
Authority: DE
Inventors: Leo Friesen
Original assignee: Temic Semiconductor GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 1991-05-08
Filing date: 1991-05-08
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2011-05-09
Also published as: DE4115017A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem verstimmbaren Filter gemäß dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.

Ein derartiges Filter ist aus der JP 1-151312 A bekannt. Das vorbekannte Filter weist einen steuerbaren Spannungs-Strom-Wandler mit einer Eingangsstufe, einem Steu erstromteil und einer Ausgangsstufe sowie einen dem Spannungs-Strom-Wandler nachgeschalteten Kondensator auf. Die Eingangsstufe ist als Differenzverstärker mit fester Steilheit ausgebildet; sie weist einen Eingang für eine Eingangsspannung auf und ist über den Steuerstromteil mit der Ausgangsstufe und dem Kondensator ver bunden. Der Steuerstromteil erzeugt aus mindestens einem Eingangsstrom einen Steuerstrom, der einen am Ausgang der Eingangsstufe anstehenden Strom um ei nen Teilerfaktor auf einen am Ausgang der Ausgangsstufe abgegebenen Ausgangs strom reduziert. Die Steilheit des Spannungs-Strom-Wandlers ist somit gleich dem Produkt aus der festen Steilheit der Eingangsstufe und dem Tellerfaktor und läßt sich, da der Tellerfaktor vom Eingangsstrom des Steuerstromteils abhängig ist, durch diesen Eingangsstrom steuern. Eine Variation der Steilheit des Spannungs- Strom-Wandlers bewirkt dabei eine Änderung der Filterparameter, d. h. eine Ver stimmung des Filters.

Als nachteilig erweist sich hierbei, daß die Steilheit des Spannungs-Strom-Wandlers kleiner als die Steilheit der Eingangsstufe ist, d. h., daß sie nur über einen kleinen, durch die Steilheit der Eingangsstufe begrenzten Bereich variierbar ist, was zu einem geringen Aussteuerbereich der Filterparameter führt, und daß der lineare Aussteuer bereich der Eingangsstufe bei hoher Steilheit der Eingangsstufe gering ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verstimmbares Filter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das einen großen Aussteuerbe reich aufweist.

Die Aufgabe wird bei einem Gegenstand gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1 durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Filter weist neben dem steuerbaren Spannungs-Strom- Wandler mit der (als Differenzverstärkerstufe ausgebildeten) Eingangsstufe und der Ausgangsstufe einen Schaltungsteil zur Bereitstellung eines Steuerstroms bzw. meh rerer Steuerströme - den Steuerstromteil - auf. Die Verstärkung der Eingangsstufe wird - beispielsweise über einen gemeinsamen Emitterwiderstand der beiden Diffe renzverstärkertransistoren - auf einen festen Wert bzw. die Eingangsstufe auf einen festen Aussteuerbereich eingestellt; die Steuerung des Spannungs-Strom-Wandlers wird in der Ausgangsstufe über die Steuerströme des Steuerstromteils vorgenom men.

Die Ausgangsstufe des Spannungs-Strom-Wandlers enthält mindestens einen Stromspiegel, dessen Stromspiegelverhältnis und demzufolge auch der Ausgangs strom des Spannungs-Strom-Wandlers mittels des Steuerstroms bzw. der Steuer ströme beeinflußt werden kann; somit läßt sich die Steilheit des Spannungs-Strom- Wandlers - ohne auf den großen Aussteuerbereich zu verzichten - auf einfache Wei se variieren bzw. steuern und demzufolge die Filterparameter, beispielsweise die Resonanzfrequenz des Filters, auf einfache Weise variieren.

Eine Steuerung der Steilheit des Spannungs-Strom-Wand lers kann positiv oder negativ - abhängig von der Pola rität des Steuerstroms oder der Steuerströme - reali siert werden. Vorzugsweise werden - um eine steilere Steuerung zu erhalten - für jeden Stromspiegel der Aus gangsstufe mehrere im Steuerstromteil gebildete Steuer ströme bereitgestellt. Zur Kompensation von Temperatur einflüssen kann als weiterer Steuerstrom ein tempera turabhängiger Steuerstrom bzw. können temperaturabhän gige Steuerströme vorgesehen werden.

Vorzugsweise wird das Filter in einen integrierten Schaltkreis integriert, wobei einer oder mehrere der Anschlußpins als externe Stromeingänge für einen oder mehrere Eingangsströme vorzusehen sind, aus denen im Steuerstromteil die Steuerströme gebildet und der Aus gangsstufe zugeführt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 7 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines verstimmbaren Filters mit einem Spannungs-Strom-Wandler;

Fig. 2 ein Detailschaltbild des verstimmbaren Fil ters der Fig. 1;

Fig. 3 die Wirkungsweise der Austastfunktion als mögliche Verwendung des verstimmbaren Fil ters;

Fig. 4 die Wirkungsweise eines verstimmbaren Fil ters;

Fig. 5 das Prinzipschaltbild eines verstimmbaren Filters 2. Ordnung;

Fig. 6 das Detailschaltbild des verstimmbaren Fil ters 2. Ordnung der Fig. 5;

Fig. 7 den Frequenzgang des verstimmbaren Filters 2. Ordnung mit (Fig. 7b) und ohne (Fig. 7a) Temperaturkompensation.

In der Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild eines - in ei ner Schaltung mit acht Anschlußpins P₁ bis P₈ inte grierten - verstimmbaren Filters als Ausführungsbei spiel eines Filters mit einem Spannungs-Strom-Wandler 1, 2 dargestellt.

Der steuerbare Spannungs-Strom-Wandler 1, 2 des Filters besteht aus der Eingangsstufe 1 - diese transformiert die am Anschlußpin P₁ anliegende Eingangs-(Wechsel) Spannung U_IN in zwei Ausgangsströme - und der Ausgangs stufe 2 - diese wandelt den symmetrischen Ausgang der Eingangsstufe 1 in einen asymmetrischen Ausgang um und liefert aus den Ausgangsströmen der Eingangsstufe 1 den Ausgangsstrom I_A. Das Filter weist einen Steuerstrom teil 3 auf, der die Steuerströme I_St zur Beeinflussung bzw. Steuerung der Ausgangsstufe 2 bereitstellt. Der Ausgangsstrom I_A der Ausgangsstufe 2 hängt funktional von der Eingangsspannung U_IN und den Steuerströmen I_St des Steuerstromteils 3 ab. Mit I_Ref ist ein Referenz strom bezeichnet, der am Schaltungspin P₅ anliegt, und der zur Versorgung der Eingangsstufe 1 dient.

Die - in der Fig. 1 nicht dargestellten - Anschlußpins P₄ und P₈sind als Anschlüsse für die Versorgungsspan nung bzw. Bezugspotential vorgesehen. Als Eingangsströ me I_E fungieren die beiden Ströme I_V und I_TK, die dem Steuerstromteil 3 zugeführt und von diesem verarbeitet werden; der erste - im Schaltungsteil 3a aus dem am An schlußpin P₆ anliegenden Strom I_V gebildete - Steuer strom dient zur Steuerung der Verstärkung bzw. Steil heit, beispielsweise zur Kompensation der Resonanzfre quenzstreuung des Filters, und der zweite - im Schal tungsteil 3b aus dem am Anschlußpin P₇ anliegenden Strom I_TK gebildete - Steuerstrom zur Kompensation von Temperatureinflüssen.

Des weiteren ist ein - zwischen den Anschlußpins P₂, P₃ und Bezugspotential angeschlossener - Kondensator C vorgesehen, durch den die Resonanzfrequenz f_Res des Filters eingestellt wird:

g_m ist die Steilheit des Spannungs-Strom-Wandlers 1, 2 und hängt von der internen Beschaltung der Eingangsstu fe 1 bzw. Ausgangsstufe 2 ab.

Das Filter kann für unterschiedliche Anwendungszwecke eingesetzt werden; beispielsweise kann es als Austaster (siehe Fig. 3), als verstimmbares Filter (siehe Fig. 4) und als Stummschaltung, d. h. zur Abschaltung eines be stimmten Schaltungsteils, verwendet werden.

Wie anhand des Detailschaltbilds des Filters in Fig. 2 veranschaulicht, wird die Differenzverstärkung in der Eingangsstufe 1 durch die Transistoren T₁, T₂, T₃ und T₄ realisiert. Der gemeinsame Emitterwiderstand R_3,4 der Transistoren T₃ und T₄ legt die Steilheit der Ein gangsstufe 1 fest. Am Schaltungspin P₅ wird der Refe renzstrom I_Ref zur Versorgung der Eingangsstufe 1 ein gespeist.

Die Ausgangsstufe 2 weist zwei Stromspiegel - Transi storen T₅, T₈ bzw. Transistoren T₆, T₇ - auf; die bei den Eingangsströme der Stromspiegel sind mit I₁ und I₂, die beiden Ausgangsströme der Stromspiegel mit I₃ und I₄ bezeichnet. Des weiteren wird durch die Ausgangsstu fe 2 mittels der Transistoren T₉ und T₁₀ sowie der Wi derstände R₉ und R₁₀ die Umwandlung in den asymmetri schen Ausgang (Anschlußpin P₃, Ausgangsstrom I_A) vorge nommen.

Im Schaltungsteil 3a des Steuerstromteils 3 - diesem wird über den Schaltungspin P₆ der Steuerstrom I_V zuge führt - werden über die Transistoren T₁₁ bis T₁₈ und die Widerstände R₁₁ bis R₁₇ aus dem am Anschlußpin P₆ anliegenden Eingangsstrom I_V vier Steuerströme I_V1, I_V2, I_V3 und I_V4 gebildet und der Ausgangsstufe 2 zuge führt. Die Steuerströme I_V1 und I_V2 steuern dabei den Arbeitspunkt des Eingangs der Ausgangsstufe 2, die Steuerströme I_V3, I_V4 den Arbeitspunkt des Ausgangs der Ausgangsstufe 2; da vier Steuerströme verwendet werden, ist eine steile Aussteuerung des Spannungs-Strom-Wand lers möglich.

Im Schaltungsteil 3b des Steuerstromteils 3 werden aus dem am Anschlußpin P₇ anliegenden temperaturabhängigen weiteren Eingangsstrom I_TK durch die Transistoren T₁₁ bis T₂₂ und die Widerstände R₁₉ bis R₂₁ zwei Steuer ströme I_TK1, I_TK2 gebildet, die sich an den Knotenpunk ten K₁ und K₂ den beiden Steuerströmen I_V1 und I_V2 überlagern.

Die Steilheit g_m des Spannungs-Strom-Wandlers in Glei chung (1) läßt sich folgendermaßen ausdrücken:

g_m = g_m1 . S (2)

Der Steilheits-Faktor g_m1 wird von der Eingangsstufe 1 als fester Wert vorgegeben (g_m1 = 2/R_3,4); S ist das (variable) Stromspiegelverhältnis, das durch das Strom verhältnis I₃ zu I₁ (bestimmt durch das Verhältnis T₈, R₈ zu T₅, R₅) bzw. durch das Stromverhältnis I₄ zu I₂ (bestimmt durch das Verhältnis T₇, R₇ zu T₆, R₆) fest gelegt wird. Die Resonanzfrequenz f_Res ergibt sich nach Gleichung (1) und (2) somit zu:

Die Resonanzfrequenz f_Res hängt vom Stromspiegelver hältnis S und damit von den Ausgangsströmen I₃ und I₄ bzw. den Eingangsströmen I₁ und I₂ der Ausgangsstufe 2 ab; diese Ströme, das Stromspiegelverhältnis S und da her auch die Resonanzfrequenz f_Res lassen sich folglich über die Steuerströme I_V1 bis I_V4 beeinflussen. Da der Widerstand R_3,4 temperaturabhängig ist bzw. streut, ist gemäß Gleichung (3) auch die Resonanzfrequenz f_Res in stabil; durch die beiden temperaturabhängigen Steuer ströme I_TK1, I_TK2 kann über die Variation des Strom spiegelverhältnisses S - durch Veränderungen der Ströme I_V1, I_V2 und damit der Ströme I₁, I₂ - eine Temperatur kompensation erreicht werden.

Als Anwendungsbeispiel des verstimmbaren Filters wird anhand der Fig. 3 die Funktionsweise eines Austasters erläutert - am Schaltungsausgang (Anschlußpin P₃) des Spannungs-Strom-Wandlers 1, 2 soll, beispielsweise bei Störungen, kein Signal ausgegeben werden. Bei einer Störung bzw. einem Störimpuls - Kurve c - dessen Signal sich dem Eingangs-(Nutz)Signal - Kurve a - überlagert, wird am Anschlußpin P₆ als Steuerstrom I_V ein Austast strom und damit ein Austastimpuls - Kurve d - erzeugt und infolgedessen der Ausgangsstrom I_A der Ausgangsstu fe 2 so gesteuert, daß dieser den Wert I_A = 0 annimmt. Das Ausgangssignal des Spannungs-Strom-Wandlers - Kurve b - bleibt folglich während der Dauer des Störimpulses - Kurve c - auf einem bestimmten Wert; der Störimpuls hat keinen Einfluß auf das Ausgangssignal.

Die Fig. 4 zeigt verschiedene Resonanzkurven U(f) - Ausgangsspannung U_OUT als Funktion der Frequenz f - ei nes verstimmbaren Filters. In Abhängigkeit des Steuer stroms - der Steuerstrom I_V nimmt von der Kurve (1): Steuerstrom I_V nahezu Null bis zur Kurve (8): Steuer strom I_V maximal in äquidistanten Schritten zu - ver schiebt sich die Resonanzkurve und demzufolge auch die Resonanzfrequenz des Filters (Die -3 dB-Linie kenn zeichnet die Resonanzfrequenzen f_Res, die durch Vorgabe des Steuerstroms I_V variiert werden). Beispielsweise sinkt die Resonanzfrequenz f_Res von 3,12 kHz: f_Res (1), Steuerstrom ungefähr 0 µA bis auf ca. 10 Hz: f_Res (8), maximaler Steuerstrom von beispielsweise ca. 60 µA.

In der Fig. 5 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ein steuerbares Filter zweiter Ordnung dargestellt, das durch zwei hintereinandergeschaltete identische Span nungs-Strom-Wandler realisiert ist. Der jeweilige Auf bau des Filters (siehe Fig. 6) entspricht weitgehend der bereits - anhand der Fig. 1 und 2 - besprochenen Version; vom Steuerstromteil 3 werden als Steuerströme zwei temperaturabhängige Ströme I_TK1, I_TK2 zur Kompen sation von Temperatureffekten aus einem extern zuge führten temperaturabhängigen Eingangsstrom I_TK erzeugt und beiden Ausgangsstufen 2 des Filters zugeführt.

Durch die Kondensatoren C₁ und C₂ wird die feste Reso nanzfrequenz f_Res des Filters eingestellt (R_23,24 = R_25,26):

R_23,24 bzw. R_25,26 sind gemäß dem in der Fig. 6 darge stellten Detailschaltbild des Filters die Emitterwider stände der Differenzverstärkertransistoren T₂₃ und T₂₄ bzw. T₂₅ und T₂₆.

Über die temperaturabhängigen Steuerströme I_TK1, I_TK2, die im Steuerstromteil 3 mittels der Transistoren T₂₇, T₂₈ bzw. T₂₉, T₃₀ und der Widerstände R₂₇, R₂₈ bzw. R₂₉, R₃₀ gebildet werden, können Temperatureinflüsse auf die Resonanzfrequenz f_Res des Filters - durch Va riation des Stromspiegelverhältnisses S der Ausgangs stufe 2 und damit des Ausgangsstroms I_A - kompensiert werden.

In der Fig. 7 ist zur Veranschaulichung der Frequenz gang eines 22 kHz-Filters für verschiedene Temperaturen dargestellt; die Fig. 7a zeigt dabei Kurven ohne Tem peraturkompensation und die Fig. 7b Kurven mit Tempe raturkompensation. Während ohne Temperaturkompensation eine große Variation Δf_Res der Resonanzfrequenz in Ab hängigkeit der Temperatur festgestellt werden kann (Fig. 7a), verschwindet dieser Effekt bei Temperatur kompensation (Fig. 7b) fast völlig.

Der Widerstand bzw. die Widerstände zur Einstellung der festen Verstärkung der Eingangsstufe werden mit einem hohen spezifischen Widerstand - beispielsweise 1 kΩ/& - realisiert; dadurch sind auch größere Widerstandswerte integrierbar und damit niedrige Resonanzfrequenzen er reichbar. Vorzugsweise wird auch im Schaltungsteil, der den Eingangsstrom für die Temperaturkompensation lie fert, ein 1 kΩ/-Widerstand verwendet, so daß die durch die Widerstandsstreuung bedingte Streuung der Resonanz frequenz kompensiert bzw. reduziert werden kann.

Claims

1. Verstimmbares Filter mit einem steuerbaren Spannungs-Strom-Wandler (1, 2) zur Variation der Filterparameter, wobei der Spannungs-Strom-Wandler (1, 2) folgende Schaltungsteile aufweist:

1. eine als Differenzverstärkerstufe mit fester Steilheit (g_m1) ausgebilde te Eingangsstufe (1) mit einem Eingang (P₁), an dem eine Eingangs spannung (U_IN) anliegt,
2. eine mit der Eingangsstufe (1) verbundene Ausgangsstufe (2) mit ei nem an einen Kondensator (C) angeschlossenen Ausgang (P₃), an dem ein Ausgangsstrom (I_A) ansteht,
3. und einen mit der Ausgangsstufe (2) verbundenen Steuerstromteil (3) zur Verarbeitung von mindestens einem externen Eingangsstrom (I_E), wobei aus jedem externen Eingangsstrom (I_E) mindestens ein Steuer strom (I_St) gebildet wird,

dadurch gekennzeichnet,

1. daß die Ausgangsstufe (2) zur Ansteuerung ihres Ausgangs (P₃) minde stens einen Stromspiegel mit durch den Steuerstrom (I_St) bzw. durch die Steuerströme variierbarem Stromspiegelverhältnis (S) aufweist und
2. daß die Steilheit (g_m) des Spannungs-Strom-Wandlers (1, 2) durch Vari ation des Stromspiegelverhältnises (S) steuerbar ist.

2. Verstimmbares Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstromteil (3) mit dem Eingang und/oder mit dem Ausgang der Strom spiegel verbunden ist, und daß durch die Steuerströme (I_St) die Eingangs ströme und/oder die Ausgangsströme der Stromspiegel der Ausgangsstufe (2) variiert werden können.

3. Verstimmbares Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstromteil (3) aus jedem externen Eingangsstrom (I_E) mindestens zwei Steuerströme (I_St) bildet, die unterschiedlichen Stellen der Stromspiegel der Ausgangsstufe (2) zugeführt werden.

4. Verstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ausgangsstufe (2) des Spannungs-Strom-Wandlers (1, 2) den symmetrischen Ausgangsstrom der Eingangsstufe (1) in einen asymmetri schen Ausgangsstrom (I_A) umwandelt.

5. Verstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die feste Steilheit (g_m1) der Eingangsstufe (1) des Spannungs- Strom-Wandlers (1, 2) über einen gemeinsamen Emitterwiderstand (R_3,4) der Differenzverstärker-Transistoren (T₃, T₄) der Eingangsstufe (1) eingestellt wird.

6. Verstimmbares Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ausgangsstufe (2) des Spannungs-Strom-Wandlers (1, 2) zwei Stromspiegel (T₅, T₈ bzw. T₆, T₇) aufweist, daß im Steuerstromteil (3) zur Steuerung der Steilheit des Spannungs-Strom-Wandlers (1, 2) aus einem Ein gangsstrom (I_V) erste Steuerströme gebildet und den beiden Stromspiegeln der Ausgangsstufe (2) zugeführt werden, und daß im Steuerstromteil (3) zur Kompensation von Temperatureinflüssen aus einem temperaturabhängigen Eingangsstrom (I_TK) weitere Steuerströme gebildet und den beiden Strom spiegeln der Ausgangsstufe (2) zugeführt werden.

7. Verstimmbares Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in ei nem ersten Schaltungsteil (3a) des Steuerstromteils (3) vier Steuerströme (I_V1, I_V2, I_V3, I_V4) gebildet werden, und daß über zwei Steuerströme (I_V1, I_V2) die beiden Eingangsströme (I₁, I₂) der beiden Stromspiegel und über zwei Steuerströme (I_V3, I_V4) die beiden Ausgangsströme (I₃, I₄) der beiden Strom spiegel beeinflußbar sind.

8. Verstimmbares Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in ei nem zweiten Schaltungsteil (3b) des Steuerstromteils (3) zwei weitere Steu erströme (I_TK1, I_TK2) gebildet werden, und daß die beiden weiteren Steu erströme (I_TK1, I_TK2) den beiden ersten Steuerströmen (I_V1, I_V2) an zwei Kno tenpunkten (K₁, K₂) zugeführt werden.

9. Verstimmbares Filter nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerströme (I_V1, I_V2, I_V3, I_V4 bzw. I_TK1, I_TK2) in den Schaltungsteilen (3a bzw. 3b) des Steuerstromteils (3) aus den beiden Eingangsströmen (I_V bzw. I_TK) mittels Transistoren (T₁₁-T₁₈ bzw. T₁₉-T₂₂) und Widerständen (R₁₁- R₁₈ bzw. R₁₉-R₂₂) gebildet werden.

10. Verstimmbares Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß es als steuerbares Filter zweiter Ordnung ausgeführt ist, daß zwei Ein gangsstufen (1) und Ausgangsstufen (2) hintereinandergeschaltet sind, daß die Aus gangsstufen (2) jeweils zwei Stromspiegel aufweisen, und daß im Steuerstromteil (3) zur Kompensation von Temperatureinflüssen aus einem temperaturabhängigen Ein gangsstrom (I_TK) Steuerströme gebildet und den Stromspiegeln der Ausgangsstufen (2) zugeführt werden.

11. Verstimmbares Filter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Steu erstromteil (3) zwei Steuerströme gebildet werden, und daß die beiden Steuerströ me (I_TK1, I_TK2) jeweils die Eingangsströme der beiden Stromspiegel beider Aus gangsstufen (2) beeinflussen.

12. Verstimmbares Filter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die bei den Steuerströme (I_TK1, I_TK2) mittels Transistoren (T₂₉, T₃₀) und Widerständen (R₂₉, R₃₀) gebildet werden.

13. Verwendung eines verstimmbaren Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Austaster oder zur Stummschaltung.