DE4306512C2

DE4306512C2 - Filterschaltung mit einem in Serienresonanz betriebenen Resonator

Info

Publication number: DE4306512C2
Application number: DE19934306512
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Ing Boehme
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 1993-03-03
Filing date: 1993-03-03
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2013-03-04
Also published as: DE4306512A1

Description

Filterschaltungen mit Resonatoren werden beispielsweise in schmalbandigen, hochverstärkenden Geradeausempfän gern, in ZF-Verstärkern oder in batteriebetriebenen Langwellenempfängern für Zeitzeichensender eingesetzt. Die hierbei verwendeten Resonatoren (insbesondere pie zoelektrische Resonatoren, bsp. Quarzresonatoren), zeichnen sich einerseits durch eine eng benachbarte Folge von Serien- und Parallelresonanz und andererseits durch hohe Resonanzgüten aus. In den meisten Anwen dungsfällen ist jedoch nur eine einfache Serienresonanz oder Parallelresonanz erwünscht. Insbesondere wird für den Einsatz von Filterschaltungen bei relativ niedrigen Frequenzen die Serienresonanz genutzt, da die bei höhe rer Frequenz liegende Parallelresonanz wegen ihrer Hochohmigkeit praktisch unbrauchbar ist. Damit die rei ne Serienresonanz in Erscheinung tritt, muß die (immer vorhandene) parasitäre Parallelkapazität des Resonators kompensiert werden.

Hierzu wird in der DE-PS 35 16 810 ein Empfänger für Zeitzeichensignale mit einem in Brückenschaltung ausge bildeten Filter beschrieben; dieser bekannte Empfänger weist einen Verstärker mit zwei um 180° gegeneinander phasenverschobenen Ausgängen auf, wobei der eine Aus gang über einen Resonator und der andere Ausgang über einen Kompensationskondensator mit dem Eingang des Fol geverstärkers verbunden ist. Entspricht die Kapazität des Kompensationskondensators der wirksamen Parallelka pazität des Resonators, wird diese kompensiert und da durch das erwünschte einfache Resonanzverhalten er zielt. Nachteilig an dieser Anordnung ist jedoch zum einen die unsymmetrische Arbeitsweise, die infolge der hohen Resonatorimpedanz leicht zu Störungen führt; zum andern können die benötigten hohen Eingangswiderstände (da die Bandbreite des Filters durch den Eingangswider stand des Folgeverstärkers bestimmt wird, sind für eine ausreichende Bandbreite hohe Werte des Eingangswider standes erforderlich) mit integrierten Schaltungen nur sehr aufwendig und nicht stabil genug realisiert wer den.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Filterschaltung anzugeben, bei der die genannten Nachteile vermieden werden und die vorteilhafte Eigenschaften aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merk male des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Filterschaltung erge ben sich aus den Unteransprüchen.

Die Schaltungsanordnung und Wirkungsweise der Filter schaltung soll anhand der Fig. 1 und 2 näher be schrieben werden; dabei zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Filterschaltung und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Filterschaltung.

Wie im Prinzipschaltbiid der Fig. 1 dargestellt, weist die Filterschaltung eine Differenzstufe 1, eine Zwei pol-Resonatorschaltung 2, einen Negativ-Impedanz-Kon verter 3, eine Kompensationsschaltung 4 und eine Aus werteschaltung 5 auf. Die Differenzstufe 1 besteht aus zwei aktiven Elementen Q₁, Q₂ mit den Eingangsanschlüs sen E₁, E₂, den Ausgangsanschlüssen A₁, A₂ und den Grundanschlüssen G₁, G₂. Die Resonatorschaltung 2 ent hält einen beispielsweise als Quarzresonator ausgebil deten Resonator (dessen Leitwert L_R in einen Nutzanteil L_N und einen parasitären Anteil L_P aufgeteilt werden kann). Der Negativ-Impedanz-Konverter 3 weist bei spielsweise zwei kreuzgekoppelte aktive Elemente auf und besitzt ein erstes Klemmenpaar K₁, K₂ und ein zwei tes Klemmenpaar K₃, K₄. Die Kompensationsschaltung 4 (diese bildet den parasitären Anteil L_P des Resonator- Leitwerts L_R nach) besitzt zwei Anschlüsse und weist beispielsweise einen Kompensationskondensator bzw. eine Kondensatorschaltung auf. Die Auswerteschaltung 5 wird beispielsweise durch Arbeitswiderstände realisiert. Die Eingangsanschlüsse E₁, E₂ der Differenzstufe 1 sind an die Spannungsquelle S angeschlossen. Die beiden Grund anschlüsse G₁, G₂ der Differenzstufe 1 sind jeweils mit einem Anschluß der Resonatorschaltung 2 verbunden. Die Anschlüsse K₁, K₂ des ersten Klemmenpaars des Negativ- Impedanz-Konverters 3 sind mit der Kompensationsschal tung 4 und je einer Stromquelle SQ₁, SQ₂ (diese liefern die Versorgungsströme I₁, I₂) verbunden; die Anschlüsse K₃, K₄ des zweiten Klemmenpaars des Negativ-Impedanz- Konverters 3 sind mit der Zweipol-Resonatorschaltung 2 und den Grundanschlüssen G₁, G₂ der Differenzstufe 1 verbunden. Die Auswerteschaltung 5 ist an die Ausgangs anschlüsse A₁, A₂ der Differenzstufe 1 angeschlossen.

Bei Verwendung von Bipolartransistoren als aktive Ele mente der Differenzstufe 1 (für Feldeffekttransistoren gilt Entsprechendes) ist der differentielle Ausgangs strom der Differenzstufe 1 umgekehrt proportional zur Summe aus Impedanz Z_R des Resonators der Resonator schaltung 2 und Emitter-Eingangswiderstände der Transi storen der Differenzstufe 1. Am Punkt der Serienreso nanz wird die Verstärkung der Differenzstufe 1 maximal, die Impedanz Z_R des Resonators geht auf den kleinen Se rienresonanzwiderstand zurück; dieser ist bei einer ty pischen Dimensionierung wesentlich niedriger als die Summe der beiden Emitter-Eingangswiderstände. Oberhalb der Serienresonanz nimmt die Impedanz Z_R des Resonators rasch zu, die Verstärkung der Differenzstufe 1 geht zu rück (bei der 3-dB-Grenzfrequenz ist die Summe der bei den Emitter-Eingangswiderstände gleich dem Betrag der Impedanz Z_R des Resonators); an der Parallelresonanz stelle weist die Selektionskurve des Resonators einen Dämpfungspol auf, bei höheren Frequenzen sinkt die Dämpfung wieder ab. Durch die Kompensationsschaltung 4 wird der parasitäre Resonator-Leitwert L_P nachgebildet und der Differenzstufe 1 über den Negativ-Impedanz-Kon verter 3 als negative Größe zugeführt. Hierdurch wird zum einen die durch die Parallelkapazität des Resona tors bestimmte Stromkomponente kompensiert und zum an dern der Dämpfungspol in der Selektionskurve ins Unend liche verschoben; man erhält somit das Verhalten des einfachen (Serien-)Resonanzkreises.

Die Bandbreite der Filterschaltung ist von den Emitter- Eingangswiderständen und damit vom Emitterstrom der beiden Transistoren der Differenzstufe 1 abhängig; über die Vorgabe der Ströme I₁, I₂ der beiden Stromquellen SQ₁, SQ₂ kann der Emitterstrom und demzufolge auch die Bandbreite der Filterschaltung eingestellt werden.

Ein Abschalten der Ströme I₁, I₂ der Stromquellen SQ₁, SQ₂ hat zur Folge, daß der Signalweg von der Stromquel le zur Auswerteschaltung unterbrochen und die Filter schaltung unwirksam wird; ordnet man mehrere Filter schaltungen mit verschiedenen Resonanzfrequenzen so an, daß sie auf die gleiche Ausgangsschaltung arbeiten, kann auf diese Weise zwischen verschiedenen Signalen umgeschaltet werden.

Die erfindungsgemäße Filterschaltung vereinigt mehrere Vorteile in sich:

- eine symmetrische Arbeitsweise wird bereits durch den Aufbau der Schaltungsanordnung implizit fest gelegt,
- ein wohldefinierter, relativ hoher Eingangswider stand ist nicht erforderlich,
- es ist ein großer Versorgungsspannungsbereich ge geben: die Filterschaltung kann bei niedrigen Ver sorgungsspannungen bis herunter zu etwa 1,8 V ein gesetzt werden, insbesondere wenn die Stromquellen als Transistorstromquellen mit niedriger Restspan nung ausgebildet sind,
- der Stromverbrauch ist sehr gering: die Filter schaltung benötigt sehr wenig Strom, insbesondere wenn der Resonator hochohmig ist oder wenn die Bandbreite der Filterschaltung größer gewählt wird,
- sie besitzt ein vorteilhaftes Aussteuerungsverhal ten: die Filterschaltung ist am Resonanzpunkt (be dingt durch die Kennlinie bipolarer Transistoren) bis etwa 20 mV Eingangsspannung aussteuerbar; au ßerhalb des Resonanzpunktes wirkt die ansteigende Impedanz des Resonators als Gegenkopplung, so daß entsprechend größere Aussteuerungen möglich sind (dies entspricht der nachrichtentechnischen Auf gabe, ein schwaches Nutzsignal von unerwünschten und mitunter sehr viel stärkeren Signalen zu se lektieren),
- bei einer Integration der Filterschaltung ist eine geringe Anschlußkapazität gegeben: wird die Schal tung als integrierte Schaltung mit extern ange schlossenem Resonator ausgeführt, ist dieser nur mit der Hälfte der Pin-Kapazität belastet, weil die parasitären Pin-Kapazitäten beider Resonator- Anschlüsse durch den symmetrischen Betrieb als Reihenschaltung wirken (in einer unsymmetrischen Schaltung geht dagegen die volle Pin-Kapazität ein).

Gemäß dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbei spiel der Filterschaltung ist die Differenzstufe 1 als erstes Transistorpaar mit den beiden NPN-Transistoren Q₁, Q₂ und der Negativ-Impedanz-Konverter 3 als zweites Transistorpaar mit den beiden kreuzgekoppelten NPN- Transistoren Q₃, Q₄ ausgebildet. Die Basen der Transi storen Q₁, Q₂ des ersten Transistorpaares bilden die Eingangsanschlüsse E₁, E₂ und sind an die die Eingangs- Wechselspannung U_E liefernde Signalquelle S angeschlos sen; die Emitter der Transistoren Q₁, Q₂ bilden die Grundanschlüsse G₁, G₂ und sind mit dem piezoelektri schen Quarzresonator X_R der Zweipol-Resonatorschaltung 2 sowie mit den Kollektoren der beiden Transistoren Q₃, Q₄ verbunden. Die Emitter der Transistoren Q₃ bzw. Q₄ sind mit den Stromquellen SQ₁ bzw. SQ₂ verbunden und über die als Kompensationskondensator C_K ausgebildete Kompensationsschaltung 4 gekoppelt. An die Kollektoren der beiden Transistoren Q₁, Q₂ des ersten Transistor paares - diese bilden die Ausgangsanschlüsse A₁ und A₂ der Differenzstufe 1 - ist die Auswerteschaltung 5 in Form von Arbeitswiderständen R₁ und R₂ angeschlossen. Der Strom I₁ der ersten Stromquelle SQ₁ fließt durch die Reihenschaltung der Transistoren Q₃ und Q₁, der Strom I₂ der zweiten Stromquelle SQ₂ durch die Reihen schaltung der Transistoren Q₄ und Q₂. Die Eingangswech selspannung U_E der Signalquelle S wird über die als Emitterfolger wirkenden Transistoren Q₁, Q₂ dem Resona tor X_R aufgeprägt und an den Kompensationskondensator C_K über die ebenfalls als Emitterfolger wirkenden Tran sistoren Q₃, Q₄ (durch die Kreuzkopplung in Gegenphase) übertragen. Der im Resonator X_R erzeugte Strom fließt hauptsächlich im Emitterkreis der Transistoren Q₁, Q₂ und von dort in die Arbeitswiderstände R₁, R₂. Der im Kompensationskondensator C_K erzeugte Strom fließt im Emitterkreis der Transistoren Q₃, Q₄ des zweiten Tran sistorpaares und von dort über die Transistoren Q₃, Q₄ in die Emitter der Transistoren Q₁, Q₂ des ersten Tran sistorpaares; hier überlagert sich der negativ wirkende Strom des Kompensationskondensators C_K dem vom Resona tor X_R erzeugten Strom, wodurch die von der Parallelka pazität des Resonators X_R erzeugte (parasitäre) Strom komponente kompensiert wird.

Claims

1. Filterschaltung mit einem in Serienresonanz betrie benen Resonator, bestehend aus:

a) einer Zweipol-Resonatorschaltung (2) mit einem Re sonator (X_R), dessen Leitwert (L_R) in einen Nutz anteil (L_N) und einen parasitären Anteil (L_P) auf geteilt werden kann,
b) einer zwei Anschlüsse aufweisenden Kompensations schaltung (4), die den parasitären Anteil (L_P) des Resonator-Leitwerts (L_R) nachbildet,
c) einer Differenzstufe (1) aus zwei aktiven Elemen ten (Q₁, Q₂) mit jeweils einem Grundanschluß (G₁, G₂), einem Eingangsanschluß (E₁, E₂) und einem Ausgangsanschluß (A₁, A₂), wobei der Grundanschluß (G₁, G₂) jeweils mit einem Anschluß der Zweipol- Resonatorschaltung (2) und der Eingangsanschluß (E₁, E₂) jeweils mit einem Anschluß einer Signal quelle (S) verbunden ist, und wobei die Ausgangs anschlüsse (A₁, A₂) die Ausgänge der Differenz stufe (1) bilden,
d) einem Negativ-Impedanz-Konverter (3) mit einem er sten Klemmenpaar (K₁, K₂) und einem zweiten Klem menpaar (K₃, K₄), wobei die Anschlüsse (K₁, K₂) des ersten Klemmenpaares mit je einem Anschluß der Kompensationsschaltung (4) und mit je einer Strom quelle (SQ₁, SQ₂) verbunden sind und die Anschlüs se (K₃, K₄) des zweiten Klemmenpaares mit je einem Grundanschluß (G₁, G₂) der aktiven Elemente (Q₁, Q₂) der Differenzstufe (1) verbunden sind,
e) einer mit den beiden Ausgangsanschlüssen (A₁, A₂) der aktiven Elemente (Q₁, Q₂) der Differenzstufe (1) verbundenen Auswerteschaltung (5).

2. Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zweipol-Resonatorschaltung (2) einen piezoelektrischen Resonator (X_R) aufweist.

3. Filterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung (4) einen Kondensator (C_K) bzw. eine Kondensatorschaltung auf weist.

4. Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (5) durch Widerstände (R₁, R₂) realisiert ist.

5. Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (5) durch eine Stromspiegelschaltung realisiert ist.

6. Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Negativ-Impedanz-Kon verter (3) zwei aktive Elemente (Q₃ bzw. Q₄) aufweist, deren Grundanschlüsse die Anschlüsse (K₁, K₂) des er sten Klemmenpaares und deren Ausgangsanschlüsse die An schlüsse (K₃, K₄) des zweiten Klemmenpaares bilden und deren Steueranschluß mit dem Ausgangsanschluß des je weils anderen aktiven Elementes (Q₄ bzw. Q₃) verbunden ist.

7. Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite der Filter schaltung über die Wahl der Versorgungsströme (I₁, I₂) der Stromquellen (SQ₁, SQ₂) einstellbar ist.

8. Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Filter schaltungen mit zwei Signalquellen ausgangsseitig parallel geschaltet sind, und daß der Signalpfad durch Zuschalten oder Abschalten der Stromquellen (SQ₁, SQ₂) umschaltbar ist.

9. Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente (Q₁, Q₂ und Q₃, Q₄) der Differenzstufe (1) und des Negativ- Impedanz-Konverters (3) als Bipolartransistoren ausge bildet sind, deren Basen die Eingangsanschlüsse, deren Kollektoren die Ausgangsanschlüsse und deren Emitter die Grundanschlüsse bilden.

10. Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente (Q₁, Q₂ und Q₃, Q₄) der Differenzstufe (1) und des Negativ- Impedanz-Konverters (3) als Feldeffekttransistoren aus gebildet sind, deren Gates die Eingangsanschlüsse, deren Drains die Ausgangsanschlüsse und deren Sources die Grundanschlüsse bilden.