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Fachgebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
das Fachgebiet des aktiven Polyphasenfilterentwurfs. Insbesondere betrifft
die Erfindung die Verwendung von Transkonduktoren, um aktive Filtersektionen
zu kreuzkoppeln.
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Hintergrund der Erfindung
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Polyphasenfilter empfangen ein N-Phasen-
(oder Polyphasen-) Eingangssignal und erzeugen ein N-Phasen-Ausgangssignal.
Ein Quadraturfilter ist ein Vierphasen-Polyphasenfilter. In einem
Quadraturfilter besteht die Eingabe aus vier Signalspannungen mit
jeweils gleichem Wert. Diese vier Eingangssignale bilden gemeinsam
eine Signalvektorgruppe, bei der die einzelnen Signalvektoren in
einer gegebenen Drehrichtung über
Phasenwinkel von 90 Grad aufeinander folgen. Abhängig von der Drehrichtung gegen
den Uhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn ist die Frequenz des Polyphasensignals
positiv oder negativ. Die 0 Grad- und 180 Grad-Signalvektoren werden
als +I- und –I-Signale
bezeichnet. Die 90 Grad- und die 270 Grad-Signalvektoren werden
als die +jQ- und –jQ-Signale
bezeichnet. Ein derartiges Polyphasenfilter ist aus dem Artikel „Asymmetric
Polyphase Networks",
M. J. Gingell, veröffentlicht
in „Electical
Communication",
Bd. 48, Nr. 1 und 2, S. 21–25,
1973, bekannt.
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Passive LC-Filter sind durch die
Schwierigkeit begrenzt, Induktoren in integrierte Schaltkreise einzubauen.
Um Induktoren zu ersetzen und die Empfindlichkeit für Komponentenschwankungen
zu verringern, wurden aktive RC-Filter eingeführt. Operationsverstärker und
in manchen Entwürfen
Gyratoren sind die Reaktanzen in einem aktiven RC-Entwurf.
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Aktive RC-Filterschaltungen sind
leichter zu entwerfen und herzustellen als passive Filter. Rückkopplungsschleifen
zwischen den Eingängen
und Ausgängen
der aktiven RC-Reaktanzen ersetzen die Notwendigkeit induktiver
Elemente und verringern die Empfindlichkeit für Komponentenschwankungen.
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Die Umwandlung von passiven LC-Filterentwürfen in
aktive RC-Filterentwürfe, „Filterentwurf" genannt, ist das
Thema vieler Veröffentlichungen.
Filterentwurf beginnt mit der Wahl eines passiven Filters. Die üblichsten
Arten von Passivfiltern sind das Gauß-, Butterworth-, Bessel- und
Tschebyscheff-Filter. Die Art des passiven Filters wird auf der
Basis seiner Kenndaten, wie etwa Welligkeit, Sperrbereichsdämpfung,
Polgütefaktor, Rauschfaktor
und Empfindlichkeit, gewählt.
Die Filterordnung, ein Hinweis auf die Anzahl der Pole in dem Filter,
wird ebenfalls gewählt.
Die Auswahl der Filterart und Ordnung basiert auf den Einschränkungen
des beabsichtigten Herstellungsverfahrens und der Endanwendung.
Nachdem eine Filterart und Ordnung gewählt sind, werden Knotentransferfunktionen
(im allgemeinen in Laplace-Darstellung dargestellt) für das Filter
abgeleitet. Die Knotentransferfunktionen ermöglichen, daß ein Signalflußdiagramm
des Passivfilters abgebildet wird. Die Knotentransferfunktionen
des Passivfilters werden dann durch aktive Elemente, Widerstände und
Kondensatoren ersetzt. Das sich ergebende aktive RC-Filternetzwerk
hat eine Filtertransferfunktion, die zu dem Passivfilter äquivalent
ist.
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Drei Bücher, die Filterentwurfsverfahren
demonstrieren, sind: (i) Handbook of Filter Synthesis, Anatol I.
Zverev, veröffentlicht
bei John Wiley & Sons,
1967; (ii) Electronic Filter Design Handbook, Arthur B. Williams, veröffentlicht
bei McGraw Hill, 1995; und (iii) Analog MOS Integrated Circuits
for Signal Processing, Roubik Gregorian und Gabor C. Temes, veröffentlicht
bei John Wiley & Sons,
1986. In diesen Büchern
erläutern
schematische Darstellungen und Zahlentabellen detailliert den Aufbau
und die Komponentenwerte für
einen weiten Bereich an Filterarten und Ordnungen. Ein detailliertes
Beispiel für
einen Filterentwurf ist auch in den folgenden US-Patenten zu finden:
(i) US-A-3 618 133, „Symmetrical
Polyphase Networks Utilizing Constant Reactances", Michael John Gingell, 1971; (ii) US-A-4 914 408, „Asymmetric
Polyphase Filter",
Johannes O. Voorman, 1990, (hier im weiteren Voorman-Patent). Computerprogramme
für den
Filterentwurf sind ebenfalls verfügbar.
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Ein Beispiel für einen Filterentwurf ist in 1A und 1B dargestellt. 1A zeigt ein passives LC-Tiefpaßfilter 1 dritter
Ordnung mit vier Knoten N1, N2, N3 und N4, die im Uhrzeigersinn
von oben links aufeinanderfolgend numeriert sind. Die Eingangsspannung
Vein wird zwischen N1 und N4 angelegt. Die Ausgangsspannung Vaus
wird zwischen N3 und N4 gemessen. Ein erster Widerstand RP1 ist
zwischen N1 und N2 geschaltet. Ein erster Kondensator CP1 ist zwischen
N2 und N4 geschaltet. Ein Induktor LP1 ist zwischen N2 und N3 geschaltet.
Ein zweiter Kondensator CP2 und ein zweiter Widerstand RP2 sind
parallel zwischen N3 und N4 geschaltet.
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1B zeigt
einen aktiven RC-Tiefpaßfilterblock
dritter Ordnung (hier im weiteren „FB"), der die Transferfunktion des in 1A gezeigten passiven LC-Tiefpaßfilters
dritter Ordnung annähert.
FB weist auf: zwei Eingangsanschlüsse IA und IB; zwei Ausgangsanschlüsse OA und
OB; drei Reaktanzen X1, X2 und X3; und vierzehn abgestimmte Widerstände R. Jede
Reaktanz ist ein aktives symmetrisches Integrierglied, das enthält: einen
symmetrischen Differenzverstärker 2,
ein Reaktanz-Eingangspaar 3, ein Reaktanz-Ausgangspaar 4; und
ein abgestimmtes Kondensatorpaar C1, C2 und C3. In jedem abgestimmten
Kondensatorpaar: ein Kondensator wird zwischen den ersten Eingang
eines Reaktanz-Eingangspaares 3 und den ersten Ausgang
des Reaktanz-Ausgangspaares 4 parallel geschaltet; und
der andere Kondensator wird zwischen den zweiten Eingang des Reaktanz-Eingangspaares 3 und
den zweiten Ausgang des Reaktanz-Ausgangspaares 4 parallel geschaltet.
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Die internen Knoten des FB können, wie
weiter unten in Tabelle I dargelegt, durch ihren zugehörigen Anschluß 5 identifiziert
werden.
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Tabelle
I: durch Anschlußnummer
identifizierte FB-Knoten
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Es ist auch zu beachten, daß der Ausgangsanschluß OA an
dem Anschluß T3C
angeschlossen ist und daß der
Ausgang OB an dem Anschluß T3D
angeschlossen ist. Die Netzliste von Tabelle II weiter unten gibt den
Ort der vierzehn abgestimmten Widerstände R an. In Tabelle II ist
ein abgestimmter Widerstand R zwischen den ersten Knoten und den
zweiten Knoten geschaltet.
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Tabelle
II: innerhalb von FB verbundene Widerstände
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Während
die Widerstände
R zu X1 und X3 parallel geschaltet sind, sind zu X2 keine Widerstände parallel
geschaltet.
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1C zeigt
ein Blockschaltbild des FB. Das Blockschaltbild hat zwei Eingänge IA und
IB. Das Blockschaltbild hat zwei Ausgänge OA und OB. Das Blockschaltbild
hat auch drei Sätze
von Vierdrahtanschlüssen T1–T3, also
insgesamt zwölf
Anschlüsse.
Der erste Satz ist mit T1 bezeichnet und besteht aus vier Anschlüssen T1A,
T1B, T1C und T1D. Der zweite Satz ist mit T2 bezeichnet und besteht
aus vier Anschlüssen
T2A, T2B, T2C und T2D. Der dritte Satz ist mit T3 bezeichnet und
besteht aus vier Anschlüssen
T3A, T3B, T3C und T3D. 1C demonstriert
auch, wie der FB jeweils durch Eingangsanschlüsse IA und IB an einen Zweiphaseneingang
+Iein und –Iein
angeschlossen werden kann, um jeweils über die Ausgangsanschlüsse OA und OB
eine Zweiphasenausgabe +Iaus und –Iaus zu erzeugen.
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Ein zweites Beispiel für einen
Filterentwurf ist in 1D und 1E gezeigt. 1D zeigt ein passives LC-Tiefpaßfilter 6 sechster
Ordnung mit sechs Knoten NZ1, NZ2, NZ3, NZ4, NZ5 und NZ6, die im
Uhrzeigersinn von oben links aufeinanderfolgend numeriert sind.
Die Eingangsspannung Vzein wird zwischen NZ1 und NZ6 angelegt. Die
Ausgangsspannung Vzaus wird zwischen NZ5 und NZ6 gemessen. Ein erster
Widerstand RPZ1 ist zwischen NZ1 und NZ2 geschaltet. Ein erster
Kondensator CPZ1 ist zwischen NZ2 und NZ6 geschaltet. Ein erster
Induktor LPZ1 ist zwischen NZ2 und NZ3 geschaltet. Ein zweiter Kondensator
CPZ2 ist zwischen NZ3 und NZ6 geschaltet. Ein zweiter Induktor LPZ2
ist zwischen NZ3 und NZ4 geschaltet. Ein dritter Kondensator CPZ3
ist zwischen NZ4 und NZ6 geschaltet. Ein dritter Induktor LPZ3 ist
zwischen NZ4 und NZ5 geschaltet. Ein zweiter Widerstand RPZ2 ist
zwischen NZ5 und NZ6 geschaltet.
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1E zeigt
einen aktiven RC-Tiefpaßfilterblock
sechster Ordnung (hier im weiteren „FBZ"), der die Transferfunktion des in 1D gezeigten passiven LC-Tiefpaßfilters
sechster Ordnung annähert.
Der FBZ enthält:
zwei Eingangsanschlüsse
IZA und IZB; zwei Ausgangsanschlüsse
OZA und OZB; sechs Reaktanzen XZ1, XZ2, XZ3, XZ4, XZ5 und XZ6; und
sechsundzwanzig abgestimmte Widerstände RZ. Jede Reaktanz ist ein
aktives symmetrisches Integrierglied, das enthält: einen symmetrischen Differenzverstärker 2,
ein Reaktanz-Eingangspaar 3, ein Reaktanz-Ausgangspaar 4;
und ein abgestimmtes Kondensatorpaar CZ1, CZ2, CZ3, CZ4, CZ5 und
CZ6. In jedem abgestimmten Kondensatorpaar: ein Kondensator jedes
abgestimmten Paares wird zwischen den ersten Eingang eines Reaktanz-Eingangspaares 3 und
den ersten Ausgang des Reaktanz-Ausgangspaares 4 parallel
geschaltet; und der andere Kondensator wird zwischen den zweiten
Eingang des Reaktanz-Eingangspaares 3 und
den zweiten Ausgang des Reaktanz-Ausgangspaares 4 parallel
geschaltet.
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Die internen Knoten des FBZ können, wie
in Tabelle III weiter unten dargelegt, durch ihren zugehörigen Anschluß 5 identifiziert
werden.
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Tabelle
III: durch Anschlußnummer
identifizierte FBZ-Knoten
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Zu beachten ist auch, daß der Ausgangsanschluß OZA an
TZ6A angeschlossen ist und daß der
Ausgangsanschluß OZB
an TZ6B angeschlossen ist. Die Netzliste von Tabelle IV weiter unten
gibt auch den Ort der sechsundzwanzig abgestimmten Widerstände an.
In der Tabelle ist ein abgestimmter Widerstand RZ zwischen den ersten
Knoten und den zweiten Knoten geschaltet.
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Tabelle
IV: innerhalb von FB verbundene Widerstände
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Während
die Widerstände
RZ parallel zu XZ1 und XZ6 geschaltet sind, sind keine Widerstände RZ zu XZ2,
XZ3, XZ4 oder XZ5 parallel geschaltet.
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1F zeigt
ein Blockschaltbild des FBZ. Das Blockschaltbild hat zwei Eingänge IZA
und IZB. Das Blockschaltbild hat zwei Ausgangsanschlüsse OZA
und OZB. Das Blockschaltbild hat auch sechs Sätze von Vierdrahtanschlüs sen, also
insgesamt vierundzwanzig Anschlüsse.
Der erste Satz ist mit TZ1 bezeichnet und besteht aus vier Anschlüssen TZ1A,
TZ1B, TZ1C und TZ1D. Der zweite Satz ist mit TZ2 bezeichnet und
besteht aus vier Anschlüssen
TZ2A, TZ2B, TZ2C und TZ2D. Der dritte Satz ist mit TZ3 bezeichnet
und besteht aus vier Anschlüssen
TZ3A, TZ3B, TZ3C und TZ3D.
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Der vierte Satz ist mit TZ4 bezeichnet
und besteht aus vier Anschlüssen
TZ4A, TZ4B, TZ4C und TZ4D. Der fünfte
Satz ist mit TZ5 bezeichnet und besteht aus vier Anschlüssen TZ5A,
TZ5B, TZ5C und TZ5D. Der sechste Satz ist mit TZ6 bezeichnet und
besteht aus vier Anschlüssen
TZ6A, TZ6B, TZ6C und TZ6D. 1F demonstriert
auch, wie der FBZ jeweils über
die Eingangsanschlüsse
IZA und IZB eine 2-Phaseneingabe +Iein und –Iein empfängt, um jeweils über die
Ausgangsanschlüsse
OZA und OZB ein 2-Phasenausgangssignal +Iaus und –Iaus zu
erzeugen.
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2A und 2B demonstrieren, wie Quadratur-Tiefpaßfilter
aus einer ersten Filtersektion 7 für die I-Signale und einer zweiten
Filtersektion 8 für
die Q-Signale aufgebaut werden können. 2A zeigt eine erste Filtersektion
FB und eine zweite Filtersektion FB'. Sowohl FB als auch FB' sind identisch zu
dem in 1B und 1C dargestellten aktiven
RC-Tiefpaßfilter
dritter Ordnung. Die erste Filtersektion FB ist jeweils durch FB-Eingangsanschlüsse IA und
IB an einen 2-Phaseneingang +Iein und –Iein angeschlossen, um jeweils über die FB-Ausgangsanschlüsse OA und
OB eine 2-Phasenausgabe
+Iaus und –Iaus
zu erzeugen. Die zweite Filtersektion FB' ist jeweils durch FB'-Eingangsanschlüsse IA' und IB' an einen 2-Phaseneingang
+Qein und –Qein angeschlossen,
um jeweils über
die FB'-Ausgangsanschlüsse OA' und OB' eine 2-Phasenausgabe
+Qaus und –Qaus
zu erzeugen. Die Anschlüsse
von FB und FB' werden
in dieser Konfiguration nicht benutzt.
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2B zeigt
eine erste Filtersektion FBZ und eine zweite Filtersektion FBZ'. Die erste Filtersektion FBZ
und die zweite Filtersektion FBZ' sind
beide identisch zu dem in 1E und 1F dargestellten aktiven RC-Tiefpaßfil ter
sechster Ordnung. Die erste Filtersektion FBZ ist jeweils über Eingangsanschlüsse IZA
und IZB an die Eingänge
+Iein und –Iein
und jeweils über
die Ausgangsanschlüsse
OZA und OZB an die Ausgänge +Izaus
und –Izaus
angeschlossen. Die zweite Filtersektion FBZ' ist jeweils über Eingangsanschlüsse IZA' und IZB' an die Eingänge +Qein
und –Qein
und jeweils über
die Ausgangsanschlüsse
OZA' und OZB' an die Ausgänge +Qzaus
und –Qzaus
angeschlossen. Die Anschlüsse
von FBZ und FBZ' werden
in dieser Konfiguration nicht benutzt.
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Obwohl sich die Schaltungswege für die I-
und Q-Signaleingänge in den
in 2A und 2B gezeigten Schaltungen
niemals kreuzen, arbeiten die zwei Filtersektionen als ein Quadratur-Tiefpaßfilter
sechster Ordnung bzw. als ein Quadratur-Tiefpaßfilter zwölfter Ordnung. Da das Paßband des
Quadraturfilters sowohl niedrige positive Frequenzen als auch niedrige
negative Frequenzen enthält,
wirken die in 2A und 2B gezeigten Quadraturfilter
als Bandpaßfilter
mit einer Mittenfrequenz von null Hertz.
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Das Voorman-Patent (US-A-4 914 408)
offenbart, daß ein
Quadratur-Bandpaßfilter
durch Kreuzkopplung der Reaktanzen von zwei Filtersektionen mit
abgestimmten Widerständen
erzeugt werden kann. Die Anwendung dieses Ansatzes kann durch Parallelschalten
abgestimmter Widerstände
zwischen den Anschlüssen 5 der
ersten Filtersektion FBZ und den Anschlüssen 5 der zweiten
Filtersektion FBZ' erreicht
werden.
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Um die Darstellung der abgestimmten
Widerstände
zu vereinfachen, beschreiben die 3A bis 3D zwei Widerstandskopplungsblöcke und
ihre Inhalte. 3A zeigt
drei Sätze
von vier abgestimmten Widerständen
R1, R2 und R3. Jeder Widerstand hat einen Knoten an jedem Ende.
Die Knotennetzliste für
jeden Widerstand ist in Tabelle V weiter unten dargelegt.
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Tabelle
V: zwischen den ersten Knoten und den zweiten Knoten geschaltete
Widerstände
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3B zeigt
das Widerstandskopplungs-Blockschaltbild, das mit „R-Block" bezeichnet ist.
Der R-Block hat 24 Drähte.
Die Drähte
sind in vier Sätze
aus vier Drähten
mit der Bezeichnung RC1, RC2, RC3, RC1', RC2' und RC3' gruppiert. Jeder Satz hat einen A-,
B-, C- und D-Draht. RC1 zum Beispiel hat die Drähte RC1A, RC1B, RC1C und RC1D.
Und RC1A' hat die
Drähte
RC1A', RC1B', RC1C' und RC1D'.
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3C und 3D beschreiben den Widerstandblock
für den
FBZ. 3B zeigt sechs
Sätze aus
vier abgestimmten Widerständen
RZ1, RZ2, RZ3, RZ4, RZ5 und RZ6. Jeder Widerstand hat einen Knoten
an jedem Ende. Die Knotennetzliste für jeden Widerstand ist in Tabelle
VI weiter unten dargelegt.
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Tabelle
VI: zwischen den ersten Knoten und den zweiten Knoten geschaltete
Widerstände
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3D zeigt
das Widerstandkopplungs-Blockschaltbild, das mit „RZ-Block" bezeichnet ist.
Der RZ-Block hat achtundvierzig Drähte. Die Drähte sind in Sätze aus
vier Drähten
mit der Bezeichnung RZC1, RZC2, RZC3, RZC4, RZC5, RZC6, RZC1', RZC2', RZC3', RZC4', RZC5' und RZC6' gruppiert. Jeder
Satz hat einen A-, B-, C- und D-Draht.
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4A zeigt
eine erste Filtersektion FB und eine zweite Filtersektion FB', die über einen
R-Block miteinander gekoppelt sind. Abgesehen von dem Hinzufügen und
der Kopplung des R-Blocks zeigt 4A den gleichen
Quadraturfilteraufbau wie in 2A.
Entsprechende R-Block-Drähte sind
mit den Anschlüssen
der ersten Filtersektion FB und der zweiten Filtersektion FB' verbunden. RC1A
und RC1A' sind zum
Beispiel jeweils mit T1A und T1A' verbunden.
Die Kopplung der ersten Filtersektion FB mit der zweiten Filtersektion
FB' in 4B folgt dem gleichen Verfahren
wie 4A, abgesehen davon,
daß der
RZ-Block verwendet wird, um FBZ und FBZ' zu koppeln.
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Die Kopplung der Filtersektionen
eines Quadratur-Tiefpaßfilters ändert das
Quadraturfilter in zweierlei Hinsicht. Erstens verringert die Kopplung
die Empfindlichkeit des Quadraturfilters gegenüber Komponentenschwankungen
zwischen der ersten Filtersektion FBZ und der zweiten Filtersektion
FBZ'. Da die I-
und Q-Signale viele Komponenten teilen, haben Komponentenschwankungseffekte
etwa die gleiche Wirkung auf die Transferfunktion jedes Signals.
Ein zweites Ergebnis der Kreuzkopplung ist, daß die Mittenfrequenz des Quadraturfilters
von null Hertz zu einer neuen Mittenfrequenz verschoben wird. Wie
in dem Voorman-Patent offenbart, ist die Mittenfrequenz des Kopplungsfilters
gleich 1/RiCi, wobei
Ri der Wert eines einzelnen Kreuzkopplungswiderstands
zwischen zwei entsprechenden Reaktanzen ist und Ci die
Kapazität
eines zwischen den Eingang und den Ausgang entsprechender Reaktanzen
parallel geschalteten einzelnen abgestimmten Kondensators ist. Während des
Entwurfs integrierter Schaltungen, welche diese aktiven Quadratur-Bandpaßfilter
enthalten, kann die Mittenfrequenz durch Einstellen des Werts von
Ri und Ci eingestellt
werden.
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Die in dem Voorman-Patent offenbarte
Widerstands-Kreuzkopplung
hat einige Einschränkungen.
Erstens kann die Mittenfrequenz nach der Herstellung nicht geändert werden,
weil Widerstände
und Kondensatoren passive Elemente mit nicht-einstellbaren Werten
sind. Zweitens können
Komponentenschwankungen zwischen der ersten Filtersektion und der
zweiten Filtersektion die Ausgangssignalqualität verringern. Die Widerstände sind
zu Operationsverstärkern
parallel geschaltet, welche für
eine Schwankung der Gleichtaktspannung oder Nullgleichspannung empfindlich
sind. Eine Fehlanpassung zwischen entsprechenden Operationsverstärkern kann
zu größeren oder
kleineren Strömen
durch einen Kopplungswiderstand führen als erwartet. Größere oder
kleinere Ströme
als erwartet können
sich auch aus Komponentenschwankungen zwischen abgestimmten Kondensatoren
und Widerständen
ergeben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung ist eine verbesserte
Implementierung eines aktiven RC-Polyphasen-Bandpaßfilters
mit Transduktorkreuzkopplung zwischen Filtersektionen. Das Polyphasenfilter
hat erste bis vierte Eingänge,
erste bis vierte Ausgänge,
zwei Filtersektionen und einen Block von Transkonduktorpaaren. Die
vier Eingangssignale an das Polyphasenfilter folgen aufeinander
in einer Phase von 90 Grad. Die zwei Filtersektionen haben Reaktanzen,
die aus aktiven symmetrischen Operationsverstärkern mit abgestimmten Kondensatoren
in ihren Rückkopplungsschleifen
bestehen. Jedes Transkonduktorpaar des Blocks ist zwischen entsprechende
Reaktanzen jedes Filters gekoppelt. Der Transkonduktanzwert jedes
Transkonduktorpaares ist als das Produkt aus einer gewünschten
Mittenkreisfrequenz und der Kapazität der entsprechenden abgestimmten
Kondensatoren festgelegt. In der bevorzugten Ausführungsform
sind die Transkonduktoren Gm-Zellen, und der Transkonduktanzwert
mindestens einer Gm-Zelle ist am Einsatzort einstellbar. Dies bedeutet,
daß der
Transkonduktanzwert eingestellt werden kann, nachdem das Filter
gebaut oder für
seinen Dienst plaziert wurde. Die Filtersektionen der bevorzugten
Ausführungsform
können
ein Paar von aktiven RC-Gauß-Tiefpaßfiltern
dritter Ordnung oder ein Paar von aktiven RC-Gauß-Tiefpaßfiltern sechster Ordnung sein.
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Die erste Filtersektion hat X Reaktanzen
und M Anschlüsse.
Die zweite Filtersektion hat Y Reaktanzen und N Anschlüsse. Die
Filtersektionen werden von dem Block aus Transkonduktoren mit insgesamt
M plus N Anschlüssen
gekoppelt. Die X Rektanzen sind mit dem ersten Eingang, dem dritten
Eingang, dem ersten Ausgang und dem dritten Ausgang gekoppelt. Die
Y Reaktanzen sind mit dem zweiten Eingang, dem vierten Eingang,
dem zweiten Ausgang und dem vierten Ausgang gekoppelt. Die M Anschlüsse sind
gekoppelt, um eine der X Reaktanzen auszuwählen. Die N Anschlüsse sind
gekoppelt, um eine der Y Reaktanzen auszuwählen. In der bevorzugten Ausführungsform:
X und Y sind gleich, und M und N sind gleich; eine Hälfte der
M Anschlüsse
ist mit Reaktanz-Eingangsanschlußpaaren der ersten Filtersektion
gekoppelt, und die andere Hälfte
ist mit Reaktanz-Ausgangsanschlußpaaren der ersten Filtersektion
gekoppelt; und eine Hälfte
der N Anschlüsse
ist mit den Reaktanz-Eingangsanschlußpaaren der zweiten Filtersektion
gekoppelt, und die andere Hälfte
ist mit den Reaktanz-Ausgangsanschlußpaaren der zweiten Filtersektion
gekoppelt.
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Die Reaktanzen jeder Filtersektion
bestehen aus aktiven symmetrischen Integriergliedern. Jedes aktive
symmetrische Integrierglied hat einen symmetrischen Differenz-Operationsverstärker mit
abgestimmten Kondensatoren in seiner Rückkopplungsschleife. Der symmetrische
Differenz-Operationsverstärker
hat ein Reaktanz-Eingangsanschlußpaar und ein Reaktanz-Ausgangsanschlußpaar. Der
erste abgestimmte Kondensator ist zwischen den ersten Eingang des
Reaktanz-Eingangsanschlußpaares
und den ersten Ausgang des Reaktanz-Ausgangsanschlußpaares parallel geschaltet.
Der zweite abgestimmte Kondensator zwischen den zweiten Eingangsanschluß des Reaktanz-Eingangsanschlußpaares
und den zweiten Ausgang des Reaktanz-Ausgangsanschlußpaares
parallel geschaltet. Die abgestimmten Kondensatoren der ersten bis
Xten Reaktanz und die entsprechenden abgestimmten Kondensatoren
der Yten Reaktanz haben die gleiche Kapazität.
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Der Block aus Transkonduktoren besteht
aus Z Transkonduktorpaaren, die aus Gm-Zellen bestehen. Jedes der
Z Transkonduktorpaare kreuzkoppelt über seine M Anschlüsse eine
Reaktanz der ersten Filtersektion und die entsprechenden Reaktanzen
der zweiten Filtersektion über
deren N Anschlüsse.
Jede Gm-Zelle hat ein Transkonduktor-Eingangsanschlußpaar und
ein ein Transkonduktor-Ausgangsanschlußpaar. Der Transkonduktanzwert
jeder Gm-Zelle wird als das Produkt aus einer gewünschten
Mittenkreisfrequenz und der Kapazität der nächsten abgestimmten Kondensatoren
festgelegt. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Transkonduktanzwert
mindestens einer Gm-Zelle vor Ort einstellbar, was eine Einstellung
der Mittenfrequenz vor Ort erlaubt.
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In jedem der Z Transkonduktorpaare
ist eine Gm-Zelle
durch ihr Transkonduktor-Eingangsanschlußpaar über ein ausgewähltes Paar
der M Anschlüsse
mit einem Reaktanz-Ausgangsanschlußpaar einer entsprechenden
der X Reaktanzen und durch ihr Transkonduktor-Ausgangsanschlußpaar über ein
ausgewähltes Paar
der N Anschlüsse
mit einem Reaktanz-Eingangsanschlußpaar einer der entsprechenden
Y Reaktanzen gekoppelt. Die zweite Gm-Zelle in jedem Z-Transkonduktorpaar
ist durch ihr Transkonduktor-Eingangsanschlußpaar über ein ausgewähltes Paar
der N Anschlüsse
mit einem Reaktanz-Ausgangsanschlußpaar einer entsprechenden
der Y Reaktanzen und durch ihr Transkonduktor-Ausgangsanschlußpaar über ein
ausgewähltes
Paar der M Anschlüsse
mit einem Reaktanz-Eingangsanschlußpaar einer der entsprechenden
X Reaktanzen gekoppelt. Da die Eingänge jeder Gm-Zelle eine Spannungsdifferenz
zu einer einzelnen Reaktanz haben, wirkt sich eine Schwankung der
Gleichtaktspannung oder ein Gleichspannungsversatz zwischen den
Filtersektionen nicht nachteilig auf die Transferfunktion des Polyphasenfilters
aus.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1A ist
eine Schemazeichnung eines passiven LC-Tiefpaßfilters dritter Ordnung;
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1B ist
eine Schemazeichnung eines aktiven RC-Filterentwurfs des in 1A gezeigten passiven LC-Tiefpaßfilters
dritter Ordnung;
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1C ist
ein Blockschaltbild des in 1B gezeigten
aktiven RC-Tiefpaßfilters
dritter Ordnung;
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1D ist
eine Schemazeichnung eines passiven LC-Tiefpaßfilters sechster Ordnung;
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1E ist
eine Schemazeichnung eines aktiven RC-Filterentwurfs des in 1D gezeigten passiven LC-Tiefpaßfilters
sechster Ordnung;
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1F ist
ein Blockschaltbild des in 1E gezeigten
aktiven RC-Tiefpaßfilters
sechster Ordnung;
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2A stellt
ein Quadratur-Tiefpaßfilter
dritter Ordnung dar, das aus zwei der in 1C gezeigten aktiven RC-Tiefpaßfilterblöcken dritter
Ordnung aufgebaut ist;
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2B stellt
ein Quadratur-Tiefpaßfilter
sechster Ordnung dar, das aus zwei der in 1F gezeigten aktiven RC-Tiefpaßfilterblöcken sechster
Ordnung aufgebaut ist;
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3A zeigt
die Knotenverbindungen für
den R-Block;
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3B zeigt
das Blockschaltbild des R-Blocks;
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3C zeigt
die Knotenverbindungen für
den RZ-Block;
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3D zeigt
das Blockschaltbild des RZ-Blocks;
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4A zeigt
ein Quadratur-Bandpaßfilter
sechster Ordnung, das aus zwei aktiven RC-Tiefpaßfiltern dritter Ordnung aufgebaut
ist, die durch einen R-Block zusammengekoppelt sind;
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4B zeigt
ein Quadratur-Bandpaßfilter
zwölfter
Ordnung, das aus zwei aktiven RC-Tiefpaßfiltern sechster Ordnung aufgebaut
ist, die durch einen RZ-Block zusammengekoppelt sind;
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5A ist
eine Schemazeichnung einer Reaktanz der ersten Filtersektion, einer
Reaktanz der zweiten Filtersektion, eines Transkonduktorpaares und
eines Widerstandsatzes;
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5B ist
eine Schemazeichnung eines Transkonduktorpaares, das bei der Kopplung
von FB-Paaren verwendet wird;
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5C ist
eine Schemazeichnung eines G-Blocks, der bei der Kopplung von FB-Paaren
verwendet wird;
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5D ist
ein Blockschaltbild des in 5C gezeigten
G-Blocks;
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5E ist
eine Schemazeichnung eines Transkonduktorpaares, das bei der Kopplung
von FBZ-Paaren verwendet wird;
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5F ist
eine Schemazeichnung eines GZ-Blocks, der bei der Kopplung von FBZ-Paaren
verwendet wird;
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5G ist
ein Blockschaltbild des in 5F gezeigten
GZ-Blocks;
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6A zeigt
ein Quadratur-Bandpaßfilter
sechster Ordnung, das aus zwei aktiven RC-Tiefpaßfiltern dritter Ordnung aufgebaut
ist, welche durch einen G-Block zusammengekoppelt sind;
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6B zeigt
ein Quadratur-Bandpaßfilter
zwölfter
Ordnung, das aus zwei aktiven RC-Tiefpaßfiltern sechster Ordnung aufgebaut
ist, welche durch einen GZ-Block zusammengekoppelt sind.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Die Erfindung kreuzkoppelt eine erste
2-Phasenfiltersektion und eine zweite 2-Phasenfiltersektion mit Transkonduktoren,
um ein Quadratur-Bandpaßfilter
zu erzeugen. Diese Implementierung verringert die Empfindlichkeit
des Filters für
Komponentenschwankungen und ermöglicht,
daß die
Mittenfrequenz des Filters vor Ort eingestellt wird.
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In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gibt es eine Wechselwirkung paarweiser
Reaktanzen zwischen der ersten Filtersektion FB und der zweiten
Filtersektion FB1. 5A zeigt
vier Objekte: die erste Reaktanz der ersten Filtersektion X1, die
erste Reaktanz der zweiten Filtersektion X1', die Knotenverbindungen zwischen den
abgestimmten Widerständen 9 und
den zwei Filtersektionen und die Knotenverbindungen zwischen den
Transkonduktoren 10 und den zwei Filtersektionen. Jede
Reaktanz X1, X1' enthält einen
symmetrischen Differenz-Operationsverstärker 2, ein Reaktanz-Eingangspaar 3,
ein Reaktanz-Ausgangspaar 4 und einen Rückkopplungsweg zwischen den
Ausgangspaaren und den Eingangspaaren. Der Rückkopplungsweg besteht aus
einem Widerstand R und einem abgestimmten Kondensator C1 parallel
dazu. Die Knotenverbindungsinformation für die abgestimmten Widerstände 9 kann
durch ihren zugehörigen
Anschluß 5 und
durch die Knotennetzliste identifiziert werden. Die Knotenverbindungsinformation
für die Transkonduktoren
wird weiter unten abgeleitet. Eine Ansicht von X1 im Kontext von
FB ist in 1B zu sehen.
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Die Transkonduktoren haben jeweils
ein Transkonduktor-Eingangsanschlußpaar 11 und ein Transkonduktor-Ausgangsanschlußpaar 12.
Der erste Transkonduktor 13 empfängt seine Eingangssignale von
dem Reaktanz-Ausgangspaar von X1',
und der zweite Transkonduktor 14 empfängt seine Eingangssignale von dem
Reaktanz-Ausgangspaar von X1. Der erste Transkonduktor 13 hat
zwei Ausgangsströme
I1 und I2, und der zweite Transkonduktor 14 hat zwei Ausgangsströme I3 und
I4. In dem ersten Transkonduktor 13 ist die Spannung an
dem Transkonduktor-Ausgangsanschlußpaar 12 V1, und die
Spannung an dem Transkonduktor-Eingangsanschlußpaar 11 ist V2'. In dem zweiten
Transkonduktor 14 ist die Spannung an dem Transkonduktor-Ausgangsanschlußpaar 12 V1', und die Spannung
an dem Transkonduktor-Eingangsanschlußpaar 11 ist V2. Die
Transkonduktanz beider Transkonduktoren ist G1.
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Die in 5A gezeigten
Transkonduktoren 13, 14 sind Transkonduktor-Operationsverstärker, auch
als Gm-Zellen bekannt. Es ist wohlbekannt, daß Gm-Zellen eine Spannungsdifferenz
in einen proportionalen Differenzstrom umwandeln. Wie sie in der
Erfindung verwendet werden, erzeugen die Gm-Zellen äquivalente Ströme zwischen
der ersten Filtersektion 7 und der zweiten Filtersektion 8.
In 5A sind die Ströme der ersetzten
Widerstände
R1 mit i1, i2, i3 und i4 bezeichnet. Um für die Transkonduktoren 13 und 14 die
Wider stände
R1 richtig zu ersetzen: I1 sollte gleich i1 sein; I2 sollte gleich
i2 sein; I3 sollte gleich i3 sein; und I4 sollte gleich i4 sein.
Die untere Gleichung 1 und die Gleichung 2 sind vom Ohmschen Gesetz
abgeleitet. Gleichung 1 und Gleichung 2 geben den Differenzstrom
an den abgestimmten Widerständen 9 an.
V1 und V1' sind
keine Variablen in Gleichung 1 und in Gleichung 2, weil die Rückkopplungsschleife
an jedem Operationsverstärker 2 V1
und V1' auf eine
viel kleinere Spannung als V2 und V2' steuert. i1 – i2
= V2'/R1 Gleichung 1
i3 – i4 = V2/R1 Gleichung 2
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Gm-Zellen arbeiten gemäß den unteren
Gleichungen, wobei Vd die Eingangsdifferenzspannung ist; G die Transkonduktanz
ist und +Ig und –Ig
die Ausgangsdifferenzströme
sind. +Ig = (Vd × G)/2 Gleichung 3
–Ig = –(Vd × G)/2 Gleichung 4
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Durch Anwenden dieser Gleichungen
auf die Schaltungselemente von 5A erhalten
wir: I1 – I2 = V2' × G1 Gleichung 5
I3 – I4 = V2 × G1 Gleichung 6
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Wenn G1 gleich 1/R1 gesetzt wird,
werden Gleichung 5 und Gleichung 6: I1 – I2
= V2'/R1 Gleichung 7
I3 – I4 = V2/R1 Gleichung 8
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Um die Darstellung der Gm-Zellen 13, 14 zu
vereinfachen, beschreiben die 5B bis 5D einen Gm-Kopplungsblock
und seine Inhalte für
ein guadratur-Bandpaßfilter
sechster Ordnung. 5B zeigt
ein Transkonduktorpaar, das einen ersten Transkonduktor 13 und
einen zweiten Transkonduktor 14 enthält. Jede Gm-Zelle hat ein Transkonduktor-Eingangsanschlußpaar 11 mit
Eingangsdrähten
GIA und GIB und ein Transkonduktor-Ausgangsanschlußpaar 12 mit
Ausgangsdrähten
GOA und GOB. 5C zeigt
drei Sätze
abgestimmter Transkonduktorpaare 13, 14 mit der
Transkonduktanz G1, G2 und G3. Die Knotennetzliste jeder Gm-Zelle
in 5C ist in Tabelle
VII weiter unten dargelegt.
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Tabelle
VII: Gm-Zellenverbindungen
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5D zeigt
ein Transkonduktanzkopplungs-Blockschaltbild, das mit „G-Block" bezeichnet ist.
Der G-Block hat vierundzwanzig Drähte. Die Drähte sind in vier Sätze aus
vier Drähten
mit der Bezeichnung GC1, GC2, GC3, GC1', GC2' und GC3' gruppiert. Jeder Satz hat einen A-,
B-, C- und D-Draht.
GC1 zum Beispiel hat Drähte
GC1A, GC1B, GC1C und GC1D. Und GC1' hat Drähte GC1A', GC1B', GC1C' und GC1D'.
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5E bis 5G beschreiben einen Gm-Kopplungsblock
und seine Inhalte für
das Quadratur-Bandpaßfilter
sechster Ordnung. 5E zeigt
ein Transkonduktorpaar mit einem ersten Transkonduktor 13 und
einem zweiten Transkonduktor 14. Jede Gm-Zelle hat ein
Transkonduktor-Eingangspaar 11 mit Eingangsanschlüssen mit
der Bezeichnung GZIA und GZIB und ein Transkonduktor-Ausgangspaar 12 mit
Ausgangsdrähten
mit der Bezeichnung GZOA und GZOB. 5F zeigt
sechs Sätze
abgestimmter Transkonduktorpaare mit der Transkonduktanz GZ1, GZ2,
GZ3, GZ4, GZ5 und GZ6. Die Knotennetzliste für jede Gm-Zelle ist in Tabelle
VIII weiter unten dargelegt.
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Tabelle
VIII: Gm-Zellenverbindungen
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5G zeigt
das Transkonduktanzkopplungs-Blockschaltbild, das mit „GZ-Block" bezeichnet ist.
Der GZ-Block hat achtundvierzig Drähte. Die Drähte sind in Sätze aus
vier Drähten
mit der Bezeichnung GZC1, GZC2, GZC3, GZC4, GZC5, GZC6, GZC1', GZC2', GZC3', GZC4', GZC5' und GZC6' gruppiert. Jeder
Satz hat einen A-, B, C- und D-Draht.
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6A zeigt
eine erste Filtersektion 7 und eine zweite Filtersektion 8,
die über
einen G-Block miteinander gekoppelt sind. Abgesehen von dem Hinzufügen und
der Kopplung des G-Blocks zeigt 6A den
gleichen Quadraturfilteraufbau wie in 2A.
Entsprechende G-Blockdrähte
sind mit den Anschlüssen
der ersten Filtersektion 7 und der zweiten Filtersektion 8 verbunden.
GC1A und GC1A' sind
zum Beispiel jeweils mit T1A und T1A' verbunden. Die Kopplung der ersten
Filtersektion 7 mit der zweiten Filtersektion 8 in 6B folgt dem gleichen Verfahren
wie 6A, abgesehen davon,
daß der
GZ-Block verwendet wird, um FBZ und FBZ' zu koppeln.
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Die vorliegende Erfindung hat den
Vorteil, daß Unausgeglichenheiten
zwischen Filtersektion und Gleichtakt spannung oder Nullgleichspannung
der Ausgänge
der Operationsverstärker
jeder Filtersektion verringert werden. Im Gegensatz dazu können die
Differenzen in der Gleichtaktspannung oder der Nullgleichspannung
in der Anordnung nach bisherigem Stand der Technik von 1–4 zu
Strömen
an den Kreuzkopplungswiderständen
führen,
die größer oder
kleiner als erwartet sind. Da Stromgrößen von gewünschten theoretischen Werte
abweichen, kann die Transferfunktion des aktiven RC-Filters unvorhersehbar
verändert
werden. Wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
sind die Gm-Zellen unbeeinflußt
von falsch abgestimmten Gleichtaktspannungen und falsch abgestimmten
Nullgleichspannungen. Im Gegensatz zur Anordnung nach bisherigem
Stand der Technik basiert der Gm-Zellenstrom nicht auf dem Spannungspotential
zwischen einem ersten Filtersektionsknoten 7 und einem
zweiten Filtersektionsknoten 8. Der Ausgangsstrom einer
Gm-Zelle basiert auf der Differenzeingabe von dem Ausgangspaar eines
symmetrischen Operationsverstärkers
einer Filtersektion. Die Gleichtakt- und Nullgleichspannung werden
daher wegsubtrahiert.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch,
die Mittenfrequenz des Quadraturfilters vor Ort einzustellen. Im
Gegensatz zu einem integrierten Widerstand oder Kondensator kann
der Konduktanzwert der Gm-Zellen mit elektronischen Einrichtungen
einfach vor Ort eingestellt werden. Die Mittenfrequenz des Quadraturfilters
ist gleich dem Transkonduktanzwert eines abgestimmten Paares geteilt
durch seinen zugehörigen
Kapazitätswert.
Durch elektronisches Ändern
des Transkonduktanzwerts kann die Mittenfrequenz des Quadraturfilters
nach Wunsch zu einer ausgewählten
Frequenz verschoben werden. Eine vor Ort einstellbare Mittenfrequenz
bedeutet, daß Komponenten
nach der Herstellung eingestellt werden können oder für ihren Dienst plaziert werden
können.
Eine vor Ort einstellbare Architektur erlaubt es dem Hersteller
auch, ein Teil für
Anwendungen zu machen, die verschiedene Mittenfrequenzen erfordern,
oder für
Anwendungen, die Mit tenfrequenzen erfordern, die während des
Betriebs des Endanwendergeräts
einstellbar sind.
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Unter Verwendung der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
jede Reaktanz einzeln in ein Filter zu transformieren. Die Transformation
kann stattfinden, indem jeder Widerstand, der mit einer Reaktanz
in einem Filter verknüpft
ist, mit einem Skalierungsfaktor skaliert wird und indem jede Kapazität und die
zugehörige
Gm ebenso mit dem inversen Skalierungsfaktor skaliert werden. Bei
Verwendung einer derartigen Transformation bleibt die Reaktanz erhalten.
Die Transformation kann durchgeführt
werden, um die Signalbehandlungsfähigkeiten des Filters zu optimieren.
Die Transformation kann auch durchgeführt werden, um die Auswahl
passenderer Werte für
Widerstände
und Kondensatoren zu ermöglichen.
Unter Betrachtung von 5A kann
die Reaktanz mit der Bezeichnung X1 durch Skalieren ihrer Widerstände R und
der zugehörigen
Widerstände
R1 mit einem Skalierungsfaktor transformiert werden. Die Kondensatoren
C1 für
diese Reaktanz werden mit dem inversen Skalierungsfaktor skaliert.
Auch wird die Gm des Transkonduktors 13 mit dem inversen
Skalierungsfaktor skaliert.
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Die vorliegende Erfindung wurde in
Form spezifischer Ausführungsformen
beschrieben, die Details enthalten, um das Verständnis der Aufbau- und Arbeitsprinzipien
der Erfindung zu erleichtern. Insbesondere wird es für Fachleute
klar sein, daß,
während
die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit 2-Phasen-Gauß-Tiefpaßfiltersektionen dritter Ordnung
und sechster Ordnung verwendet wird, die vorliegende Erfindung auch
mit anderen Filterarten, Filtersektionen anderer Ordnung oder Filtersektionen
mit mehr als zwei Phasen implementiert werden könnte.
