DE69022837T2

DE69022837T2 - Aktives Filter.

Info

Publication number: DE69022837T2
Application number: DE69022837T
Authority: DE
Inventors: Takahiro Kusano
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2010-12-01
Also published as: DE69022837D1; KR910010841A; JPH03172014A; EP0435472A3; EP0435472B1; KR940005378B1; US5192884A; EP0435472A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen aktiven Filter und insbesondere einen aktiven Filter, der in einer integrierten Schaltung ausgebildet ist.
Wenn Filter in einer integrierten Schaltung ausgebildet werden sollen, werden oftmals aktive Filter, die eine Rückkoppeltechnik verwenden, wegen der Schwierigkeit beim Ausbilden einer Induktanz in der integrierten Schaltung ausgebildet. Ein grundsätzlicher Block eines aktiven Filters hat einen Verstärkungsblock (nachfolgend als spannungsgesteuerte Stromquelle bezeichnet), der gemäß einer inkrementalen Übertragungskonduktanz verstärkt, einen integrierenden Kondensator, der einen Koeffizienten des Filters bestimmt, und eine Impedanzübertragungsschaltung (Puffer), die z.B. aus Widerständen gebildet ist.
Figuren 1 und 2 zeigen grundsätzliche Blöcke von Filtern, die in integrierten Schaltungen ausgebildet sind, die dem Anmelder bekannt sind. Figur 1 zeigt eine Schaltung, die eine spannungsgesteuerte Stromquelle 10 vom Differenzschaltungstyp und einen integrierenden Kondensator 12 enthält. Die Figur 2 zeigt eine Schaltung, die eine Rückkoppelschleife enthält, die durch einen Pufferverstärker 14 gebildet wird, der der Schaltung, die in Figur 1 gezeigt ist, hinzugefugt ist. In der Figur 1 ist, wenn die Spannungen an dem nicht-invertierenden Eingang und dem invertierenden Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 10 V&sub1; bzw. V&sub2; sind und die Spannung am Kondensator 12 gleich V&sub3; ist, die Ausgangsspannung Y der Schaltung in Figur 1 wie folgt.
worin gm die inkrementale Übertragungskonduktanz der spannungsgesteuerten Stromquelle 10, C die Kapazität des Kondensators 12 und S eine Winkelfrequenz bezeichnen.
In der Gleichung (1) bestimmt gm/C den Koeffizienten des Filters. Wenn ein gewünschter Koeffizient des Filters gleich A (ein konstanter Wert) ist, ist die Kapazität C, die in der integrierten Schaltung benötigt wird, wie folgt.
Es ist verständlich, daß Filter mit vielen Arten der Charakteristik in der integrierten Schaltung ausgebildet werden können, wenn die Kapazität C entsprechend geändert wird.
Inzwischen wird die Kapazität C durch das Gebiet gesteuert, das zum Ausbilden des Kondensators in der integrierten Schaltung verwendet wird. Im allgemeinen besetzt der Kondensator ein größeres Gebiet als andere Bauelemente. Der Wert der Kapazität, die in der integrierten Schaltung realisiert ist, hat eine obere Grenze, da das Gebiet, das durch den Kondensator besetzt wird, groß wird, wenn die Kapazität ansteigt. Somit hat die Filtercharakteristik, die in der integrierten Schaltung realisiert ist, auch eine Grenze.
Ein aktiver Filter in integrierter Schaltung ist in Elector, Vol. 8, Nr. 4, April 82, GB, Seiten 450-451 gezeigt. Figur 3 zeigt einen Tiefpaßfilter, der durch eine spannungsgesteuerte Stromquelle (A) und ein Rückkoppelwiderstand-Netzwerk (R und RA) ausgebildet ist. Der Ausgang des Verstärkers ist mit Masse durch einen Kondensator C verbunden und das Eingangssignal wird dem Tiefpaßfilter mittels eines Spannungsteilernetzwerks zugeführt.
IEEE BCTM, September 87, Seiten 139-141 (Yamaguchi et al) offenbart einen Filter, der aus zwei kaskadierten Filtern und einer Ausgangspuffer-Schaltung gebildet ist. Ein Kondensator ist zwischen dem Ausgang jedes der Filter bzw. Masse verbunden. Ein dritter Kondensator ist zwischen dem Ausgang der Pufferschaltung und dem Ausgang des ersten Filters verbunden, wobei es der Kondensator ermöglicht, daß ein hoher Q-Faktor durch die Schaltung erreicht wird, ohne dem Erfordernis eines hohen Verhältnisses zwischen dem zweiten Kondensator und dem ersten Kondensator.
Die vorliegende Erfindung versucht demnach, einen verbesserten aktiven Filter bereitzustellen, der eine Erweiterung des Freiheitsgrades in der Auslegung der Filtercharakteristiken, die in einer integrierten Schaltung realisiert sind, ohne einer Erhöhung des Kondensator-Gebiets erlaubt.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein aktiver Filter bereitgestellt, der aufweist:
eine spannungsgesteuerte Differenzschaltungs-Stromquelle, die einen ersten Eingangsanschluß und einen zweiten Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß enthält, der indirekt mit dem Ausgangsanschluß des aktiven Filters verbunden ist,
eine erste Signalquelle, die mit dem ersten Eingangsanschluß der spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist,
eine zweite Signalquelle, und
einen Kondensator, der zwischen der zweiten Signalquelle und dem Ausgangsanschluß der spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Filter weiterhin aufweist
einen ersten Widerstand, der zwischen dem Ausgangsanschluß des aktiven Filters und dem zweiten Eingangsanschluß der spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist,
einen zweiten Widerstand, der zwischen dem ersten Eingangsanschluß und dem zweiten Eingangsanschluß der spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist,
eine zweite spannungsgesteuerte Differenzschaltungs- Stromquelle, die einen ersten Eingangsanschluß und einen zweiten Eingangsanschluß, die mit dem Ausgangsanschluß der ersten spannungsgesteuerten Stromquelle bzw. mit dem Ende des ersten Widerstands verbunden sind, der mit dem Ausgang des aktiven Filters verbunden ist, und einen Ausgangsanschluß enthält, der mit dem Ausgangsanschluß des aktiven Filters verbunden ist, und
einen Kondensator, der zwischen dem Ausgangsanschluß der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle und dem ersten Eingangsanschluß der ersten spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es sollte jedoch verstanden werden, daß die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, obwohl sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zum Zwecke der Erläuterung angegeben werden, da verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Bereichs der angehängten Ansprüche für Fachleute aus dieser detaillierten Beschreibung entnehmbar sind.
Eine vollständigere Erläuterung der vorliegenden Erfindung und viele ihrer innewohnenden Vorteile können leicht durch Bezug auf die nachfolgende, detaillierte Beschreibung erhalten werden, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen zu betrachten ist, in denen:
Figuren 1 bis 5 jeweils ein Schaltungsdiagramm eines aktiven Filters zeigen, der dem Anmelder bekannt ist.
Figur 6 ein Schaltungsdiagramm eines aktiven Filters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Figur 7 ein Schaltungsdiagramm eines Beispiels der spannungsgesteuerten Stromquellen zeigt, die in den Figuren 3 bis 6 gezeigt sind.
Wo in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen für ähnliche Elemente verwendet werden, werden die detaillierten Beschreibungen davon nicht wiederholt.
Figur 3 ist ein Schaltungsdiagramm eines aktiven Filters, der dem Anmelder bekannt ist.
Eine spannungsgesteuerte Stromquelle 20 ist vom Differenzschaltungstyp. Der nicht-invertierende Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 20 ist mit einer ersten Signalquelle 22 durch einen Widerstand 24 verbunden. Ein Widerstand 26 ist zwischen dem nicht-invertierenden Eingang und dem invertierenden Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 20 verbunden. Der invertierende Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 20 ist mit einer zweiten Signalquelle 28 verbunden. Der Ausgangsanschluß der spannungsgesteuerten Stromquelle 20 ist mit einer dritten Signalquelle 30 durch einen integrierenden Kondensator 32 verbunden. Ein Ausgangsanschluß 34 ist mit dem Ausgangsanschluß der spannungsgesteuerten Stromquelle 20 verbunden.
Die Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 20 ist wie folgt.
worin R&sub1; und R&sub2; die Widerstandswerte der Widerstände 24 bzw. 26 sind. V&sub1;&sub0; und V&sub1;&sub2; bedeuten die Spannungen der ersten Signalquelle 22 bzw. der zweiten Signalquelle 28.
Die Spannung am Ausgangsanschluß 34 ist wie folgt.
Wenn mit der Gleichung (1) verglichen wird, zeigt die Gleichung (4), daß die inkrementale Übertragungskonduktanz gm des Filters in Figur 3 auf R&sub2;/(R&sub1; + R&sub2;) (< 1) mal gegenüber der des Filters reduziert ist, der in Figur 1 gezeigt ist. D.h, daß die gleiche Filtercharakteristik wie die des Stands der Technik mit einem Gebiet multipliziert mit R&sub2;/(R&sub1; + R&sub2;) realisiert ist.
Figur 4 ist ein Schaltungsdiagramm eines weiteren aktiven Filters, der dem Anmelder bekannt ist.
In dieser Anordnung ist die erste Signalquelle 22 direkt mit dem nicht-invertierenden Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 20 verbunden. Die zweite Signalquelle 28 ist mit dem invertierenden Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 20 durch den Widerstand 24 verbunden.
Die Spannung an dem invertierenden Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 20 ist wie folgt.
Die Spannung an dem Ausgangsanschluß 34 ist wie folgt.
Die Gleichung (6) ist die gleiche wie die Gleichung (4), und somit werden die gleichen Vorteile mit dieser Ausführungsform realisiert.
Figur 5 ist ein Schaltungsdiagramm eines weiteren aktiven Filters, der den Anmeldern bekannt ist.
In dieser Ausführungsform ist eine Rückkoppelschleife der Schaltung, die in Figur 4 gezeigt ist, hinzugefügt. D.h., daß der invertierende Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 20 ein Rückkoppelsignal als ein Eingangssignal anstelle des Signals von der zweiten Signalquelle 28 hat. Ein Pufferverstärker 36 ist mit dem Ausgangsanschluß 34 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Verstärkers 36 ist mit dem invertierenden Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 20 durch den Widerstand 24 verbunden. Eine Quelle für eine drittes Referenzsignal ist dem integrierenden Kondensator 32 zugeführt.
In dieser Anordnung ist die inkrementale Übertragungskonduktanz der spannungsgesteuerten Stromquelle 20 auch kleiner als die des Filters, der in Figur 1 gezeigt ist. Das Gebiet des Kondensators ist reduziert. In diesem Fall, wenn V&sub1;&sub2; und V&sub1;&sub4; z.B. gleich Y bzw. gleich Null z.B. sind, wird in der Gleichung (6) die folgende Gleichung erhalten:
Aus der Gleichung (7) ist die Übertragungsfunktion der Schaltung, die in Figur 5 gezeigt ist, wie folgt.
Die obenstehende Gleichung hat eine Charakteristik eines primären Tiefpaßfilters.
Figur 6 ist ein Schaltungsdiagramm eines aktiven Filters der Erfindung. Diese Schaltung bildet einen sekundären Tiefpaßfilter, der zwei, spannungsgesteuerte Stromquelle vom Differenzschaltungstyp aufweist. Ein Ausgangsanschluß einer ersten spannungsgesteuerten Stromquelle 20' vom Differenzschaltungstyp ist mit einem Kondensator 32' und mit einem nicht-invertierender Eingang einer zweiten, spannungsgesteuerten Stromquelle 38 vom Differenzschaltungstyp verbunden. Der invertierende Eingang dieser spannungsgesteuerten Stromquelle 38 ist mit dem Widerstand 24 verbunden. Der Ausgangsanschluß der spannungsgesteuerten Stromquelle 38 ist mit dem Ausgangsanschluß 34, einem integrierenden Kondensator 40 und einem Pufferverstärker 36' verbunden. Der Ausgangsanschluß dieses Verstärkers 36' ist mit dem Widerstand 24 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 36' wird den invertierenden Eingängen der spannungsgesteuerten Stromquellen 20' und 38 durch den Widerstand 24 oder direkt als Rückkoppeleingang durch einen Rückkoppelweg l&sub1; zugeführt. Der Ausgangsanschluß 34 und der Eingangsanschluß 22 sind durch einen Rückkoppelweg 12 verbunden, der den Kondensator 40 enthält.
In dieser Ausführungsform wird der Wert der inkrementalen Übertragungskonduktanz der ersten spannungsgesteuerten Stromquelle 20' gemäß dem Wert der Widerstände 24 und 26 klein. Die Kapazität des Kondensators 32' kann klein genug gemacht werden, um die gleiche Filtercharakteristik wie die des früheren, sekundären Tiefpaßfilters zu realisieren, indem zwei spannungsgesteuerte Stromquellen verwenden werden.
Die Erfindung kann für Filter höherer Ordnung und auch als primärer Filter, wie oben erwähnt wurde, ausgelegt werden. Zusätzlich können Filter höherer Ordnung, die unter die Erfindung fallen, durch serielles Verbinden der Schaltungen, die in den Figuren 5 und 6 gezeigt sind, realisiert werden.
Die spannungsgesteuerten Stromquellen in den Figuren 3 bis 6 werden durch eine Schaltung, wie sie z.B. in der Figur 7 gezeigt ist, realisiert. D.h., daß die Basis des Transistors 42 mit einem Eingangsanschluß (einem nicht-invertierenden Eingang) 44 verbunden ist. Die Basis des Transistors 46 ist mit einem Eingangsanschluß (einem invertierenden Eingang) 48 verbunden. Die Emitter der Transistoren 42, 46 sind mit einer Konstantstromquelle 50 verbunden. Die Transistoren 42 und 46 bilden eine Differenzschaltung. Der Kollektor des Transistors 42 ist mit einem Transistor 52 verbunden, der als eine Diode arbeitet. Der Kollektor des Transistors 46 ist mit einem Ausgangsanschluß 54 und dem Kollektor des Transistors 56 verbunden. Die Basis des Transistors 56 ist mit der Basis des Transistors 52 verbunden. Die Transistoren 52 und 56 bilden eine Stromspiegelschaltung.
Der Betrieb der Schaltung, die in Figur 7 gezeigt ist, wird nachfolgend beschrieben.
Z.B., wenn die Spannung an der Basis des Transistors 42 ansteigt, steigt der Kollektorstrom des Transistors 42 an bzw. fällt der Kollektorstrom des Transistors 46 ab. Der Kollektorstrom des Transistors 52 wird gleich dem Kollektorstrom des Transistors 56. Somit, wenn die Spannung V&sub1; an dem Eingangsanschluß 44 ansteigt (die Spannung V&sub2; am Eingangsanschluß 48 wird als konstant oder abnehmend angenommen), steigt der Kollektorstrom I&sub1; des Transistors 56 an bzw. nimmt der Kollektorstrom I&sub2; des Transistors 46 ab.
Der Unterschied zwischen den Werten der Kollektorströme der Transistoren 56 und 46 sind gleich dem Wert des Stromes von dem Ausgangsanschluß 54. Der Ausgangsstrom IOUT von dem Ausgangsanschluß 54 ist wie folgt.
D.h, daß der Ausgangsstrom IOUT der Schaltung, die in Figur 7 gezeigt ist, durch die Eingangsspannungen V&sub1; und V&sub2; gesteuert wird.

Claims

1. Aktiver Filter, der aufweist:

eine spannungsgesteuerte Differenzschaltungs-Stromquelle (20), die einen ersten Eingangsanschluß und einen zweiten Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß enthält, der indirekt mit dem Ausgangsanschluß des aktiven Filters verbunden ist,

eine erste Signalquelle (22), die mit dem ersten Eingangsanschluß der spannungsgesteuerten Stromquelle (20) verbunden ist,

eine zweite Signalquelle, und

einen Kondensator (32), der zwischen der zweiten Signalquelle und dem Ausgangsanschluß der spannungsgesteuerten Stromquelle (20) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Filter weiterhin aufweist

einen ersten Widerstand (24), der zwischen dem Ausgangsanschluß des aktiven Filters und dem zweiten Eingangsanschluß der spannungsgesteuerten Stromquelle (20) verbunden ist,

einen zweiten Widerstand (26), der zwischem dem ersten Eingangsanschluß und dem zweiten Eingangsanschluß und der spannungsgesteuerten Stromquelle (20) verbunden ist,

eine zweite spannungsgesteuerte Differenzschaltungs- Stromquelle (38), die einen ersten Eingangsanschluß und einen zweiten Eingangsanschluß, die mit dem Ausgangsanschluß der ersten spannungsgesteuerten Stromquelle (20') bzw. mit dem Ende des ersten Widerstands (24) verbunden sind, der mit dem Ausgang des aktiven Filters verbunden ist, und einen Ausgangsanschluß enthält, der mit dem Ausgangsanschluß des aktiven Filters verbunden ist, und

einen Kondensator (40), der zwischen dem Ausgangsanschluß der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle (38) und dem ersten Eingangsanschluß der ersten spannungsgesteuerten Stromquelle (20') verbunden ist.

2. Aktiver Filter, wie in Anspruch 1 beansprucht, der weiterhin einen Pufferverstärker (36') aufweist, der zwischen dem Ausgangsanschluß des aktiven Filters und dem ersten Widerstand (24) verbunden ist.

3. Aktiver Filter, wie in Anspruch 1 beansprucht, worin die zweite Signalquelle eine Masse-Spannung hat.

4. Aktiver Filter, wie in Anspruch 1 beansprucht, worin der erste Eingangsanschluß und der zweite Eingangsanschluß der spannungsgesteuerten Stromquelle (20) ein nichtinvertierender Eingang bzw. ein invertierender Eingang sind.