DE69607892T2

DE69607892T2 - Aktives Filter

Info

Publication number: DE69607892T2
Application number: DE69607892T
Authority: DE
Inventors: Hideyuki Hagino
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1996-06-24
Publication date: 2000-10-05
Anticipated expiration: 2016-06-25
Also published as: EP0751617B1; JP3151385B2; KR100189181B1; DE69607892D1; JPH0918288A; KR970004287A; US5699019A; EP0751617A1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein aktives Filter.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung eines aktiven Filters gemäß der vorliegenden Erfindung. Der nicht-invertierende Eingangsanschluss eines gm Verstärkers 31 ist mit dem externen Eingangsanschluss 30 verbunden, und der Ausgangsanschluss des gm Verstärkers 31 ist über den Kondensator C1 geerdet. Der Ausgangsanschluss des gm Verstärkers 31 ist ebenso mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des gm Verstärkers 32 verbunden, und der externe Eingangsanschluss 30 ist mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Verstärkers 32 über einen Widerstand R11 verbunden. Der Ausgangsanschluss des gm Verstärkers 32 ist mit dem Eingangsanschluss eines Pufferspeichers 33 verbunden und ist ebenso mit dem externen Eingangsanschluss 3ß über einen Kondensator C2 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Pufferspeichers 33 ist mit dem externen Ausgangsanschluss 34 verbunden und ist ebenso mit dem invertierenden Eingangsanschluss des gm Verstärkers 31 verbunden. Darüber hinaus ist der Ausgangsanschluss des Pufferspeichers 33 mit dem invertierenden Eingangsanschluss des gm Verstärkers 32 über einen Widerstand R12 verbunden.
Es sei D11(s) die Übertragungsfunktion am externen Eingangsanschluss 30, D12(s) die Übertragungsfunktion am Ausgangsanschluss des gm Verstärkers 31, D13(s) die Übertragungsfunktion am Ausgangsanschluss des gm Verstärkers 32 und am externen Ausgangsanschluss 34 und D14(s) die Übertragungsfunktion am invertierenden Eingangsanschluss des gm Verstärkers 32. Ebenso sei s ( = jω) der Laplace Operator, a der Verstärkungsfaktor des gm Verstärkers 31 und b der Verstärkungsfaktor des gm Verstärkers 32. Damit gilt die folgende Beziehung:
D12(s) = a/s · (D11 (s) - D13 (s))
Wenn in diesem Fall R11 = R12 ist, entsteht ein Allpassfilter, das einen flachen Verlauf im Verstärkungsfaktor aufweist und die Phase eines Eingangssignals verschiebt und das derart erhaltene Signal ausgibt. Wenn auf der anderen Seite R12 = 0 ist, entsteht ein Sperrfilter.
Wie oben beschrieben, ist das aktive Filter mit den gm Verstärkern 31 und 32 aufgebaut. Der gm Verstärker ist gemäß der Anordnung der Fig. 2 und 3 realisiert. Der gm Verstärker gemäß Fig. 2 umfasst npn Transistoren Q11 und Q12, eine Konstantstromquelle I13 zum Ausgeben eines konstanten Stroms I0, eine Konstantstromquelle I14 zum Ausgeben eines Konstantstromes 2I0, und einen Kondensator C11. Es sei D21(s) und D22(s) jeweils die Übertragungsfunktion des externen Eingangsanschlusses 41 und 42 für diesen Fall, D23(s) die Übertragungsfunktion des Kollektoranschlusses eines bipolaren Transistors Q2, der als Ausgangsanschluss für diesen Schaltkreis dient, und re1 und re2 die Emitterwiderstände der Bipolartransistoren Q11 und Q12. Die Übertragungsfunktion D23(s) ist dann gegeben durch:
Der gm Verstärker gemäß Fig. 3 umfasst npn Transistoren Q31 bis Q36, einen Kondensator C21, Widerstände R21 und R22 (jeweils einen Widerstand R0 aufweisend) und Konstantstromquellen I15 und I16. Es sei D31(s), D32(s), D33(s) und D34(s) jeweils die Übertragungsfunktion der Transistoren Q31, Q33, Q32 und Q34 und D35(s) die Übertragungsfunktion am Kollektoranschluss des Transistors Q36, der als Ausgangsanschluss dient. In diesem Fall sind die Übertragungsfunktionen D33(s), D34(s) und D35(s) jeweils gegeben durch:
Gemäß dem in Fig. 2 gezeigten gm Verstärker können Gleichspannungskomponenten den externen Eingangsanschlüssen 41 und 42 zugeführt werden, die mit den Basen des Bipolartransistors Q11 und Q12 verbunden sind, wodurch eine niedrige Ausgangsimpedanz erreicht werden kann. Das gleiche gilt für den gm Verstärker gemäß Fig. 3.
Wenn allerdings ein aktives Filter unter Verwendung eines gm Verstärkers aufgebaut ist, werden viele aktive Elemente benötigt. Wenn das aktive Filter gemäß Fig. 1 mit gm Verstärkern aufgebaut ist, die jeweils zwei Transistoren Q11 und Q12 gemäß Fig. 2 enthalten, werden insgesamt vier Transistoren benötigt. Wenn auf der anderen Seite die gm Verstärker jeweils sechs Transistoren Q31 bis Q36 wie in Fig. 3 gezeigt enthalten, werden insgesamt zwölf Transistoren benötigt. Da wie oben beschrieben ein aktives Filter mit gm Verstärkern eine große Anzahl von Bauelementen benötigt, wird dieses Filter entsprechend voluminös und weist einen großen Leistungsbedarf auf.
Wenn der gm Verstärker gemäß Fig. 3 verwendet wird, werden externe Signale den Basen der Transistoren Q31 und Q33 zugeführt und dann zu den Kollektoren und Basen der Transistoren Q32 und Q34 weitergeleitet, was einen Kompressionseffekt hervorruft, d. h. eine Anhebung der Rauschkomponenten.
Das Dokument Elektor, Vol. 3, Nr. 5, 1977, Seiten 44-46 zeigt ein aktives Hochpassfilter (Fig. 2), das CR kaskadierte Filterstufen und einen Differentialverstärker umfasst.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein aktives Filter bereitzustellen, das mit einer kleineren Anzahl von Bauelementen aufgebaut sein kann und kompakt ausgeführt sein kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein aktives Filter bereitzustellen, das eine geringe Leistungsaufnahme aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein aktives Filter bereitzustellen, das ein Anheben der Rauschkomponenten verhindern kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, die durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, wird ein aktives Filter bereitgestellt, umfassend ein erstes Hochpassfilter zum Empfangen eines Eingangssignals, das eine Filterverarbeitung des Eingangssignals durchführt und das ein erstes Signal ausgibt, ein zweites Hochpassfilter, dessen Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss des ersten Hochpassfilters verbunden ist und das das erste Signal empfängt, eine Filterverarbeitung durchführt und ein zweites Signal ausgibt, ein Differentialverstärker, dessen einer Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss des besagten zweiten Hochpassfilters verbunden ist, um das zweite Signal zu empfangen, dessen anderer Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss des ersten Hochpassfilters verbunden ist, um das erste Signal zu empfangen, und der ein drittes Signal ausgibt, das durch Multiplizieren einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal mit einem Verstärkungsfaktor erhalten wird; und ein Addierer zum Empfangen und Addieren des Dritten Signalausgangs des besagten Differentialverstärkers und des Eingangssignals und zum Ausgeben eines Summensignals.
Wenn das aktive Filter mit dem ersten und zweiten Hochpassfilter, dem Differentialverstärker und dem Addierer aufgebaut ist, kann die Anzahl der Bauelemente verringert werden. Beispielsweise kann gemäß dem in Anspruch 2 beschriebenen aktiven Filter das aktive Filter mit zwei Transistoren als Aktivelemente aufgebaut sein.
Wenn für diesen Fall a eine Konstante des ersten Hochpassfilters darstellt, b eine Konstante des zweiten Hochpassfilters darstellt, und der Verstärkungsfaktor des besagten Differentialverstärkers durch G gegeben ist, dann dient das besagte aktive Filter als ein Allpass-Filter, wenn a + b - aG -(a + b) gilt, und dann dient das besagte aktive Filter als Sperrfilter, wenn a + b - aG = 0.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ebenso ein An aktives Filter bereitgestellt, umfassend einen ersten Widerstand, dessen einer Anschluss mit einem ersten Spannungsversorgungsanschluss verbunden ist, einen ersten Kondensator, dessen einer Anschluss mit dem anderen Anschluss des besagten ersten Widerstands verbunden ist und dessen zweiter Anschluss mit einem externen Eingangsanschluss zum Empfangen des Eingangssignals verbunden ist, einen zweiten Widerstand, dessen zwei Anschlüsse zwischen dem besagten externen Eingangsanschluss und einem externen Ausgangsanschluss verbunden sind, einen ersten Transistor, dessen Kollektor mit dem externen Ausgangsanschluss verbunden ist, dessen Basis mit einem Anschluss des ersten Kondensators verbunden ist und dessen Emitter mit einer ersten Konstantstromquelle verbunden ist, ein zweiter Kondensator, dessen einer Anschluss mit dem Emitter des ersten Transistors verbunden ist, ein dritter Widerstand, dessen beide Anschlüsse zwischen dem anderen Anschluss des besagten zweiten Kondensators und einem zweiten Spannungsversorgungsanschluss verbunden ist, ein zweiter Transistor, dessen Kollektor mit einem dritten Spannungsversorgungsanschluss verbunden ist, dessen Basis mit dem anderen Anschluss des besagten zweiten Kondensator verbunden ist, und dessen Emitter mit einer zweiten Konstantstromquelle verbunden ist, und einen vierten Widerstand, der zwischen den Emittern des ersten und zweiten Transistors verbunden ist.
Für diesen Fall bezeichnen die Werte R1, R2, R3 und R4 die Widerstände des besagten ersten, zweiten, dritten und vierten Widerstands und die Werte C1 und C2 die Kapazitäten des ersten und zweiten Kondensators, wobei das aktive Filter als Allpassfilter dient, wenn R2/R4 = 2(C1*R1 + C2*R3)/C1*R1 gilt und das aktive Filter als Sperrfilter dient, wenn R2/R4 = (C1*R1 + C2*R3)/C1*R1 gilt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild mit der Anordnung des aktiven Filters gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild mit der Anordnung eines gm Verstärkers, der als aktives Filter gemäß Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild mit der Anordnung eines anderen gm Verstärkers, der als aktives Filter in Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild mit der Anordnung eines aktiven Filters gemäß eines Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 zeigt ein Schaltbild mit einem Beispiel einer konkreten Schaltungsanordnung des aktiven Filters gemäß Fig. 4.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 4 zeigt die Anordnung eines aktiven Filters gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Der Eingangsanschluss eines Hochpassfilters 11 ist mit einem externen Eingangsanschluss 10 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Hochpassfilters 11 ist mit dem Eingangsanschluss eines Hochpassfilters 12 und dem invertierenden Eingangsanschluss eines Differentialverstärkers 13 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Hochpassfilters 12 ist mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Differentialverstärkers 13 verbunden. Darüber hinaus sind der Ausgangsanschluss des Differentialverstärkers 13 und des externen Eingangsanschlusses 10 jeweils mit dem Eingangsanschluss eines Addierers 14 verbunden, dessen Ausgangsanschluss mit dem externen Ausgangsanschluss 15 verbunden ist.
Bei dem aktiven Filter gemäß der obigen Anordnung wird nun angenommen, dass der Signaleingang zu dem externen Eingangsanschluss 10 "1" beträgt. Ebenso sei D1(s) die Übertragungsfunktion am Ausgangsanschluss des Hochpassfilters 11, D2(s) die Übertragungsfunktion am Ausgangsanschluss des Hochpassfilters 12, D3(s) die Übertragungsfunktion am Ausgangsanschluss des Differentialverstärkers 13, D4(s) der Signalausgang seitens des Addierers 14 über den externen Ausgangsanschluss 15, a und b seien Konstanten der Hochpassfilter 11 und 12, und G sei der Verstärkungsfaktor des Differentialverstärkers 13. In diesem Fall lauten die Übertragungsfunktionen D1(s) bis D4(s) folgendermaßen:
Wenn für diesen Fall a + b - aG = -(a + b) gilt, dient das aktive Filter als Allpassfilter; wenn a + b - aG = 0 gilt, so dient es als Sperrfilter.
Fig. 5 zeigt die konkrete Schaltanordnung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der externe Eingangsanschluss 10 ist mit der Eingangsseite des Hochpassfilters 11 verbunden, der mit einer Konstantspannungsquelle V1, einem Widerstand R1 und einem Kondensator C1 aufgebaut ist, und die Ausgangsseite des Hochpassfilters 11 ist mit einem eingangsseitigen Anschluss des Differentialverstärkers 13 verbunden, der mit den npn Transistoren Q1 und Q2, den Widerständen R3 und R4, den Konstantstromquellen I11 und I12 und der Konstantspannungsquelle V3 aufgebaut ist. Der andere eingangsseitige Anschluss des Differentialverstärkers 13 ist mit der Ausgangsseite des Hochpassfilters 12 verbunden, der mit einem Kondensator C2, einem Widerstand R2 und einer Konstantspannungsquelle V2 aufgebaut ist. Die Ausgangsseite des Hochpassfilters 12 ist mit dem anderen eingangsseitigen Anschluss des Differentialverstärkers 13 verbunden. Darüber hinaus ist der externe Eingangsanschluss 10 mit dem Kollektor des Transistors Q1 des Differentialverstärkers 13 verbunden, wodurch der Addierer 14 ausgebildet wird. Der Verwendungsknoten zwischen dem Widerstand R4 und dem Kollektor des Transistors Q1 ist mit dem externen Ausgangsanschluss 15 verbunden.
Bei dem aktiven Filter mit der obigen Anordnung gemäß Fig. 5 sei angenommen, dass der Signaleingang des externen Eingangsanschlusses 10 "1" beträgt. Ebenso sei D1(s) die Übertragungsfunktion an demjenigen Knoten, der einen Anschluss des Kondensators C1 und einen Anschluss des Widerstands R1 verbindet und als Ausgangsanschluss des Hochpassfilters 11 dient, D2(s) sei die Übertragungsfunktion am Knoten, der einen Anschluss des Widerstandes R2 und einen Anschluss des Kondensators C2 verbindet und als Ausgangsanschluss des Hochpassfilters 12 dient, D3(s) sei die Übertragungsfunktion am Kollektoranschluss des Transistors Q1, der als Ausgangsanschluss des Differentialverstärkers 13 dient und D3(s) sei die Übertragungsfunktion am externen Ausgangsanschluss 15. Die Übertragungsfunktionen D1(s) bis D3(s) ergeben sich sodann wie folgt:
Wenn die unten angegebenen Gleichung (16) in die obigen Gleichung (15) eingesetzt wird und die obigen Widerstände R3 und R4 die unten angegebene Gleichung (17) erfüllen, dient das aktive Filter als ein Allpassfilter. Wenn auf der anderen Seite die unten angegebene Gleichung (18) in Gleichung (15) eingesetzt wird und die Widerstände R3 und R4 die unten angegebene Gleichung (19) erfüllen, dient das aktive Filter als Sperrfilter.
C1 R1 R4/R3 - C1 R1 - C2 R2 = C1 R1 + C2 R2 ... (16)
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann aus der Fig. 5 entnommen werden, dass das aktive Filter mit zwei Transistoren Q1 und Q2 aufgebaut sein kann, so dass die Anzahl der Elemente im Vergleich zu einem aktiven Filter mit einem gm Verstärker reduziert werden können. Als Ergebnis davon kann eine Reduzierung der Größe und der Leistungsaufnahme des Filters erreicht werden.
Wie oben beschrieben, können für den Fall, dass das aktive Filter mit gm Verstärkern gemäß Fig. 3 aufgebaut ist, in dem Eingangssignal enthaltene Rauschkomponenten infolge des Kompressionseffekts in den Transistoren Q32 und Q34 angehoben werden. Da allerdings gemäß der vorliegenden Erfindung eine Kompressionsfunktion nicht vorgesehen ist, können Rauschkomponenten reduziert werden.
Das obengenannte Ausführungsbeispiel dient lediglich als Beispiel, auf das die vorliegende Erfindung nicht beschränkt ist. Die Schaltung gemäß Fig. 5 ist lediglich als Beispiel zu verstehen und die vorliegende Erfindung ist auf diese Anordnung nicht beschränkt. Verschiedene Abänderungen können im Sinne der Ansprüche vorgenommen werden.

Claims

1. Aktives Filter, umfassend:

ein erstes Hochpassfilter (11) zum Empfangen eines Eingangssignals, das eine Filterverarbeitung des

- Eingangssignals durchführt und das ein erstes Signal ausgibt;

ein zweites Hochpassfilter (92), dessen Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss des ersten Hochpassfilters verbunden ist und das das erste Signal empfängt, eine Filterverarbeitung durchführt und ein zweites Signal ausgibt;

ein Differentialverstärker (13), dessen einer Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss des besagten zweiten Hochpassfilters verbunden ist, um das zweite Signal zu empfangen, dessen anderer Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss des ersten Hochpassfilters verbunden ist, um das erste Signal zum empfangen, und der ein drittes Signal ausgibt, das durch Multiplizieren einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal mit einem Verstärkungsfaktor erhalten wird; und

ein Addierer (14) zum Empfangen und Addieren des Dritten Signalausgangs des besagten Differentialverstärkers und des Eingangssignals und zum Ausgeben eines Summensignals.

2. Aktives Filter nach Anspruch 1, wobei das besagte aktive Filter als ein Allpaß-Filter dient und

a + b - aG = - (a + b)

gilt, wobei a eine Konstante des ersten Hochpassfilters darstellt, b eine Konstante des zweiten Hochpassfilters darstellt, und der Verstärkungsfaktor des besagten Differentialverstärkers durch G gegeben ist.

3. Aktives Filter nach Anspruch 1, wobei das besagte aktive Filter als Sperrfilter dient und

a + b - aG = 0

4. Aktives Filter, umfassend:

einen ersten Widerstand (R1), dessen einer Anschluss mit einem ersten Spannungsversorgungsanschluss (V1) verbunden ist;

einen ersten Kondensator (C1), dessen einer Anschluss mit dem anderen Anschluss des besagten ersten Widerstands verbunden ist und dessen zweiter Anschluss mit einem externen Eingangsanschluss (10) zum Empfangen des Eingangssignals verbunden ist;

einen zweiten Widerstand (R2), dessen zwei Anschlüsse zwischen dem besagten externen Eingangsanschluss und einem externen Ausgangsanschluss (15) verbunden sind;

einen ersten Transistor, dessen Kollektor mit dem externen Ausgangsanschluss verbunden ist, dessen Basis mit einem Anschluss des ersten Kondensators verbunden ist und dessen Emitter mit einer ersten Konstantstromquelle (I11) verbunden ist;

ein zweiter Kondensator, dessen einer Anschluss mit dem Emitter des ersten Transistors verbunden ist;

ein dritter Widerstand (R3), dessen beide Anschlüsse zwischen dem anderen Anschluss des besagten zweiten Kondensators und einem zweiten Spannungsversorgungsanschluss (V2) verbunden ist;

ein zweiter Transistor (Q2), dessen Kollektor mit einem dritten Spannungsversorgungsanschluss (V3) verbunden ist, dessen Basis mit dem anderen Anschluss des besagten zweiten Kondensator verbunden ist, und dessen Emitter mit einer zweiten Konstantstromquelle (I2) verbunden ist; und

einen vierten Widerstand (R4), der zwischen den Emittern des ersten und zweiten Transistors verbunden ist.

5. Aktives Filter nach Anspruch 4, wobei das aktive Filter als Allpaßfilter dient und

R2/R4 = 2(C1*R1 + C2*R3)/C1*R1

gilt, wobei die Werte R1, R2, R3 und R4 die Widerstände des besagten ersten, zweiten, dritten und vierten Widerstands bezeichnen und die Kapazitäten des ersten und zweiten Kondensators durch C1 und C2 bezeichnet sind.

6. Aktives Filter nach Anspruch 4, wobei das aktive Filter als Sperrfilter dient und

R2/R4 = (C1*R1 + C2*R3)/C1*R1