-
Die vorliegende Erfindung betrifft aktive Filterschaltungen und insbesondere gefaltete aktive
Filterschaltungen.
-
Diese Anmeldung betrifft eine Entwicklung einer Filterstapelschaltung, die in einer
gleichzeitig anhängigen Anmeldung EP 96 307 697, PUNR 0 772 295, beschrieben und
beansprucht ist, welche die GB 95 223 66.5 als Priorität beansprucht (1.11.1995).
-
In dieser Anmeldung ist beschrieben, wie ein aktives Filter als ein Stapel von
kreuzgekoppelten Transistor-Paaren ausgeführt werden kann. Ein Beispiel eines solchen Filters, das
Widerstände, Kondensatoren und Transistoren verwendet, ist in Fig. 1 gezeigt.
-
Fig. 1 zeigt eine gestapelte Tiefpass-Filterschaltung dritter Ordnung. Die Filterschaltung
umfasst drei kaskadierte Stufen 140, 150, 160, wobei der Differenzausgang einer Stufe als
Differenzeingang der nachfolgenden Stufe verwendet wird. Es gibt zwei Hauptstrompfade,
wobei der erste Hauptstrompfad durch die Kollektor-Emitter-Pfade der Transistoren 101,
103 und 105 verläuft. Der zweite Hauptstrompfad verläuft durch die Kollektor Emitter-Pfade
der Transistoren 102, 104 und 106.
-
Die erste Stufe 140 der Filterschaltung umfasst npn-Transistoren 101, 102, Widerstände
110, 111 und einen Kondensator 120. Der Filterschaltungseingang ist an die
Basiselektroden der Transistoren 101 und 102 angeschlossen, die als Spannungsfolger wirken. Der
Differenzausgang dieser Stufe verläuft über den Kondensator 120, wobei dies den
Differenzeingang der zweiten Stufe 150 bildet. Die Kollektorelektrode eines jeden npn-
Transistors 103, 104 der zweiten Stufe 150 ist mit der Basiselektrode des npn-Transistors
104, 103 kreuzgekoppelt, der den anderen Hauptstrompfad steuert. Man erkennt, dass die
dritte Stufe 160, die in Kondensator 122 endet, die gleiche Struktur aufweist wie die zweite
Stufe 150. Stromquellen 130, 131 ziehen einen konstanten Strom aus ihren
entsprechenden Differenzausgängen der dritten Stufe 160. Der Tiefpassausgang der Filterschaltung
wird über den Kondensator 122 abgegriffen.
-
Ein Filter, das in einer Schaltung dieses Typs ausgeführt ist, weist die Vorteile auf, dass es
eine geringe Spannung verwendet und einfach im Entwurf sowie in der Konstruktion ist.
-
In den Fällen, in denen eine große Anzahl von Stufen in dem Filter verwendet wird, wird
jedoch eine hohe Versorgungsspannung benötigt, damit der Spannungsabfall an jedem
Basis-Emitter Übergang möglich ist. In einem Acht-Stufen-Filter, das Silicium-Transistoren
verwendet, werden zum Beispiel 5.6 V benötigt, um die Transistoren eingeschaltet zu
halten.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine aktive Filterschaltung bereitzustellen, die
ähnliche Vorteile wie die vorstehend erwähnten Filter erreicht, während sie mit einer
Niederspannungsversorgung betrieben werden kann.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein aktives Filter bereitgestellt, das eine Vielzahl
von Differenzstufen umfasst, die kaskadiert sind, wobei jede Stufe vier Transistoren
einschließt, die als zwei Emitter-gekoppelte Paare verbunden sind, wobei ein Transistor jedes
Paares seine Basis- und Kollektorelektroden aufweist, die miteinander und mit einem
entsprechenden Differenzausgang der entsprechenden Stufe verbunden sind, und wobei die
Basiselektroden der anderen Transistoren jedes Paares mit entsprechenden
Differenzeingängen der Stufe verbunden sind, und wobei die Differenzeingänge von wenigstens einer
der Vielzahl von Stufen mit den Differenzausgängen der unmittelbar vorhergehenden Stufe
kreuzgekoppelt sind.
-
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
-
Fig. 1 ein gestapeltes aktives Filter zeigt;
-
Fig. 2 ein gefaltetes aktives Filter gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
Fig. 3 eine einzelne Stufe des gestapelten aktiven Filters aus Fig. 1 zeigt;
-
Fig. 4 und 4a zeigen, wie ein Element der Filterstufe aus Fig. 3 zu einem Differenz-
Paar von Transistoren gemacht werden kann; und
-
Fig. 5 zeigt ein Multitanh-Dublett, das in einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
-
Fig. 1 zeigt eine gestapelte aktive Filterschaltung wie diese in der gleichzeitig anhängigen
Anmeldung EP 96 307 697 beschrieben und beansprucht ist. Wie ersichtlich ist, wird es
einen wesentlichen Spannungsabfall von der Spannungsversorgung zur Erde geben, der
durch die Basis-Emitter-Spannungsabfälle und statische Gleichstromabfälle (d.c. drops) an
den Widerständen auf beiden Seiten des Filters verursacht wird. Die aktive Filterschaltung
aus Fig. 2 versucht, die Vorteile der Schaltung aus Fig. 1 zu erhalten, während sie mit
einer minimalen Versorgungsspannung betrieben werden kann.
-
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße gefaltete Tiefpass-Filterschaltung dritter Ordnung. Die
Schaltung besteht aus drei Stufen 260, 270, 280, wobei jede Stufe eine
Übertragungsfunktion erster Ordnung aufweist. Die Differenzausgänge einer Stufe werden den
Differenzeingängen der nachfolgenden Stufe zugeführt. Die Drei-Stufen-Schaltung aus
Fig. 2 umfasst daher ein Filter dritter Ordnung, in diesem Fall eines vom Tiefpass-Typ.
-
Ein Differenzeingangssignal wird an die Basiselektrode der Transistoren 201 bzw. 204
angelegt. Jeder Zweig des Differenzeingangssignals wird daher an ein Differenztransistor-
Paar 201, 202 und 203, 204 angelegt. Es sind diese zwei Differenztransistor-Paare 201,
202 und 203, 204, aus denen sich die erste Stufe der Filterschaltung zusammensetzt. Der
Differenzausgang dieser Stufe wird von den Kollektoren der Transistoren 202 und 203
abgegriffen. Der Ladungskondensator 240 wird über den Ausgang dieser ersten Stufe
verbunden. Die zweite Stufe 270 der Filterschaltung weist im Wesentlichen das gleiche
Schaltungslayout auf. Die Differenzeingänge zu Stufe 270 kommen von den
Differenzausgängen der Stufe 260. Diese Eingänge werden an Differenztransistor-Paare 205, 206 und
207, 208 angelegt. Jede Stufe 260, 270, 280 arbeitet im Wesentlichen in der gleichen
Weise, wobei der Filterausgang von den Kollektoren der Transistoren 210 und 211 der
Endstufe 280 abgegriffen wird.
-
Es liegt auf der Hand, dass die Eingangs- und Ausgangspegelspannungen jeder Stufe 260,
270, 280 kompatibel sind. Im Vergleich zu dem gestapelten Filter aus Fig. 1 wird eine
niedrigere Versorgungsspannung benötigt, da lediglich jeweils der Spannungsabfall an
einem einzelnen Transistorübergang, einem einzelnen Widerstand und zwei Stromquellen
zwischen Versorgung und Erde angepasst werden muss.
-
Um das Verständnis zu erleichtern, wie eine Filterstufe der Schaltung aus Fig. 2 mit zwei
Differenztransistor-Paaren arbeitet, wird nun eine Umformung der äquivalenten gestapelten
Filterstufe unter Bezugnahme auf Fig. 3, 4 und 4a beschrieben. Es ist daher ersichtlich,
dass die äquivalenten Filterschaltungen die gleiche Filterfunktion ausführen.
-
Fig. 3 zeigt eine Stufe der kreuzgekoppelten Emitterfolger-Filterschaltung aus Fig. 1.
Jeder Zweig der Filterschaltungsstufe, Transistor 301 und Widerstand 303 oder Transistor
302 und Widerstand 304, ist in wirksamer Weise ein Emitterfolger mit einer
Spannungsverstärkung von 1 : 1. Ein solcher Emitterfolger ist in Fig. 4 gezeigt.
-
Die Ausgangsspannung der Schaltung in Fig. 4 folgt der Eingangsspannung, wird jedoch
um einen Betrag erniedrigt, der der Summe der Basis-Emitter Spannung des Transistors
401 und dem Spannungsabfall an Widerstand 402 entspricht. Um dies zu vermeiden, wird
ein Differenz-Paar anstelle des Emitterfolgers verwendet, wie dies in Fig. 4a gezeigt ist.
Diese Anordnung kann als ein mit dem Emitterfolger aus Fig. 4 identischer
Spannungsfolger betrachtet werden, mit der Ausnahme, dass die Ausgangsspannung die gleiche ist
wie die Eingangsspannung. Der Strom an dem Kollektor des Transistors 451 bleibt im
Wesentlichen der gleiche wie der in dem Kollektor des Transistors 401 des äquivalenten
Emitterfolgers.
-
Wie klar ersichtlich ist, erhält man durch Bereitstellen von zwei der in Fig. 4a gezeigten
Schaltungen, d. h. einer für jeden der Differenzeingänge, eine Schaltung, die zu dem
Einstufenfilter aus Fig. 3 äquivalent ist. Durch Verbinden dreier solcher Stufen, wobei die
Differenzausgänge einer Stufe die Differenzeingänge der nachfolgenden Stufe bilden, lässt
sich erkennen, dass man die Filterschaltung aus Fig. 2 erhält.
-
In vielen Fällen ist es notwendig, ein Filter mit einer Grenzfrequenz bereitzustellen, die
elektronisch gesteuert werden kann. Eine erfindungsgemäße Filterschaltung mit einer
solchen Einrichtung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 4a und 5
beschrieben.
-
Für einen bipolaren Transistor lässt sich zeigen, dass die dynamische Impedanz des
Bauelements bei schwachen Signalen umgekehrt proportional ist zu dem statischen
Arbeitspunktstrom (bias current), bei welchem das Bauelement betrieben wird. Da die Impedanz
des Bauelements für die Wechselstromeigenschaften der Filterstufe, in welche sie
eingebaut ist, wichtig ist, kann die Grenzfrequenz eines Filters, das diese Stufe enthält, durch
Verändern des Arbeitspunktstroms gesteuert werden. Die Grenzfrequenz kann auf einfache
Art und Weise gesteuert werden, und zwar durch Entfernen der festen Impedanzen, durch
Bereitstellen steuerbarer Stromquellen und durch Betreiben der Schaltung vollständig über
die dynamischen Impedanzen des Transistors. Wenn jedoch abstimmbare Filter auf diese
Art und Weise hergestellt werden, findet man, dass es einen Grenzwert für den maximalen
Signalausschlag, der unterstützt werden kann, gibt. Der Grund liegt darin, dass sich der
Strom durch den Transistor mit dem Signalausschlag verändert, wodurch auch die
dynamische Impedanz des Transistors mit dem Signalausschlag verändert wird. Dieses
nichtlineare Verhalten bewirkt eine harmonische Verzerrung.
-
Als eine bevorzugte Verbesserung der vorliegenden Erfindung erhält man eine erhöhte
Linearität in einem elektronisch abstimmbaren aktiven Filter durch Verwenden einer
Multitanh-Dublettschaltung wie der in Fig. 5 gezeigten.
-
Die Dublettschaltung aus Fig. 5 umfasst zwei Offset-Differenz-Paare, wobei die
Transistoren 501, 502 eines ersten Paares verschiedene Emitterflächen, aber die gleiche
Emitterfläche wie die korrespondierenden Transistoren 504, 503 in dem gegenüberliegenden Paar
aufweisen. Das Verhältnis der Emitterflächen, das typischerweise zwischen 4 und 5 liegt,
bestimmt die Offsetspannung, bei welcher die Bauelemente betrieben werden. Dies erlaubt
eine lineare Antwort auf die Eingangssignale, die einen Spannungsausschlag von ungefähr
40 mV haben. Ersetzt man jedes Differenz-Paar der in Fig. 2 gezeigten Schaltung durch
diese Schaltung, so resultiert dies in einer abstimmbaren Tiefpass-Filterschaltung, die eine
Grenzfrequenz aufweist, die unter Steuerung der veränderbaren Stromquellen verändert
wird. Gegebenenfalls können verschiedenen Filterstufen durch unabhängig veränderbare
Stromquellen gesteuert werden. Das durch diese Schaltung bereitgestellte Filter wird ferner
einen hohen Grad an Linearität zeigen.
-
Wie man ohne weiteres erkennt, müssen die Kondensatoren nicht differenziell verbunden
sein, gleichwohl könnten sie mit der Erde an einem Ende jeder Seite des Stapels
verbunden sein. Dies ist insbesondere nützlich für monolithische Ausführungen, bei denen
vollständig potentialfreie Kondensatoren nicht unterstützt werden.
-
Indem nur Emitterfolger in dem Schaltungsentwurf hinzugezogen werden und die
Verwendung solcher Bauelemente als Operationsverstärker und Transkonduktanzverstärker
(transconductance amplifiers) vermieden wird, sind viel höhere Betriebsfrequenzen möglich.
-
Da lediglich Wechselstromrückkopplungsmechanismen (a.c. feedback mechanisms)
innerhalb der Schaltung arbeiten, ist der Filter viel weniger empfindlich gegenüber
Gleichstromoffsets (d.c. offsets) als Filter des Standes der Technik.
-
Die Verwendung von Transistoren als Spannungsfolger stellt sicher, und zwar eher als die
Verwendung von Transkonduktanzverstärkern und dergleichen, dass die
Gleichstromverstärkung des Filters, wie an dem Tiefpassausgang ersichtlich ist, eins ist.
-
Die Tatsache, dass die Spannung an jedem Knoten definiert ist, und zwar im Gegensatz zu
bestehenden Transkonduktor-/Kondensator-Filterausführungen, beseitigt den Bedarf nach
einer zusätzlichen Gleichtaktstabilisierungsschaltung.
-
Da zwischen gewöhnlichen LCR-Filtern und denen der vorliegenden Erfindung eine
Übereinstimmung vorhanden ist, sind die für die Filterausführungen benötigten
Komponentenwerte leicht berechenbar.
-
Es liegt auf der Hand, dass ein gefaltetes aktives Filter wie vorstehend beschrieben so
ausgeführt werden könnte, dass es Feldeffekttransistoren anstelle der bipolaren Transistoren
verwendet, wobei deren Steuerungs-, Quellen- und Senkenelektroden in der gleichen
Weise verbunden sind wie die Basis-, Emitter- und Kollektorelektroden des vorstehend
beschriebenen bipolaren Transistors.