DE69613536T2 - Gestapeltes aktives Filter - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft aktive Filter und insbesondere aktive Filterschaltungen mit differentiellen Eingängen und Ausgängen.
• Aktive Filterschaltungen des Standes der Technik umfassen üblicherweise die Verwendung von komplexen Schaltungselementen wie Operationsverstärkern oder Durchgriffsverstärkern. Die Verwendung solcher komplexen Elemente in differentiellen Filtern kann den Einsatz von zusätzlichen Gleichtakt-Stabilisierungsschaltungen erforderlich machen sowie dem Frequenzbereich des Filters strenge Beschränkungen auferlegen.
• Es besteht ein Bedarf für eine kostengünstige, einfach strukturierte aktive Filterschaltung, die bei hohen Frequenzen arbeiten kann und für eine monolithische Ausführung geeignet ist.
• Das IBM Technical Disclosure Bulletin (Band 29, Nr. 9, Februar 1987, New York) beschreibt ein Filter, das gegebenenfalls kreuzgekoppelt ist, um ein Vorzeichen eines Koeffizienten, der einem summierten Ausgangssignal entspricht, zu invertieren. In dem Filter wird ein Vorwärtsübertragungs-Aufbau verwendet.
• Erfindungsgemäß wird eine aktive Filterschaltung bereitgestellt, umfassend eine Vielzahl von Stufen, die entsprechende erste und zweite Transistoren umfassen, wobei die Hauptstrompfade der entsprechenden ersten Transistoren der Vielzahl von Stufen in einem ersten seriellen Pfad verbunden sind und wobei die Hauptstrompfade der entsprechenden zweiten Transistoren in einem zweiten seriellen Pfad verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis- und Kollektorelektroden der ersten und zweiten Transistoren von mindestens einer der Vielzahl von Stufen kreuzgekoppelt sind.
• Erfindungsgemäße Ausführungsformen werden nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
• Fig. 1 ein erfindungsgemäßes gestapeltes Tiefpassfilter zeigt;
• Fig. 2 ein erfindungsgemäßes gestapeltes elliptisches Filter zeigt;
• Fig. 3 ein erfindungsgemäßes abstimmbares gestapeltes Allpassfilter zeigt;
• Fig. 4, 4a, 4b, 4c, 4d, 5, 6 und 7 Stufen einer Netzwerk-Transformation zeigen, durch die eine erfindungsgemäße Filterschaltung von einer theoretischen Filterschaltung abgeleitet werden kann.
• Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes gestapeltes Tiefpassfilter fünfter Ordnung. Die Filterschaltung 1 umfasst fünf cascodierte Stufen, wobei der differentielle Ausgang einer Stufe als differentieller Eingang der folgenden Stufe verwendet wird. Es gibt zwei Hauptstrompfade, wobei der erste Hauptstrompfad durch die Kollektor-Emitter-Pfade der Transistoren 31, 33, 35, 37, 39 und der zweite Hauptstrompfad durch die Kollektor-Emitter- Pfade der Transistoren 32, 34, 36, 38 und 40 verläuft.
• Die erste Stufe 70 der Filterschaltung umfasst npn-Transistoren 31, 32, Widerstände 13, 14 und den Kondensator 51. Die erste Stufe 70 ist von der Spannungsversorgung der Filterschaltung durch die Widerstände 11 und 12 getrennt. Der Eingang der Filterschaltung wird auf die Basiselektroden der Transistoren 31 und 32 gelegt und es existiert keine Kreuzkopplung in der ersten Stufe 70 der Filterschaltung. Der differentielle Ausgang der ersten Stufe 70 ist die Spannung über den Kondensator 51, wobei der Ausgang dieser ersten Stufe den differentiellen Eingang der zweiten Stufe 71 bildet. Jedes Eingangssignal der zweiten Stufe 71 ist mit der Basiselektrode des npn-Transistors 33 oder 34 kreuzgekoppelt, welche den anderen Hauptstrompfad steuern. Die Transistoren 33 und 34 verhalten sich hier als Spannungsverstärkerstufen, was die Verwendung von Signalen mit höherer Frequenz zulässt, als sie von vielen üblichen aktiven Filterschaltungen toleriert werden.
• Es ist ersichtlich, dass die dritte, vierte und die letzte Stufe 72, 73 und 74 der Filterschaltung, die mit den Kondensatoren 53, 54 bzw. 55 abgeschlossen sind, Strukturen aufweisen, die der Struktur der zweiten Stufe 71 entsprechen. Die Ausgänge der letzten Stufe 74 sind durch die Stromquellen 61 und 62 geerdet. Der Tiefpassausgang der Filterschaltung wird über den Kondensator 55 der letzten Stufe 74 abgenommen. Gegebenenfalls kann ein Hochpass-Ausgang über die Kollektoren der Transistoren 31 und 32 abgenommen werden.
• Jede Stufe 70-74 der Schaltung weist eine Übertragungsfunktion erster Ordnung auf. Die fünfstufige Schaltung 1 wird daher eine Übertragungsfunktion fünfter Ordnung aufweisen, aus der die Frequenz- und Phasencharakteristika des Filters berechnet werden können.
• Eine Netzwerk-Transformation, durch welche die Bauelementwerte einer erfindungsgemäßen Filterschaltung von denjenigen einer üblichen LRC-Filterschaltung abgeleitet werden können, wird nachstehend zum besseren Verständnis der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 4, 4a, 4b, 4c, 4d, 5, 6 und 7 beschrieben.
• Fig. 4 zeigt ein Basis-LRC-Filter mit einer Stromsteuerung 41 und einem 1 Ohm- Abschlusswiderstand 42. Wenn beachtet wird, dass der kombinierte Widerstand der parallel angeschlossenen 1 Ohm- und -1 Ohm-Widerstände unendlich wäre, ist ersichtlich, dass die Erdung solcher paralleler Widerstände von den Enden jedes induktiven Widerstands L2, L4 her keine Auswirkung auf die Gesamtantwort des Filters hätte. Die sich aus dem Einfügen dieser Widerstände 43-48 ergebende Schaltung ist in Fig. 4a gezeigt. Die induktiven Widerstände L2, L4 dieser Schaltung können nun unter Verwendung einer Delta-Stern- Transformation durch Kondensatoren ersetzt werden. Diese Transformation ist in der Laplace-Domäne in Fig. 4b gezeigt. Die beiden Widerstände 48, 49 am Abschlussabschnitt von Fig. 4a können durch den äquivalente Leerlaufschaltungsabschluss ersetzt werden. Die Stromquelle 41 und der parallele Widerstand 43 kann durch die äquivalente Stromquelle 401 mit dem Reihenwiderstand 402 von Fig. 4c ersetzt werden. Es sollte beachtet werden, dass die in Fig. 4c gezeigte resultierende Schaltung nur Widerstände und Kondensatoren mit positiven und negativen Werten enthält.
• Bei dieser Transformation kann das Erfordernis für Komponenten mit negativen Werten dadurch vermieden werden, dass negative Impedanzwandler (NIC's) verwendet werden. Es handelt sich dabei um ideale Schaltungselemente, die von ihrem Eingang her betrachtet den negativen Wert der Impedanz, die an ihrem Ausgang vorliegt, effektiv präsentieren. Durch den Einsatz von NIC's im ganzen Netzwerk von Fig. 4c können die Komponenten mit negativen Werten entfernt werden. Dies ist in Fig. 4d gezeigt.
• Jeder der NIC's 411-414 von Fig. 4d kann durch eine Spannungsverstärkerstufe mit einfacher Verstärkung und lastabtastender Stromrückkopplung ersetzt werden, was zu der Schaltung von Fig. 5 führt. Die Ausführung dieser Spannungsverstärkerstufen 415-418 mit Vorspannungsstrom-Bipolartransistoren führt zu der Filterschaltung von Fig. 1, wobei die kreuzgekoppelte Differentialstruktur die erforderliche negative Stromrückkopplung für die Spannungsverstärkerstufen liefert. Die Struktur kann als zwei Halbschaltungen gedacht werden, wobei eine davon durch +VEingang und die andere durch -VEingang betrieben wird. Der Strom und die Spannung in einer Halbschaltung werden das Gegenteil des Strom und der Spannung in der anderen Halbschaltung sein. Diese Halbschaltungen können als Emitterverstärkerschaltungen mit jeweiligen Konstantstromquellen von ihren Emitterelektroden zur Erdung, Reihenwiderstände von ihren Emitterelektroden zu jeweiligen Ausgängen und Kondensatoren von ihren Ausgängen zur Erdung dargestellt werden. Diese beiden Halbschaltungen werden kreuzgekoppelt, um die erforderliche Rückkopplung bereitzustellen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist.
• Durch Stapeln von zwei Filterstufen dieses Typs, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, wird Strom eingespart, da nachfolgende Filterstufen mit dem zum Betrieb der niedrigsten Filterstufe verwendeten Vorspannungsstrom betrieben werden. Diese stromeffiziente Gestaltung ist dann am wichtigsten, wenn die Energieversorgung begrenzt ist, z.B. bei batteriebetriebenen festen und mobilen Anwendungen.
• Durch differentielles Verbinden der Kondensatoren von Fig. 7, anstelle der gezeigten unsymmetrischen Anordnung, kann eine sehr viel kompaktere Filterschaltung erhalten werden.
• Dies führt zu einem zweistufigen Äquivalent der in Fig. 1 gezeigten fünfstufigen Filterschaltung.
• Es ist klar, dass die Kondensatoren nicht differentiell verbunden werden müssen, sondern dass sie auch an einem Ende auf jeder Seite des Stapels geerdet werden können, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Dies ist besonders für monolithische Ausführungen nützlich, wenn vollständig potentialfreie Kondensatoren nicht geeignet sind.
• Dadurch, dass lediglich Emitterverstärker im Schaltungsaufbau beteiligt sind und die Verwendung solcher Vorrichtungen als Operationsverstärker und Durchgriffsverstärker vermieden wird, sind viel höhere Betriebsfrequenzen möglich.
• Da in der Schaltung lediglich Wechselstromrückkopplungsmechanismen arbeiten, ist das Filter gegen einen Gleichstrom-Offset sehr viel weniger empfindlich als Filter des Standes der Technik.
• Die Verwendung von Transistoren als Spannungsverstärkerstufen anstelle der Verwendung von Durchgriffsverstärkern und dergleichen stellt sicher, dass die Gleichstromverstärkung des Filters, wie sie am Tiefpassausgang erscheint, den Wert eins hat.
• Die Tatsache, dass die gemeinsame Spannung an jedem Knoten definiert ist, eliminiert im Gegensatz zu bekannten Durchgriffs-/Kondensator-Filterausführungen den Bedarf für zusätzliche Gleichtaktstabilisierungsschaltungen.
• Da zwischen den herkömmlichen LCR-Filtern und dem Filter der vorliegenden Erfindung ein Zusammenhang besteht, sind die für die Ausführungen des Filters erforderlichen Komponentenwerte einfach zu berechnen.
• Die gestapelte aktive Filteranordnung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Verwendung in Tief- und Hochpassfiltern wie dem in Fig. 1 gezeigten Filter beschränkt, sondern lässt sich ebenso auf alle anderen Filtertypen anwenden.
• Fig. 2 ist ein Beispiel eines elliptischen Filters dritter Ordnung, das mit kreuzgekoppelten Bipolartransistoren aufgebaut ist. Die Schaltungselemente sind im Wesentlichen die gleichen, mit Ausnahme der zusätzlichen Kondensatoren 101 und 102, die angeschlossen sind, so dass das Filter bei einer endlichen Frequenz eine Verstärkung von null zeigt.
• Fig. 3 zeigt ein Beispiel dafür, wie ein Allpass-Filter dritter Ordnung aufgebaut sein kann. Die Kondensatoren 201, 202, 203, 204 verleihen dem Filter seine frequenzabhängigen, phasenregelnden Charakteristika.
• Fig. 3 soll auch zeigen, dass Halbleitervorrichtungen, die von npn-Bipolartransistoren verschieden sind, beim Aufbau des Filters verwendet werden können. Anstelle von npn- Transistoren werden Feldeffekttransistoren 211-216 verwendet, die entsprechend als Spannungsverstärkerstufen betrieben werden, wobei deren Steuer-, Quellen- und Drainelektroden entsprechend mit den Basis-, den Emitter- und den Kollektorelektroden der Bipolartransistoren verbunden sind.
• Fig. 3 veranschaulicht auch ein Beispiel, auf welche Weise die Grenzfrequenz eines erfindungsgemäß aufgebauten Filters gesteuert werden kann. Die Widerstände, die in den Filtern der Fig. 1 und 2 vorlagen, wurden entfernt, wobei die Schaltung unter Verwendung der dynamischen Ausgangsimpedanz der Transistoren selbst betrieben wird.
• Da diese Impedanz eine Funktion des Vorspannungsgleichstroms ist, ist die Grenzfrequenz des Filters unter der Kontrolle der Stromquellen 221 und 222 veränderbar.
• Dem Fachmann ist klar, dass die differentielle Natur der Schaltung eine erhöhte Rauschfestigkeit und Linearität bietet. Erfindungsgemäße Filterschaltungen sind gleichermaßen auf diskrete und monolithische Ausführungen anwendbar.

Claims (10)

1. Eine aktive Filterschaltung (1), umfassend eine Vielzahl von Stufen (70-74), die entsprechend erste und zweite Transistoren (31-40) umfassen, wobei die Hauptstrompfade der entsprechenden ersten Transistoren (31, 33, 35, 37, 39) der Vielzahl von Stufen (70-74) in einem ersten seriellen Pfad verbunden sind und wobei die Hauptstrompfade der entsprechenden zweiten Transistoren (32, 34, 36, 38, 40) in der Vielzahl von Stufen in einem zweiten seriellen Pfad verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis- und Kollektorelektroden der ersten und zweiten Transistoren (31-40) in mindestens einer der Vielzahl von Stufen (70-74) kreuzgekoppelt sind.

2. Aktive Filterschaltung (1) nach Anspruch 1, wobei eine erste (70) der Vielzahl von Stufen (70-74) die Eingangsstufe der Filterschaltung umfasst, wobei Differenzeingangssignale an die Basiselektroden der ersten und zweiten Transistoren (31, 32) der ersten Stufe angelegt werden und wobei die Kollektor-Quellenelektroden der ersten und zweiten Transistoren (31, 32) der ersten Stufe (70) mit einer Spannungsversorgung (Vcc) verbunden sind.

3. Aktive Filterschaltung (1) nach Anspruch 2, wobei die Kollektorelektroden der ersten und zweiten Transistoren (31, 32) über entsprechende Widerstandselemente (11, 12) mit der Spannungsversorgung (Vcc) verbunden sind.

4. Aktive Filterschaltung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine letzte (74) der Vielzahl von Stufen (70-74) die Ausgangsstufe der Filterschaltung umfasst, wobei die Emitterefektroden der ersten und zweiten Transistoren (39, 40) der letzten Stufe mittels entsprechender Stromquellen (61, 62) geerdet und mit entsprechenden Ausgangsanschlüssen (VAusgang) der Filterschaltung verbunden sind.

5. Aktive Filterschaltung (1) nach Anspruch 4, wobei die Emitterelektroden der ersten und zweiten Transistoren (39, 40) der letzten Stufe (74) mit den Stromquellen (61, 62) und dem Ausgang (VAusgang) der Filterschaltung mittels entsprechender Widerstandselemente (21, 22) verbunden sind.

6. Aktive Filterschaltung (1) nach Anspruch 4, wobei die Stromquellen (61, 62) elektronisch steuerbare Stromquellen sind, die so variiert werden, dass sie die Filterkennlinien verändern.

7. Aktive Filterschaltung nach Anspruch 6, wobei eine der Filterkennlinien die Grenzfrequenz ist.

8. Aktive Filterschaltung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Filterstufen (74) mit einem differentiell verbundenen Kondensator (55) abgeschlossen ist.

9. Aktive Filterschaltung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sowohl die erste als auch die zweite Transistoremitterelektrode von mindestens einer der Filterstufen über einen Kondensator geerdet sind.

10. Aktive Filterschaltung (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei mindestens eine der Stufen ferner entsprechende Widerstandselemente umfasst, die zwischen den Emitterelektroden von jedem der ersten und zweiten Transistoren an der mindestens einen Stufe und dem Kondensator angeschlossen sind.