DE1815172C3 - Integrierbarer spulenloser Bandpaß höheren Grades - Google Patents

Description

liehe der im Vierpolnetzwerk vorkommenden
Kondensatoren (C) durch die drei- oder mehr- io
fache, im allgemeinen η-fache Parallelschaltung

der Reihenschaltung eines Kondensators (C/) mit Die Erfindung bezieht sich auf einen integrier-

einem im Ruhezustand sperrenden Schalter (si) baren spulenlosen Bandpaß höheren Grades mit ersetzt ist und daß die Schalter dieser Kondensa- einem eine Tiefpaß- oder Bandpaßcharakteristik auflor-Schalter-Gruppen in einer vorgegebenen Ord- 15 weisenden vorgegebenen Vierpolnetzwerk aus Gyranung nacheinander unter Anwendung des an toren und Kondensatoren.

iich bekannnten »N-Pfad-Prinzips« im Rhythmus Bei der Integration von Filterschaltungen muß auf

der Frequenz (J_T) eines Taktsignals gesteuert sind. die Realisierung von Induktivitäten mit Hilfe von

2. Bandpaß nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Spulen verzichtet werden, da sich Spulen in integrierleichnet, daß das Vierpolgrundnetzwerk (V) mit 20 ter Technik nur sehr schwierig herstellen lassen. Jnseiner Übertragungsfunktion und die Frequenz duktivitäten lassen sich durch kapazitiv belastete Gy- (J_T) des Taktsignals so aufeinander abgestimmt ratoren ersetzen. Auch können aktive Gyratoren ansind, daß die Übertragungsfunktion bereits bei der gegeben werden, die neben Widerständen und K011-halben Frequenz (/_r) des Taktsignals und höhe- densatoren lediglich Transistoren aufweisen, also für ren Frequenzen ausreichend abgeklungen ist. 25 eine Herstellung in integrierter Technik geeignet sind.

3. Bandpaß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Mit Reaktanzen aufgebaute Filter beliebiger Strukgekennzeichnet, daß jede Kondensator-Schalter- tür lassen sich also grundsätzlich mit Kondensatoren Gruppe des Vierpolnetzwerks (V, V", V") eine und Gyratoren verwirklichen und damit leicht in gleiche Anzahl Parallekweige aufweist. integrierter Technik fertigen. Wie einschlägige Unter-

4. Bandpaß nach einem der vorhergehenden 30 sucliungen ergeben, ist es um so schwieriger, die Pole Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei und Nullstellen des für ein solches Filter vorgegebe- und mehr Vierpolnetzwerke (Vl . . . Vn) ge- nen Übertragungsfaktors im vorgeschriebenen Umgebenenfalls über Trennverstärker (TV 1...TVn) fang festzulegen, je größer der Aufwand an Gyratoin Kette geschaltet sind (F i g. 5). ren ist.

5. Bandpaß nach Anspruch 4, dadurch gekenn- 35 Bandpässe in integrierter Technik lassen sich unter zeichnet, daß jede Kondensator-Schalter-Gruppe Verzicht auf Gyratoren mittels sogenannter »N-Pfadsämtlicher Vierpolnetzwerke (V, V". V") die filter* realisieren, die außer Modulatoren lediglich gleiche Anzahl von Parallelzweigen hat. Überfagungsvierpole mit Tiefpaßcharakteristik be-

6. Bandpaß nach Anspruch 4 oder 5, dadurch nötigen, die in bekannter KC-Technik ausgeführt gekennzeichnet, daß die in Kette geschalteten 40 sein können. Ein solches Filter besteht im wesent-Vierpolnetzwtrke eine aus gleichen Gliedern auf- liehen aus mehreren, beispielsweise drei, gleichen gebaute Kettenschaltung sind. Pfaden, die eingangsseitig unmittelbar und ausgangs-

7. Bandpaß nach einem der vorhergehenden seitig über ein Summierglied einander parallel geAnsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schaltet sind. Jeder Pfad weist einen die gewünschte Vierpolnetzwerk (V) aus einem Gyrator (G) mit 45 Übertragungsfunktion aufweisenden Vierpol, beifcwei Kondensator-Schalter-Gruppen besteht, die spielsweise ein Tiefpaß, auf, dem eingangsseitig ein jeweils einem der beiden Gyratoranschlußpaare erster Modulator vor- und ausgangsseitig ein zweiter parallel geschaltet sind (Fig. 3, Fig. 4). Modulator nachgeschaltet sind. Die Modulatoren

8. Bandpaß nach Anspruch 7, dadurch gekenn- eines Pfades, die im einfachsten Falle gesteuerte Zeichnet, daß der Gyrator ein verlustbehafteter 50 Schalter sein können, werden gleichzeitig im Rhyth-Gyrator (C), eine in vorgegebener Weise rück- mus einer Taktfrequenz während einer Zeit geschlosgekoppelte Transistorstufe, ein sogenannter sen, die gleich der durch die Anzahl der Pfade ge- »Reaktanztransistor« ist (F i g. 4). teilten Taktperiode ist. Die Taktfrequenz ist für die

9. Bandpaß nach einem der Ansprüche 1 bis 6, Schalter sämtlicher Pfade gleich, jedoch unterscheidadurch gekennzeichnet, daß das Vierpolnetzwerk 55 den sich die Taktsignale — drei und mehr Pfade vor-(K") ein π-Glied ist, dessen beide Querzweige je- ausgesetzt — voneinander durch eine Phasenverwu'iiaus einer Kondensator-Schalter-Gruppe be- Schiebung derart, daß das eingangsseitig zugeführte Stehen und dessen Längszweig von einem halb- Signal während einer Taktperiode nacheinander in schwimmenden, von einer weiteren Kondensator- gleichlangen Zeitabschnitten über sämtliche Pfade Schalter-Gruppe kapazitiv belasteten Gyrator 60 zum Filterausgang übertragen wird. Die Modulation (G'") gebildet ist (F i g. 6). des Signals in den ersten Modulatoren liefer· unter

10. Bandpaß nach einem der Ansprüche 1 anderem eine Schwingung mit der Differenzfrequenz bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Vierpol- aus der Signalfrequenz und der Taktfrequenz, die mit netzwerk (V") aus zwei in Kette geschalteten Gy- Hilfe der Tiefpässe ausgesiebt und den zweiten Moratoren (Gl, G 2) und vier Kondensator-Schalter- 65 dulatoren zugeführt wird, die hieraus unter anderem Gruppen besteht, von denen die erste dem freien Schwingungen mit der Signal frequenz und der als Anschlußpaar des einen Gyrators (G 1), die zweite Spiegelfrequenz bezeichneten Differenz der Signaldem freien Anschlußpaar des anderen Gyrators schwingung und der doppelten Taktfrequenz ableiten

und dieses an ihren Ausgängen auftretende Gemisch die Übertragungsfunktion des Vierpolnetzwerkes be-

4em Summierglied zuführen. Wie sich leicht zeigen reits bei der halben Frequenz des Taktsignals und

läßt, führt diese doppelte Umsetzung in Verbindung höheren Frequenzen ausreichend abgeklungen ist.

mit den Tiefpässen zu einer Bandfilterstruktur im Be- Besonders einfach gestalten sich die Verhältnisse,

reich der Signalfrequenz, die bei geeigneter Wahl der 5 wenn jede Kondensator-Schalter-Gruppe des Vier-

Taktfrequenz und der Grenzfrequenz der Tiefpässe polnetzwerks eine gleiche Anzahl Parallelzweige auf-

bei relativ hohen Frequenzen eine sehr kleine Band- weist.

breite aufweisen kann. Die gegeneinander phasen- I_n Analogie zur klassischen Filtertechnik können

verschoben gesteuerten Modulatoren bzw. Schalter zwei und mehr Vierpolnetzwarke gegebenenfalls über

bewirken darüber hinaus — gleiche Übertragungs- io Trennverstärker in Kette geschaltet werden. Auch

eigenschaften der verschiedenen Pfade vorausgesetzt— hier ergeben sich besonders günstige Verhältnisse,

eine Unterdrückung von Schwingungen mit der wenn jede Kondensator-Schalter-Gruppe sämtlicher

Spiegelfrequenz. Vierpolnetzwerke die gleiche Anzahl von Parallel-

Abgesehen davon, daß es für ein N-Pfadfilter der zweigen hai. Auch läßt sich die Übersichtlichkeit

geschilderten Art äquivalente Schaltungen gibt, die 15 über eine solche Filterkette dadurch steigern, daß die

einen wesentlich einfacheren Aufbau haben, beispiels- in Kette geschalteten Vierpolnetzwerke eine aus

weise pro Pfad mit einem Schalter auskommen und gleichen Gliedern aufgebaute Kettenschaltung dar-

daboi die Schalter einpolig auf Bezugspotential gelegt stellen.

sein können, bereitet es auch hier erhebl^:che Schwie- Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird

rigkeiten, mit solchen Anordnungen Bandfilter höhe- 20 zur Realisierung eines Bandpasses höheren Grades

ren Grades zu realisieren. Eine bereits vorgeschlagene nach der Erfindung von einem Vierpolgrundnetzwerk,

Lösung für den Aufbau eines N-Pfadfilters mit einer und zwar einem Tiefpaß zweiten Grades, ausgegan-

zwei konjugiert komplexe Polpaare aufweisenden gen, der aus einem Gyrator und zwei Kondensatoren

Übertragungsfunktion, die zwischenzeitlich in der besteht, die jeweils einem der beiden Gyratoranschluß-

Literaturstelle »Frequenz« Nr. 22, 1968, Heft 3, S. 90 25 paare parallel geschaltet sind. Dieses Vierpolgrund-

bis 95, veröffentlicht worden ist, weist zwei in Kette netzwerk zeichnet sich dadurch aus, daß hier der

geschaltete Bandpässe ersten Grades, und zwar zwei Gyrator nicht ausschließlich zur Realisierung einer

N-Pfad-Netzwerke vom Parallelschaltertyp auf, bei Induktivität herangezogen ist, sondern daß gleicli-

denen mittels eines Operationsverstärkers eine Rück- zeitig seine Übertragungseigenschaften unmittelbar in

kopplung durchgeführt wird. 30 die Übertragungsfunktion dieses Vierpolgrundnetz-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für werkes mit einbezogen sind. Neben dem einfachen

einen integrierbaren spulenlosen Bandpaß höheren Aufbau dieses Vierpolgrundnetzwerkes, der sich in

Grades eine weitere Lösung anzugeben, die einerseits gleicher Weise günstig auf das hieraus abgeleitete

für eine vielfältige Gestaltung Raum gibt und Vierpolnetzwerk mit Kondensator-Schalter-Gruppen

andererseits bei der Realisierung einer gewünschten 35 auswirkt, hat dieses Netzwerk den Vorteil, daß der

Übertragungsfunktion relativ wenig Schwierigkeiten Gyrator im allgemeinen verlustbehaftet sein kann,

bereitet. weil hier die Verluste in einfacher Weise in den ein-

Für einen integrierbaren spulenlosen Bandpaß gangsseitigen Innenwiderstand der Signalquelle und

höheren Grades wird diese Aufgabe gemäß der Er- in den ausgangsseiligen Verbraucher mit einbezogen findung dadurch gelöst, daß sämtliche im Vierpol- 40 werden können.

netzwerk vorkommenden Kondensatoren durch die Der verlustbehaftete Gyrator kann in einfacher

drei- oder mehrfache, im allgemeinen η-fache Schal- Weise eine besonders bemessene rückgekoppelte

t ng der Reihenschaltung eines Kondensators mit Transistorstufe, ein sogenannter »Reaktanztransistor«

ei.icm im Ruhezustand sperrenden Schalter ersetzt ist sein.

und daß die Schalter dieser Kondensjior-Schalter- 45 An Hand von in der Zeichnung dargestellten AusGruppen in einer vorgegebenen Ordnung nachein- führungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden ander unter Anwendung des an sich bekannten noch näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt »N-Pfad-Prinzips« im Rhythmus der Frequenz eines F i g. I eine schematische Darstellung der Erfin-Taktsignals gesteuert sind. dung,

Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zu- 50 F i g. 2 ein einen Tiefpaß zweiten Grades darstcl-

grunde, daß die Anwendung des N-Pfad-Prinzips auf lendes Vierpolgrundnetzwerk,

mit Kondensator und Gyratoren aufgebaute Filter- F i g. 3 ein aus dem Vierpolgrundnetzwerk nach

grundglieder zu Bandpässen höheren Grades führt, F i g. 2 abgeleitetes Vierpolnetzwerk nach der Erfin-

also Filtern, deren Übertragungsfunktion zwei kon- dung,

jugiert komplexe Polpaare und mehr aufweist, die 55 F i g. 4 ein nähere Schaltungseinzelheiten angeben-

mit einem Minimum an Gyratoren auskommen. Die des Vierpolnetzwerk nach F i g. 3,

Erfindung überwindet somit ganz allgemein gerade F i g. 5 ein Blockschaltbild einer Kettenschaltung

die Schwierigkeiten, die bisher der Verwirklichung von Vierpolnetzwerken nach der Erfindung,

von Filtern, insbesondere Bandpässen höheren Gra- F i g. 6 ein weiteres Vierpolnetzwerk nach der Erdes mit steilen Flanken mit Kondensatoren und 60 findung,

Gyratoren entgegenstanden. F i g. 7 ein weiteres Vierpolnetzwerk nach der Er-

Im Hinblick darauf, daß bei Anwendung des findung.

N-Pfad-Prinzips eine Fülle von Modulationsproduk- In F i g. 1 ist auf der linken Seite ein Vierpolgrundten auftreten, deren Frequenzen schwerpunktmäßig netzwerk V dargestellt, das mit Kondensatoren C und oberhalb der halben Frequenz des Taktsignals lie- 6₅ Gyratoren G aufgebaut ist und eine beliebige Tiefpaßgen, ist es sinnvoll, die Frequenz des Taktsignals oder Bandpaßübertragungsfunktion haben kann. Das einerseits und die Übertragungsfunktion des Vierpol- Vierpolgrundnetzwerk V wird eingangsseitig von erundnetzwerkes so aufeinander abzustimmen, daß einer Signalquelle Sig mit dem Innenwiderstand Ri

gespeist und ist ausgangsseitig mit einem Verbrau- zitiver Belastung seines Ausgangs eine induktive eher RL abgeschlossen. Gemäß der Erfindung wird Komponente der Eingangsimpedanz von der Größe ein solches Vierpolgrundnetzwerk in ein Vierpolnetz- p-R\ R2-C2 auf. Hierin bedeuten ρ die komwerk V mit einer Bandpaßcharakteristik höheren plcxe Kreisfrequenz, R ί der den Kollektor des Tran-Grades übergeleitet, das jeder Kondensator C des 5 sistors Tr mit seiner Basis verbindenden Widerstand, Vierpolgrundnetzwerkes V durch eine Kondensator- Rl der Widerstand in der Emitterzuleitung des Tran-Schalter-Gruppe, bestehend aus der Parallelschaltung sistors und C2 einer der Kondensatoren der ausder Reihenschaltungen der Kondensatoren Cl, Cl gangsscitigen Kondensator-Schalter-Gruppe C21, ... Cn mit den steuerbaren Schaltern si. sl'...sn CIl, ClS. Das Auftreten dieser induktiven Einersetzt wird. Die Kondensatoren Cl, C2 ... Cn sind io gangsimpedanz setzt allerdings die Erfüllung zweier unter sich gleich und haben zweckmäßigerweise den Randbedingungen voraus, und zwar muß erstens der Kapazitätswert des sie ersetzenden Kondensators C Widerstand R1 sehr groß gegen den kapazitiven im Vierpolgrundnetzwerk V. Die Schalter si, s2 Widerstand des Kondensators C 2 und zweitens die ... sn werden, wie bereits einleitend im Zusammen- ausgangsseitige Spannung Ul des Transistors Tr sehr hang mit der Beschreibung eines N-Pfad-Filters er- 15 groß gegen seine Eingangsspannung Vl sein. Ein läutert worden ist, von einem Taktsignal mit der Frc- solcher mit einem einzigen Transistor Tr aufgebauter quenz/r gesteuert, und zwar so, daß die einzelnen Gyrator G' läßt sich nicht verlustlos verwirklichen. Schalter während einer Periode des Taktsignals nach- Die Verluste sind in Form von nicht näher bezeich-, einander für unmittelbar aneinander anschließende neten Widerständen in unterbrochener Linie parallel gleiche Zeitabschnitte die Kondensatoren Cl, C2 ao zum Ein-und Ausgang des Transistors in F i g. 4 an-... Cn durchschalten. Dies gilt unabhängig von der gegeben. Da hier die dem Vierpolnetzwerk V einAnzahl der Parallelzweige, wenn nur von wenig- gangsseitig zugeführte Energie zum Ausgang hin über stens drei Parallelzweigen je Kondensator-Schalter- den Gyrator hinweg übertragen wird, ist es möglich. Gruppe Gebrauch gemacht wird. Die unterschiedliche diese Verlustwiderstände jeweils in die Abschluß-Phase des die Frequenz fT aufweisenden Taktsignals 25 widerstände des Vierpolnetzwerks einzubeziehen und ist an den einzelnen Steuereingängen der Schalter il, sie auf diese Weise in ihrer Wirksamkeit auf die sZ.. .sn nach Fig. 1 und in entsprechender Weise Übertragungseigenschaften des Netzwerkes zu elimian den Steuereingängen der Schalter nach Fi g. 3, 4, nieren.

6 und 7 durch die mit einem Index 1, 2 ... η ver- Die Vierpolnetzwerke V nach den Fig. 3 und 4,

sehene Frequenz fT zum Ausdruck gebracht. 30 wie auch die noch zu beschreibenden Vierpolnetz-

In Fig. 2 ist ein besonders einfaches Vierpol- werke V", V" nach Fig. 6 und 7, lassen sich zur grundnetzwerk V angegeben, das im wesentlichen Realisierung versteuerter Bandpässe in Kette schalaus einem Gyrator G besteht, dem eingangsseitig ein ten. Der einfachste Fall einer Kettenschaltung liegt Kondensator C1 und ausgangsseitig ein Kondensator dann vor, wenn gleiche Vierpolnetzwerke, beispiels-C 2 parallel geschaltet ist. Der Kondensator C 2 er- 35 weise das Vierpolnetzwerk V, mehrfach in Kette gescheint eingangsseitig als Serieninduktivität. Ent- schaltet werden. Für manche Anwendungsfälle, bei sprechendes gilt hinsichtlich des Kondensators C1 denen von verlustlosen Gyratoren Gebrauch gemacht von der Ausgangsseite her gesehen. Ein solches Ge- wird, besteht die Möglichkeit, diese Kettenschaltung bilde stellt einen Tiefpaß zweiten Grades dar, der, unmittelbar vorzunehmen. Bei der Kettenschaltung wie Fig. 3 erkennen läßt, in einfacher Weise dadurch 40 eines Vierpolnetzwerks V" nach Fig. 4 empfiehlt es in ein Vierpolnetzwerk \" nach der Erfindung um- sich, zwischen die aufeinanderfolgenden Stufen Vl, gewandelt werden kann, daß die Kondensatoren Cl V2 ... Vn, wie das in Fig. 5 angegeben ist, Trenn- und C2 jeweils durch eine Kondensator-Schalter- verstärker TVX, TV2... TVn-I vorzusehen. Auf Gruppe ersetzt werden. Beim Ausführungsbeispiel diese Weise lassen sich dann die Verlustwiderstände nach Fig. 3 wie auch beim Ausführungsbeispiel nach 45 der Gyratoren sämtlicher Stufen in ihrer Wirkung F i g. 4, 6 und 7 ist der Einfachheit halber jede Kon- auf die Übertragungsfunktion des Filters eliminieren. densator-Schalter-Gruppe mit drei Parallelzweigen Das in Fig. 6 angegebene Vierpolnetzwerk V" dargestellt. Anstelle von drei Parallelzweigen kann macht ebenfalls von einem einen Tiefpaß darstellenjede Kondensator-Schalter-Gruppe natürlich auch mit den Vierpolgrundnetzwerk Gebrauch, und zwar stellt mehr als drei Parallelzweigen realisiert sein. Um den so dieses Vierpolgrundnetzwerk ein -j-Glied mit zwei Zusammenhang zwischen den F i g. 2 und 3 noch Kondensatoren in den Querzweigen und einer Indeutlicher hervortreten zulassen, sind die den Kon- duktivität im Längszweig dar. Diese Induktivität is! densator Cl ersetzenden Kondensatoren mit CIl, durch einen kapazitiv beiasteten halbschwimmender C12, C13 und die zugehörigen Schalter mit siI, Gyrator G" realisiert. Wie Fi g. 6 erkennen läßt, sind $12, s\i bezeichnet. Entsprechend haben die den 55 die beiden Querkondensatoren des Λ-Gliedes durcl· Kondensator C 2 ersetzenden Kondensatoren der zwei Kondensator-Schalter-Gruppen mit den Kon-Kondensator-Schalter-Gruppe die Bezeichnungen dentaleren CIl, C12, C13 uad C21, C22, C23 C21, C22, C23. Die zugehörigen Schalter s sind mit und den Schaltern ill, sI2, sI3 and sll, s22, s22 den gleichen Indizes versehen. ersetzt. In gleicher Weise ist auf der Ausgangsseitc

Wie bereits erwähnt worden ist, kann der Gyra- 60 des Gyrators G" eine dritte Kondensator-Schalter

tor G des Bandpasses nach Fi g. 3, der hierbei von Gruppe mit den Kondensatoren C31, C 32, C33 unc

viertem Grade ist, verlustbehaftct sein, ohne daß die den Schaltern s3I, $32, s33 vorgesehen. Das Vier

gewünschte Übertragungsfunktion davon beeinflußt polnetzwerk V" nach F i g. 6 stellt einen Bandpat

sein muß. In Fig. 4, deren Vierpolnetzwerk V dem sechsten Grades dar.

nach F i g. 3 entspricht, ist der Gyrator, der hier mit 65 Einen versteuerten Bandpaß vom sechsten Gra(

G" bezeichnet ist, mit Hilfe eines ruckgekoppelten zeigt das Vierpolnetzwerk nach F i g. 7. Hier win

Transistors Tr verwirklicht. Wie sich leicht zeigen von einem integrierbaren Vierpolnetzwerk ausgegan

läßt, weist ein solcher »Reaktanztransistor« bei kapa- gen, dessen äquivalente Schaltung ein .-τ-Glied mi

zwei Kondensatoren in den Querzweigen und einem Parallelresonanzkreis im Längszweig ist. Das Vierpolnetzwerk V" besteht aus der Kettenschaltung zweier Gyratoren Gl und Gl, von denen dem Gyrator Gl dngangsseitig eine erste Kondensator-Schalter-Gruppe und dem Gyrator Gl ausgangsseitig eine zweite Kondensator-Schalter-Gruppe parallel geschaltet ist. Die beiden Kondensator-Schalter-Gruppen entsprechend den beiden Kondensator-Schalter-Gruppen parallel dem Ein- und Ausgang des Vierpolnetz-

Werkes V" nach F i g. 6 und sind hinsichtlich ihrer Kondensatoren und Schaller mit den gleichen Indizes versehen. Eine dritte Kondensator-Schalter-Gruppe mit den Kondensatoren C41, C 42, C43 und den Schaltern $41, s42, s43 ist den miteinander verbundenen Anschlußpaaren der Gyratoren Gl₁ G 2 parallel geschaltet. Eine vierte Kondensator-Schalter-Gruppe mit den Kondensatoren CSl, CSl, C53 und den Schaltern s51, sSl, sS3 überbrückt die Ketten-ίο schaltung der beiden Gyratoren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

(G 2) und die dritte den miteinander verbundenen Patentansprüche: Anschlußpaaien der beiden Gyratoren parallel geschaltet ist, wahrend die vierte die Kettenschal-

1. Integrierbarer spulenloser Bandpaß höheren tung der beiden Gyratoren (G 1, Gl) überbrückt Grades mit einem eine Tiefpaß- odei Bandpaß- 5 (Fig. 7),

charakteristik aufweisenden vorgegebenen Vierpolnetzwerk aus Gyratoren und Kondensatoren,

dadurch gekennzeichnet, daß samt- ■