DE2446688A1

DE2446688A1 - Filternetzwerk

Info

Publication number: DE2446688A1
Application number: DE19742446688
Authority: DE
Inventors: John Mortimer Rollett; David Richard Wise
Original assignee: Post Office
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1973-10-01
Filing date: 1974-09-30
Publication date: 1975-04-17
Also published as: DE2446688B2; US3936777A; NL168668B; DE2446688C3; NL168668C; CA1011411A; FR2247018B1; JPS5065155A; FR2247018A1; NL7412912A; GB1442163A

Description

-^ΪΓ·

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41-23.254p ' 30. 9· 1974

THE POST OFFICE, London (Großbritannien)

Filternetzwerk

Die Erfindung betrifft ein Filternetzwerk, insbesondere ein Filter netzwerk mit aktiven Gliedern, das in Tiefpaß- und Bandpaß-Filternetzwerk-Schaltungsanordnungen verwendbar ist.

Oft ist es unerwünscht, in mikroelektronischen Schaltungsanordnungen Spulen zu verwenden, weshalb Schaltungsanordnungen mit lediglich ohm sehen, kapazitiven und aktiven Bauelementen zum Nachbilden von Induktivitäten verwendet werden. Bei Tiefpaß- und anderen Filternetzwerken ist es oft notwendig, erdfreie oder ungeerdete (floatende)

41-(82 819)-Me-r (7)

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Induktivitäten, d. h. Induktivitäten, deren Anschlüsse nicht geerdet sind, zu verwenden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine aktive Schaltungsanordnung vorzusehen, die ohmsche Widerstände, Kapazitäten und Verstärker zum Nachbilden von Induktivitäten verwendet, und sie so aufzubauen, daß sie als erdfreie Induktivität oder als erdfreie und geerdete Induktivität in Filternetzwerken verwendbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen ersten Verstärker und einen zweiten Verstärker, deren jeder eine Gesamtverstärkung von im wesentlichen gleich Eins, sowie deren jeder einen Eingang und einen Ausgang besitzt, die mittels eines Seriennetzwerks mit einem ohmschen und einem kapazitiven Impedanzbauelement und einem Verbindungspunkt zwischen den Bauelementen verbunden sind, wobei das Produkt der Werte des ohmschen Widerstands und der Kapazität der Bauelemente im Seriennetzwerk für den ersten und den zweiten Verstärker gleich ist und die Bauteil-Anordnung symmetrisch um ein erstes nichtinduktives Koppelbauelement ist, das die Verbindung spunkte in den Seriennetzwerken des ersten und des zweiten Verstärkers verbindet.

Bisher wurden als aktive Netzwerke zum Nachbilden reiner erdfreier Induktivitäten Netzwerke verwendet, die vier Operationsverstärker aufweisen.

Bei der Erfindung enthält das aktive Netzwerk lediglich zwei Verstärker mit im wesentlichen der Verstärkung Eins, um eine erdfreie

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verlustbehaftete Induktivität vorzusehen- Die bei der Erfindung verwendeten Verstärker mit Einheits-Verstärkung (Verstärkung Eins) können durch hochverstärkende Operationsverstärker mit einer Gegenkopplung von 100 °/o, um eine Gesamtverstärkung Eins zu ergeben, gebildet werden. Die Verstärker können gleichwertig auch Spannungsfolger sein, wie ein Emitterfolger oder ein Mehrfach-Enaitterfolger-.

Vorzugsweise besteht bei einigen Anwendungen der Erfindung zur Verbesserung der Güte Q der Schaltung das erste nidhtinduktive Koppelbauteil aus einem ohm sehen "Widerstand mit einer Impedanz, die wesentlich größer ist als die Impedanzsumme der ohmsdhen ■Widerstandsbauelemente des Seriennetzwerks. ,Das Eingangssignal in die Schaltung kann über einen Eingangs ans chluß direkt auf den Eingang eines der Verstärker oder über eines der Bauelemente in einem der Seriennetzwerke gegeben werden. Die Schaltung kann eine erdfreie vertastbehaftete Induktivität nachbilden oder durch Ersetzen der ohm sehen "Widerstände

durch kapazitive Widerstände und umgekehrt ein ve-rlrustbehaftetes l/s Impedanzbauteil, mit s = variable_: komplexe Frequenz, wobei die Verluste von Serien- und/oder Earallelkapazitäten gebildet sind, statt von ohm sehen Widerständen wie bei den erdfreieia Induktivitäten»

Gemäß einem besonderen Ausführung sbeispiei ist es vorteilhaft,, daß das Filternetzwerk gekennzeichnet ist durch ein Eiaigangstor und ein Ausgangstor, zwischen denen die Schaltungsanordnung symmetrisch gekoppelt ist, wobei das Eingangstor an eine Signalquelle und das Ausgang st or an eine Wellentypimpedanz ankoppelbar ist; ein zweites und ein drittes nichtinduktives Bauelement, die über das Eingangstor bzwdas Ausgangstor des Filternetzwerks geschaltet sind., und ein viertes

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nichtinduktives Bauelement in Serie zwischen einem Eingangsanschluß des Eingangstors und einem Ausgangsanschluß des Ausgangstors

Vorzugsweise sind zweites, drittes und viertes nichtinduktives Bauelement Kapazitäten, die so angeordnet und so dimensioniert sind, daß das Filternetzwerk ein Tiefpaß-Filternetzwerk bildet.

Wenn erforderlich, können zwei erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen miteinander verbunden werden, in denen einer der Verstärker einer der Schaltungsanordnungen gemeinsam gemacht wird, d. h. mit der anderen Schaltungsanordnung geteilt wird«

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen;

Fig. leine erste Schaltungsanordnung einer erdfreien verlustbehafteten induktivität,

Fig. 2 die Ersatzschaltung der Fig. 1,

Fig. 3 eine zweite Schaltungsanordnung zur Nachbildung einer erdfreien verlustbehafteten Induktivität,

Fig. 4 die Ersatzschaltung der Fig. 3,

Fig. 5 ein Schaltbild eines Tiefpaßfilters mit dem Netzwerk der Fig. 1,

Fig. 6 die Ersatzschaltung des Filternetzwerks der Fig. 5,

98 16/0/68

Fig. 7 ein il -Widerstandsnetzwerk (ohmsche Widerstände),

Fig. 8 ein dem ohmschen Widerstandsnetzwerk der Fig. 7 entsprechendes verlustbehaftetes Induktivitätsnetzwerk mit dem aktiven Netzwerk der Fig. 1,

Ti

Fig. 9 ein gleichwertiges verlustbehaftetes Induktivitätsnetzwerk für die Fig. 7 mit dem aktiven Netzwerk der Fig. 3,

Fig. 10 ein weiteres ohmsches Widerstandsnetzwerk,

Fig. 11 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit dem ohmschen W iderstandsnetzwerk der Fig. 10,

Fig. 12 die Ersatzschaltung der Fig. 11, °

Fig. 13 ein "pseudo-elliptisches" Tiefpaßfilter dritter Ordnung, Fig. 14 die Ersatzschaltung der Fig. 13, Fig. 15 ein "pseudo-elliptisches" Tiefpaßfilter fünfter Ordnung, Fig. 16 die Ersatzschaltung der Fig. 15, Fig. 17 ein "pseudo-elliptisches" Bandpaßfilter sechster Ordnung, Fig. 18 die Ersatzschaltung der Fig. 17, Fig. 19 zwei erdfreie Induktivitäten gemäß der Erfindung,

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Fig. 20 eine Koppelmöglichkeit zwischen den beiden erdfreien Induktivitäten der Fig. 19,

Fig. 21 die Ersatzschaltung der Fig. 20,

Fig · 22 eine Schaltung zur Nachbildung eines Netzwerks aus verlustbehafteten Induktivitäten,

Fig. 23 die Ersatzschaltung der Fig. 22.

In der Zeichnung sind zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben, und diese Ausführungsbeispiele werden auf mehrere Netzwerke angewendet, um die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung darzustellen.

Die Fig. 1 zeigt eine symmetrische Schaltungsanordnung, die als erdfreie verlustbehaftete Induktivität wirkt. Jede Hälfte der Anordnung besteht aus Anschlüssen 1, 2, einem Verstärker 3, einem ohmschen Widerstand 4 und einer Kapazität 5. Die Bauelemente der rechten Seite der symmetrischen Anordnung sind mit denselben Bezugszeichen plus einem Strich versehen. Die Verbindungsstellen oder -punkte zwischen der Kapazität 5 bzw - 5' und dem Eingang des Verstärkers 3 bzw. 3¹ beider Hälften der Anordnung sind über einen ohmschen Widerstand 6 verbunden. Die Fig. 2 zeigt die Äquivalenz- oder Ersatzschaltung der Fig. 1, bei der der verbindende ohmsche Widerstand 6 parallel zu einer verlustbehafteten Induktivität liegt, die durch eine Induktivität 7 und einen ohmschen Widerstand 8 in Serie dargestellt ist. Die Verstärker 3, 3' haben eine Gesamtverstärkung, die im wesentlichen gleich Eins ist. Die Verstärker 3, 3' haben eine vernach-

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lässigbar kleine Eingangsadmittanz (Scheinleitwert) und eine vernachlässigbar kleine Ausgangsimpedanz (Scheinwiderstand). Vorzugsweise bestehen die Verstärker aus hochverstärkenden Operationsverstärkern mit lOOprozentiger Gegenkopplung, oder auch aus Emitter- oder Mehrfachemitterfolgerschaltungen. Damit die Anordnung als eine erdfreie verlustbehaftete Induktivität wirkt, ist es notwendig, daß

(D

mit R = Wider stands wert des ohm sehen Widerstands 4,

R = Wider stands wert des ohm sehen Widerstands 4',

2 f

C = Kapazitätswert der Kapazität 5,

C = Kapazitätswert der Kapazität 5'.

Wenn in der Fig. 2 die Induktivität 7 den Induktivitätswert L , der ohmsche Widerstand 8 con Widerstandswert R und der verbindende ohmsche Widerstand 6 den Widerstandswert R besitzt, dann gilt:

_L . oV* U)

ι 1-(R₁ + R)A

_{1 2}

«3 - 1(R +R)ZR ⁽³⁾

Wenn R viel größer als (R + R₉) gewählt wird, dann ergeben sich die Ersatzinduktivität 7 und der ohmsche Serienwiderstand 8 ungefähr zu:

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(4)

K₁ ♦ B₂ (5)

Im allgemeinen ist es erwünscht, den ohm sehen Serienwiderstand R so weit wie m öglich zu verringern und den ohmschen Parallelwiderstand R so weit wie möglich zu erhöhen, um die Verluste der verlustbehafteten Induktivität zu verringern und ihre wirksame Güte Q zu erhöhen. Offensichtlich kann dies erreicht werden, indem R und R

JL £

so weit wie möglich verringert und R so weit wie möglich erhöht werden.

Die Schaltung eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Anordnung der Fig. 3 ist wieder symmetrisch um den verbindenden ohmschen Widerstand 6, und jede Hälfte der Anordnung enthält einen Verstärker 3 bzw. 3¹, einen ohmschen Widerstand 4 bzw. 4¹ und eine Kapazität 5 bzw. 5', wie in Fig. 1. In Fig. 3 ist der verbindende ohmsche Widerstand 6 zwischen die Verbindung spunkte zwischen dem ohmschen Widerstand 4 und der Kapazität 5 bzw. dem ohmschen Widerstand 4' und der Kapazität 5' gekoppelt. Die Ersatzschaltung der Fig. 3 ist in Fig. 4 dargestellt, die aus einer Induktivität 9 mit einem Induktivitätswert L₉ und einem ohmsehen Widerstand 10 mit einem Widerstandswert R in Serie besteht.

Vorausgesetzt, daß die Gleichung (l) für die Anordnung der Fig. 3 gilt, verhält sich die Schaltung als erdfreie verlustbehaftete Induktivität, bei der (gemäß der Ersatzschaltung in Fig. 4) gilt:

L₂ = R₀R₁C₁,- (6)

R₄ = R_{0 +} R_{1 +} R₂ (7)

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Die beiden Schaltungen der Fig. 1 und 3 können verwendet werden zum Vorsehen einer erdfreien Induktivität in Schaltungen, die eine Induktivität mit Verlusten zulassen, oder in Schaltungen, die insbesondere für spezifische Verlustwerte in Zusammenhang mit erdfreien Induktivitäten entwickelt sind.

Ein Beispiel eines Filternetzwerks, das die Schaltung der Fig. 1 verwendet, ist in Fig. 5 dargestellt, die eine als "pseudo-elliptisches" Tiefpaßfilter dritter Ordnung geeignete Schaltung zeigt. Die Ersatzschaltung ist in Fig. 6 dargestellt.

Das in Fig. 5 gezeigte Tiefpaßfilter enthält eine, wie in Fig. 1 dargestellte und die gleichen Bezugszeichen aufweisende, erdfreie verlustbehaftete Induktivität unter Hinzufügen einer Kapazität 11, die zwischen die Verbindungspunkte zwischen den ohm sehen Widerständen 4 bzw. 4' und den Kapazitäten 5 bzw. 5' angeschlossen ist. Eine Kapazität 12 ist zwischen den Eingangsanschlüssen 1 und 2 und eine Kapazität 13 ist zwischen den anderen Ausgangsanschlüssen 1' und 2' angeschlossen. Ein ohm scher Widerstand 14 koppelt das Filter an eine Signalquelle 15, und ein Lastwiderstand 16 ist zwischen die Anschlüsse 1' und 2' geschaltet.

Die in der Fig. 5 dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 hinzugefügten Zusatzbauelemente haben folgende Werte:

Kapazität 11 = C ;
Kapazität 12 = C ;

Kapazität 13 = C :

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ohm scher Widerstand 14 = R :

ohm scher Widerstand 16 = R .

Die Werte der Bauelemente des Filternetzwerks sind vorzugsweise so berechnet, daß die Wirkungen der mit der Induktivität zusammenhängenden Verluste eintreten können. Die ohmschen Widerstände R und

R sind der Quellen- bzw. der Lastwiderstand. J

Beide beschriebenen Schaltungen (Fig. 1 und Fig. 3) können zum Umwandeln eines Widerstandsnetzwerks in Netzwerke verlustbehafteter Induktivitäten verwendet werden durch Anschließen ohmscher Zusatzwiderstände an die Anschlüsse des ohmschen Widerstands R , sowohl

in Fig. 1 als auch in Fig. 3. Wenn beispielsweise, wie in Fig. 7 dargestellt, geerdete ohmsche Zusatzwiderstände 17, 18 mit Widerstandswerten R bzw. R. an die Anschlüsse von R in Fig. 1 angeschlossen sind, um das // -Widerstandsnetzwerk der Fig. 7 zu ergeben, dann sieht die Ersatzschaltung des sich ergebenden Netzwerks wie in Fig. dargestellt aus. Ähnlich sieht, wenn die in Fig. 7 gezeigte Änderung in die Fig. 3 eingeführt wird, die Ersatzschaltung des Ergebnisses wie in Fig. 9 dargestellt aus. Die in dem entsprechenden Netzwerk in Fig. 9 gebildeten Verlustbehafteten Induktivitäten sind im Netzwerk der Induktivitäten 19, 20, 21. Diese Induktivitäten haben Induktivitätswerte, die entsprechen: R R₁C.,, RRC bzw. R,R.C₁. Diese Induktivitäten

ο I I 5 I I 611

sind in Fig. 9 in gleicher Weise bezeichnet.

Kompliziertere ohmsche Widerstandsnetzwerke können durch Verwenden von mindestens drei Verstärkern mit Einheitsverstärkung, die jeweils mit einem ohmschen Widerstand und einer Kapazität verbunden

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sind, in Netzwerke verlustbehafteter Induktivitäten umgeformt werden. Als Beispiel ist in Fig. 10 ein Netzwerk aus fünf ohmschen Widerständen dargestellt. Die Schaltung der Fig. 10 ist ein Brückennetzwerk aus ohmschen Widerständen 22, 23, 24, 25 und einem ohmschen Widerstand 26, der die Verbindungspunkte zwischen den Wider stands zweigen 22, 25 bzw. 23, 24 verbindet. Durch die Anordnung der Fig. 3 und Verwendung dreier Verstärkerstufen zum Vorsehen verlustbehafteter Induktivitäten kann die Schaltung der Fig. 10 in fünf verlustbehaftete Induktivitäten umgeformt werden. Die vollständige Schaltung ist in Fig. 11 und ein genaues Ersatzschaltbild ist in Fig. 12 dargestellt .

Um zwischen den drei Zweigen des in Fig. 11 dargestellten Netzwerks zu unterscheiden, sind die Bezugszeichen der Grundschaltungsanordnung gemäß Fig. 1 mit einem einfachen oder einem doppelten Strich versehen. Die Ersatzschaltung in Fig. 12 enthält Induktivitäten 27, 28, 29, 30, 31, die durch die ohmschen Widerstände 22, 23, 24, 25, 26 verbunden und an Anschlüsse 32, 33, 34 über die ohmschen Widerstände 4, 4' bzw. 4" angeschlossen sind. Die ohmschen Widerstände 22, 23, 24, 25, 26 haben die Widerstandwerte R , R , R , R bzw. R und die Induktivitäten 27, 28, 29, 30, 31 der Fig. 12 haben dann die Induktivitätswerte R R₁C₁, R R₁C₁; R R₁C₁; R₁R₁C₁ bzw.

all eil eil bll

Nun werden Beispiele für Filternetzwerke angegeben, die die Grundschaltung der Fig. 3 und ihre Abwandlungen, wie z. B. die gemäß Fig. II, enthalten. Ähnliche Netzwerke können aus Analogiegründen durch Einfügen der Grundschaltung der Fig. I aufgebaut werden,

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und ein derartiges Filter wurde bereits in Fig. 5 gezeigt, dessen Ersatzschaltung in Fig. 6 wiedergegeben ist.

Die Schaltung der Fig. 13 ist für ein "pseudoelliptisches¹' Tiefpaßfilter dritter Ordnung geeignet. Die Schaltung der Fig. 13 enthält die Grundschaltungsanordnung der Fig. 3 zusammen mit einem ohmschen Widerstand 35, der eine Eingangsfrequenzquelle 36 mit einem · Netzwerk aus Kapazitäten 37$ 38, 39 koppelt. Ein über die Kapazität 39 gekoppelter ohmscher Widerstand 40 kann im Bedarfsfall hinzugefügt werden. Das Ausgangssignal der Schaltung kann entweder von einem Ausgangsanschluß 41 oder von einem Ausgangsanschluß 42 abgenommen werden. Offensichtlich ist, da der Ausgangsanschluß 42 am Ausgang des Operationsverstärkers oder gleichwertig des Emitterfolgers oder der ähnlichen Schaltung direkt entnommen ist, er besonders geeignet, um eine folgende Schaltung mit Leistung (Strom, Spannung) zu versorgen. Offensichtlich puffert er wirksam das Filternetzwerk von der folgenden Schaltung, so daß Änderungen der Lastimpedanz die Wellenbildungseigenschaften des Filters nicht beeinflussen. Diese Tatsache ist ein zusätzlicher Vorteil, der mit vielen mit der Grundschaltung der Fig. 3 aufgebauten Schaltungen erreichbar ist.

Der Einschluß des ohmschen Widerstands 40 trägt zur Verminderung der Empfindlichkeit des Netzwerks bei, unabhängig davon, ob das Ausgangssignal am Anschluß 42 entnommen wird.

An dieser Stelle ist zu erwähnen, daß eine herkömmliche Schaltung zum Vorsehen einer erdfreien Induktivität zu einem Filternetzwerk mit vier Verstärkern führt, und wenn ein vom Filternetzwerk

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gepuffertes Ausgangssignal benötigt wird, werden insgesamt fünf Verstärker notwendig - anstelle der nur zwei bei der Erfindung.

Die Ersatzschaltung der Fig. 13 ist in Fig. 14 dargestellt. Sie enthält einen Pufferverstärker 43, der den gepufferten Ausgangsanschluß 42 angibt. Die Ersatzschaltung enthält eine Induktivität 44 in Serie mit einem ohmschen Widerstand 45. Die Induktivität 44 hat einen Induktivitätswert, der im wesentlichen gleich RRC ist, und der ohmsche Widerstand 45 hat einen Widerstandswert, der im wesentlichen gleich (R + R + R ) ist.

Zwei spezielle Schaltungsbeispiele gemäß der Fig. 13 werden nun angegeben:

Tabelle 1

ohm scher Widerstand 4 und 4' = R = R = 5,477 \αΩ,

ohmscher Widerstand 6 = R = 10,9 5 k£2

ohmscher Widerstand 35 = R = 10,0 kß

kein ohm scher Widerstand 40

Kapazität 5 und 5" = C = C = 44,62 nF

Kapazität 37 = C = 7,802 nF

Kapazität 38 = C = 213,7 pF

Kapazität 39 = C = 636,4 pF

Mit den Werten der Bauelemente gemäß der Tabelle 1 wird ein Tiefpaßfilter- dritter Ordnung gebildet mit einer Durchlaßbereichs-Welligkeit von 1 dB, einer Grenzfrequenz von 3,4 kHz und einer Sperrband-Unterdrückung von 30 dB.

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Mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der Schaltung der Fig. 13 mit Werten der Bauelemente gemäß der folgenden Tabelle 2 wird ein Tiefpaßfilter dritter Ordnung gleicher Eigenschaft wie oben erhalten, jedoch mit geringerer Empfindlichkeit.

Tabelle 2

ohmscher Widerstand 4 und 4" = R = R = 969,2 Ω

X. U

ohmscher Widerstand 6 = R = 1938 Cl

ohmscher Widerstand 35 = R = 30,0 il

ohmscher Widerstand 40 = R = 118,4 Q

Kapazität 5 und 5' = C = C = 965,9 nF

JL £

Kapazität 37 = C = 2,262 nF

Kapazität 38 = C = 312,1 pF

Kapazität 39 = C = 1,331 nF

Durch Verwenden der gleichen Aufbaubedingungen wie bei der Fig. 13, d. h. Gleichmachen des Produktes der Werte der Bauelemente 4 und 5 gleich denen der Bauelemente 4' und 5' kann ein "pseudoelliptisches" Tiefpaßfilter fünfter Ordnung bzw. Bandpaßfilter sechster Ordnung gebildet werden, wie das in den Fig. 15 bzw. 17 mit den Ersatzschaltungen der Fig. 16 bzw. 18 dargestellt ist. Das Produkt der Werte der Bauelemente 4 und 5 ist gleich dem Produkt der Werte der Bauelemente 4' und 5' und ebenso gleich dem Produkt der Werte der Bauelemente 4" und 5". Die Bauelemente der Fig. 15 und 17 und der Ersatzschaltungen der Fig. 16 und 18 haben die gleichen Bezugszeichen wie bei den vorhergehenden Schaltungsanordnungen unter Beifügung eines oder zweier Striche, um die aufeinanderfolgenden Stufen des

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Filters anzuzeigen. Die Schaltung der Fig. 15 enthält zusätzlich einen ohmschen Widerstand 46, eine Kapazität 47 und eine Kapazität 48. Die Zusatzbauelemente der Fig. 17 bestehen aus dem ohmschen Widerstand 46, der Kapazität 47 und der Kapazität 48, zusammen mit einem ohmschen Widerstandspaar 49 und 50, das mit einer gemeinsamen Erde 51 verbunden ist, wobei keine Kapazität 39 vorhanden ist. In beiden Schaltungen der Fig. 15 bzw. 17 ist, wenn das Ausgangssignal von dem Anschluß 42 entnommen wird, um durch den Verstärker gepuffert zu sein, der ohmsche Widerstand 40 frei wählbar. Wenn der ohmsche Widerstand 40 enthalten ist, vermindert seine Anwesenheit die Empfindlichkeit der Schaltung, die bereits eine geringe Empfindlichkeit hat.

Bei Betrachtung der Ersatzschaltung der Fig. 16 enthält diese eine Induktivität 52 in Serie mit einem ohmschen Widerstand 53 und eine weitere Induktivität 54 in Serie mit einem weiteren ohmschen Widerstand 55. Die Induktivitäten 52 und 54 haben Induktivitätswerte, die gleich sind RRC bzw. RRC. Die ohmschen Widerstände 53

4t JL J. DXJ.

und 55 haben Widerstandswerte, die gleich sind (R + R) bzw. (R„

J- ~fc O

+ R). Um geeignete Bauelementwerte zu bestimmen, wird vorteilhaft ein Rechner zum Aufbau des verlustbehafteten Filters verwendet. Geschätzte Bauelem entwerte sind aus Tabellen erhältlich, die voraussetzen, daß die Induktivitäten 52 und 54 unendliche Güten Q. besitzen.

Die Ersatzschaltung · der Fig. 17 ist in Fig. 18 dargestellt, die Induktivitäten 56, 57, 58, 59 mit den Induktivitätswerten R,R C ,

R₁₁R_-1C., R_nRX. bzw. R R„C enthält, mit R, = Widerstandswert des 4 115 11 711 ο

ohmschen Widerstands 49, R„ = Widerstandswert des ohmschen Widerstands 50, R = Widerstandswert des ohmschen Widerstands 46.

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Die Verwendung herkömmlicher Schaltungen für erdfreie Induktivitäten benötigt insgesamt sieben Verstärker, um ein gepuffertes Filter, wie es in Fig. 17 dargestellt ist, zu ergeben, während gemäß der Erfindung lediglich drei Verstärker benötigt werden.

Ein weiterer Weg, Netzwerke verlustbehafteter Induktivitäten aufzubauen, ist mit der Grundschaltung der Fig. 3 möglich. Grundsätzlich besteht der Weg darin, jede Induktivität getrennt herzustellen und dann Paare von Verstärkern mit Einheitsverstärkung, deren Eingänge verbunden sind durch einen einzigen Verstärker mit Einheitsverstärkung zu ersetzen. Auf diese Weise können die beiden getrennten Netzwerke der Fig. 19, deren jedes gleich dem der Schaltung der Fig. 3 ist, verbunden werden durch Betrachten der benachbarten Verstärker als einen einzigen Verstärker.

Die in Fig. 19 dargestellte Schaltung ist auf die sie zusammensetzenden Bauelementwerte besagen. Die Verstärker haben jeweils eine Gesamtverstärkung von Eins. Die Bauelementwerte ergeben sich aus den folgenden beiden Ausdrücken:

H₂C₂ . U₁C₁ (8)

H₄C₄ . R₃C₃ (9)

Die Schaltung der Fig. 20 hat Bauelemente, die ebenfalls durch die obigen Gleichungen (8) und (9) miteinander verknüpft sind. Die Anordnung enthält drei Verstärker 60, 61, 62, deren jeder eine Gesamtverstärkung hat, die im wesentlichen gleich Eins ist, und die durch Kapazitäten 63, 64, 65, 66 und durch ohmsche Widerstände 67,

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"V·

68, 69, 70, 71, 72 miteinander verbunden sind, wobei die Anordnung mit Anschlüssen 73, 74, 75 versehen ist. Die Ersatzschaltung ist in Fig. 21 dargestellt, bei der die Anschlüsse 73, 74, 75 über ein Paar in Serienschaltung verbundener Induktivität 76, 77 und ein Paar ohmsche Widerstände 78, 79 verbunden sind. Die Induktivitäten 76, 77 haben Induktivitätswerte, die im wesentlichen gleich sind RRC bzw.

RRC . Die ohmschen Widerstände 78 und 79 haben die Widerstands-6 3 3

werte (R₁ + R_ + R_) bzw. (R_ +R, + R, ) ·
12 5 ο 4 ο

Ein Netzwerk dieser Art kann in dem Filter fünfter Ordnung der Fig. 15 anstelle des dort dargestellten erdfreien Indüktivitätsnetzwerks verwendet werden. Das hat den Vorteil, daß der ohmsche Widerstand 4' in der Ersatzschaltung der Fig. 16 beseitigt ist, jedoch sind die Widerstandswerte der ohmschen Widerstände 53 und 55 erhöht. In gleicher Weise werden, wenn ein Netzwerk ähnlicher Art in die Schaltung der Fig. 17 eingefügt wird, die ohmschen Widerstände 4, 4¹, 4" in der Ersatzschaltung beseitigt, jedoch sind dann die Widerstandswerte der ohmschen Widerstände 6, 46, 49, 50 erhöht.

Ein weiteres Beispiel dafür, Filternetzwerke zu erhalten, die aus verlustbehafteten Induktivitäten bestehen, ist in Fig. 22 dargestellt, und die Fig. 23 gibt die Ersatzschaltung der Fig. 22 wieder. Das Prinzip dieses Weges und die Werte der Bauelemente können aus der vorhergehenden Beschreibung und den dabei verwendeten Beispielen bestimmt werden.

Offensichtlich können die Schaltungen der Erfindung modifiziert oder geändert werden durch Ersätzen der Kapazitäten durch ohmsche

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Widerstände und der ohmschen Widerstände durch Kapazitäten, um Hochpaßfilter zu bilden, dort wo Tiefpaßfilter beschrieben wurden und um Bandsperrenfilter zu bilden, wo Bandpaßfilter beschrieben wurden. Durch Ersetzen der Kapazitäten durch ohmsche Widerstände und umgekehrt bei den beschriebenen Netzwerken werden erdfreie verlust-

2
behaftete l/s -Bauelemente erhalten, oder Netzwerke, die derartige Bauelemente verwenden, aufgebaut. Diese erdfreien verlustbehafteten

2 2

l/s -Bauelemente enthalten eine Impedanz, die proportional zu l/s ist, mit s = variable komplexe Frequenz, und die "Verluste" werden durch Serien- und/oder Parallelkapazitäten gebildet, anstelle von ohmschen Widerständen, wie bei den beschriebenen Grundschaltungen. Alle Schaltungen der Erfindung sind insbesondere anwendbar in Telefonoder Fernsprechsystemen, bei denen es notwendig ist, gewisse bestimmte Frequenzen oder Frequenzbereiche aus den Fernsprechsignalen auszuwählen oder auszuschließen.

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Claims

Patentansprüche

C'Ij Filternetzwerk mit Verstärkern, gekennzeichnet durch

einen ersten Verstärker (3; 60, 61) und einen zweiten Verstärker (3'; 61, 62), deren jeder eine Gesamtverstärkung von im wesentlichen gleich Eins, sowie deren jeder einen Eingang und einen Ausgang besitzt, die mittels eines Seriennetzwerks mit einem ohmschen und ei- " nem kapazitiven Impedanzbauelement (4, 5; 4', 5'; 63 - 70) und einem Verbindungspunkt zwischen den Bauelementen (4, 5; 4¹, 5'; 63 - 70) verbunden sind, wobei

das Produkt der Werte des ohmschen Widerstands (4, 4'; 67 - 70) und der Kapazität (5, 5'; 63 - 66) der Bauelemente im Seriennetzwerk für'den ersten und den zweiten Verstärker (3, 3'; 60 - 62) gleich ist und die Bauteil-Anordnung symmetrisch um ein erstes nichtinduktives Koppelbauelement ist, das die Verbindungspunkte in den Seriennetzwerken des ersten und des zweiten Verstärkers (3, 3'; 60 - 62) verbindet.
2. Filternetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Verbindurigspunkt des Seriennetzwerks zwischen dem ohmschen und dem kapazitiven Bauelement (4, 5, 4', 5'; 63 - 70) vorgesehen ist, und daß die ersten Punkte des ersten und zweiten Verstärkers (3, 3'; 60 - 62) durch das erste nichtinduktive Koppelbauelement verbunden sind (Fig. 3, 19, 20).
3. Filternetzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß¹

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das erste nichtinduktive Impedanzbauelement eine Kapazität ist, und das ohmsche Impedanzbauelement (4, 4'; 67 - 70) jedes Seriennetzwerks mit dem entsprechenden Ausgang des ersten bzw. zweiten Verstärkers (3, 3¹; 60 - 62) verbunden ist.
4. Filternetzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste nichtinduktive Impedanzbauelement ein erster ohmscher Widerstand (6; 71, 72) ist, und das kapazitive Impedanzbauelement (5, 5'; 63 - 66) jedes Seriennetzwerks mit dem entsprechenden Ausgang des ersten bzw. zweiten Verstärkers (3, 3¹; 60 - 62) verbunden ist.
5. Filternetzwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste ohmsche Widerstand (6; 71, 72) so dimensioniert ist, daß die ohmsche Impedanz des ohmschen Widerstands (6; 71, 72) wesentlich größer ist als die Summe der ohmschen Impedanzen der Widerstandsbauelemente (4, 4'; 67 - 70) in den Seriennetzwerken.
6. Filternetzwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Verstärker (3, 3'$ 60 - 62) aus hochverstärkenden Operationsverstärkern mit 100 % Gegenkopplung zum Erzeugen der Gesamtverstärkung von Eins bestehen.
7. Filternetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Verbindungspunkt des Seriennetzwerks zwischen dem Eingang zum ersten und zweiten Verstärker (3, 3') und den kapazitiven Impedanzbauelementen (5, 5') der Seriennetzwerke vorgesehen ist, die direkt an die Eingänge angeschlossen sind, und die zweiten Ver-

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bindungspunkte dureh einen das nichtinduktive Koppelbauelement bildenden zweiten ohmschen Widerstand (6) verbunden sind (Fig. l).
8. Filternetzwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Eingangstor und ein Ausgangstor, zwischen denen die Schaltungsanordnung symmetrisch gekoppelt ist, wobei das Eingangstor an eine Signalquelle (15, 36) und das Ausgangstor an eine Wellentypimpedanz (16, 40) ankoppelbar ist;

ein zweites und ein drittes nichtinduktives Bauelement (12, 13; 37, 39), die über das Eingangstor bzw. das Ausgangstor des Filternetzwerks geschaltet sind, und

ein viertes nichtinduktives Bauelement (11, 38) in Serie zwischen einem Eingangsanschluß (l, 2) des Eingangstors und einem Ausgangsanschluß des Ausgangstors (l¹, 2^!; 41).
9. Filternetzwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungspunkte der Seriennetzwerke des ersten und zweiten Verstärkers (3, 3') zwischen den ohmschen und kapazitiven Impedanzbauelementen (4, 5, 4¹, 5¹) vorgesehen, die Verbindungspunkte durch einen nichtinduktiven ohmschen Widerstand (6) verbunden und die kapazitiven Bauelemente (5, 5') jedes Seriennetzwerkes an den Ausgang des ersten bzw. zweiten Verstärkers (3, 3') angeschlossen sind (Fig. 13).
10. Filternetzwerk nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen dritten Verstärker (3") und ein weiteres Seriennetzwerk mit einem

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ohmschen und einem kapazitiven Impedanzbauelement (4", 5") und einem Verbindungspunkt zwischen den Bauelementen (4", 5") des weiteren Seriennetzwerks, wobei der Verbindungspunkt des Seriennetzwerks des zweiten Verstärkers (3¹) mit dem Verbindungspunkt des weiteren Seriennetzwerks durch einen ein nichtinduktives Impedanzbauelement bildenden dritten ohmschen Widerstand (46) verbunden ist und das Filternetzwerk so aufgebaut ist, daß es zwei symmetrische Schaltungsanordnungen enthält, deren jede den zweiten Verstärker (3¹) gemeinsam besitzt.
11. Filternetzwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite, dritte und vierte nichtinduktive Impedanzbauelement (11, 12, 13? 37, 38, 39, 47, 48) Kapazitäten sind, deren Kapazitätswert so ist., daß das Filternetzwerk als Tiefpaß-Filter wirkt.

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