DE3213513A1

DE3213513A1 - Universelles aktives filter

Info

Publication number: DE3213513A1
Application number: DE19823213513
Authority: DE
Inventors: Sammy S. 95051 Santa Clara Calif. Lum; Stylianos G. 95126 San Jose Calif. Sevastopoulos
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1981-04-13
Filing date: 1982-04-10
Publication date: 1982-11-04
Also published as: JPH0322727B2; US4417214A; JPS57181222A; DE3213513C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein universelles aktives Filter in Torrn einer monolithischen integrierten Schaltung.

Allgemein gesprochen ist ein Filter ein Netzwerk mit zwei Zugängen; das so ausgebildet ist, daß es Signale innerhalb eines oder mehrerer Frequenzbänder frei überträgt und Signale anderer Frequenzen dämpft. Die gebräuchlichen Filter bestehen aus Netzwerken von Widerständen, Induktionsspulen und Kondensatoren. In neuerer Zeit sind aus integrierten Schaltungen bestehende Operationsverstärker verfügbar. Dadurch wurde es möglich, die elektrischen Eigenschaften von R-L-C-Netzwerken durch Verwendung lediglich von Widerständen und Kondensatoren zu simulieren. Ein Operationsverstärker mit kapazitiver Rückkopplung kann so ausgebildet werden, daß er wie eine Induktivität oder ein vollständiges L-C-Netzwerk wirkt. Durch diese Annäherung werden aufwendige Induktionsspulen und ferromagnetische Effekte ausgeschlossen. Filter dieser Art werden als aktive Filter bezeichnet. Ihre Hauptvorteile liegen darin, daß sie-so ausgebildet werden können, daß keine Einfügungsverluste mit ihnen verbunden sind und daß ihr Aufbau mit einem bedeutend geringeren Raumbedarf auskommt als ihre passiven Gegenstücke.
Der Operationsverstärker in einem aktiven Filter ist ein Verstärker mit hohem Verstärkungsgrad, der einen invertierenden und einen nicht invertierenden Eingang

hat. Der ideale Operationsverstärker hat einen unendlich großen Eingangswiderstand, einen unendlich hohen Verstärkungsgrad und einen Ausgangswiderstand, der gleich Null ist. Allerdings lassen sich diese Eigenschaften mit integrierten Schaltungen nicht voll erreichen. Jedoch gibt es Operationsverstärker in Form integrierter Schaltungen, die einen sehr hohen Eingangswiderstand, eine sehr große Verstärkung und einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand im Bereich eines brauchbaren Frequenzbandes aufweisen. Zur Ausbildung aktiver Filter ist die Anwendung moderner Netzwerktheorie erforderlich. Gewöhnlich werden entweder Butterworth oder Chevishev-Filter verwirklicht, wenngleich auch andere Filter erhalten werden können.

Tiefpass-, Hochpass- und Bandpassfilter werden in drei Komplexitätsgrade eingeordnet. Im allgemeinen werden Filter zweiter Ordnung als die einfachsten angesehen. Die signalinvertierende Mehrfachrückkopplung (MFB) und die nicht-signalinvertierende spannungsgesteuerte Spannungsquelle (VCVS) sind in weitem Umfang angeordnete Schaltungen bei aktiven Filtern.

Die Anmelderin hat bereits universelle aktive Filter zweiter Ordnung unter der Bezeichnung AF 100 auf den Markt gebracht. Das Filter AF 100 wird durch vier externe Widerstände für spezielle Funktionen zweiter Ordnung programmiert. Tiefpass-, Hochpass- und Bandpassfunktionen sind an getrennten Ausgängen gleichzeitig verfügbar. Anschnittsfunktionen und alle Durchlaßfunktio-

nen sind durch Summieren der Ausgangswerte in dem ungebundenen Ausgangssummierverstärker verfügbar. Filter höherer Ordnung werden durch Anordnen verschiedener aktiver Filter vom Typ AF 100 mit passenden Programmierwiderständen in Kaskadenschaltung erhalten. Jede der klassischen Filterkonfigurationen, wie die nach Butterworth, Bessel, Cauer und Chevishev stellt mit dem Filtertyp AF 100 eine Verbesserung gegenüber den bis dahin gebräuchlichen Filterausbildungen insofern dar, als es keine Induktivitäten verwendet. Es ist außerdem ein handliches Paket, das leicht mit externen Widerständen programmierbar ist, um einen breiten Bereich brauchbarer Filterfunktionen zweiter Ordnung zur Verfügung zu stellen Die zuvor bekannten aktiven Filter waren oft schwierig abzustimmen. Außerdem hatten sie einen hybriden Aufbau, zu dem sowohl integrierte Schaltungen als auch diskrete Komponenten gehörten. Dadurch waren sie räumlich verhältnismäßig umfangreich und ziemlich aufwendig.

Es war daher erstrebenswert, ein universelles aktives Filter in Form einer monolithischen integrierten Schaltung zu schaffen, das für spezielle Funktionen zweiter Ordnung leicht programmierbar sein soll. Wenn ein solches aktives Filter eine Allpassfunktion verwirklichen könnte, wäre es in einem breiten Bereich zur Phasenkorrektur bei einer breiten Vielfalt von Signalverarbeitungsanwendungen, z.B. für Hochgeschwindigkeits-Modems zur Verwendung in Nachrichtensystemen brauchbar.

Ein solches universelles aktives Filter in Form einer monolithischen integrierten Schaltung könnte mit verhältnismäßig niedrigem Aufwand hergestellt werden und hätte einen relativ kleinen räumlichen Umfang. Vor allem aber hätte ein solches monolithisches aktives Filter eine verbesserte Abstimmfähigkeit.

Die Erfindung hat ein universelles aktives Filter zum Gegenstand, das als einzelne monolithische integrierte Schaltung herstellbar ist. Die integrierte Schaltung enthält zwei unabhängige Filterbaublöcke. Jeder Filterblock enthält zwei in Reihe geschaltete Summierer und zwei in Reihe geschaltete schaltbare Kondensatoren enthaltende positive Integratoren in Reihenschaltung mit den Summierern. Der eine Summierer enthält einen Operationsverstärker, der zweite eine Anzahl miteinander verbundener Kondensatoren und Schalter. Ferner enthält die integrierte Schaltung eine Taktschnittstellenschaltung zur Aufnahme und zum Konditionieren externer Taktsignale einer ersten und einer zweiten Art. Die Schnittstellenschaltung betreibt die Schalter eines jeden Filterblocks mit den konditionierten Taktsignalen der ersten bzw. der zweiten Art. Mehrere Eingangs- und Ausgangsleitungen sind mit den Komponenten jedes Filterblockes verbunden und ermöglichen die unabhängige Gestaltung jedes Blockes.

Jeder Filterblock kann zusammen mit einem entsprechenden externen Taktsignal und drei bis vier externen Widerständen in eine solche schaltungsmäßige Verbindung

gebracht werden, daß verschiedene Filterfunktionen zweiter Ordnung zustandegebracht werden. Die Filterbaublöcke haben je drei Ausgänge. Einer dieser Ausgänge kann dafür vorgesehen werden, daß entweder eine Allpassfunktion, eine Hochpassfunktion oder eine Anschnittsfunktion ausgeführt wird. Die übrigen zwei Ausgänge dienen zur Ausführung von Tiefpass- und Bandpassfunktionen. Die Mitten frequenzen der Tiefpass- und Bandpassfunktionen zweiter Ordnung können entweder direkt abhängig von der Taktfrequenz sein, oder sie können sowohl von der Taktfrequenz als auch von den Verhältnissen des externen Widerstands abhängig sein. Die Mittenfrequenz der Anschnittsfunktion und der Allpassfunktion ist direkt abhängig von der Taktfrequenz, wogegen die Hochpassmittenfrequenz sowohl von den Widerstandsverhältnissen als auch von der Taktfrequenz abhängig ist. Filterfunktionen bis zur vierten Ordnung sind durch Anordnung der zwei Filterbaublöcke zweiter Ordnung in Kaskadenschaltung ausführbar. Auf diese Weise ist jede der klassischen Filterkonfigurationen, wie insbesondere die nach Butterworth, Bessel, Cauer und Chevishev ausführbar.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsschema in Blockform eines universellen aktiven Filters bekannter Art;

Fig. 2 ein Schaltschema des bekannten aktiven Filters nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Funktionsschema in Blockform einer Ausführungsform des universellen aktiven Filters gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein Dual-in-Line-Gehäuse, in weJehern eine monolithische integrierte Schaltung oder IC-Schaltung des aktiven Filters nach Fig. 3 montiert werden kann;

Fig. 5 ein Schaltschema zur Erläuterung von Einzelheiten eines der Filterbaublöcke der aktiven Filterschaltung von Fig. 3;

Fig. 6 ein Schaltschema eines Teils der Taktschnittstellenschaltung des aktiven Filters nach Fig. 3; Fig. 7 bis 9 Kurvenbilder, die in Verbindung mit der Definition von hier beschriebenen Größen verwendbar sind und

Fig. 10 bis 14 funktioneile Schaltschemen in Blockform verschiedener Betriebsarten, in denen das aktive Filter nach Fig. 3 konfiguriert oder - ausgebildet werden kann.

Das universelle zustandsveränderliche aktive Filter vom Typ AF 100, dessen Funktionsschema in Blockform in Fig. 1 dargestellt ist, kann mit externen Widerständen 5 programmiert werden, um spezielle Filterfunktionen zweiter Ordnung zu erhalten. Das Eingangssignal e. wird einem Summierer 10 zugeführt, dessen Ausgang mit dem Eingang des ersten negativen Integrators 12 verbunden

ist. Der Ausgang des ersten negativen Integrators wird zu dem Eingang des zweiten negativen Integrators 14 geführt. Die Widerstandsnetzwerke b und c werden extern oder außerhalb des Filterpakets vom Benutzer angeschlossen, um die Koeffizienten der gewünschten Übertragerfunktionen herbeizuführen. Hochpass-, Bandpass- und Tiefpassfunktionen sind an den Ausgängen e.. , e~ bzw. e^ verfügbar.

Fig. 2 zeigt das Schaltschema des aktiven Filters vom Typ AF 100. In dem tatsächlichen Aufbau ist eine Matrize mit vier Operationsverstärkern auf einer keramischen Platte montiert. Drei von diesen Operationsverstärkern 15a, 15b und 15c werden in der aktiven Filterschaltung benutzt, während der vierte Operationsverstärker für andere Funktionen zur Verfügung steht, die der Benutzer fordern mag. Der Operationsverstärker 15a wird als Summierer 10 (Fig. 1) benutzt, während die Operationsverstärker 15b und 15c (Fig. 2) in den negativen Integratoren 12 und 14 (Fig. 1) enthalten sind. Die Widerstände R₁, R„, R, und R_ sind externe oder äußere

lzb /

Widerstände, die von dem Benutzer gewählt werden, um das Filter in der gewünschten Weise zu konfigurieren oder umzuschalten. Die Widerstände R-., R₄ und R,- sind innere Widerstände des Filters AF 1Ö0. Es handelt sich dabei um Dünnfilmwiderstände, die auf der keramischen Platte in der Nachbarschaft des Vierfach-Arbeitsverstärkerplättchens aufgedampft sind. Die Werte der inneren

Widerstände R-., E₄ und R^ sind kritisch für die Leistungsfähigkeit der aktiven Filterschaltung. Die Kondensatoren 16 und 18 sind gleichfalls diskrete Komponenten, die auf der keramischen Platte montiert sind. Sie haben einen Wert von annähernd 1000 Picofarad. Die Komponenten auf der keramischen Platte sind durch Aluminiumleiter miteinander verbunden.

Es ist nicht zweckmäßig, die aktive Filterschaltung von Fig. 2 auf einem einzelnen monolithischen IC-Plättchen als integrierte Schaltung anzuordnen, weil die inneren Widerstände R_, R. und R_ dann solche vom Diffusionstyp sein müßten. Wegen der Herstellungstoleranzen würde es schwierig sein, die Widerstandswerte von Widerständen vom Diffusionstyp genügend den kritisehen Werten anzunähern, die von Plättchen zu Plättchen erforderlich sind. Außerdem würden die benötigten Werte der Kondensatoren 16 und 18 ein übermäßiges Ausmaß an Matrizenfläche erfordern, wenn sie in der Architektur einer monolithischen integrierten Schaltung ausgebildet würden.

Um die Notwendigkeit der Verwendung aufgedampfter Dünnfilmwider st ände R^, R₄ und R₁. (Fig. 2) sowie der Kondensatoren 16 und 18 zu vermeiden, verwendet die aktive Filterschaltung gemäß der Erfindung positive Integratoren mit schaltbaren Kondensatoren.

Fig. 3 ist ein Funktionsschema in Blockform des universellen aktiven Filters 20 gemäß der Erfindung, das als einzelne monolithische integrierte Schaltung

ausgebildet sein kann. Das Filter enthält zwei identische Filterbaublöcke 22 und 24, die durch eine Taktschnittstellenschaltung 26 betrieben werden. Die Blöcke 22 und 24 können von dem Benutzer durch Auswahl des erforderlichen Verhältnisses außen angelegter Widerstände und der erforderlichen Frequenz eines Paares externer Taktsignale programmiert werden, um vorbestimnite Filterfunktionen zweiter Ordnung zu erhalten. Jede klassische Filterkonfiguration, wie z.B. eine nach Butterworth, Bossel, Cauer und Chebyshev kann so verwirklicht werden. Die einzelne monolithische integrierte Schaltung, welche die Stromkreise gemäß Fig. 3 enthält, kann in einem Dual-in-Line-Gehäuse 28 (Fig. 4) montiert werden. Die alphanumerischen Bezeichnungen an den Stiiten des Gehäuses oder Pakets 28 entsprechen den in gleicher Weise bezeichneten Leitungen der Schaltung von Fig. 1.

Jeder Baublock von Fig. 3, wie z.B. der Baublock 22 enthält einen ersten und einen zweiten miteinander in Reihe geschalteten Summierer 30, 32. Jeder Block enthält ferner einen ersten und zweiten positiven Integrator 34, 36 mit schaltbarer Kapazität.

Fig. 5 ist ein Schaltschema zur Erläuterung von Einzelheiten des Filterbaublocks 22, der dem Filterbaublock 24 genau gleich ist. Wie Fig. 5 zeigt, umfaßt der Summierer 30 einen Operationsverstärker A . Die positiven Integratoren 34 und 36 sind solche mit schaltbarer Kapazität und enthalten Operationsverstärker A_? bzw. A,

sowie mehrere untereinander verbundene Kondensatoren, wie z.B. den Kondensator 38 und Schalter, wie z.B. den Schalter 40. Die Schalter 40 werden durch die Taktschnittstellenschaltung 26 (Fig. 3) betrieben oder gesteuert.

Fig. 6 ist ein Schaltschema einer Hälfte der Taktschnittstellenschaltung 26, die in Verbindung mit dem Filterbaublock 22 benutzt wird. Die andere Hälfte der Schaltung 26 ist genau gleich und wird in Verbindung mit dem Filterbaublock 22 benutzt. Die Funktion der Schaltung von Fig. 6 besteht darin, ein externes, d.h. von außen angelegtes Taktsignal, wie z.B. das Signal CLK₇. zu empfangen und zu konditionieren sowie die schaltbare Kondensatoren aufweisenden positiven Integratoren 34 und 36 und den zweiten Summierer 3 2 mit dem konditionierten Taktsignal zu speisen. Es wird entweder ein digitales Taktsignal mit TTL-Höhe oder ein solches mit CMOS-Höhe über die Höhenverschiebungsschaltung 42 einer Reihe von Gattern zugeführt, die zu der überlappungsfreien Schaltung 44 gehören. Ein Höhenverschiebungssignal (L. Sh.) kann in die Schaltung 42 eingespeist werden, um die Amplitude des ankommenden Taktsignals erforderlichenfalls zu vergrößern. Die Funktion der überlappungsfreien Schaltung 44 besteht darin, das externe Taktsignal zu invertieren und Verzögerungen einzuführen, um ein zweiphasiges Taktsignal ohne Überlappung zu ergeben, das in der Lage ist, die Schalter des zweiten Summierers 32 und der positiven Integratoren 34 und 36 ohne Ein-

führung von Fehlern zu betreiben oder zu steuern. Am Ausgang der Schaltung 44 treten zwei getrennte Signale (Ja und f ¹A auf. Diese Signale werden verschiedenen Punkten in der Schaltung des Baublocks 22 zugeführt, wie mit den entsprechenden Bezeichnungen in Fig. 5 angegeben.

Der mit 50/100/OFF bezeichnete Eingangsstift 45 (Fig. 3 und 4) ist mit einer Steuerschaltung 46 (Fig. 3) verbunden. Die Steuerschaltung 46 umfaßt einen drei Pegelhöhen aufweisenden digitalen Vergleicherkreis/ der das Verhältnis der Taktfrequenz zu der Mittenfrequenz des Filters überwacht oder steuert. Wenn der Stift 45 (elektrisch) nach oben gezogen wird, beträgt das vorstehend erwähnte Verhältnis 50:1. Wenn der Stift 45 auf eine mittlere Spannungshöhe gebracht wird, beträgt das Verhältnis der Taktfrequenz zur Mittenfrequenz des Filters 100:1. Wenn der Stift 45 nach unten gezogen wird, wird die Schaltung der Filterblöcke 22 und 24 außer Betrieb gesetzt. Dies kann in Fällen geschehen, bei denen das Filter zeitweise nicht gebraucht wird, um die Energiequelle zu schonen.

Der Eingang S,,^ ist gleichzeitig mit den beiden Summierern 32 der Filterblöcke verbunden, wie durch die gestrichelte Linie 48 angedeutet. Hierin liegt eine praktische Begrenzung, die dadurch diktiert wird, daß das Dual-in-Line-Gehäuse. 28 (Fig. 4) nur zwanzig Stifte zur Verfügung hat. In manchen Fällen mag diese Verbindung die Möglichkeit beschränken, die Filterblöcke getrennt

auszugestalten oder zu konfigurieren. Bei den meisten Anwendungen ist dies aber kein unüberwindbares Problem. Es läßt sich dadurch überwinden, daß ein Gehäuse mit einer größeren Zahl von Stiften vorgesehen wird.

Wie in den Fig. 3 bis 6 gezeigt, ist das Filter 20 mit mehreren Ein- und Ausgangsleitungen versehen, die mit den verschiedenen aktiven und passiven Komponenten der Schaltung verbunden sind. Diese Leitungen machen es möglich, das Filter nach Bedarf umzugestalten und abzustimmen. Jeder Filterblock kann zusammen mit einem entsprechenden äußeren Taktsignal und drei bis vier äußeren Widerständen so in einer Schaltung angeordnet werden, daß verschiedene Filterfunktionen zweiter Art hervorgebracht werden. Die Filterbaublöcke haben je drei Ausgangsstifte 50, 52 und 54 (Fig. 3). Der Ausgang 50 kann so beeinflußt werden, daß wahlweise eine Allpass-, eine Hochpass- oder eine Anschnittsfunktion verwirklicht wird. Die verbleibenden zwei Ausgänge 52 und 5 4 dienen zur Verwirklichung von Bandpass- bzw. Tiefpassfunktionen.

Die Mittenfrequenz der Tiefpass- und der Bandpass-Funktion zweiter Ordnung kann entweder direkt von der Taktfrequenz oder sowohl von der Taktfrequenz als auch von den Verhältnissen der äußeren Widerstände abhängig sein. Die Mittenfrequenz der Anschnittsfunktion und der Allpassfunktion ist direkt abhängig von der Taktfrequenz, wogegen die Mittenfrequenz des Hochpasses sowohl von den Widerstandsverhältnissen als auch von der Taktfrequenz

abhängig ist. Filterfunktionen bis zur vierten Ordnung lassen sich dadurch verwirklichen, daß die Filterbaublöcke zweiter Ordnung in Kaskadenschaltung angeordnet werden.

Das Filter 20 ("ig. 3) kann als einzelne monolithische integrierte Schaltung, welche MOS-Komponenten enthält, hergestellt werden. Das MOS-Herstellungsverfahren ist besonders wirtschaftlich, d.h. es hat die Vorteile niedriger Kosten und hohen Ausstosses brauchbarer Stücke. Die verschiedenen Arten,in denen aktive Filter gemäß der Erfindung konfigurierbar sind, lassen sich noch leichter bei Annahme der folgenden Begriffsbestimmungen erklären:

Begriffsbestimmungen

f -j, = Die äußere Taktfrequenz des Filter mit schaltbarem Kondensator.

f = Mittenfrequenz des komplexen Polpaares einer Funktion zweiter Ordnung; f ist gemessen am Bandpassausgang jedes Filterbaublocks 22 und 24. Es ist die Frequenz des Auftretens von Bandpass

spitzen (Fig. 7).

C¹ = Gütefaktor des komplexen Polpaares einer Funktion zweiter Ordnung; Q ist gleichfalls gemessen am

Bandpassausgang jedes Filterblockes. Es ist das Verhältnis von f über die Breite -3dB des Bandpassfilters zweiter Ordnung {Fig. 7). Der Wert

von Q ist nicht gemessen an dem Tiefpassoder Hochpassausgang des Filters. Sein Wort bezieht sich auf die mögliche Amplitudenspitze an den oben genannten Ausgängen.

H_n ρ = Die Verstärkung in (V/V) des Bandpassausuanges bei f - f .

Q = f · f
P ο ' ¹O

Die Verstärkung in (V/V) des Tiefpassausganges jedes Filterblocks bei f~» OHz (Fig. 8).

Die Verstärkung in (V/V) des Hochpassausganges jedes Filterblocks f-» -ϊψ± (Fig. 9) .

^H0P " ^HOHP

_1 ι-

Q - Der Gütefaktor des komplexen Nullpaares, falls vorhanden, der Funktion zweiter Ordnung (Q ist ein Parameter, der benutzt wird, wenn ein Allpassausgang gesucht wird und er im Gegensatz zu Q nicht direkt gemessen werden kann).

f = Die Mittenfrequenz des komplexen Nullpaars, falls vorhanden, der Funktion zweiter Ordnung. Wenn f verschieden von f ist, und wenn der Wert Q

O Z

ganz hoch ist, kann f als Anschnittsfrequenz (notch frequency) an dem Allpassausgang beobachtet werden.

f_t. , - Die an dem Anschnittsausgang jedes Pilterblockes beobachtete Anschnittsfrequenz.

H_nM = Der Anschnittsausgangs-VerstMrkungsgrad, wenn f~> OHz.

H__N = Der Anschnittsausgangsverstärkungsgrad, we nn

Das aktive Filter gemäß der Erfindung ist ein Impulsregelungsfilter (a sampled data filter). Eine Zeitbereichsannäherung ist geeignet, um seine Übertragungsfunktionen zu beschreiben. Da jedoch das aktive Filter gemäß der Erfindung sich stark an die Arbeitsweise kontinuierlicher Filter annähert, kann die Erörterung auf der Basis der Frequenzbereichsannäherung erfolgen. Die folgenden Erläuterungen der verschiedenen Betriebsarten, in denen die Erfindung konfiguriert oder verwirklicht werden kann, beziehen sich auf einen der einander genau gleichen Baublöcke 22 und 24. Jeder dieser Filterbaublöcke kann eine vollständige Funktion zweiter Ordnung hervorbringen. Wie bereits erwähnt, können Funktionen bis zur vierten Ordnung dadurch zustandegebracht werden, daß die Baublöcke 22 und 24 in Kaskadenschaltung angeordnet werden. Funktionelle Schaltbilder in Blockdarstellung für jede der Betriebsarten sind in den Fig. 10 bis 14 gezeigt.

Betriebsarten

1. Art: Anschnitt 1, Bandpass, Tiefpass-Ausgänge:

^fnotch ^{= f}o ^{(siehe Fi}9- ¹⁰⁾ f = Mittenfrequenz des komplexen Polpaars

- ^HUS oder

^Oder

100

xf , , = Mittenfrequenz des imaginären Nullpaares

O Q

= f . Schaltungsdynamik: H_OTp = —— oder

⁵ OLP
^H0BP

^H0BP ^{= H}0LP ^{= Q}o ^{= H}0N ^{X Q}o·

Die vorstehenden Ausdrücke bestimmen den Swing

an jedem Ausgang als eine Funktion des gewünschten Q der Funktion zweiter Ordnung.

° R

Tiefpassverstärkung, wenn f —♦ 0 = - —

R₁

^R3 Bandpassverstärkung bei f.= f = - —

ON

10 Q

P
BW

Anschnittsausgangsverstärkung, wenn

^R2 f-> 0 - .

R₁

BW

= ·— = Gütefaktor des komplexen Polpaares.

Die -3dB Bandbreite des Bandpassausganges.

2. Art: Anschnitt 2, Bandpass, Tiefpass: f . , < f (siehe Fig. 11)

= Mittenfrequenz =

clk^
100

— + 1 oder

50

R,

+ 1

15- f

•clk

notch

100

~ oder

-clk 50

= Gütefaktor des komplexen Polpaares =

R₂ZR₃

OLP

= Tiefpassausgangsverstärkung, wenn f ^R2^/R1

R₂/R₄

= Bandpassausgangsverstärkung, wenn f = f_o = -R₂/R₄

H__N = Anschnittsausgangsverstärkung, wenn

V^R1

f—» O = £ '

R₂/R₄ + 1 H_QN = Anschnittsausgangsverstärkung, wenn

f^ ⁼ " V^R1

Filterdynamik: H_QBp - Q_p y/n_QJJf H = Q_p \fn

3. Art: Hochpass, Bandpass, Tiefpassausgänge, (siehe Fig. 12)

^f- - IST ^X \l if °^der 50 " V R₄ Q = Gütefaktor des komplexen Polpaares =

^fclk ^R2 ¹ViTiU ⁼ Hochpassverstärkung, wenn f—^ = - —

Unir 2 Ri

^R3 H__Bp = Bandpassverstärkung bei f = f = - —

^R4

Η_ηττ> = Tiefpassverstärkung, wenn f —> 0 = - —

R₁

^R2 ^HOHP

Z OHP /

Schaltungsdynamik: ~- = ; H = ^H x H_0Lp χ Q

^K4 "OLP · *

4. Art: Allpass, Bandpass und Tiefpassausgang, (siehe Fig. 13)

f = Mitten frequenz = -^ ^oder "TS" o 100 ^DU

xf = Mittenfrequenz des komplexen Nullpaares

Q = _2 = _3

P BW R₂

^R3

Q · = Gütefaktor des komplexen Nullpaares = —. ζ R₁

Für den Ausgang AP ist R₁ = R~ zu machen.

^HOAP ^{= All}P^{assverstärkun}9 ^von O < f < -^^ = = -1

f^R2

H_OTD = Tiefpassverstärkung, wenn f —> 0 = -I — + 1 J = -2

^R3 f ^R2 1 ^R3 H_{n D} = Bandpassverstärkung bei f = f = - —— 11 + —· ρ -2—

Schaltungsdynamik: H_0Rp = (^H _0Lp) * Q₀ = H_QAp x Q_Q

Wegen der Impulsregelungseigenschaft des Filters

tritt eine leichte Fehlanpassung von f und f auf, wel-

z ο

ehe einen 0,4 dB betragenden spitzenartigen Anstieg in der Umgebung von f der Allpassfilteramplitudencharakteristik verursacht (die theoretisch eine gerade Linie sein sollte).

5. Art: Zählerkomplexnullen, Bandpass- und Tiefpassausgänge (siehe Fig. 14)

f = Z₁ + _i _x ^±^ oder, / 1
ο V R₄ 100

- /rm _x !sik _oder a _fi _x

V R4 100 V R₄

Qp =V¹⁺V^R4^xij

R,

χ —■^:

H_n = Verstärkung amCz Ausgang, wenn f·—*■ OHz ^Uz1

- ^R2 ^(R4-^R1^}

R₁ (R₂₄

■^clk ^R2 = Verstärkung am Cz Ausgang, wenn f—>· = —

2 ^R1

= — + 1 x-^

Durch die Erfindung wird somit ein generelles aktives Filter in Form einer monolithischen integrierten Schaltung von besonders kleiner räumlicher Größe und niedrigen Herstellungskosten geschaffen. Die Abstimmung läßt sich leicht durch Anschließen passend bemessener äußerer Präzisicnswiderstände und/oder Einstellung der Frequenzen der äußeren Taktsignale (CLK und CLK_n in Ficr, 3) nach Bedarf bewerkstelligen. Die Verbindung der Schalter untereinander gemeinsam mit dem Operationsverstärker A„ (Fig. 2) ergibt die Funktionen von Summierern und die positiven Integratoren. Die Verfügbarkeit von zwei Summierern in jedem Filterblock ergibt eine zusatz-

liehe Flexibilität bei der Konfiguration der Blöcke. Das Plättchen ergibt auch eine Allpass-Filterfähigkeit in einem Paket von niedrigen Kosten und eignet sich daher besonders für Funktionen zur Phasenkorrektur in Modems, wie sie in Nachrichtensystemen gebraucht werden.

ZS

Leerseite

Claims

D J PL.-I NG. J. R ICHTER .:.'..' '..■ P ^ τ "B- ϊν-'ΐ-Α N vV A L T E

DIPL.-ING. F. WERDERMANN

Ji-¹SfL VEKTRCTER BEiW EPA PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORR E₁F¹O MANDATA¹RFi. Α··»ι ΓΛ. FiSiS.

2ΟΟΟ HAMBURG 36 g flPj? Ί982

NEUER WALL IO

"£■ (O 4O) 34 OO 45/34 OO ^e

TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURG

TELEX 2163B51 INTU D

. UNSER ZEICHENiOUR FILE N · O 2. Ί 2.2.

Anmelder:

NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION,

2900 Semiconductor Drive, Santa Clara, Kalif. (V.Si .A.)

Universelles aktives Filter.

Patentansprüche:

7Ί

M/ Universelles aktives Filter in Form einer monolithisehen integrierten Schaltung, dadurch nekennznichnet, daß es einen ersten Summierer, einen darriit in Reihe geschalteten zweiten Summierer, einen dairiit in Reihe geschalteten ersten positiven Integrator und einen damit in Reihe geschalteten zweiten positiven Integrator auf-
2. Universelles aktives Filter nach Anspruch 1, csciurch gekennzeichnet, -,IaB der erste und der zv7eite positiv» Integrator schaltbare Kondensatoren sind und das Filter ferner eine Taktschnittstellenvorrichtung zur Aufnahme und zum Konditionieren eines externen

1 f:.f:L-. .:^:::y-32i35i3

Signales sowie zum Betreiben oder Speisen der beiden schaltbare Kondensatoren aufweisenden positiven Integratoren mit dem konditionierten Taktsignal umfaßt.
3. Universelles aktives Filter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Summierer und die positiven Integratoren aus MOS-Komponenten hergestellt sind.
4. Universelles aktives Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Summierer einen Operationsverstärker und der zweite Summierer mehrere untereinander verbundene Kondensatoren und Schalter enthält, die von der Taktschnittstellenvorrichtung betrieben werden.
5. Universelles aktives Filter nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet durch eine mit den Summierern, den Integratoren und der Taktschnittstellenvorrichtung verbundene Eingabe/Ausgabeeinrichtung, die es ermöglicht, das Filter entsprechend wenigstens einem Verhältnis extern angelegter Widerstände und der Frequenz des externen Signals auszubilden und abzustimmen.
6. Universelles aktives Filter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß außer den Summierern und den positiven Integratoren auch die Taktschnittstellenvorrichtung aus MOS-Komponenten hergestellt ist.
7. Universelles aktives Filter nach einem der An-Sprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Aufbau mit folgenden Merkmalen:

(a) ein Paar von Filterbaublöcken mit je einem Paar in Reihe geschalteter Summierer sowie ein Paar in Reihe geschalteter positiver Integratoren mit schaltbaren Kondensatoren;

(b) Taktschnittstellenvorrichtungen zum Empfangen und Konditionieren externer Taktsignale einer ersten und zweiten Art und zum Betreiben der schaltbare Kondensatoren aufweisenden positiven Integratoren jedes Filterbaublockes mit einem entsprechenden konditionierten Taktsignal erster und zweiter Art; und

(c) Eingabe/Ausgabevorrichtungen, die mit den Summierern, den Integratoren und der Taktschnittstellenvorrichtung verbunden ist, um zu ermöglichen, daß jeder Filterbaublock entsprechend mindestens einem der Widerstandsverhältnisse außen angelegter Widerstände und der Frequenz des ersten und des zweiten Taktsignales ausgebildet und abgestimmt wird.
8. Universelles aktives Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterbaublöcke und die Taktschnittstellenvorrichtungen aus MOS-Komponenten gebildet sind.
9. Universelles aktives Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterbaublöcke, die Taktschnittstellenvorrichtungen und die Eingabe/Ausgabevorrichtungen in einem Dual-in-Line-Gehäuse montiert sind.