DE2602978A1

DE2602978A1 - Funktionsabstimmbares aktives rc-filter

Info

Publication number: DE2602978A1
Application number: DE19762602978
Authority: DE
Inventors: Stalin A Boctor
Original assignee: Northern Electric Co Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1975-01-27
Filing date: 1976-01-27
Publication date: 1976-07-29
Also published as: JPS5199951A; FR2298904A1; SE7600787L; NL7514846A; JPS562452B2; US3946328A

Description

PATENTANWÄLTE

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

/üiichen, den

27. JÄH. 1978

UORTHEHIi 3LECTHIG C oapany Limit ed

1500 Dorchester Boulevard West Montreal, Cue. Canada H3C

Funktionsabsti2ni?ibares aktives HC-FiIter

Die Erfindung betrifft eine Familie von aktiven Filtern zweiter Ordnung und insbesondere eine solclia, die eine Sin'.veg-Folge der Funktionsabstiniiuung von Resonanzfrequenzen und Gütefaktoren gestattet, indes nur Widerstände variiert werden.

Aktive Widerstands-Kondensator(RC)-Filter stellen eine wirtschaftliche Anordnung zur Steuerung der Übertragung von Signalen dar. Diese Filter sind fast ismier als eine Kaskade von Abschnitten zweiter Ordnung für Srapfindlichkeits- und Abstiimnbelange aufgebaut. In der Veröffentlichung ⁿHigh-Q Factor Circuit with Reduced Sensitivity", Electronics Letters, 1968, k, Nr. 26, Seiten 577-579 von ΐ. Deliyannis ist ein aktives RC-Filter beschrieben, das einen einzigen Operationsverstärker mit Differenzeingang verwendet, welches zur Erzielung von Band-Pass-Funktionen zweiter Ordnung mit

609831/0759

DR. G. MANITZ · DIPL.-ING. M. FiNSTERWALD DIP L.-ING. W. GRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN MÖNCHEN 22, ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART SO CBAD CANNSTATT» MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7270 TEL. (089) 22 42 11. TELEX 5-29672 PATMF SEELBERGSTR.23/25.TEL.(0711156 72 61 POSTSCHECK: MÖNCHEN 77002-800

BAD ORIGINAL

hohem ^-Faktor hzr., Güte-Faktor geeignet ist. In einem späteren Artikel ei30 jloiclioii Autors „iit den Titel "RC Active Allpass Sections", ."Jlectronios Letters, 19'o9₅ 5j Seiten 59~oO, und der Fehlerberichtigung in-Electronics Letters, 1969_S 5₅ Seite 128j sind zwei netzwerke beschrieben, die eine All-Pass-Funktion zweiter Ordnung bilden. Die Weiterentwicklung dieser einfachen Glieder bsvi. Abschnitte mit negativer Rückkopplung durch J.J· Friend in der Veröffentlichung "A Single Operational Amplifier Biquadratic Filter Section", 1970 IEEE International Symposium Circuit Theory (Atlanta, Ga) 1 if· Dezember 197O₅ Seiten 179 bis 130 führte zur Verwirklichung von Bandpaß-, Tiefpaß-, Hochpaß-, Bandsperr- und Allpaß-Gliedern zweiter Ordnung.

Beim Aufbau solcher Filter unter Verwendung von entweder Dünnoder BickfiLii-Techüik ist es gewöhnlich erforderlich, zur Feinabstimmung aer V/iderstandskoiiiponenten einen Laser, ein Schleifoder Anodisierun^sverfahren zu benutzen, um die endgültigen Funktioiispararaeter des Filters zu erhalten. Demzufolge ist es vorteilhaft, eine Sinweg-Abgleichfolge verwenden zu können, bei der nur V/iderstände feineingestellt werden. Wenn die Feineinstell-Slefiiente alle voneinander abhängig sind, wie es bei den Schaltungen von Friend der Fall ist, dann ist es notwendig, Kondensatoren zur verwenden, deren Nennwerte sehr kleine Toleranzen aufweisen, und dann jeden V/iderstand individuell auf seinen Nominalwert in einer Heine von abnehmenden bzw. kleiner werdenden Schritten, um nicht über das Ziel hinauszuschießen, feinabzugleichen, oder die Kapazitätswerte zu messen und dann einen Computer bzw. einen Rechner zu verwenden, um die erforderlichen Werte der Widerstände vor der Feineinstellung jedes individuellen Filters zu errechnen, wobei nominelle bzw. die lienn-Sigenschaften der Operationsverstärker vorausgesetzt werden. Dabei ergibt sich die zusätzliche Komplikation,

609831/0759

daß Prüfpunkte auf der integrierten Schaltung vorgesehen werden müssen, um die Widerstände und die Kondensatoren zu messen, und daß die einzelnen Bauelemente wieder mit der Schaltung verbunden werden müssen, nachdem die Messungen erfolgt sind. Somit ermöglichen aktive RC-Filter der Art, wie sie oben erwähnt· von Friend beschrieben wurde, keine Funktionsabstimmung,< indem einfach die Widerstandskomponenten, in einer vorbestimmten Abfolge feineingestellt werden, während der Gesamtbetrag und/oder Phase des Filters überwacht werden» Obwohl aktive Filterschaltungen mit Einweg-Funktionsabstimmung in der Vergangenheit von anderen entwickelt wurden, haben sie dennoch im allgemeinen nicht den einfachen Aufbau oder die niedrige Empfindlichkeit der oben erwähnten Schaltungen.

Die Erfindung verbindet die Vorteile der Schaltungen von Deliyannis und Friend mit denen der Sinweg-Funktionsabstimrnung und liefert somit eine Familie von aktiven RC-Filtern, bei der die vier Grund-Parameter ω , Q , <*>„ und Q durch Widerstands feinabstimmung bzw. Tiiderstandstrimniung in einer Einweg-Folge eingestellt werden können.

Durch die Grundform der Erfindung ist ein funktionsabstimmbares aktives Filter geschaffen, mit einem Differenzverstärker bzw. Differentialverstärker und mit einem ersten Kondensator und einem ersten Widerstand, die in Reihe zwischen dem Eingang des Filters und dem invertierenden Eingang des Verstärkers, geschaltet sind. Zusätzlich ist zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgan'g des Verstärkers ein zweiter Kondensator verbunden und ein zweiter Widerstand ist zwischen der Verbindung des ersten Kondensators und des ersten Widerstands und einem gemeinsamen Anschluß des Filters verbunden.

609831/0759

Uberdies ist ein dritter Widerstand zwischen dem genannten. Verbindungspiinkt und dem Ausgang des Differential-Verstärkers verbunden, während der nicht invertierende Eingang des Ver stärkers mit dem gemeinsamen Anschluß verbunden ist. Der ,Schaltungsaufbau ist so gewählt, daß Veränderungen des Widerstandswertes der ersten und/oder dritten Widerstände die Pol-Resonanzfrequenz ω beeinflußt, während Veränderungen des Widerstandstertes des zweiten Widerstands den Pol-Gütefaktor Q aber nicht ω beeinflussen, wodurch eine Einweg-Folge der Funktionsabstimmung eines Bandpaß-Filters bzw. Bandfilters erzeugt wird.

Durch Modifizierung des Grund-Bandfilter-Gliedes bzw..Abschnitts, kann man es als Tiefpaß-Kerbfilter arbeiten fassen. Anstelle einer direkten Verbindung mit Masse wird ein vierter Widerstand zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Ver stärkers und dem gemeinsamen Anschluß verbunden. Zusätzlich wird ein fünfter Widerstand zwischen dem nichtinvertierenden 3ingan~ unc! do;:: Eingang des Filters verbunden, nährend ein sechster ./iclerstancl zwischen den invertierenden Hingang und do:.: geneinsaiiien Anschluß verbunden wird. Zusätzlich zu den obengenannten Paranotern, beeinflussen Veränderungen des VJiderstandc.vertes des sechsten Widerstandes die Null-Resonaiizfrequsnz Cu aber nicht Cu mid Q, , während Veränderungen des

Zr OO

V/idGrstands'ü'ertes des vierten und/oder fünften Widerstandes den IIull-Gütefaktor Q aber nicht co . ω^ und Q beeinflussen,

ij O ^ O

wodurch wisderun eine Uinweg-Folge der FunlitionsabstimEiuns •söglicli wird.

Durcli Vorbinden eines dritten Kondensators im Nebenschluß mit dem sechsten V/i d erst and und durch Änderung der Bauelenentewerte arbeitet das oben beschriebene Tiefpaß-Kerbfilter Glied als Hochpaß-Kerbfilter, als Bandsperre bzw. Sperrfilter

609831/07 5 9

oder als Allpaß-Filter, wobei die Einweg-Folge der Funktionsabstimmung der vier Grundparameter oj . Q , ω und Q beibehalten wird» Wenn also die Bauelementewerte so gewählt sind, daß <i> kleiner ist als ω und Q = co, dann arbeitet die Schaltung als Hochpaß-Kerbfilter. Wenn alternativ dazu die Bauelementewerte so gewählt werden, daß co = ω und Q = -Q_nJ dann arbeitet die Schaltung als ein Allpaß-Filter. Wenn hingegen die Werte so gewählt werden, daß ω =
Schaltung als Sperrfilter.

so gewählt werden, daß ω = co und Q = <=», dann arbeitet die

ZO Z

Die. Erfindung betrifft also eine Familie von aktiven RC-Filtern, bei der Bandfilter-, Tiefpaß-Kerbfilter-, Hochpaß-Kerbfilter-, Bandsperr- bzw. Sperrfilter- und Allpaß-Glieder zweiter Ordnung verwirklicht werden können. Die Filter gestatten eine ZLnvJor;-Funktionsabstiüünung der vier Grundparar.ietor ω , Q , co^ und ~i„

0 0 3 "

durch '.Viderstands-Feinoinstellung.

Die Erfindung wird ii;i folgenden anhand von Ausführungsbeispielen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung, nähor erläutert; es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild eines funktionsabstimnbaren aktiven RC-Bandfilters;

Fig. 2 eine modifizierte Form des in der Fig. 1 dargestellten Schaltbildes, das zusätzliche Bauelemente zur Verwirklichung eines Tiefpaß-Kerbfilters aufweist;

Fig. 3 eine modifizierte Form des in der Fig. 2 dargestellten Schaltbildes, das zusätzliche Bauelemente zur Realisierung eines Hochpaß-Kerbfilters, eines Allpaß-Filters oder eines Sperrfilters mit ausgewählten BauelementqjLverten aufweist; und

609831/0759

Fig. if A, IfB, L[G, ZfD und ifE die Auswirkung dieser Funktionsparameter auf die Frequenzcharakteristik der in den ·- Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Familie von Filtern.

In den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen sind die passiven Bauelemente mit Bezugszeichen versehen· Die relativen Werte dieser Bauelemente sind so gewählt, daß die in der folgenden technischen Beschreibung angegebenen Gleichungen erfüllt werden.

Wie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt, weist jedes der funJttionßabstimmbaren aktiven Filter einen Eingangsanschluß 10 zur Zuführung eines Eingangssignal V. auf, einen Ausgangsanschluß 11 zur Abnahme eines Ausgangssignals V und einen gemeinsamen oder HasGG-Ano chluß 12. Zusätzlich vjoison dis Filter ο in an einzelnen Diffcrentialein.^ang-Operationsverstärkor A(s) auf, dessen Auc/jang mit den Aus gangs ans chluß 11 verbunden ist.

3in erster Kondensator G₀ und ein erster V/iderstand R_r sind

2 b

in Reihe zwischen dem Eingangsanschluß 10 und dem invertierenden Eingang (-) des Differentialverstärkers A(s) geschaltet. Zusätzlich ist ein zweiter Kondensator G₁ zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Differentialverstärkers A(s) geschaltet. Jede der Schaltungen weist überdies einen zweiten V/iderstand R„ auf, der zwischen dem Verbindung punkt des ersten Kondensators C_p und des "Widerstands R^- und dein gemeinsamen Anschluß 12 verbunden ist. Ein dritter V/iderstand R, ist zwischen diesem Verbindungspunkt und dem Ausgang des Differentialverstärkers A(s) verbunden. Zusätzlich weist jedes der Filter ein leitendes Element auf, das zwischen dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Differentialverstärkers A(s) und dem gemeinsamen Anschluß 12 verbunden ist. In der Fig. 1 ist dieses leitende Element eine direkte Verbindung zwischen dem nichtinvertierenden Eingang und dem gemeinsamen Anschluß 12, während es in den Fig. 2 und 3 aus einem vierten Widerstand R,- besteht.

609831/0759

COPY

Zusätzlich zu den in der Fig. 1 dargestellten Bauelementen weisen die Ausfuhrungsbeispiele der Fig. 2 und 3 einen fünften Widerstand R-, auf. der zwischen dem nichtinvertierenden ι 3

Eingang des Differentialverstärkers A(s) und dem Eingangsansc&luß 10 verbunden ist, sowie einen sechsten Widerstand R^, der zwischen dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers A(s) und'dem gemeinsamen Anschluß 12 verbunden ist. Zusätzlich zu den in der Fig. 2 dargestellten Bauelementen weist das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 auch einen dritten Kondensator C, auf, der im Hebenschluß zum Widerstand R« verbunden ist«

Wie aus dem folgenden hervorgeht, stellen die drei Schaltungen eine Familie von funktionBabstimmbaren, aktiven RC-Filtern dar, von denen ein Bandfilter in der Fig. 1, ein Tiefpaß-Kerbfilter in der Fig. 2 und abhängig von den Bauelementewerten oin Hoclrpaß-Kcrbfiltor, ein Allpaß-FiItor oder ein Bo.ndrroori'-Filter in der Fi■;;. j> u;.u.;*ostollt sind.

Die SpannunusUbortra.rungccharakteriGtik bsiv, Spamiun~sübertragungskonnlinie eines allgemein biquadratischen ^T-'ilterc hat die Form:

T(s)„= G

Q ο "ο

(O

Hierbei bedeuten:

G = Verstärkungspegelkonstante OJ = Pol-Resonanzfrequenz

ω = Null-Resonaiiafrequenz ζ

S = komplexe Frequenzvariable Q₀ = Pol-Gütefaktor Q = KuIl-GUt e falzt or

609831/0 759

";io -^inwg ■-i-Fu.n.Voionsr.bstir.i.iiio^' eines soldi ·3ΐι Filtern kann durc'i .71:-erctands feineinstellung erreicht worden, wann der j.-η Po¹-'-L'te "=il-:toro?/S ent'" alt er de Ausdruck von eine-:· Ji-

oo _?

c.orstano.3v;-3rt -?bhän~t, der den Ausdruck ω "~ nit dor i-'ol-Sesonan:; frequenz nicjt beeinflußt; der Ausdruck uit der Iiull-3eso-

nrnr. frequenz ui~ ist von einex:; V/iderctandswert abhängig, der

~r> ^z

üeOer c "" noo'i <^ /-^ beeinflußt; acliließlich hän:vt der Auso ο ο

druck-,,/!., dar den rTull--3i.itefaktor enthält, von einem '.Jl-

derstandov;e

beeinflußt.

P P

derstandov;ert ab, der keinen der Ausdrücke lj ~. uj /■] oder Oj

ο ' ο ο ζ

V/enn der Idfforentialverstärker bzw. Differenzverstärkor ideal ist, CIi. "ienn AjJs)—>°=>ist, dann hat die Spannuncj.sübertra^unjs funktion der in der ?ij. 5 dargestellten Schaltung die Form:

i W; - r^

H₆

2q- 2

Hierbei bedeuten: k =■

(2)

•Durch Vergleich der Gleichungen (1) und (2) folgt: C + C

G =

CO.

1 ₊ 1
^E6 ^C2 ^R24 ^C2

(3)

(5*

609831/0759

BAD ORIGINAL

Ii₁ + H₀, + 2,- 1 ^M-b

""5 '■' P ⁿ (C +Πι

1 + 1 + 1 - 1 "3 (7)

Pz-C R G P (G +G-) -L^ """ο 2 \2^;- ""2 Ί 1 3 ^ι5

Aus der obigen Gruppe von Gleicliun^oii ist au entnslr.uon daß:

ω _r. - i

"D "O Tj T> ρ "Π -Τ ρ 'T

^vir, i-^ 2, L'r_t o) ^!4„ = £.(. I_-1 2j ;._M -:■. ·;.

Folglich hann eine Hinweg-Folge der Funlzt ions abs ti:v;r.ung der Filter dann erreicht werden, nenn der Abstini.i-Vorgan'': in der folgenden Reihenfolge durchgeführt v.'ird:

1) Ij wird durch Λ, oder Rz- 3) <*>„ vjird durch R₁ ein-

O *-;- G Ξ ·

eingestellt ' gestellt

2) H wird durch R_? einge- if) Q^ uird durch Jd₇. oder R_r stellt eingestellt

;7enn für den Kondensator G_r = 0 gilt, ".'ie in der Fig. 2, vereinfacht sich diese Übertragungsfunktion (2) au:

Π ₊ J ₄

r,V ·> ^ ^{3 + S}

Π Π TD / ^T TT —trfrt

1 ο Ί "!j ^Η1"2Γ: 1 2

2/j- d

ij. ο 1 2

Dies führt au entsprechenden Veränderungen der Gleichungen(3), (6)uiid (?) wie folgt:

60 9831/07 59

BAD ORIGINAL

1 υ ""

η

Ji — -χ.

(3A)

^ Ό

"ζ -^ "2 ^Zk 2 "1 ^wl ^il6 ^I ^il5

Hierbei ist Jedoch klar, daß die Hinweg-Folge der Punktionsabstiii:auii2 die ,"leiche sein -.vird, ivie für die Schaltung der Fig. y.

Ta gleicher ./eise vereinfacht sich die übertragungsfunktion (2) wenn füj?äio V/iderstände silt: H₇ = co und S_n. = O, wie in der

ö ^C2 ^H2if "2 -\ -^l6 ^W1 "2

(23)

Unter diesen Umständen hat der Ausdruck o„ =0 oder co >nit der ITull-Iiesonanafrequenz; und der Ausdruck ö /Q. siit den ITuIl-Gute-

2 S

falctor keinerlei Bedeutung aehr. Die ^Invve^-Fururfcionsabstimnung wird dann einfach durch Einstellen von to und Q erreicht, wie oben anGecjeben. SIs soll festgehalten werden, daß der 'Jiderstand 5, in der Gleichung (2B) nicht erscheint. Es kann geseilt -:jerden, daß die Schaltung nit oder ohne diesen Widerstand IL funlitioniert und folglich kann dieser Widerstand elii::iniert werden.

609831/0759 ORIGINAL

Jede aufeinander folgende Widers tands-Feinrbc.tinrAm.:; beeinflußt nicht die vorhersehend eingestellten ten. abgeglichenen Parameter. Daher ist in Idealfall die- 2iiv;;eg-5\5inoiiiEte3-liing der Abstir^iüiderstände und folglich die vollständige iAmktionsabstiamung für einen Filterauibau möglich, welcher der übertragungsfunktion der Gleichung (2) genügt. IDs liegt somit die VervJirl-ilicliuns 8er Erfindung in einen praktischen Aufbau vor, der diese Bedingung erfüllt.

Das netzwerk der Fig. 3 enthält neun passive Daueleraento, von denen einer sowohl im invertierenden als auch lsi nichtinvertierenden Eingangssweig zur Bestiramuri" des beliebigen Impedanapeoels verfügbar ist. Vier andere sind zur Erfüllung der Besiehungen der Gleichungen (4) und (7) verfügbar. So^iit sind sur vollständigen Bestianrang der Konstruktionswerte der Filterelemente drei Freiheitsgra.de verfügbar. In ähnlicher Weise Iiat das Hetsnerk der Fig. 2 acht passive Sienente, von denen swei den willkürlichen Inpedanzpegel bestiiiiEien und vier weitere die Beziehungen der Gleichungen (4) , (5)j (6A) und C?A) erfüllen, so daß swei Freiheitsgrade verbleiben. In der Fig. 1 cind die Bauelemente i-i niclitinvertierenden Eingangsaweig und der Widerstand S^ im invertierenden Zweig eliminiert. Folglich flird nur ein Element in invertierenden Eingangszweig zur Bestimmung des willkürlichen Impedanzpegels verwendet. Hachdem nur zwei passive Elemente zur Erfüllung der Beziehungen der Gleichungen (if) und (5) erforderlich sind, aber insgesamt fünf zur Verfugung stehen, sind zwei Freiheitsgrade verfügbar, um die Konstruktionswerte der Filterelemente vollständig zu bestimmen. Bei den oben angegebenen Gleichungen ist ein idealer Operationsverstärker A(s) angenommen worden. Es ist klar, daß bei der praktischen Verwirklichung eines solchen Filters die Eigenschaften des

609831/0759

BAD OP.inW.AL

worden

C do:: Fceh"-ar,:i 'Juhlbo'-annt ist.

In Abhängigkeit von clon üauolei-iente^erton arbeitst eic in l·"¹!;;. 5 dargestellte Schaltung entweder als Eochpaß-Kcrbfilter, als Allpaß-Filter (Lauf^eit-Sntserrer) oder als Sperrfilter; die in der Fig. 2 dargestellte Sc he¹.?, tun.; arbeitet als Tiefpaß-Korb filter, während die in dor Fig. 1 dargestellte .Solvltiuv' a?.o I;cndfilter arbeitet. Diese Ko^- lio'ilioiton l:Unr.on oo£33r vorstanden uerden nit 3esu;; auf die Fi^. -μ'- ^ic LJ], die den Zliniluß der verschiedenen FunLtioncnaranotor auf die Si^enscnaften der vorccliiedonen Filter darctellon.

^^ Ab3ti::;nvcrgang ict ähnlich für alle fünf

ITiItor dor Fauilie. U:; eine I3invje£-Funlitionsabsti!:iriung zu erzielen, werden die Punlitionspara:;;eter in der nachstehenden USiIiOiIfOl₁TG abgestimmt: ω , ξ> , «a und 0, . In der

O O Zr S

^eichnuns sind in Kl ar.::-.; em die jeweiligen Funkt ionspar anet er dargestellt, die durch die Feiiiabstinnun^ jedes der Widerstände eingestellt w'orden. Der nun folgende Abstimnvorgang ist hauptsächlich auf Phasennessunken begründet. In der Praxis wird ',ve^en der nicht idea.len Eigenschaften des Opere.tionsverstärkers A(s) ein ^eringfü^iGQ^ Phasenfehler auftreten, liornalerv/eise. ist dieser Fehler viel kleiner als ein Gra.d •und wird daher bein nachstehenden Abstimnvorgang außar acht gelassen.

1) V/enn der Widerstand 2,- kurzgeschlossen wird, verändert

sich die übertragungsfunktion der Gleichung (2) in eine Bandfilter-Kennlinie und die Übertragungspole bleiben unverändert. Wenn der Widerstand S_n- kurzgeschlossen ist, wird an den 2ingangsanschluß 10 des Filters ein Signal mit der

609831/0759

, BAD ORIGfMAL

erforderlichen l'ol-_2oso;iai:-.z, frequenz w gelegt. Der .Jiderstarid 'Ά, wird dann verändert, v;n die Phasendifferenz zv.'ischen den Ausgang o:::. Anschluß 11 und -:'-q:_\ Eingang ar.. Anschluß 10 auf den Y/ert θ(ο> ) = 1CO⁰ einzustellen.

2) ..ic kann ermittelt v/orden, daß die Frequenzen C₁ odor- ω_ο, bei el on on die Pliaae au o;::piindlicli3ten 'auf Vera'ndorun^on von Q₁ anspricht, durch die nächst eil en de Be^iehun;; gojebcn

^₁ , oder

^Jo

Die den zwei Frequenzen entsprechenden Phacenlagon sind

OO O — D

1GO + i'3 ) woraus sich ergibt, Θ-, = "\Zö und Qp ⁼ ^--'J · 5ur Erzielung eines niiiimalon Fehlers ist es empfohlen, die niedrigere Frequenz e>_o zu verwenden. V/ährend der Widerstand 2_r iianer noch kurzgeschlossen bleibt, wird ein zweites Signal an den Hingangsanschluß 10 cos Filtern mit einer Frequenz ω_ο eingekoppelt und die Phasendifferenz verglichen zwischen den Ausgangs ans chluß 11 und de..: ilingangsanschluß wird auf derJobigen V/ert Q„ unter Verwendung des V/idorstands Ώ

.2 °

eingestellt. Zur überprüfung wird dann das Signal auf G)-verändert, wobei nunmehr die Phasendifferenz zwischen dc.u Ausgang und den Eingang des Filters der. oben definierten "Jert Q₁ entsprechen sollte. Damit ist nun die Züinstellung der Übertragungspole vollständig abgeschlossen.

23s kann gezeigt werden, daß die Phase θ~ an empfindlichsten gegen Veränderungen von <y^ ist, bei der Frequenz ©-. = o>_. Wenn angelaufen wird, daß alle die Feineinstellwiderstände anfänglich einen viel niedrigeren Wert aufweisen als ihre Nominalwerte und während des Feinabstiianivorgangs vergrößert

609831/0759

werden, was der Fall ist bei Dünn- und Dickfilu-Technologie, dann kann etwas abweichenden Schritt gh zur Einstellung der Nullstellen gefolgt werden,. nie nachstehend 'beschriebeil ist.

In Falle dos Allpaß-ITetswerks der Fig. 3 nird der" V/iclerstand 2_r auf einem festen 7ert gehalten und dor Widerstand 2^ wird als Feineinstellwiderstaiid ausgewählt. Bs gilt dann:

3) Entferne den Kurzschluß über dem widerstand H₁- und lege

ein Signal an cl'en Sin^sngsanecliluß 10 des Filtere, ::iit der orforcorlichen Ilull-Frequeiiz (o„ = ο ). In diesen Fall ist clic Grüße u^~ ;;rüßer als ihr nomineller 7ert und die GröTjo CaJZ) kann

V/iderstand P.^ kann dann vergrößert werden, bis am Ausgangsanschltiß 11 eine minimale Spannung erscheint oder B_x = - JO gilt. An dioGer.1 Punkt gilt «„Au ⁼ ^j d.h. Q^ ist sehr hoch.

1+) 'S(OXi kann der ./id erst and H₁ zur Einstellung der Größe

2
α erhöht werden. Diese Feineinstellung bewirkt, daß

die Größe m^/Z,, nega.tiv wird. Sine genaue Einstellung ist erreicht, wenn gilt: 8 (»„ = e_o) = + 130 .

5) V/älirend die Spannung a;:: Aus gangs ans chluß 11 bei zwei verschiedenen Freouensen, z.3. bei w und bei O₅I ω

' ο 'ο

üb er ν.¹ acht wird, wird der 77iderstand E^ vergrößert bis keine Veränderung des Spannungspegels auftritt. Obwohl sich während dieser !Einstellung der konstante Multiplikator verändert, ruft dies praktisch kein Problem hervor. Bei diesem letzten Einstellschritt für 3 , bleibt die bei «

s ο

gemessene Phase unverändert auf den V/ort, der in Schritt Zf angegeben ist.

609831 /0759 BAD ORIGINAL

Für den Fall eines IIoclrpaß-Kcrb filters der Fig. y, bleibt der ϊ/iderstand 2_ fest und 2_r ist der veränderbare Foineinstell-.Vid erstand. 3s gilt dann:

3a. Der llurzsciiluß wird von R- entfernt u::c! air. Signal wird nit der erfoi'derlichen ITull-Frequenr: ö„ de: Filter suge lülirt. An dieser.: Punkt ict die Große V^ größer alc ilir Noninalnert und die Größe »„/Q,, kann anfänglich negativ gena.cht werden. Dann kann 2,- vergrößert werden, bis entweder eine niniuiale Yerstärkun;·; in cer AucgangGspannung erreicht ic't oder die Phasendifferenz swiaclaon de.: Ausgang 11 und de::- Eingang 10 der nachstehenden Bedingung .jonügt:

θ = -tan

ζ ο
"¹ ^

ο ζ

Dies entspricht einen sehr hohen Wert von Q₁,.

i|.b. Die Einstellung von w_r^ kann nun durch Feineinst ellung von E- durchgeführt werden. Während H« vergrößert wird, wird die Größe (»„/Q ) negativ und die genaue Einstellung wird erreicht, wenn die Phasendifferenz den nachstehenden Wert annimmt:

ω ο

ζ ο

- ω

ο ζ

5a. Bei der gleichen HuIl-Frequenz ν kann nun die endgülti-

CJ

ge Einstellung für Q erfolgen. Während die Ausgangsspannung überwacht wird, wird der Widerstand R_n- vergrößert, bis eine maximale Absclnvächung durch den Filter erreicht ist.

609831/0759 BAD ORIGINAL

t*m ί ι

Dor AuGtir;:".*vor^r.ii{^ für cio Baiidsperre bzw. das Sperrfilter dor Fi.'-;. 3 iot identisch uit dom dee Ho clipaß-Kerb filters > r.iit der Ausnahme, daß die beiden Frequenzen O_n, und. ο gleich sind, ale ο »^ = ο . .

Der Abs tir.:n vor gang für das Tiefpaß-Kerbfilter der Fig. 2 ist wieder grundlegend der gleiche wie für das Hoclapaß-ICerbfilter, i:iit der Auciiahme, daß die ITull-Resonanzfrequena größer ist und nicht kleiner als die Pol-Itesoiiansfrequens, alco » > ο .

S O

In der Fi^. 1 ist der nichtinvertierende Siiigan^ des Operationsverstärkers A(s) nit Kasse verbunden. Dies ist äquivalent su einem Kurzschluß des Widerstands H₁-, der Abstimmvorsang für das Bandfilter ist also identisch zu den ersten beiden Schritten, wie oben anse^oben. Die Abstimmung der Übertra^ungspole vervollständigt die Einstellung dieses Filters.

Im folgenden sind nichteinschränkende Beispiele von zweien der Filter angegeben, die sur Veranscha.ulich.ung typischerweise erreichbarer Eigenschaften dienen:

Beispiel I: Hochpaß-Kerbfilter

Ein exemplarisches Filter, das den folgenden Bedingungen genügt:

Dämpfung bzw. Abschwächung >20 dB bei i+0 Hz< f ^ 70 Hz; und Welligkeit <O,05 dB bei 300 Hz^: f έ_ 3,0 KHz; hat die folgenden Eigenschaften:

Q = 0,832; -²Jy = 0,1778 und f = 57,1 Hz.

609831/0759

BAD ORIGINAL

Typische Bauelementeierte, dio don obigen Kritierion ge,

nügen würden, sind:

= 21 nF

C-, = 169 nF

P^ - 179 ΕΛ

R₀ = M_VL Ϊί-Λ

ι:λ

"Π _

33,0

^r ty

A(s) A =ΊΟ^Ρ; f. = 300

O "C

Beispiel II: Allpaß-Laufseit-Entserrsr-Iiotzvjork

Hin tyOlschec Allpaß-Filter hat die Paraneter: Q = 3,07;

f = 2360 Ha; ui:a den AnfordGründen einer Beträge-Kennlinie 3U genügen, die in einem Frsquennbereicli von 100 Hs C f 4 3 ΙΠι" innerhalb von £ 0,01 dB flach ist.

Typische Bauelementen3rte, die den obigen Kriterien genügen würden, sind:

130 pF 20 nF 150 pF I57 ΚΛ 121 KjA

R₃ = 2_;79 Ka

10,0

A(s) A = 10^; f, = 800 KHz

O "D

Zusammengefaßt wird durch die Erfindung ein vollständig fmiktionsabstiiiimbares, allgemein biquadratisches, aktives Filter rait einem einzelnen Verstärker geschaffen. Für den Fall von Hochpaß-Kerbfilter-, Allpaß-Filter- und Sperr-Filter-Ei_o'enschs.ften, werden drei Kondensatoren benötigt, aber das Netzwerk vereinfacht sich auf eine kanonische Form für die Fälle von Tiefpaß-Kerbfilter und Bandfilter. Jedes der Filter hat geringe passive Empfindlichkeiten, wegen der aktiven Empfindlichkeit der Filter jedoch und der Streuung

609831/0759

.. BAD ORIGINAL

IT, _

ihrer Eapasitütswerte sind sie hauptsächlich für Anwendungen geeignet, die mäßige Gütewerte O gestatten.

3g wurde ein Fünfschrltt-AbstimiHVorgang beschrieben, der hauptsächlich auf Phaseneinstellungen beruht, wobei die Korb-Bedingung durch Botra;-;G::ioGsuiigen eingestellt wird. Der V/iderstand-FeiiiabctiriiMun^s-Vorgang ist einseitig gerichtet bsn. in einer.Richtung wirkend, was für Dünn- und Dickfili:!-ü?eehnolo'ie geeignet ist.

- Patentansprüche -

609831/0759

BAD ORIGINAL

Claims

Pat entansprüciie

Funktionsabstimmbares aktives RC-Filter mit einen Eingangsanschluß, einem Ausgangsanschluß und einem gemeinsamen Anschluß, gekennzeichnet durch einen Differentialverstärker (A(s)) .mit einem invertierenden (-) und einem nichtinvertierenden (+) Eingang und einem Ausgang, der mit dein . Ausgangsanschluß verbunden ist, einen ersten Kondensator (G2) und einen ersten Widerstand (R6), die in Serie zwischen deEi .Eingangsanschluß (10) und dem invertierenden Eingang (-) des Differentialverstärkers verbunden sind, einen zweiten Kondensator (1), der zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Differentialverstärkers geschaltet ist, einen zweiten Widerstand (R2),der zwischen dem Verbindungspunkt des ersten Kondensators und Widerstands und dem gemeinsamen Anschluß geschaltet ist, einen dritten Widerstand (Ri+), der zwischen diesem Verbindungspunkt und dem Ausgang des Differentialverstärkers geschaltet ist und eine leitende Einrichtung, die zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Differentialverstärkers und dem gemeinsamen Anschluß verschaltet ist, wobei der Differentialverstärker, die Widerstände, die Kondensatoren und die leitende Einrichtung so zusammenwirken, daß Veränderungen des Widerstandswerts des ersten und/oder dritten Widerstands die Pol-Resonanzfrequenz ω beeinflussen, und daß Veränderungen des Widerstandswerts des zweiten Widerstands den Pol-Gütefaktor Q₀, aber nicht »_Q beeinflussen, wodurch eine Einweg-Folge der Funktionsabstimmung des Filters ermöglicht ist.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ' daß die leitende Einrichtung aus einer direkten Verbindung des nicht invertierenden Eingangs des Differentialverstärkers und des gemeinsamen Anschlusses besteht und daß der Differential-' verstärker, die Widerstände und die Kondensatoren als Bandfilter zusammenwirken.

609831/0759 '

3. Filter nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die leitende Einrichtung aus einet: vierten Widerstand (R5) besteht, der zwischen der.·, nicht invertierenden Eingang des Differsntialverstärkers und de:;: gemeinsamen Anschluß geschaltet ist, und daß zusätzlich ein fünfter 'Widerstand (R3) vorgesehen - ist, der zv/ischen den: nicht invertierenden Eingang des Differentialverstärkers und den Eingangsanschluß angeordnet ist, sowie ein sechster Widerstand (R1), dor zwischen dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers und dem geneinsamen Anschluß geschaltet ist, wobei der Differentialverstärker, die Widerstände und die Kondensatoren als Tiefpaß-Kerbfilter so zusammenwirken, daß Veränderungen des Widerstandswertes des sechsten Widerstandes die ITull-Resonanzirequsiaz 0 , aber nicht w und Q

ζ

beeinflussen, und daß Veränderungen des Widerstandswertes des vierten und/oder des fünften Widerstands den KuIl-Gutefaktor

ζ nweg-

Folge der Funktionsabstimnung des Filters möglich ist.

aber nicht » , » und Q beeinflussen, wodurch eine Einweg-

O /j O

. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Einrichtung aus einen vierten Widerstand (Rfj) besteht, der zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Differentialverstärkers und dem gemeinsamen Anschluß geschaltet ist, und daß zusätzlich ein fünfter Widerstand (R3) vorgesehen ist, der zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Differentialverstärkers und dem Eingangsanschluß angeordnet ist, sowie ein. sechster Widerstand (RT) und ein dritter Kondensator (C3), die im Nebenschluß zwischen dem invertierenden Eingang des .Differentialverstärkers und dem gemeinsamen Anschluß geschaltet sind, wobei der Differentialveistärker, die Widerstände und die Kondensatoren entweder als Hochpaß-Kerbfilter, als Bandsperr-Filter oder als Allpaßfilter so zusammenwirken, daß Veränderungen des Widerstandswerts des sechsten Widerstands die Full-Resonanzfrequenz »_z, aber nicht »_Q und Q. beeinflussen,

609831/0759

und daß Veränderungen des '.Viders bands viert s des vierton unn/oder fünften ./iderstands den ITull-Güte faktor -4„, a.ber nicht ω , »_r. und Q beeinflussen, wodurch eine .üinweg-Folge der Funtktionsabstiiuüiung des Filters ermöglicht ist.

5. Funktionsabstisobares aktives HG-FiIter :-.;it eine;:: JHingangsanschluß, einem Ausgangsaiaschluß und einem gerne ins aiuen Anschluß, gekennzeichnet durch einen Differentialverstärker (A(s)) ::iit oinoM invertierenden Eingang (-) und ein ein nicht invertierenden .Eingang (+) und einen Ausgang, der r.iit de'-: Ausgangs anschluß des Filters verbunden ist, einen ersten Kondensator (02) und einen ersten Widerstand (Ho), die in Serie zwischen den Eingangsanschluß und de;:: invertierenden Eingang des Differentialverstärkers geschaltet sind, einen zweiten Kondensator (CI), der zwischen den invertierenden Eingang und dem Ausgang des Differentialverstär-iers geschaltet ist, einen zweiten V/iderstand (£22), der zwischen den Verbindungspunkt des ersten Kondensators und V/iderstands und des gemeinsamen Anschluß angeordnet ist, einen dritten Vi'iderstand (S--;-), der zwischen diese.:: Verbindungspunkt und dem Ausgang des Differentialverstärkers geschaltet ist, und die Verbindung des nicht invertierenden Eingangs des Differentialverstärkers mit den gemeinsamen Anschluß, wobei der Differentialverstärker, die V/iderstände und die Kondensatoren so zusammenwirken, daß Veränderunasii des V7iderstandswertes des ersten und/oder des dritten V/id erst ands die Pol-Resonanzfrequenz e> beeinflussen, und daß Veränderungen des 7/iderstandswerts des zweiten Widerstands den Pol-Gütefaktor Q , aber nicht w beeinflussen, und daß die V/erte der V/id erstände und der Kondensatoren so gewählt sind, daß ω_π = 0 gilt, wodurch das Filter als Bandfilter arbeitet.

S. Fiiiilitionsal'jstii.cb-.res aktives HG-FiIter mit einer .Gin-gangsanschluß, eine.: Aus gangs anschluß und einem .ger.:eir.ca..:en Anschluß, τ e 1; 3 η η ζ e i c h η e t durch einen Differenzialverstärker

609831 /0759

(_."_(s)) rait einen invertierenden Eingang (-) und einem nicht invertierenden Eingang (+) und einem Ausgang, der mit dem Aus-" jangsanSchluß des Filters verbunden ist, einen ersten Kondensator (C2) und einen ersten '.widerstand (B.6), die in Serie swi-3clien dem Eingan-sanschluß und dem invertierenden Eingang des DifferentialVerstärkers geschaltet sind, einen zweiten Kondensator (01), der zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Differentialverstärkers geschaltet ist, einen zweiten Widerstand (B.2), der zwischen dem Verbindtingspunkt des ersten Kondensators und Widerstands und dem gemeinsamen Anschluß geschaltet ist, einen dritten Widerstand (R4), der zwischen diesem Verbindungspunkt und dem Ausgang des Differentialverstärkers geschaltet ist, einen vierten Widerstand (R5), <3er zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Differentialverstärkers und dem geneinsamen Anschluß geschaltet ist, einen fünften Widerstand (R3), der zwischen den Eingangsanschluß und dem nicht invertierenden Eingang des Differentialverstärkers geschaltet ist, und einen sechsten Widerstand (R1), der zwischen dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers und dem gemeinsamen Anschluß geschaltet ist, wobei der Differentialverstärker, die Widerstände und die Kondensatoren so zusammenwirken, daß Veränderungen des Widerstandswerts des ersten und/ oder des dritten Widerstands die Pol-Resonanzfrequenz w beeinflussen, daß Veränderungen des Widerstandswerts des zweiten Widerstandes den Pol-Gütefaktor Q aber nicht w beeinflussen, daß Veränderungen des Widerstandswertes des sechsten Widerstandes die Hull-Resonanzfrequenz ta , aber nicht w und Q beeinflussen, und daß Veränderungen des Widerstandswerts des vierten und/oder des fünften Widerstands den Null-Gütefaktor Q₂, aber nicht w , W₇ und Q be einfluss en ,woTsrei cLie Werte der Widerstände und der Kondensatoren so gewählt sind, daß «„>« , und -4^ =oo gilt, wodurch das Filter als Tiefpaß-Kerbfilter arbeitet.

609831/0759

BAD ORIGINAL

Functions abstimmbar es aktives RC-Filter nit einem Eingangse.nsclilußj einem Ausgangsanschluß und einen gemeinsamen Anschluß, gekennzeichnet durcli einen Differentialverstärker (A(s)) mit einem invertierenden Eingang (-), einen nicht invertierenden Eingang (+) und einen Ausgang, der mit dem Ausgangs-Anschluß des Filters verbunden ist, einen ersten Kondensator (02) und einen ersten Widerstand (R6), die in Serie zwischen dem Eingangsanschluß und dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers geschaltet sind, einen zweiten Kondensator (01), der zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Differentialverstärkers geschaltet ist, einen zweiten Widerstand (R2)·, der zwischen dem Verbindungspunkt des ersten Kondensators mit dem ersten Widerstand und dem gemeinsamen Anschluß geschaltet ist, einen dritten Widerstand (R4), der. zwischen diesem Verbindungspunkt und dem Ausgang des Differential Verstärkers geschaltet ist, einen vierten Widerstand (R5), der zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Differentialverstärkers und dem gemeinsamen Anschluß geschaltet ist, einen fünften Widerstand (E3)f d.er zwischen dem Eingangsanschluß und dem nicht invertierenden Eingang des Differentialverstärkers geschaltet ist und einen sechsten Widerstand (B.1) und einen dritten Kondensator (C3)» die im Nebenschluß zwischen dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers und dem gemeinsamen Anschluß geschältet sind, wobei der Differentialverstärker, die Widerstände und die Kondensatoren so zusammenwirken, daß Veränderungen des Widerstandswertes des ersten und/ oder des dritten Widerstandes die Pol-Resonanzfrequenz w beeinflussen, daß Veränderungen des Widerstandswertes des zweiten Widerstands den Pol-Gütefaktor Q₀ aber nicht w_Q beeinflussen, daß Veränderungen des Widerstandswertes des sechsten Widerstands ,die Hull-Resonanzfrequenz v_z aber nicht w_Q und Q₀ beeinflussen, und daß Veränderungen des Widerstandswertes des vierten und/odei des fünften Widerstands den Null-Gütefaktor Q_z aber nicht *»₀, « und Q_n beeinflussen.

zo.

609831/0759

8. Filter nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Widerstände und der Kondensatoren* so gewählt sind, daß w <» und Q = oo gelten, wodurch das

ZO Z

Filter als Hochpaß-Kerbfilter arbeitet.

9. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Widerstände und der Kondensatoren so gewählt sind, daß W₁₇ = α und· Q = -Q gelten, wodurch das Filter als Allpaß-Filter arbeitet.

10. Filter nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Widerstände und der Kondensatoren so gewählt sind,, daß β = <o und Q = oo gelten,wodurch das

Z O Z

Filter als Bandsperr-Filter arbeitet.

609831/07 59

ar

Leerseite