DE3050110C2

DE3050110C2 - Filter mit geschalteten Kondensatoren

Info

Publication number: DE3050110C2
Application number: DE19803050110
Authority: DE
Inventors: Ian Alexander Farmers Branch Tex. Young
Original assignee: Mostek Corp
Current assignee: CTU of Delaware Inc
Priority date: 1979-12-18
Filing date: 1980-05-05
Publication date: 1987-01-15
Also published as: JPS6351571B2; FR2472305B1; US4338571A; NL8020395A; CA1149479A; GB2078045A; GB2078045B; FR2472305A1; DE3050110T1; EP0042386A1; JPS57500088A; WO1981001778A1

Description

Elektronische Geräte wie Fernmeldenetze, die beispielsweise impulskodierte Modulation (PCM) verwenden, sowie andere Sprachbandanlagen erfordern Präzisionsfilter hoher Ordnung (high-order filter). Bekannte Filterschaltungen, einschließlich Audio- und andere Niederfrequenzfilter, haben bereits Differentialintegration mit Widerständen und Kondensatoren verwendet. Nach der Entwicklung von Metalloxid-Halbleitern (MOS) wurden derartige bekannte Filter als Widerstand-Kondensatorschaltungen monolithisch hergestellt. Solche Schaltungen erforderten große Halbleiter- Substratflächen, wobei die Absolutwerte sowohl der Widerstandsbauelemente als auch der Kondensatorelemente innerhalb enger Grenzen gehalten werden mußten. Die Einhaltung dieser Grenzen ist für typische Temperatur- und Herstellungsschwankungen äußerst schwierig.
Der monolithische Aufbau von Niederfrequenzfiltern erfordert einen Filterbetrieb, der ähnlich passiven Niederfrequenzfiltern ist, die große Zeitkonstanten haben, er muß jedoch auf kleinen Halbleitersubstratflächen aufgebaut werden und es müssen Übertragungsfunktionen verwendet werden, die unempfindlich gegenüber Parameterschwankungen sind. Ferner ist es bei solchen monolithischen Aufbauten erwünscht, ohne zusätzliche externe Abgleichvorgänge genaue Kennlinie zu erhalten. Bereits bekannte aktive Filter, die als Dünnschicht oder als Hybridschaltungen hergestellt wurden, ergaben keine Präzisionsfilter, die gegenüber Temperatur- und Verarbeitungsschwankungen unempfindlich sind.
Aufgrund der Notwendigkeit von Abstimmtechniken zur Gewährleistung der Absolutwerte von Bauteilen, die in Filtern hoher Ordnung verwendet werden sowie wegen der Aufrechterhaltung von Temperatur- und Verarbeitungsstabilität, wurden bereits Integrationsfilter mit Schaltkondensatoren entwickelt. Derartige Schaltkondensatorschaltungen sind ihrem Verhalten bekannten Differentialintegratoren eng angenähert. Der Differentialintegrator mit Schaltkondensator wird mit zweiphasigen, nicht überlappenden Taktimpulsen betrieben. Ein derartiges MOS Schaltkondensatorfilter ist in einem Artikel von Allstot et al mit dem Titel "MOS Switched Capacitor Ladder Filters"; IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band SC-13, Nr. 6, Dezember 1978, beschrieben.
Um die in passiven Filtern verwendeten kapazitiven und induktiven Bauelemente zu simulieren, darf ein Schaltkapazitätsintegrator keine Phasenverschiebung in das zu verarbeitende Signal einführen. Bekannte Filter mit geschalteten Kapazitäten, die Induktivitäts-Kapazitätsfilter simulieren, haben Phasenverschiebungen derart eingeführt, daß diese Filterelemente als Verlustinduktivitäten und als Verlustkapazitäten erschienen. Mit der Einführung einer Phasenverschiebung in das Eingangssignal verschlechterte sich das Ausgangssignal derart, daß bekannte Filter mit geschalteten Kapazitäten nicht genau passive Filterelemente simulierten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Filter mit geschalteten Kapazitäten zur Herstellung auf einem monolithischen MOS Halbleitersubstrat mit hoher Packungsdichte und geringen parasitären Kapazitäten zu schaffen, welches die bislang mit derartigen Filtern verbundenen Schwierigkeiten weitgehend vermeidet, wozu auch das Vermeiden einer Phasenverschiebung im verarbeiteten Signal gehört. Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Filter mit den im ersten Patentanspruch gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche 2-7 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des Filters gemäß Anspruch 1.
Insbesondere soll das Filter mit geschalteten Kapazitäten kapazitive und induktive Bauelemente in passiven Kettenfiltern simulieren, in denen die simulierten kapazitiven und induktiven Bauelemente aufgrund einer effektiven Phasenverschiebung von Null in der diese Elemente in Spannung und Strom simulierenden Schaltung keine Verluste aufweisen. Ein derartiges Filter muß auch unempfindlich gegenüber Parameterschwankungen sein, die auf Temperaturen und auf Verarbeitungssteuerungen zurückzuführen sind. Ferner sollen die Größen der Bauelemente ohne zusätzliche Abstimmung einstellbar sein. Weiterhin sollen die auf der Basis von geschalteten Kondensatoren realisierten Filter, beispielsweise Hochpaß-, Tiefpaß und Bandpaßfilter, gegenüber Bauelementschwankungen unempfindlich sein.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Zum besseren Verständnis der Erfindung bezieht sich die nachfolgende Figurenbeschreibung auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines impulscodierten Modulations- Fernmeldenetzes zeigt, welches das erfindungsgemäße Filter verwendet; und
Fig. 2 ein Schemaschaltbild des erfindungsgemäßen Filters zeigt.

Figurenbeschreibung

Fig. 1 zeigt ein Fernmeldenetzsystem mit impulscodierter Modulation (PCM). Das Netz 10 weist ein Filternetzwerk 12 auf, das zwischen einen Wandler 14 und einen Analog-Digital und Digital-Analog-Wandler (CODEC) 16 geschaltet ist. Der Wandler 14 empfängt Eingangssignale von einem Telefon 18 und besitzt beispielsweise einen Zwei-Auf- Vier-Drähte Wandler zum Anlegen einer analogen Eingabe an einen einstellbaren Verstärker 20. Die Ausgabe des einstellbaren Verstärkers 20 wird über ein Bandpaßfilter 24 geschleift, dessen Ausgabe an den A/D-D/A-Wandler 16 gelegt ist, um die Ausgabe im PCM Fernmeldeanschluß zu codieren.
Der Bandpaßfilter 24 weist ein übliches Widerstands-Kondensatorfilter 28 auf und umfaßt beispielsweise ein Sallen-Key-Filter dritter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 32 kHz. Der Ausgang des Filters 28 liegt an einem Filter mit geschalteten Kondensatoren 30, das beispielsweise ein Hochpaßfilter dritter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 300 Hz aufweist. Das Ausgangssignal des Filters 30 wird an ein Filter mit geschalteten Kondensatoren 32 gelegt, das beispielsweise ein Tiefpaßfilter fünfter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 3,2 kHz ist. Die Filter 30 und 32 sind Gegenstand dieser Erfindung und werden anhand von Fig. 2 näher erläutert. Das Ausgangssignal des Filters 32 wird an ein Widerstands-Kondensatorfilter 34 gelegt, das beispielsweise ein Salen-Key-Filter zwetier Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 48 kHz ist. Signale von der PCM Fernmeldenetzverbindung werden von dem A/D-D/A-Wandler 16 aufgenommen, dekodiert und an ein Filter mit geschalteten Kondensatoren 40 gelegt, welches Gegenstand der Erfindung ist und beispielsweise ein Tiefpaßfilter fünfter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 3,2 kHz aufweist, die zur Glättung der Spannungsschritte in der A/D-D/A-Ausgangswelle dient und die notwendige sin x/x Korrektur zur Erzielung einer Einheitsverstärkung im Durchgangsband für den A/D-D/A-Wandler 16 liefert. Der Ausgang des Filters 40 ist an den Wandler 14 zum Anlegen an das Telefon 18 angeschlossen.
Ein Taktsignal (CLK) wird an eine Taktimpuls-Teilerschaltung 42 gelegt, die Taktsignale C 1 und C 2 zum Anlegen an die Filter 30, 32 und 40 erzeugt. Das Filternetzwerk 12 wird auf einem monolithischen Halbleitersubstrat hergestellt, welches alle in Fig. 1 innerhalb der gestrichelten Linie dargestellten Bauteile einschließlich des einstellbaren Verstärkers 20, der Widerstands-Kondensatorfilter 28 und 34, der Filter mit geschalteten Kondensatoren 30, 32 und 40 und der Taktimpuls-Teilerschaltung 42 umfaßt.
Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Filter das allgemein mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet ist. Das Filter 50 weist einen Integrierblock 52 und einen Integrierblock 54 auf. Die Integrierblöcke 52 und 54 bilden zwei Integrierschleifen, die in mehrfacher Rückkopplungsanordnung zur Durchführung und Simulierung von Kettenfiltern verbunden sind. Der Integrierblock 52 weist beispielsweise einen Euler-Rückwärtsintegrator auf, welcher eine Phasenverzögerung in das der Filterung unterworfene Eingangssignal einführt. Der Integrierblock 54 weist beispielsweise einen Euler-Vorwärtsintegrator auf, der eine Vorwärts-Phasenverschiebung in das der Filterung unterworfene Signal einführt. Die Gesamtwirkung der Schleifenverbindung der Integrierblöcke 52 und 54 gleicht die Phasenverzögerung und die Phasenbeschleunigung im verarbeiteten Signal derart aus, daß die Schaltkondensatorschaltung 50 als verlustlose Schaltung arbeitet und dadurch passive Elemente mit Induktivität und Kapazität in LC-Filtern simuliert.
Die Filterschaltung 50 läßt sich vervielfachen und an andere gleichartige in Form einer Vielkreis-Rückkopplungsschaltung mit Kettenfiltern anschließen, um eine beliebige Anzahl von Polen in einem Filter höherer Ordnung zu bilden. Beispielsweise würde das Filter mit geschalteten Kondensatoren 30 (Fig. 1) die eineinhalbmal gebaute Schaltkondensatorschaltung 50 aufweisen, die in Vielkreis-Rückkopplungsschaltungen angeschlossen ist. In ähnlicher Weise sind die Filter mit geschalteten Kondensatoren 32 und 40 (Fig. 1) dadurch gebildet, daß die Filterschaltung 50 fünfmal in Vielkreis-Rückkopplung verwirklicht sind, wobei sich die Verstärker zwischen benachbarten Kreisen oder Schleifen aufteilen.
Der Integrierblock 52 weist einen Differenzverstärker 60 auf, der einen Ausgang 62 und einen invertierenden Eingang 64 besitzt.
Zwischen den Ausgang 62 und den invertierenden Eingang 64 des Differenzverstärkers 60 ist ein Integrierkondensator 66 geschaltet. Der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers 60 ist an Erdpotential gelegt.
Der Integrierblock 52 weist ferner einen Schalter 70 mit Klemmen 70a und 70 b sowie einer Steuerklemme 70 c, einen Schalter 72 mit Klemmen 72 a und 72 b und einer Steuerklemme 72 c, einen Schalter 74 mit Klemmen 74 a und 74 b und einer Steuerklemme 74 c, einen Schalter 76 mit Klemmen 76 a und 76 b sowie einer Steuerklemme 76 c auf. Die Klemme 70 b des Schalters 70 ist an Erdpotential gelegt. Die Klemme 70 a des Schalters 70 ist an die Klemme 72 b des Schalters 72 angeschlossen und bildet einen Knoten 78. Die Klemme 74 b des Schalters 74 ist an eine Eingangsspannungsquelle angeschlossen, die entweder Erdpotential oder einen über Erdpotential liegenden Spannungswert hat, und zwar je nach Abschluß des zum Integrierblock 52 gehörenden Netzwerks und je nachdem, ob das Schaltkondensatorfilter 50 als Hochpaß- oder als Tiefpaßfilter gemäß nachfolgender Beschreibung aufgebaut ist. Die Klemme 74 a des Schalters 74 ist an die Klemme 76 b des Schalters 76 angeschlossen und bildet einen Knoten 80. Zwischen die Knoten 78 und 80 ist ein Eingangsschaltkondensator 82 angeschlossen. Die Klemme 72 a des Schalters 72 ist mit dem invertierenden Eingang 64 des Differenzverstärkers 60 verbunden.
Der Integrierblock 54 weist einen Differenzverstärker 90 mit einem Ausgang 92 und einem invertierenden Eingang 94 auf. Ein Integrierkondensator 96 ist zwischen den Ausgang 92 und den invertierenden Eingang 94 des Differenzverstärkers 90 geschaltet. Der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers 90 ist an Erdpotential gelegt.
Der Integrierblock 54 weist ferner einen Schalter 100 mit Klemmen 100 a und 100 b sowie mit einer Steuerklemme 100 c einen Schalter 102 mit Klemmen 102 a und 102 b sowie einer Steuerklemme 102 c, einen Schalter 104 mit Klemmen 104 a und 104 b sowie einer Steuerklemme 104 c, und einen Schalter 106 mit Klemmen 106 a und 106 b sowie einer Steuerklemme 106 c auf.
Die Klemme 100 b des Schalters 100 ist an Erdpotential gelegt. Die Klemme 100 a des Schalters 100 ist an die Klemme 102 b des Schalters 102 angeschlossen, um einen Knoten 108 zu bilden. Die Klemme 104 a des Schalters 104 ist an die Klemme 106 b des Schalters 106 angeschlossen, um einen Knoten 110 zu bilden. Ein Eingangsschaltkondensator 112 ist zwischen die Knoten 108 und 110 geschaltet. Die Klemme 106 a des Schalters 106 ist an eine Spannungsquelle angeschlossen, die entweder auf Erdpotential liegt oder einen Wert hat, der höher als Erdpotential ist, und zwar je nach Art des Abschlusses des Integrierblocks 54 und ob das Schaltkondensatorfilter 50 als Hochpaßfilter oder als Tiefpaßfilter aufgebaut ist. Die Klemme 102 a des Schalters 102 ist an den invertierenden Eingang 94 des Differenzverstärkers 90 angeschlossen.
Die Integrierblöcke 52 und 54 sind derart miteinander verbunden, daß die Ausgangsklemme 62 des Differenzverstärkers 60 an die Klemme 104 b des Schalters 104 und der Ausgang 92 des Differenzverstärkers 90 an die Klemme 76 a des Schalters 76 angeschlossen ist. Weitere Schaltkondensatoren 50 sind in ähnlicher Vielkreis- Rückkopplung angeschlossen.
Das C 1 Taktsignal wird an die Steuerklemmen der Schalter 70, 76, 100 und 106 gelegt und macht im aktiven Zustand die Schalter 70, 76, 100 und 106 leitend. Ein Taktsignal C 2 wird an die Steuerklemmen der Schalter 72, 74, 100 und 104 gelegt, welches im aktiven Zustand die Schalter 72, 74, 102 und 104 leitend macht.
Im Betrieb der Schaltkondensatorschaltung 50 wird zur Erläuterung zunächst angenommen, daß sich Klemme 74 b des Schalters 74 und die Kleme 106 a des Schalters 106 auf Erdpotential befinden. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 90 während einer ersten Taktphase, in der das Taktsignal C 1 wirksam ist, wird an den Eingangsschaltkondensator 82 am Knoten 80 des Integrierblocks 52 gelegt. Da der Schalter 70 während der ersten Taktimpulsphase leitend ist, befindet sich die Klemme 70 b des Schalters 70 auf Erdpotential und lädt den Eingangsschaltkondensator 82 auf den Wert der Ausgangsspannung des Differentialverstärkers auf. Die Schalter 72 und 74 sind während des ersten Taktsignals gesperrt. Man erkennt somit, daß der Eingangsschaltkondensator 82 die Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 90 während des ersten Taktimpulsses aufnimmt und speichert.
Während einer zweiten Taktimpulsphase wird das Signal C 2 erzeugt und an die Steuerklemmen 72 c und 74 c der Schalter 72 und 74 gelegt und steuert dadurch die Schalter 72 und 74 auf. Da der Knoten 78 durch den Differentialverstärker 60 auf Erdpotential gehalten wird und da die Klemme 74 b auf Erdpotential liegt, wird die zuvor im Eingangsschaltkondensator 82 aufgenommene und gespeicherte Ladung in den Integrierkondensator 66 integriert. Eine Phasenverzögerung wurde dabei in das Ausgangsspannungssignal des Differentialverstärkers 90 am Ausgang des Differenzverstärkers 60 eingeführt.
Während der ersten Taktphasen sind die Schalter 100 und 106 des Integrierblocks 54 leitend, so daß Erdpotential an den Knoten 108 des Eingangsschaltkondensators 112 und Erdpotential an den Knoten 110 des Eingangsschaltkondensator 112 gelegt werden, so daß der Eingangsschaltkondensator 112 entladen bleibt.
Während der zweiten Taktphase, in der das Taktsignal C 2 erzeugt wird, werden die Schalter 104 und 102 leitend. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 60 wird daher vom Ausgang 62 an den Eingangsschaltkondensator 112 gelegt und lädt diesen sofort auf die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 60 auf. Da der Schalter 102 während der zweiten Taktphase ebenfalls leitend ist und der Knoten 94 vom Verstärker 90 auf Erdpotential gehalten wird, wird die dem Schaltkondensator 112 eingegebene Ladung sofort an den invertierenden Eingang 94 des Differenzverstärkers 90 gelegt und der Integrierkondensator 96 integriert die über dem Eingangsschaltkondensator 112 erscheinende Spannung. Im nächsten Zyklus der ersten Taktphase wird die Ausgangsspannung vom Differentialverstärker 90, die am Ausgang 92 erscheint, an die Klemme 76 a des Schalters 76 gelegt. Man erkennt daher, daß der Integrierblock 54 die über dem Eingang des Schaltkondensator 112 erscheinende Spannung sofort integriert, während der Integrierblock 52 die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 90 eine Taktphase lang abfragt und speichert, indem der Eingangsschaltkondensator 82 aufgeladen wird, eher der Integrierkondensator 66 diese Ladung aufnimmt. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 60 wird während der zweiten Taktphase direkt in den Integrierkondensator 96 eingeleitet und integriert.
Zusammenfassend wird die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 60 direkt durch den Eingangsschaltkondensator 112 in den Integrierkondensator 96 zum Ausgang des Differenzverstärkers gekoppelt. Die Ausgabe des Differrenzverstärkers 90 wird während der ersten Taktphase vom Eingangsschaltkondensator 82 abgefragt und gespeichert und anschließend während der zweiten Taktphase in den Integrierkondensator 66 geleitet. Das Abfragen und Speichern durch den Eingangsschaltkondensator 82 bewirkt, daß keine Spannungsänderung am Ausgang des Differenzverstärkers 90 am Ausgang des Differenzverstärkers 60 bis zur zweiten Taktphase auftritt, während jede Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 60 direkt am Ausgang des Differenzverstärkers 90 erscheint. Aufgrund der Wirkung des Eingangsschaltkondensators 82 wird der Differenzverstärker 60 während der ersten Taktphase vom Differenzverstärker 90 getrennt. Der Integrierblock 52 führt eine positive Integration des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 90 durch, während der Integrierblock 54 eine negative Integration des Ausgangssignals vom Differenzverstärker 60 derart bewirkt, daß keine Phasenverschiebung in dem in dieser Schleife verarbeiteten Signal erfolgt.
Wie bereits erwähnt, kann die Klemme 74 b des Schalters 74 auch an eine andere Spannung als an Erdpotential angeschlossen sein. Wenn die Filterschlaltung 50 die erste Integrierschleife innerhalb eines Filters mit geschalteten Kondensatoren 32 (Fig. 1) ist, dann ist die Klemme 74 b des Schalters 74 mit dem Ausgangssignal vom Filter 30 beaufschlagt. Wenn die Filterschaltung 50 die erste Integrierschleife in einem Filter mit geschalteten Kondensatoren 40 (Fig. 1) ist, dann ist die Klemme 74 b des Schalters 74 an das vom A/D-D/A-Wandler 16 erzeugte Signal angeschlossen.
Die Eingangssignale für die Filter mit geschalteten Kondensatoren 32 und 40 (Fig. 1) lassen sich unter Verwendung eines Zusammenkopplungsschaltkondensators mit zwei weiteren verbundenen Schaltern in ähnlicher Anordnung wie der Schaltkondensator 82 und die Schalter 74 und 76 (Fig. 2) verwenden. Die obere Platte des Kopplungsschaltkondensators ist an den Knoten 78 oder an den Knoten 108 angeschlossen, während die untere Platte des Kopplungsschaltkondensators an den Knoten entsprechend dem Knoten 80 zwischen den zwei weiteren Schaltern angeschlossen ist. Einer dieser weiteren Schalter ist zwischen der Eingangsspannungsquelle oder dem Ausgangssignal des Schaltkondensatorfilters 30 oder dem Ausgang des A/D-D/A-Wandlers 16 (Fig. 1) und dem gemeinsamen Knoten angeschlossen, während der zweite zusätzliche Schalter zwischen Erdpotential und dem gemeinsamen Knoten liegt.
Dieser Aufbau bildet ein Tiefpaßfilter.
Wird die Filterschaltung 50 im Filter mit geschalteten Kondensatoren 30 (Fig. 1) verwirklicht und wenn ein Kopplungskondensator vom Ausgang des Widerstand-Kondensatorfilters 28 zum Knoten 64 oder 94 (Fig. 2) geschaltet ist, dann arbeitet diese Filterschaltung 50 als Hochpaßfilter.
Die Übertragungsfunktion des Integrierblocks 52 lautet folgendermaßen °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Darin ist

V&sub1; die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 60;
V&sub2; die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 90;
C&sub1; der Wert des Kondensators 82;
C&sub2; der Wert des Kondensators 66; und
z die abgefragte Datenfrequenzvariable, die mit der kontinuierlichen Frequenzvariablen s über die bilineare Transformation s = (z-1)/(z+1) zusammenhängt.

Die Übertragungsfunktion des Integrierblocks 54 lautet folgendermaßen: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;worin

V&sub1; die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 60 bedeutet;
V&sub2; die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 90 ist;
C&sub3; ist der Wert des Kondensators 112;
C&sub4; ist der Wert des Kondensators 96; und
z ist die abgefragte Datenfrequenzvariable.

Bekannte Filter mit geschalteten Kondensatoren erforderten stets, daß die Eingangsschaltkondensatoren sehr groß waren, so daß die Störkapazitäten keinen sehr wesentlichen Effekt auf den Betrieb dieser Filter hatten. Indem man die Eingangsschaltkondensatoren groß macht, muß man auch die Halbleiter-Substratfläche für die Eingangsschaltkondensatoren vergrößern und verringert dadurch die Packungsdichte der Bauteile auf dem Halbleitersubstrat, wobei sich außerdem die Gesamtgröße und die Kosten des Halbleitersubstrats erhöhen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Schaltkondensatorfilters sind die Eingangsschaltkondensatoren 82 und 112 unempfindlich für Störkapazitäten, so daß sie auf sehr kleinem Raum auf einem Halbleitersubstrat unterbringbar sind.
Da der Knoten 78 in Fig. 2 des Eingangsschaltkondensators 82 zwischen Erdpotential vom Differenzverstärker 60 und Erdpotential an der Klemme 70 b des Schalters 70 geschaltet wird, wird jegliche Störkapazität am Knoten 78 stets auf die gleiche Spannung am Knoten 78 geschaltet. Daher geht keine Ladung im Eingangsschaltkondensator 82 durch Störkapazität am Knoten 78 verloren. Da der Knoten 80 zwischen einer vom Differenzverstärker angelegten Spannung und einer an der Klemme 74 b des Schalters 74 auftretenden Spannung geschaltet wird, wird eine eventuelle am Knoten 80 auftretende Störkapazität von der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 90 geladen und von der an der Klemme 74 b des Schalters 74 liegenden Spannungsquelle entladen. Eine eventuell am Knoten 80 auftretende Störspannung gelangt somit niemals in den Integrierteil der Schaltkondensatorschaltung 50. In ähnlicher Weise beeinflußt eine an den Knoten 108 und 110 vorliegende Störkapazität nicht den Schaltkondensator 112.
Es lassen sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Filterschaltung 50 Filter mit geschalteten Kondensatoren höherer Ordnung dadurch aufbauen, daß eine Vielschleifenrückkopplung von Schaltkondensatorschaltungen 50 basierend auf einem Leiternetzwerk aufgebaut wird. Die ungeraden Integrierblöcke des Leiternetzwerks höherer Ordnung bewirken die positive Integration, während die geraden Integrierblöcke des Leiternetzwerks die nagative Integration durchführen. Die Integrierblöcke 52 und 54 lassen sich als Hochpaß- oder als Tiefpaßfilter aufbauen. Beispielsweise kann der Integrierblock 52 einen Strom durch eine Reiheninduktivität simulieren, während der Integrierblock 54 die Spannung durch einen parallel geschalteten Kondensator in einem Tießpaßfilter darstellt. In einem Hochpaßfilter-Aufbau kann der Integrierblock 52 die Spannung über einer Reihenkapazität simulieren, während der Integrierblock 54 den Strom durch eine parallele Induktivität angeben kann.
Die Abschlußnetzwerke für Schaltungskondensatorschaltungen 50 sind ähnlich aufgebaut wie die Integrierblöcke 52 und 54, so daß im Falle der Verwendung eines Rückwärtsintegrators zum Abschluß des Integrierblocks 54 ein Vorwärtsintegrator zum Abschließen des Integrierblocks 54 herangezogen wird. In einer Anordnung, in der ein Widerstandsabschluß in der ersten Integrierschleife innerhalb einer Induktivitäts-Kapazitätsleiter verwendet wird, kann die Klemme 74 b (Fig. 2) an den Ausgang 62 des Differenzverstärkers 60 angeschlossen sein, um einen Eulerschen Rückwärtsintegrator zu bilden, während die Klemme 106 a der letzten Integratorschleife innerhalb der Induktivität-Kapazitätsleiter an die Ausgangsklemme 92 des Differentialverstärkers 90 angeschlossen ist und dadurch einen Eulerschen Vorwärtsintegrator bildet. Die erhaltenen Abschlüsse sind mit Verlusten behaftete Integratoren und simulieren ohmische Impedanzen am Eingang oder Ausgang einer Induktivitäts- Kapazitätsleiter.
Um eine Kopplung zwischen Integratorschleifen der Schaltkondensatorschaltungen 50 in Mehrschleifen-Rückkopplung oder "Leays-Frog" Filteranordnung in zuvor beschriebener Weise zu erreichen, wird für eine Tiefpaß-Filteranordnung ein zusätzlicher Eingangsschaltkondensator an den Knoten 78 und/oder an den Knoten 108 (Fig. 2) angeschlossen. Der zusätzliche Eingangsschaltkondensator ist unter Verwendung von zwei zusätzlichen Schaltern angeschlossen, die ähnlich wie die Schalter 74 und 76 oder die Schalter 104 und 106 sind und zur Aufnahme eines Eingangssignals zusammen mit ihren zugehörigen Schaltkondensatorintegratoren in zuvor beschriebener Weise zum Betreiben der Filterschaltung 50 betrieben werden.
Für die Bildung einer Tiefpaßfilterkopplung zwischen den Filterschaltungen 50 wird ein Kondensator unmittelbar an den invertierenden Eingang 64 oder 94 (Fig. 2) des einen oder der beiden Verstärker 60 und 90 in der Schaltkondensatorschaltung 50 angeschlossen und empfängt das Eingangssignal. Diese Eingangskondensatoren sind Summierkondensatoren und haben Werte, die denen der Integrierungskondensatoren 66 oder 96 des jeweiligen Integrierblocks 52 oder 54 entsprechen und verbinden den Ausgang des Verstärkers 60 oder 90 mit einer Filterschaltung 50 mit dem invertierenden Eingang eines Verstärkers entsprechend den Verstärkern 60 oder 90 in einer nachfolgenden Schaltkondensatorschaltung 50.
Zusammenfassend gesagt erreicht man eine Tiefpaßfilterkopplung durch Integration des an die Schaltkondensatorschaltungen 50 gelegten Eingangssignale. Hochpaßfilterkopplung wird erreicht, indem eine Summierung der von den verbindenden Schaltkondensatorschaltungen 50 erzeugten Eingangssignale verwendet wird.

Claims

1. Filter mit geschalteten Kondensatoren zum Durchleiten einer Eingangsaudiofrequenz über einen vorgegebenen Frequenzbereich, welches auf einem monolithischen Halbleitersubstrat gebildet ist und folgende Merkmale aufweist:

- einen ersten Verstärker (60) mit Eingangs- und Ausgangsklemmen,
- einen ersten Integrierkondensator (66), der an den ersten Verstärker (60) angeschlossen ist,
- einen zweiten Verstärker (90) mit Eingangs- und Ausgangsklemmen
- einen zweiten Integrierkondensator (96), der an den zweiten Verstärker (90) angeschlossen ist,
- einen ersten geschalteten Kondensator (82), der zwischen die Eingangsklemme des ersten Verstärkers (60) und die Ausgangsklemme des zweiten Verstärkers (90) derart geschaltet ist, daß der erste geschaltete Kondensator (82) das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers (90) während einer ersten Taktphase abfragt und während einer zweiten Taktphase das abgefragte und gespeicherte Ausgangssignal des zweiten Verstärkers (90) an den ersten Integrierkondensator (66) legt und
- einen zweiten geschalteten Kondensator (112), der zwischen die Ausgangsklemme des ersten Verstärkers (60) und die Eingangsklemme des zweiten Verstärkers (90) derart geschaltet ist, daß während der zweiten Taktphase der zweite geschaltete Kondensator (112) die Ausgaben des ersten Verstärkers (60) an den zweiten Integrierkondensator (96) legt,

gekennzeichnet durch:

- Mittel (74) zum Koppeln eines Eingangssignals auf den ersten geschalteten Kondensator (82), wenn dieser von der Ausgangsklemme des zweiten Verstärkers (90) isoliert ist und
- Mittel (106) zum Koppeln eines Eingangssignals auf den zweiten geschalteten Kondensator (112), wenn dieser von der Ausgangsklemme des ersten Verstärkers (60) isoliert ist.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den ersten geschalteten Kondensator (82) und an den ersten Verstärker (60) Schaltmittel (70, 72, 74, 76) angeschlossen sind.

3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel einen ersten (70), einen zweiten (72), einen dritten (74) und einen vierten (76) Schalter mit jeweils ersten und zweiten Klemmen und mit einer Steuerklemme aufweisen, und daß:
die erste Kleme (70 b) des ersten Schalters (70) an Erdpotential, die zweite Klemme (70 a) des ersten Schalters (70) an die erste Klemme (72 b) des zweiten Schalters (72) zur Bildung eines ersten Knotens (78), die zweite Klemme (72 a) des zweiten Schalters (72) an die Eingangsklemme des ersten Verstärkers (60) angeschlossen ist,
die Steuerklemme (70 c) des ersten Schalters (70) zur Aufnahme eines ersten Taktsignals (C 1) während einer ersten Taktphase dient,
die Steuerklemme (72 c) des zweiten Schalters (72) zur Aufnahme eines zweiten Taktsignals (C 2) während der zweiten Taktphase dient,
die erste Klemme (74 b) des dritten Schalters (74) zur Aufnahme des Eingangssignals (V _in) angeschlossen ist, die zweite Klemme (74 a) des dritten Schalters (74) an die erste Klemme (76 b) des vierten Schalters (76) zur Bildung eines zweiten Knotens (80) angeschlossen ist und die zweite Klemme (76 a) des vierten Schalters (76) an die Ausgangsklemme (92) des zweiten Verstärkers (90) angeschlossen ist,
die Steuerklemme (74 c) des dritten Schalters (74) zur Aufnahme des zweiten Taktsignals (C 2) dient und
die Steuerklemme (76 c) des vierten Schalters (76) zur Aufnahme des ersten Taktsignals (C 1) dient.

4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste geschaltete Kondensator (82) zwischen den ersten Knoten (78) und den zweiten Knoten (80) gelegt ist.

5. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den zweiten Verstärker (90) und den zweiten geschalteten Kondensator (112) Schaltmittel (100, 102, 104, 106) angeschlossen sind.

6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Schaltmitteln ein fünfter (100), ein sechster (102), ein siebter (104) und ein achter (106) Schalter mit jeweils ersten und zweiten Klemmen und mit einer Steuerklemme gehören und daß:
die erste Klemme (100 b) des fünften Schalters (100) an Erdpotential angeschlossen ist, die zweite Klemme (100 a) des fünften Schalters (100) an die erste Klemme (102 b) des sechsten Schalters (102) zur Bildung eines dritten Knotens (108) gelegt und die zweite Klemme (102 a) des sechsten Schalters (102) mit der Eingangsklemme des zweiten Verstärkers (90) verbundenist,
die Steuerklemme (100 c) des fünften Schalters (100) zur Aufnahme eines ersten Taktsignals (C 1) während der ersten Taktphase dient;
die Steuerklemme (102 c) des sechsten Schalters (102) zur Aufnahme eines zweiten Steuersignals (C 2) während der zweiten Taktphase dient;
die erste Klemme (104 b) des siebten Schalters (104) an die Ausgangsklemme des ersten Verstärkers (60) angeschlossen ist, die zweite Klemme (104 a) des siebten Schalters (104) mit der ersten Klemme (106 b) des achten Schalters (106) zur Bildung eines vierten Knotens (110) verbunden ist und die zweite Klemme (106 a) des achten Schalters (106) zur Aufnahme des Eingangssignals (V _in) dient;
die Steuerklemme (104 c) des siebten Schalters (104) zur Aufnahme des zweiten Taktsignals (C 2) vorgesehen ist, und
die Steuerklemme (106 c) des vierten Schalters (106) zur Aufnahme des ersten Taktsignals (C 1) dient.

7. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärker (60), der erste Integrierkondensator (66) und der erste geschaltete Kondensator (82) eine Phasenverzögerung in dem eingegebenen Audiofrequenzsignal erzeugen und der zweite Verstärker (90), der zweite Integrierkondensator (96) und der zweite geschaltete Kondensator (112) eine Phasenvoreilung in dem Audiofrequenzsignal derart erzeugen, daß das resultierende verarbeitete Signal keine Phasenverschiebung aufweist.