DE3110076C2 - Elektrische Filterschaltung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Filterschaltung, bestehend aus CTD-Elementen unidirektionalen Übertragungsverhaltens mit einer oder mehreren in sich geschlossenen Leiterschleifen, die das frequenzabhängige Übertragungsverhalten der Filterschaltung bestimmen und bei der die einzelnen Leiterschleifen über Koppelschaltungen miteinander ge koppelt sind. Aufgabe der Erfindung ist es, solche Schaltungen nach Art von Reaktanzabzweigschaltungen zu realisieren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß wenigstens eine Umladekapazität (C*) eines Resonators (z.B. R ↓1) mit wenigstens einer weiteren Umladekapazität (z.B. CΔ ↓2 und C ↓3) galvanisch (LΔ ↓2, L ↓3) verbunden ist, und diese Umladekapazität (CΔ ↓2 und C ↓3) zu jeweils einer Einfüll- und Abfüll-Schaltung ("fill and spill") von wenigstens einem anderen Resonator (z.B. R ↓2 und R ↓3) gehört, daß von einer Umlade-Summenkapazität ( ΣC ↓1), die auf die Umlade kapazität (C*) des Resonators (R ↓1) mit den galvanischen Leitungen (LΔ ↓2, L ↓3) folgt, eine der relativen Bandbreite des Resonators (R ↓1) entsprechende Ladungsmenge über eine Umladekapazität (C ↓0 ↓1) in eine Senke (S ↓1) abgeführt wird, daß der Summenkapazität ( ΣC ↓1) von wenigstens einer Einfüll- und Abfüll-Schaltung mit einer Ladungsquelle (z.B. Q ↓1) Ladung zugeführt wird, deren Menge bestimmt ist durch das Produkt aus einer Umladekapazität (z.B. C ↓1), die auf eine Quelle (Q ↓1) folgt und aus dem Spannungszustand einer Umladekapazität (z.B. ..

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Filtcrschaltung, bestehend aus CTD Charge Transfer Device = Ladungsübertragungsvorrichtung-Elementen unidirektionalen Übertragungsverhaltens, mit denen eine oder mehrere in sich geschlossene Leiterschleifen nachgebildet werden, die das frequenzabhängige Übertragungsverhalten der Filterschaltung bestimmen, bei der die einzelnen Leiterschleifennachbildungen über Koppelschaltungen miteinander gekoppelt sind.

Filterschaltungen dieser Art sind in der DE-AS 31398 angegeben. Auch sind in der DE-PS 24 53 669 elektrische Filterschaltungen angegeben, die als Resonatoren in sich geschlossene Leitungsschleifen enthalten und die dort als Vierpolresonatoren ausgebildet sind. Weiterhin ist eine solche CTD-Filterschaltung in der DE-PS 25 55 835 beschrieben, bei der ein sogenannter Zweipolresonator als resonanzfähiges Gebilde verwendet ist. Zum Aufbau mehrglicdriger elektrischer Filterschaltungen ist es nun erforderlich, solche Resonatorschaltungen miteinander zu koppeln. Lösungswegc hierfür werden beispielsweise in den deutschen Auslegeschriften 27 04 318 und 28 08 604 angegeben. Allerdings zeigt sich, daß hierbei gewisse technologische Schwierigkeiten bestehen, weil, wie beispielsweise bei der in der DE-AS 28 08 604 angegebenen Koppelschaltung. Verstärker vorhanden sind, deren Verstärkungsfaktor K bei Filtern mit keiner relativen Bandbreite 8 deshalb verhältnismäßig groß wird, weil der Verstärkungsfaktor K in etwa umgekehrt porportional ist zur relativen Bandbreite B.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Koppelschaltungcn für mehrgliedrige Tiefpässe und Bandpässe aus CDT-Leitungsrcsonatoren anzugeben. Es sollpn dato bei die Tiefpässe bzw. Bandpässe als Reaktanzabzweigschaltungen dimensioniert werden können, die wählbare Dämpfungsnullstellcn und Dämpfungspolstellen aufweisen und die mit einer einzigen Taktfrequenz betreibbar sind. Die Koppclschaliungen haben die Eigenschaft von z. B. Dualwandlern oder Gyratoren. Die Verstärkungsfaktoren der in den Koppelgliedern erforderlichen Verstärker sollen kleiner oder gleich | ± 1 | sein, wobei in den die Resonatoren bildenden CTD-Leitungsschlcifcn keine Verstärker auftreten sollen. Für die einleitend genannten elektrischen Filterschaltungen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens eine Umladekapazität eines Resonators mit wenigstens einer weiteren Umladekapazität über galvanische Leitungen verbunden ist, daß diese Umladekapazität zu jeweils einer Einfüll- und Abfüll-Schaltung (»ΠΙ1 and spill«) wenigstens eines anderen Resonators gehört, daß von einer Umlade-Summenkapazität, die auf die Umladekapazität des Resonators mit den galvanischen Leitungen folgt, eine der relativen Bandbreite des Resonators entsprechende Ladungsmenge über eine Umladekapazität in eine Senke abgeführt wird, daß der Summenkapazität wenigstens einer Einfüll- und Abfüll-Schaltung mit einer Ladungsquelle Ladung zugeführt wird, deren Menge bestimmt ist durch das Produkt aus einer Umladekapazität die auf eine Quelle folgt und aus dem Spannungszustand einer Umladckapazität eines weiteren Resonators, und daß der Summenkapazität folgend eine Gleichladungsabziehstufe eingefügt ist.

Es ist dabei auch daran zu öenken, uie galvanischen Leitungen als Aluminium-Leiterbahnen auszubilden oder aus leitend dotiertem Silizium herzustellen.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend noch näher erläutert. Es zeigt in der Zeichnung

F i g. I das Konzept mit nur einem Resonator Äi, F i g. 2 die Verkopplung von drei Filterresonatoren /?i,/?₂und/?3.

Fig.3 gibt die Si-reuparametergleichungen für die so Anordnungen nach F i g. 2 an, und zwar sind die auslaufenden Signalwellengrößen v\ bis v_} dargestellt. In Abhängigkeit von den einlaufenden Signalwellengrößen u\ bis U) und jeweils zugehörigen Koppelfaktoren K_y bzw. K'_M und zugehörigen Kapazitäten der CTD-Leitungen; F i g. 4 ein mögliches Ersatzschaltbild einer Leitungsverzweigung aus nicht-unidirektionalen Leitungen, z. B. koaxialen Leitungen, wobei mit W\ bzw. W₂ der Wellenwiderstand der Leitungen, z. B. W = 60 In D/d, bezeichnet ist,

Fig. 5 die Streuparametergleichungen einer Anordnung nach dem Ersatzschaltbild von F i g. 4,

F i g. 6 Bcmcssungsformeln zum Aufbau einer Ver-/.weigungsschaltung,

F i g. 7 eine Zweitorschaltung,

ί>5 Fig. 8 bis 11 Bemessungsformeln der Schaltung F ig. 7.

Allgemein sei zunächst folgendes bemerkt. Es sind im folgenden mit der Bezugsziffer /?,, /?; bzw. Zf₃ in sich

geschlossene Leitungsschleifen aus CTD-Rcsonatoren bezeichnet, wie sie aus den deutschen Patentschriften 24 53 669 und 25 55 835 an sich bekannt sind. Es ist dies jeweils durch gestrichelte Linien kenntlich gemacht In diesen Resonatoren sind nunmehr die für die Wirkungsweise der vorliegenden Koppelschaltungen wesentlichen Elemente eingezeichnet, d. h. also Kapazitätsilächen. die mit den zugehörigen Koppelschaltungen im wesentlichen zusammenwirken.

So betrachtet ist in F i g. 1 noch erkennbar eine Elektrodenfläche mit der Umladekapazität C₁ eine weitere Elektrodenfläche mit der Umladekapazität C* = C, an die zwei galvanische Leitungen L Ί und L3 herangeführt sind. Schließlich ist zu erkennen eine Summenkapazität Σ Ci, die sowohl zum Resonator als auch zur Verzweigungsleitung gehört. Aus dieser Summenkapazität Σ Ci wird über eine Kapazitätsfläche Gn Ladung in eine Senke Si ausgekoppelt Im Verlauf des Resonators Rt schließt sich unmittelbar an eine Kapazitätsfläche Σ G — Coi.dereineGleichladungs-Abziehstufe/*! folgt Solche Gleichladungs-Abziehstufen sind für sich aus der DE-OS 28 36 473~ bekannt, so daß hier nicht im einzelnen darauf eingegangen werden muß. Schließlich folgt im Resonator R, wieder die eigentliche Resonatorumladekapazität C, und es sind so vieie solche Resonatorumladekapazitäten, ζ. Β. η = 4 ■ Taktfrequenz : Bandmittenfrequenz im Resonator R\ enthalten, wie für die Bemessung eines Filters erforderlich sind.

In der F i g. 1 ist ferner zu erkennen eine Ladungsquelle Qu auf die eine nicht näher bezeichnete Elektrodenfläche folgt, jedoch mündet gerade in diese Elektrodenfläche eine weitere galvanische Leitung L\ ein. Im Zuge dieser CTD-Leitung folgt dann eine Umladekapazität mit der Größe d, die über den Koppelfaktor K_t an die Umladekapazität Σ Ci angekoppelt ist. Im wesentlichen analog dazu ist eine Ladungsquelle Q'\ erkennbar, von der Ladung über eine Kapazitätselektrode auf eine Kapazitätsfläche C'i gebracht wird. Erst diese Kapazitätsfläche C'\ steht in galvanischer Verbindung mit einer Leitung L\, dafür hat der Koppelfaktor K\ zu der Summenkapazität Ci ein negatives Vorzeichen.

Die zugehörigen Dimensionierungsformeln sind in F i g. 1 ebenfalls angegeben. Auch sind mit u\ die einlaufenden Signalladungsgrößen und mit V₁ die auslaufenden Signalladungsgrößen bezeichnet.

Bezüglich der F i g. 2,4 und 7 sei auf folgendes hingewiesen. Es sind zusammengehörige Stufen auch zusammengehörig dargestellt und bezeichnet. Je nach den Anforderungen wird der Index von sich entsprechenden Teilen jeweils mit 2 bzw. 3 bezeichnet, so daß die vorstehenden Ausführungen zu F i g. 1 unmittelbar und analog angewendet werden können.

Im speziellen sei zu F i g. 2 noch auf die Leitungsführung der galvanischen Leitungen hingewiesen. So verbindet die Leitung L\ galvanisch die Kapazität C des Resonators 1 mit der Umladekapazität C'2 des Resonators Ri, und die Leitung L₃ führt zur Umladekapazität C) des Resonators Ry Von der Kapazität C = C* des Resonators R₃ führt einerseits eine galvanische Leitung L\ zur Umladekapazität C\ des Resonators R\ und eine galvanische Leitung L₂ zur Umladekapazität C₂ des Resonators R-2. Schließlich ist noch die Umladekapazität C=C* des Resonators /?₂ über die galvanische Leitung L\ mit der Umladekapazität Ci des Resonators 1 verbunden und über din galvanische Leitung L\ mit der Umladekapazität Cj des Resonators R_s.

In Fig. 7 ist über die Leitung L₂ die Kapazität C*des Resonators 1 verbunden mit der der Umladckapa/ität Ci vorgeschalteten Umladekapazität die auf die Quelle Qi folgt Weiterhin ist galvanisch verbunden über die Leitung L\ die Umladekapazität C* = Cdes Resonators Ri mit der Umladekapazität G.

Im allgemeinen ist zur physikalischen Wirkungsweise bzw. zur Bemessung der beschriebenen Koppelschaltungen noch folgendes zu sagen.

Entsprechend Fig. 1, 2, 7 ist wenigstens eine Umladekapazität C* eines Resonators, z. B. R\, mit einer oder mehreren weiteren Umladekapazitäten, z. B. C'2 und C3 (F i g. 2), galvanisch, z. B. mit Hilfe jeweils einer Aluminiumleitung L'2, L₃ verbunden, die zu jeweils einer »Einfüll- und Abfüllschaltung« z. B. mit den Quellen Q'i und Ri eines weiteren oder mehrerer weiterer Resonatoren (Ri, Ri) gehören. Die hier angewandte Methode der Erzeugung positiver oder negativer Signalladungen ist in der älteren Patentanmeldung P 2 99 36 7315 beschrieben.
Zu den Fig. 1.2,7 gehört noch, daß von einer auf die Umladekapazität C* folgenden Kapazität, z. B. von Σ G. eine der Umladekapazität Cm entstehende Ladungsmenge in einer Senke Si abgeführt wire und weiterhin, daß der Summenkapazität, ζ. Β. Σ G, folgend eine Gleichladungs-Abziehstufe, z. B. Ai, eingefügt ist, v/ln sie in der DE-OS 28 36 473 beschrieben ist Da — wie sich aus den Tormeln in F i g. 6,9,11 ergibt — die Kapazität Σ Ci — Cop größer als die Resonator-Umladekapazität Cist (μ = 1,2,3), würde sich ohne Abziehstufe ein Überschuß an Gleichladung ergeben, was eine Arbeitspunktverschiebung im Resonator zur Folge hätte.

In der gleichen Weise wie die Kopplung des Resonators R\ in Richtung der Resonatoren Ri und A3 beschrieben wurde, ist auch die Kopplung des Resonators Ri in Richtung der Resonatoren R\ und A3 sowie von Rj in Richtung R_x und Ri auszuführen (F i g. 2). Damit ist gezeigt, wie sich mit dem »Grundglied« in Fig. 1 sowohl ein Zweitor, F i g. 7, gewinnen läßt, als auch ein »Mehrtor« entsprechend F i g. 2. Die bei einem Mehrtor auftretenden Überkreuzungen der galvanischen Verbindungsleitungen sind realisierbar.

F i g. ■* gibt die Streuparameter-Gleichungen der Anordnung in Fig.2 an und Fig.5 die Streuparameter-Gleichungen des Ersatzschaltbildes F i g. 4 einer als Beispiel gewünschten Leitungsverzweigung. Mit den Be-Ziehungen aus Fig. 1 ergeben sich mit Fi&.6 die Remessungsvorschriften für alle Umladekapazitäten aus dem Koeffizientenvergleich der Gleichungen in Fig. 3 und F i g. 5.

Für das Zweitor in F i g. 7 ergeben sich Bemessungs-Vorschriften in Fig.9, aus dem Koeffizientenvergleich der Gleichungen in F i g. 8 — das rechte Gleichungspaar ist identisch mit F i g. 14 in der DE-AS 28 08 604 — sowie weitere mögliche Bemessungsvorschriften in Fig. 11 aus dem Koeffizientenvergleich der linken G'eichungen in F i g. 8 mit den Gleichungen in F i £. 10, die sich mit V₃ = 0 aus F i g. 5 gewinnen lassen.

Die gestellten Forderungen lassen sich mit den vorgeschlagenen Koppelgliedern erfüllen. So kann z. B. durch Anschalten eines CTTC Zweipols an den Anschluß 2 in

ω F i g. 2 — wie in der DE-AS 27 04 318 beschrieben — ein Abschnitt einer Filterschaltung erzeugt werden, der in wählbarem Abstand symmetrisch zu einer Dempfungsnullstclle je einen Dämpfungspol aufweist Der CTD-Zweipol kann dabei aus zwei Resonatoren bestehen, die

b5 mit einem Zweitor entsprechend F i g. 7 gekoppelt sind. /lUch überbrückte Schaltungen zur Polerzeugung sind mit dem Dreitor (F i g. 2) realisierbar, wie es in der DE-AS 28 08 604 und der DE-AS 27 04 318 beschrieben ist.

31 IU U/b

Wie einleitend bereits erwähnt, haben die vorstehend beschriebenen Koppelschaltungen den Vorteil, daß sie die Eigenschaften von Dualwandlern oder auch von Gyratoren haben und somit zur Realisierung von Filierschaltungen, die dem Grundkonzept von Reaktanz-Ab- zweigschaltungen entsprechen, herangezogen werden können, wobei Schaltungen mit Dämpfungsnullstellen und Dämpfungspolstellen erzeugt werden können. Darüber hinaus sind sie gegebenenfalls auch mit nur einer Taktfrequenz betreibbar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

20

JO

J5

40

55

bO

65

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektrische Filterschaltung, bestehend aus CTD Charge Transfer Device = Ladungsübcriragungsvorrichtung-Elementen unidireklionalcn Übcrtragungsverhaltens, mit denen eine oder mehrere in sich geschlossene Leiterschleifcn nachgebildet werden, die das frequenzabhängige Übertragungsverhalten der Filterschaltung bestimmen, bei der die einzelnen Leiterschleifennachbildungcn über Koppelschaltungen miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Umladekapazität (C)eines Resonators (z. B. R\) mit wenigstens einer weiteren Umladekapaxilät (z. B. C'i und Cj) über galvanische Leitungen (L'i, LJ verbunden ist, daß diese Umladekapazität (Ci und CJ zu jeweils einer Einfüll- und Abfüll-Schaltung (»fill and spill«) wenigstens eines anderen Resonators (z. B. Ri und FJ gehört, daß von einer Umlade-SummenkapazitsU (Σ CtX die auf die Umladekapazität (C*) des Resonators (R\) mit den galvanischen Leitungen (L'i, LJ folgt, eine der relativen Bandbreite des Resonators (Ri) entsprechende Ladungsmenge über eine Umladekapazität (G>\) in eine Senke (S,) abgeführt wird, daß der Summenkapazität (Σ Ci) wenigstens einer Einfüll- und Abfüll-Schaltung mit einer Ladungsquelle (z. B. Qi) Ladung zugeführt wird, deren Menge bestimmt ist durch das Produkt aus einer Umladekapazität (z. B. Ci), die auf eine Quelle (Q\) folgt und aus dem Spannungszustand einer Umladekapazität (z. B. C) eines weiteren Resonators (z.B. Rt), und daß di/ Summenkapazität (z. B. Σ Ci) folgend eine G'eichladungsabziehstufe (Ai) eingefügt ist.

2. Elektrische Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die galvanischen Leitungen (z. B. Lj, Lj) als Aluminium-Leiterbahnen und/oder als Leiterbahnen aus leitend dotiertem Silizium ausgebildet sind.