DE3686423T2

DE3686423T2 - Allpasskreis zweiter ordnung.

Info

Publication number: DE3686423T2
Application number: DE8686400107T
Authority: DE
Inventors: Noriyuki C O Sony Co Yamashita
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1985-01-23
Filing date: 1986-01-21
Publication date: 1993-03-11
Anticipated expiration: 2006-01-22
Also published as: EP0189347A3; CA1241386A; US4675616A; AU5228586A; DE3686423D1; AU580129B2; KR860006164A; KR970009870B1; ATE79707T1; JPS61170113A; EP0189347A2; JPH0626297B2; EP0189347B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung für eine Phasenkompensation von Signalen. Im besonderen betrifft sie ein aktives Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung, das in einen integrierten Schaltkreis integriert werden kann.
Videosignale, die einen breiten frequenzbereich besitzen, werden in einer Vielzahl von Filterstufen einer Signalverarbeitung unterzogen, so daß die gewünschten Frequenzgänge geliefert werden. Dabei wird es manchmal notwendig, den Phasengang zu kompensieren.
Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild eines Beispiels eines Allpaßnetzwerks zweiter Ordnung gemäß dem Stand der Technik, das vom Anmelder bisher für eine Phasenkompensation verwendet wurde.
Nunmehr wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mit den Bezugsziffern 1 und 2 Spannung/Strom-Umsetzer bezeichnet sind, die von Differentialverstärkern als grundlegende Bauteile gebildet werden, wobei mit der Bezugsziffer 3 ein Pufferverstärker bezeichnet ist, der einen Verstärkungsfaktor von 1 besitzt.
Wenn bei einem derartigen Schaltkreis die Stellheit gm des ersten und zweiten Spannung/Strom-Umsetzers 1 und 2 mit 1/r&sub2; bzw. 1/r&sub1; eingestellt ist und die Kapazitäten der Kondensatoren C&sub1; und C&sub2; mit c&sub1; bzw. c&sub2; eingestellt sind, erhält man das Verhältnis zwischen dem Signal Vi am Eingang Ti und dem Signal Vo am Ausgang To mit:
wobei Vy das Potential am Punkt Y und ω die Kreisfrequenz sind. Wenn man Vy aus den obigen Gleichungen (1) und (2) eliminiert, so erhält man:
Vo/Vi = {(1-jωc&sub2;r&sub1;+(jω)²c&sub1;r&sub1;c&sub2;r&sub2;)}/{1+jωc&sub2;(r&sub2;-r&sub1;)+(jω)²c&sub1;r&sub1;c&sub2;r&sub2;} (3)
Wenn in der Gleichung (3) r&sub2; = 2r&sub1; gemacht wird, so erhält man:
Vo/Vi = {1-jωc&sub2;r&sub1;+(jω)²2c&sub1;c&sub2;r&sub1;²}/{1+jωc&sub2;r&sub1;+(jω)²2c&sub1;c&sub2;r&sub1;²) (4)
Demnach wird Vo/Vi für jeden Wert der Kreisfrequenz ω konstant. Das bedeutet, daß man ein Allpaßnetzwerk erhält, bei dem eine lineare Verstärkungskurve beibehalten und nur die Phase geändert wird. Wie Fig. 4 zeigt, ist die Phasenkennlinie die Kennlinie eines Allpaßnetzwerks zweiter Ordnung, bei dem bei ω = 0 keine Phasennachellung und bei ω = ∞ eine Nacheilung von 360º vorhanden ist.
Wenn nun die Werte der Steilheit (1/r&sub1;) und der Kapazitäten c&sub1; und c&sub2; der Kondensatoren so gewählt werden, daß sie der Gleichung
genügen, und wenn gilt:
reduziert sich die obige Gleichung (4) auf:
Vo/Vi = {(1-jω)ωc1/Q + (jω/ωc)²)}/{1 + jω/ωc1/Q(jω/ωc)²} (5)
Diese Gleichung zeigt, daß die Phasendrehung bei ω = ωc gleich 180º wird. Damit erhält man die Kennlinie so, wie sie Fig. 4 strichliert zeigt, wenn die Güte (Q-Faktor), die den Wert der Phasendrehung anzeigt, hoch ist. Die Kennlinie, die strichpunktiert dargestellt ist, erhält man dann, wenn die Güte gering ist.
In einem Demodulator für ein Videosignal oder ähnliches wird ein Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung mit einer niedrigen Güte von beispielsweise 0,5 oder ähnlich benötigt, um die Gruppenlaufzeltkennlinie eines Filters zu kompensieren.
Wenn bei dem oben beschriebenen Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung c&sub1; gleich c&sub2; ist, wird die Güte gleich 1,414, da gilt:
Um Q = 0,5 oder kleiner zu machen, muß das Verhältnis c&sub2;/c&sub1; zumindest gleich 8 gemacht werden. Ein Kondensator, der im Aufbau eines integrierten Schaltkreises vorgesehen ist, kann jedoch im allgemeinen nur dann mit der größten Genauigkeit bereitgestellt werden, wenn seine Kapazität 5 bis 7 pf beträgt. Wenn er kleiner als dieser Wert ist, wird die Auswirkung des Fehlers infolge von Streukapazitäten größer. Weiters ist es schwierig, einen Kondensator mit einer größeren Kapazität im Aufbau des integrierten Schaltkreises vorzusehen. Wenn dies gemacht werden könnte, würde die Plättchengröße größer und unausführbar werden.
Damit besteht bei einem Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung gemäß dem Stand der Technik das Problem, daß seine Güte schwierig auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann, wenn es in einem integrierten Schaltkreis integriert ist. Genauer gesagt: das Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung besitzt eine niedrige Güte, die im Aufbau eines integrierten Schaltkreises nicht genau vorgesehen werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung löst die Probleme, die beim Stand der Technik angetroffen werden, wobei es ein grundlegender Gegenstand ist, ein Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung zu liefern, bei dem die Kapazitäten der Kondensatoren mit einem passenden Wert in einem integrierten Schaltkreis vorgesehen werden können, und dessen Güte mit einem gewünschten Wert ohne Schwierigkeiten gewählt werden kann.
Um den oben erwähnten Gegenstand zu erreichen, liefert diese Erfindung ein Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung, das einen ersten, zweiten und dritten Spannung/Strom-Umsetzer enthält, von denen jeder einen ersten und zweiten entgegengesetzt polarisierten Eingang sowie einen Ausgang besitzt; wobei der erste und zweite Umsetzer mit ihrem ersten Eingang am Eingang liegen; wobei der Ausgang des ersten Spannung/Strom-Umsetzers und der Ausgang des dritten Spannung/Strom-Umsetzers mit dem Ausgang verbunden sind; wobei ein Rückkopplungszweig zwischen dem Ausgang und den zweiten Eingängen des ersten, zweiten und dritten Spannung/Strom-Umsetzers liegt; wobei ein erster Kondensator zwischen dem Eingang und dem Ausgang des ersten Spannung/Strom-Umsetzers liegt; und wobei der Ausgang des zweiten Spannung/Strom-Umsetzers mit dem ersten Eingang des dritten Spannung/Strom-Umsetzers und weiters mit einem Anschluß eines zweiten Kondensators verbunden ist, dessen anderer Anschluß an einem Bezugspotential liegt.
Der Betrag der Steilheit (Gegenwirkleitwert) des zweiten Spannung/Strom-Umsetzers steht in keinem Zusammenhang mit der linearen Verstärkungskurve des Allpaßnetzwerks, wobei er jedoch mit der Güte in Zusammenhang steht. Damit kann der Betrag der Güte des Allpaßnetzwerks dadurch auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden, daß die Steilheit mit Hilfe eines Vorspannungsstroms verändert wird, der von außen geliefert wird, ohne daß die Kapazitäten der Kondensatoren verändert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines Allpaßnetzwerks zweiter Ordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 das Schaltbild eines integrierten Schaltkreises, der dem Blockschaltbild von Fig. 1 entspricht;
Fig. 3 das Blockschaltbild eines Allpaßnetzwerks zweiter Ordnung gemäß dem Stand der Technik; und
Fig. 4 den Phasengang in einem Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Allpaßnetzwerks zweiter Ordnung gemäß der Erfindung, wobei mit den Bezugsziffern 10, 20 und 30 Spannung/ Strom-Umsetzer bezeichnet sind, deren Steilheit gm auf 1/r&sub3;, 1/r&sub2; bzw. 1/r&sub1; eingestellt ist. Mit der Bezugsziffer 40 ist ein Pufferverstärker bezeichnet, dessen Verstärkungsfaktor gleich 1 ist, während C&sub1; und C&sub2; Kondensatoren bezeichnen, um den gewünschten Phasengang und die Güte zu liefern. Der Pufferverstärker 40 kann weggelassen werden, wenn der Aufbau der Spannung/Strom-Umsetzer entsprechend erfolgt.
Wenn man das Verhältnis zwischen dem Eingangssignal Vi, dem Ausgangssignal Vo und dem Signal Vy am Mittelpunkt Y betrachtet, erhält man die folgenden Beziehungen:
Bei einer Neuordnung der Gleichungen (6) und (7), um Vy zu eliminieren, erhält man:
Vo/Vi = {1-(jωc&sub2;r&sub2;r&sub1;/r&sub3;+(jω)²c&sub1;r&sub1;c&sub2;r&sub2;}/{1+jωc&sub2;r&sub2;(1-r&sub1;/r&sub3;)+(jω)²c&sub1;r&sub1;c&sub2;r&sub2;) (8)
Wenn hier r&sub1;/r&sub3; = 1/2 gemacht wird, dann wird:
Vo/Vi = {1-(jωc&sub2;r&sub2;)/2+(jω)²c&sub1;r&sub1;c&sub2;r&sub2;}/{1+(jωc&sub2;r&sub2;)/2+(jω)²c&sub1;r&sub1;c&sub2;r&sub2;} (9)
Damit wurde des möglich, ein Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung zu erhalten, das eine lineare Verstärkungskurve besitzt, die dem oben beschriebenen Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung ähnlich ist.
Wenn man jetzt
macht, kann die Gleichung (9) so wie die obige Gleichung (5) ausgedrückt werden, womit man den Phasengang des Allpaßnetzwerks zweiter Ordnung erhält, wie ihn Fig. 4 zeigt.
Obwohl die Güte, die den Grad der Phasendrehung anzeigt, durch die obige Gleichung (11) gegeben ist, erhält man beim Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung gemäß der Erfindung die Bedingung für die lineare Verstärkungskurve dadurch, daß man r&sub3;-2r&sub1; macht. Damit kann der Wert von r&sub2; mit der Bedingung frei gewählt werden, daß die lineare Verstärkungskurve unverändert beibehalten wird.
Auch unter der Bedingung, daß das Verhältnis von c&sub1; zu c&sub2; gleich 1:1 ist, kann das Allpaßnetzwerk, bei dem der Wert der Güte frei einstellbar ist, dadurch verwirklicht werden, daß man das Verhältnis von r&sub2; zu r&sub1; mit einem passenden Wert wählt.
Das bedeutet: wenn man r&sub2;/r&sub1; = 16 macht, während man c&sub1; = c&sub2; beibehält, kann man Q = 0,5 erhalten, so daß man ein Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung, das eine niedrige Güte besitzt, unter der Bedingung erhält, daß c&sub1; = c&sub2; ist.
Wenn das Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung in einen integrierten Schaltkreis integriert wird, können die Kapazitäten c&sub1; und c&sub2; der Kondensatoren C&sub1; und C&sub2; mit etwa 5 bis 7 pF gewählt werden, wo die Kondensatoren in einem integrierten Schaltkreis mit der höchsten Genauigkeit bereitgestellt werden können. Aufgrund dieser Bedingung kann ein integrierter Schaltkreis mit einem wahlweisen Wert der Güte und besonders mit einem geringen Wert der Güte genau hergestellt werden.
Fig. 2 zeigt ein Schaltungsbeispiel des Allpaßnetzwerks zweiter Ordnung, wobei der Aufbau eines integrierten Schaltkreises des Blockdiagramms von Fig. 1 dargestellt ist. Mit den Bereichen 10, 20, die strichpunktiert umrandet sind, ist der Bereich des ersten und zweiten Spannung/Strom-Umsetzers dargestellt. Der Bereich 30 zeigt den Bereich des dritten Spannung/Strom-Umsetzers und der Bereich 40 den Bereich des Pufferverstärkers. Die Kondensatoren C&sub1; und C&sub2; sind so ausgelegt, daß ihre Kapazität etwa 6 pF beträgt.
Jeder Spannung/Strom-Umsetzer 10, 20 und 30 ist als abgewandelter Gilbert-Vervielfacher aufgebaut, wobei die gm-Werte 1/r&sub3;, 1/r&sub2; und 1/r&sub1; so ausgelegt sind, daß sie in Übereinstimmung mit den Verhältnissen zwischen den Strömen I&sub1;, I&sub2; und I&sub3;, die mit externen Vorspannungswiderständen eingestellt werden, und den Strömen I&sub4; und I&sub5; eingestellt werden können, die mit internen Vorspannungswiderständen geregelt werden.
Damit kann ein Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung, das einen genauen Phasengang besitzt, dadurch geliefert werden, daß Fehler in den absoluten Widerstandswerten der Widerstände innerhalb des integrierten Schaltkreises mit Hilfe der Ströme I&sub1;, I&sub2; und I&sub3; korrigiert werden, die extern eingestellt werden können.
Dabei werden die Anschlüsse S&sub1;, S&sub2;, S&sub3;, S&sub4; und S&sub5; von Fig. 2 mit entsprechenden Vorspannungspotentialen als Stromquellen angespeist. Da die Spannung/Strom-Umsetzer, die in Fig. 2 verwendet werden, eine höhere Impedanz besitzen, wird das Signal Vo zu den negativen Eingängen der Spannung/Strom-Umsetzer und nicht über den Pufferverstärker 40 rückgeführt.
Wie oben beschrieben, ist das Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung gemäß dieser Erfindung mit den Spannung/Strom-Umsetzern versehen, die mit der linearen Verstärkungskurve in keinem Zusammenhang stehen, jedoch einen Zusammenhang mit der Güte besitzen, wobei sie weiters so angeordnet sind, daß die Güte des Allpaßnetzwerks zweiter Ordnung leicht auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Damit kann man ein Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung mit einer höheren Genauigkeit besonders dann erhalten, wenn es als integrierter Schaltkreis aufgebaut ist.
Obwohl verschiedene kleinere Änderungen und Abarten von Fachleuten durchgeführt werden können, ist ersichtlich, daß diese in den Ansprüchen dieses Patents enthalten sein sollen, wobei alle derartigen Abänderungen und Abarten innerhalb meines Beitrags zur Technik liegen sollen.

Claims

1. Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung für breitbandige Signale mit:

einem Eingang (Ti), an dem Eingangssignale empfangen werden;

einem Ausgang (To), an dem Ausgangssignale bereitgestellt werden; dadurch gekennzeichnet, daß das Allpaßnetzwerk einen ersten, zweiten und dritten Spannung/Strom-Umsetzer (10, 20, 30) enthält, von denen jeder einen ersten und zweiten entgegengesetzt polarisierten Eingang sowie einen Ausgang besitzt;

wobei der erste und zweite Umsetzer mit ihrem ersten Eingang am Eingang liegen;

wobei der Ausgang des ersten Spannung/Strom-Umsetzers (10) und der Ausgang des dritten Spannung/Strom-Umsetzers (30) mit dem Ausgang (To) verbunden sind;

wobei ein Rückkopplungskreis zwischen dem Ausgang (To) und den zweiten Eingängen des ersten, zweiten und dritten Spannung/Strom-Umsetzers (10, 20 30) liegt;

wobei ein erster Kondensator (C&sub1;) zwischen dem Eingang (Ti) und dem Ausgang des ersten Spannung/Strom-Umsetzers (10) liegt; und

wobei der Ausgang des zweiten Spannung/Strom-Umsetzers (20) mit dem ersten Eingang des dritten Spannung/Strom-Umsetzers (30) und weiters mit einem Anschluß eines zweiten Kondensators (C&sub2;) verbunden ist, dessen anderer Anschluß an einem Bezugspotential liegt.

2. Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung gemäß Anspruch 1, wobei die ersten Eingänge des ersten, zweiten und dritten Spannung/Strom-Umsetzers (10, 20, 30) positive Eingänge und die zweiten Eingänge negative Eingänge sind.

3. Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung gemäß Anspruch 2, wobei der Ausgang des ersten Spannung/Strom-Umsetzers (10) ein negativer Ausgang und die Ausgänge des zweiten und dritten Spannung/Strom-Umsetzers (20, 30) positive Ausgänge sind.

4. Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung gemäß Anspruch 3, wobei der erste und dritte Spannung/Strom-Umsetzers (10, 30) entsprechende Steilheiten von r&sub1; und r&sub3; besitzen, wobei r&sub1;/r&sub3; so gewählt wird, daß es im wesentlichen gleich 1/2 ist.

5. Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung gemäß Anspruch 4, wobei der erste Kondensator (C&sub1;) und der zweite Kondensator (C&sub2;) so gewählt werden, daß ihre Kapazitäten im wesentlichen gleich sind.

6. Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung gemäß Anspruch 5, wobei die Steilheiten des ersten und dritten Spannung/Strom-Umsetzers (10, 30) sowie die Steilheit des zweiten Spannung/Strom-Umsetzers (20) durch Einstellen der an ihren Vorspannungskreisen angelegten Gleichspannungs-Vorspannungspotentiale geregelt werden.

7. Allpaßnetzwerk zweiter Ordnung gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der negative Ausgang des ersten Umsetzers (10) und der positive Ausgang des dritten Umsetzers (30) mit dem Ausgang (To) verbunden werden; und wobei die negativen Eingänge des ersten, zweiten und dritten Umsetzers (10, 20, 30) ebenfalls mit dem Ausgang (To) verbunden werden.

8. Netzwerk gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Netzwerk zusammen mit dem ersten und zweiten Kondensator (C&sub1;, C&sub2;) ein integrierter Schaltkreis ist.