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Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte Schaltungen,
insbesondere integrierte aktive Filter.
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Filter zum selektiven Frequenzfiltern von Signalen sind
besonders häufige Schaltungen in elektronischen
Analogsystemen. Zusammen mit der Entwicklung von
Integrationstechniken in großem Maßstab ist es immer wichtiger geworden,
Techniken zum wirksamen Verwirklichen von diesen Filtern zu
entwickeln. Bei vielen Anwendungsfällen wird eine große Zahl
von Filtern, die monolithisch mit den untergeordneten
Schaltungen zur Verwirklichung von bestimmten Systemfunktionen
integriert sind, gefordert, und es ist wünschenswert, daß
die Filter vollständig integriert sind, so daß sie keine
Einstellung erfordern und so wenig Platz wie möglich auf dem
Siliciumchip benötigen.
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Passive Filter sind aus vielerlei Gründen nicht zur
Integration geeignet, wozu die ungenaue Präzision der R- und C-
Werte in integrierter Form sowie die Tatsache zählt, daß die
Ausgangsimpedanz mit den R- und C-Werten, d.h. der
Filterfunktion, verknüpft ist. Wenn daher eine resistive und/oder
kapazitive Last getrieben wird, wird hierdurch die
Übertragungsfunktion des Filters selbst modifiziert, so daß sowohl
die Gleichstromausbeute als auch die Grenzfrequenz
modifiziert wird.
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Bei integrierten Schaltungen finden nahezu ausschließlich
aktive Filter Verwendung, die einen Funktionsverstärker mit
einem geeigneten Rückkopplungsnetzwerk verwenden, um die
gewünschte Übertragungsfunktion durchzuführen. Um ferner das
vorstehend genannte Genauigkeitsproblem des
Grenzfrequenzwertes zu vermeiden, das mit den integrierten R- und
C-Werten verknüpft bleibt, wird der Widerstand R normalerweise
durch eine Kapazität Cx ersetzt, die auf eine Frequenz fs
geschaltet ist. Wie dies dein Fachmann bekannt ist, zeigt ein
derartiger geschalteter Kondensator das elektrische
Verhalten eines Widerstandes mit dem folgenden Wert:
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Bei der bekannten Technik ist es erforderlich, mindestens
zwei geschaltete Kondensatoren und vier Schalter
einzusetzen, um ein Tiefpassfilter ersten Grades zu
verwirklichen, wie beispielsweise aus dem Dokument "PROCEEDINGS OF
THE IEEE 1985 CUSTOM INTEGRATED CIRCUITS CONFERENCE,
Portland, Oregon, 20. - 23. Mai 1985, Seiten 491-494, IEEE, New
York, USA; D.G. MAEDING et al." hervorgeht.
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Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
ein aktives Tiefpassfilter ersten Grades zu schaffen, bei
dem eine geringere Anzahl von Komponenten Verwendung findet
als bei entsprechenden Filtern des Standes der Technik und
das eine geringere Integrationsfläche benötigt.
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Diese und weitere Aufgaben und Vorteile des aktiven
Tiefpassfilter ersten Grades der vorliegenden Erfindung werden
erreicht, indem ein einziger geschalteter Kondensator und
nur zwei Schalteinrichtungen verwendet werden, wie dies aus
den zugehörigen Patentansprüchen hervorgeht.
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Die unterschiedlichen Aspekte und Vorteile der Erfindung
werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit
der Zeichnung deutlich. Es zeigen:
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Figur 1 einen Schaltplan eines aktiven
Tiefpassfilters ersten Grades;
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Figur 2 einen Schaltplan des aktiven
Tiefpassfilters ersten Grades der Figür 1, der mit
geschalteten Kondensatoren gemäß dem
Stand der Technik versehen ist;
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Figur 3 die Wellenform des Schaltsignales
(Taktsignales); und
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Figur 4 einen Schaltplan eines aktiven
Tiefpassfilters ersten Grades gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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Um die Eigenschaften der Erfindung besser verdeutlichen zu
können, zeigen die Figuren 1 und 2 Schaltpläne eines aktiven
Tiefpassfilters ersten Grades gemäß dem Stand der Technik.
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Wie man dem Schaltplan der Figur 1 entnehmen kann,
entspricht die Grenzfrequenz des Filters (definiert auf der
Basis der dynamischen Eigenschaft an dem Punkt, an dem der
Modul der Übertragungsfunktion in bezug auf die
Gleichstromausbeute um - 3 dB reduziert wird, was im wesentlichen
der Einheit entspricht)
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und ist kaum steuerbar aufgrund der Schwierigkeit des
Erhaltens von sehr genauen Absolutwerten des Widerstandes in
integrierten (diffundierten) Widerständen, die des weiteren
ziemlich schlechte Linearitäts- und
Temperaturkoeffizienteneigenschaften besitzen und darüber hinaus eine relativ große
Integrationsfläche auf dem Siliciumchip benötigen. Des
weiteren wird die Gleichstromausbeute durch das Verhältnis
zwischen den beiden gleichen Widerständen (R) beeinflußt,
das ebenfalls in bezug auf die Präzision kaum steuerbar ist
(± 0,5 %).
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Die in Figur 2 dargestellte bekannte Lösung überwindet diese
Probleme, indem sie die mit geschalteten Kondensatoren
arbeitende Technik benutzt, um die beiden gleichen Widerstände
(R) des Basisschaltplanes der Figur 1 funktionell zu
ersetzen.
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Jede der beiden geschalteten Kapazitäten Cx, die auf die fs-
Frequenz geschaltet sind, zeigt ein elektrisches Verhalten
wie ein Widerstand mit einem Wert von:
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Die Gleichstromausbeute dieser Filter ist sehr genau, da sie
durch das Verhältnis zwischen den beiden identischen
geschalteten Kapazitäten (Cx) festgelegt ist, das gemäß
modernen Fabrikationstechniken von integrierten Schaltungen eine
Genauigkeit von etwa ± 0,1 % besitzt.
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Die Grenzfrequenz des Filters, die dem Wert
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entspricht, ist ebenfalls genau voreinstellbar, da sie durch
das Verhältnis zwischen den beiden integrierten
Kondensatoren (deren Genauigkeit 0,1 % betragen kann, wie bereits
erwähnt) und dem Wert der Schaltfrequenz fs festgelegt wird,
die normalerweise mit Hilfe eines externen Quarzoszillators
erhalten wird und daher sehr genau ist (± 0,01 %).
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In praktisch allen aktiven Tiefpassfiltern ersten Grades mit
hoher Präzision, die in integrierten Schaltungen
(insbesondere in CMOS-Schaltungen) verwirklicht sind und
einen Schaltplan gemäß Figur 2 besitzen, sind ein
Funktionsverstärker, eine Kapazität Ci mit kontinuierlicher
Integration, zwei geschaltete Kapazitäten Cx und vier Schalter
vorhanden, die auf der Frequenz fS arbeiten, wie der Schaltplan
der Figur 2 zeigt.
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Die maximale Genauigkeit in bezug auf die
Gleichstromausbeute und die Grenzfrequenz liegt etwa bei 0,1 %.
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Die Wellenform des Schaltsignales ist in Figur 3 gezeigt.
Die Schaltfrequenz fS beträgt 1/TS, wobei TS die
Abtastperiode ist.
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Das aktive Tiefpassfilter der vorliegenden Erfindung besitzt
den in Figur 4 gezeigten Schaltplan und verwendet im
Gegensatz zu den aktiven Tiefpassfiltern des Standes der Technik
einen einzigen geschalteten Kondensator Cx und nur zwei mit
der Frequenz FS angetriebene Schalter.
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Im wesentlichen umfaßt das aktive Tiefpassfilter ersten
Grades der Erfindung einen Funktionsverstärker mit einem
invertierenden Eingang und einem nicht invertierenden Eingang
sowie einem einzigen Ausgang, der mit der Ausgangsklemme des
Filters übereinstimmt. Der Funktionsverstärker ist mit einem
negativen Rückkopplungsnetzwerk ausgestattet, das einen
Kondensator Ci mit kontinuierlicher Integration umfaßt, der
zwischen die Ausgangsklemme des Filters und die
invertierende Eingangsklemme des Funktionsverstärkers geschaltet
ist, während der nicht invertierende Eingang des
Funktionsverstärkers an Erde gelegt ist. Ein einziger geschalteter
Kondensator Cx und die beiden mit der Frequend fS
betriebenen Schalter sind so geschaltet, daß eine erste Platte des
geschalteten Kondensators durch einen ersten der beiden
Schalter zwischen den invertierenden Eingang des
Funktionsverstärkers und den Erdknotenpunkt der Schaltung geschaltet
wird. Die zweite Platte des geschalteten Kondensators wird
durch den anderen der beiden Schalter zwischen eine
Eingangsklemme des Filters und dessen Ausgangsklemme
geschaltet.
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Eine Analyse der Funktionsweise der Schaltung des aktiven
Tiefpassfilters ersten Grades der Erfindung unter Verwendung
der im Diagramm der Figur 3 angegebenen Zeitskala ist
hiernach wiedergegeben.
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Wie dem Fachmann bekannt ist, wird der Durchlaßbereich des
Systems erhalten, indem z durch ej2 fTs ersetzt wird, wobei
TS die Abtastperiode der Schaltung und f die Stromfrequenz
ist.
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Es kann sofort festgestellt werden, daß die
Gleichstromausbeute (d.h. f = 0 und damit z = 1) 1, d.h. 0 dB beträgt, und
daß die Grenzfrequenz des Filters, wie vorstehend
angedeutet, dem Wert
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entspricht.
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Im Vergleich mit den bekannten Lösungen besitzt das
integrierte aktive Tiefpassfilter ersten Grades der Erfindung
den Vorteil, daß es einen reduzierten Anteil von Komponenten
benötigt und somit die Ersparnis von Integrationsfläche
ermöglicht. Des weiteren besitzt die Gleichstromausbeute des
Filters eine infinite Präzision, da sie nicht länger von der
Genauigkeit des Verhältnisses zwischen integrierten
Kondensatoren abhängig ist, wie dies bei den Filtern des Standes
der Technik der Fall ist.