DE3885723T2 - Integriertes aktives Tiefpassfilter ersten Grades. - Google Patents

Integriertes aktives Tiefpassfilter ersten Grades.

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DE3885723T2
DE3885723T2 DE88830551T DE3885723T DE3885723T2 DE 3885723 T2 DE3885723 T2 DE 3885723T2 DE 88830551 T DE88830551 T DE 88830551T DE 3885723 T DE3885723 T DE 3885723T DE 3885723 T2 DE3885723 T2 DE 3885723T2
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Germano Nicollini
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SGS Thomson Microelectronics SRL
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H19/00Networks using time-varying elements, e.g. N-path filters
    • H03H19/004Switched capacitor networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Filters That Use Time-Delay Elements (AREA)
  • Networks Using Active Elements (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte Schaltungen, insbesondere integrierte aktive Filter.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die unterschiedlichen Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung deutlich. Es zeigen:
  • Figur 1 einen Schaltplan eines aktiven Tiefpassfilters ersten Grades;
  • Figur 2 einen Schaltplan des aktiven Tiefpassfilters ersten Grades der Figür 1, der mit geschalteten Kondensatoren gemäß dem Stand der Technik versehen ist;
  • Figur 3 die Wellenform des Schaltsignales (Taktsignales); und
  • Figur 4 einen Schaltplan eines aktiven Tiefpassfilters ersten Grades gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 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.
  • 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)
  • 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 %).
  • 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.
  • Jede der beiden geschalteten Kapazitäten Cx, die auf die fs- Frequenz geschaltet sind, zeigt ein elektrisches Verhalten wie ein Widerstand mit einem Wert von:
  • 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.
  • Die Grenzfrequenz des Filters, die dem Wert
  • 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 %).
  • 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.
  • Die maximale Genauigkeit in bezug auf die Gleichstromausbeute und die Grenzfrequenz liegt etwa bei 0,1 %.
  • Die Wellenform des Schaltsignales ist in Figur 3 gezeigt. Die Schaltfrequenz fS beträgt 1/TS, wobei TS die Abtastperiode ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • entspricht.
  • 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.

Claims (1)

1. Integriertes aktives Tiefpassfilter ersten Grades zur Erzeugung eines Ausgangssignales an einer Ausgangsklemme (OUT) desselben in Abhängigkeit von einem an eine Eingangsklemme (IN) desselben angelegten Signales, mit einem Funktionsverstärker mit einem invertierenden Eingang und einem nicht invertierenden Eingang und einem einzigen Ausgang, der mit der Ausgangsklemme des Filters übereinstimmt, und mit einem negativen Rückkopplungsnetzwerk, das einen Kondensator (Ci) mit kontinuierlicher Integration aufweist, der zwischen die Ausgangsklemme des Filters und den invertierenden Eingang des Funktionsverstärkers geschaltet ist, wobei der nicht invertierende Eingang desselben an Erde gelegt ist, gekennzeichnet durch:
einen einzigen geschalteten Kondensator (Cx) und zwei Schalter, die bei einer voreingestellten Frequenz (fS) arbeiten,
wobei eine erste Platte des geschalteten Kondensators durch einen ersten der beiden Schalter zwischen den invertierenden Eingang des Funktionsverstärkers und Erde geschaltet ist und
wobei eine zweite Platte des geschalteten Kondensators durch den anderen der beiden Schalter zwischen die Eingangsklemme und die Ausgangsklemme des Filters geschaltet ist.
DE88830551T 1987-12-22 1988-12-21 Integriertes aktives Tiefpassfilter ersten Grades. Expired - Fee Related DE3885723T2 (de)

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