CH638351A5 - Elektrische filterschaltung mit mehreren leitungsschleifen, bestehend aus ctd-leitungen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Filterschaltung mit mehreren Leitungsschleifen, bei der an jede in sich geschlossene Leitungsschleife mit dem Phasenmass 2 nn (n = 1,2,...) bei der Durchlassmittenfrequenz an unterschiedlichen Stellen jeweils wenigstens eine Zuführungsleitung und jeweils wenigstens eine Leitung zur Entnahme der elektrischen Signale angeschaltet ist, und bei der die geschlossenen Leitungsschleifen das frequenzabhängige Übertragungsverhalten der Filterschaltung bestimmen, die in integrierter Halbleitertechnik als durch einen Taktgenerator gesteuerte CTD-Schaltung realisiert ist, und der Wellenwiderstand jeder in sich geschlossenen Leitungsschleife unterschiedlich gewählt ist gegenüber dem der Zuführungs- und Entnahmeleitungen, und weiterhin für jede in sich geschlossene Leitungsschleife eine Ein- und Auskoppelschaltung vorgesehen ist, die jeweils zusammen mit einem Teil dieser Leitungsschleife und mit integrierten Verstärkern in der Topologie eines Kreuz- oder eines 7t-Gliedes ausgebildet ist, derart, dass jede Leitungsschleife zusammen mit Ein- und Auskoppelschaltung eine vierarmige Weichenschaltung mit dem Ersatzschaltbild einer Reaktanz-Abzweigschaltung bildet und die einzelnen Weichenschaltungen mittels Verbindungsleitungen verkettet sind, die zusammen mit dem Teil der an sie angrenzenden Aus- und Einkoppelschaltung eine weitere, eine Zwischenkopplungsschleife darstellende, in sich geschlossene Leitungsschleife bilden, die bei der Durchlassmittenfrequenz das Phasenmass (2n— 1)k hat.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein aus Fig. 9 der deutschen Patentschrift Nr.

24 53 669 bekanntes Schaltsymbol,

Fig. 2 eine mögliche Realisierungsform für eine sogenannte Ein- bzw. Auskoppelschaltung,

Fig. 3 eine zweite mögliche Realisierungsform für eine Ein- bzw. Auskoppelschaltung,

Fig. 4 eine dritte mögliche Realisierungsform für eine Einbzw. Auskoppelschaltung,

Fig. 5 die Zusammenschaltung einer in sich geschlossenen Leitungsschleife mit einer Ein- und Auskoppelschaltung,

Fig. 6 die Kettenschaltung mehrerer Teilschaltungen nach Fig. 5,

Fig. 7 den Betriebsdämpfungsverlauf einer dreikreisigen Filterschaltung in Abhängigkeit von einer normierten Frequenz in der Umgebung der Durchlassmittenfrequenz,

Fig. 8 den Dämpfungsverlauf bei Anwendung der erfin-dungsgemässen Massnahme.

Aus der deutschen Patentschrift 24 53 669 sind unter anderem elektrische Filterschaltungen bekannt geworden, zu deren Aufbau in sich geschlossene Leitungsschleifen mit unidirektio-nalem Übertragungsverhalten verwendet werden können. Als Leitungen kommen dabei auch sog. CTD-Leitungen (Charge transfer devices) in Frage. Zum Betrieb solcher Schaltungsbauteile sind Taktgeneratoren erforderlich, wie dies im einzelnen ebenfalls in der deutschen Patentschrift 24 53 669 beschrieben ist. In Fig. 9 der vorgenannten Patentschrift ist ein Schaltungssymbol für die Ankopplung an eine in sich geschlossene Leiterschleife angegeben, die zur besseren Übersicht in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen nochmals dargestellt ist. Das unidirektionale Übertragungsverhalten der einzelnen Leitungsabschnitte kommt durch die eingezeichneten Pfeile zum Ausdruck. Die Schaltung hat also zwei Eingänge 1 und 3, die dort zulaufenden Signalgrössen sind als Wellengrössen Zi und Zi dargestellt. Auch hat die Schaltung zwei Ausgänge 2 und 4, und es sind die dort weglaufenden Signalgrössen als Wellengrössen W2 und W4 ebenfalls mit zugehörigen Pfeilen zu erkennen.

In Fig. 2 der beigefügten Zeichnung ist eine mögliche Realisierungsform solcher CTD-Schaltungen dargestellt, die für sich bereits in der älteren Anmeldung P 25 34 319.5 vorgeschlagen wurde. Diese Schaltung lässt sich als Ein- bzw. Auskoppelschaltung für die in sich geschlossenen Leitungsschleifen solcher CTD-Filterschaltungen verwenden. Die Übertragungsrichtungen der einzelnen Leitungen sind ebenfalls durch Pfeile kenntlich gemacht. Die Schaltung selbst ist in der Topologie einer Kreuzgliedschaltung aufgebaut. Die Schaltung enthält die Verstärker ki", kî", k3" und k/'.

Durch die Schaltsymbole der Verstärker soll angedeutet werden, dass sie entsprechend dem Spannungszustand der ihnen benachbarten Leitung Ladungen in der an sie unmittelbar angeschlossenen Leitung erzeugen. Die Umladekapazitäten der einzelnen CTD-Leitungen sind in Fig. 2 ebenfalls eingezeichnet und dort mit Ci, C2 und C3 bezeichnet. Auch ist das Phasenmass der einzelnen Leitungsabschnitte eingezeichnet, und es ist zu erkennen, dass die horizontal verlaufenden Leitungen das Phasenmass b und die Abschnitte der diagonal verlaufenden Leitungen das Phasenmass b/2 haben. Es wird also aufgrund der Schaltungstopologie ein Signalweg vom Eingang 1 zu den Ausgängen 2 und 4, und ebenso ein Signalweg vom Eingang 3 zu den Ausgängen 2 und 4 geschaffen.

In Fig. 3 ist eine weitere Realisierungsmöglichkeit für Ein-und Auskoppelschaltungen gezeigt, die nach Art eines 7t-Gliedes ausgebildet ist. Solche Schaltungen sind für sich bereits in der älteren Anmeldung P 26 08 582.5 vorgeschlagen. Es werden als Verstärker sog. Doppelverstärker verwendet, die in Fig. 3 mit ki und ki bezeichnet sind, und die einen gemeinsamen Eingang über die mit Có bezeichnete Umladekapazität haben, und deren Ausgänge auf die mit Ci bzw. Cs bezeichene-ten Umladekapazitäten der sich anschliessenden CTD-Leitun-

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gen führen. Die Ein- und Ausgärige der 7i-Schaltung sind wiederum mit den Bezugsziffern 1 bis 4 bezeichnet, und auch die Übertragungsrichtungen der unidirektionalen Leitungsabschnitte sind durch die eingetragenen Pfeile zu erkennen. Bei der gezeichneten Schaltung ist lediglich darauf zu achten, dass das Phasenmass der in der 7t-Zweigen verwendeten Leitungen den Wert b hat.

Fig. 4 zeigt eine weitere Realisierungsmöglichkeit für die in Frage kommenden Ein- und Auskoppelschaltungen, deren Wirkungsweise ipi einzelnen in der älteren Anmeldung P 26 08 540.5 beschrieben ist. Im Unterschied zu Fig. 3 sind in der Schaltung nach Fig. 4 zwei getrennte Verstärker kj und k» verwendet, die jeweils in eine solche Leitung eingeschaltet sind, die am Eingang und Ausgang die gleiche Umladekapazität (also z.B. Ci bzw. Ca) hat. Charakteristisch für die Schaltung nach den Fig. 2 bis 4 ist, wie dies in den vorgenannten Literaturhinweisen bereits erläutert ist, dass gewissermassen ein Wellenwiderstandssprung nachgebildet wird, dessen Wirkungsweise für sich aus der Mikrowellentechnik bekannt ist. Aus diesem Grund haben die einzelnen Anschlussleitungen 1, 2 und 3,4 unterschiedliche Umladekapazitäten wie z.B. Ce und C2.

In Fig. 5 ist gezeigt, in welcher Weise vorzugehen ist, damit eine in sich geschlossene Leitungsschleife zusammen mit Ein-und Auskopplung gewissermassen eine vierarmige Weichenschaltung bildet. Als Ein- und Auskopplung ist unmittelbar die in Fig. 3 bereits gezeichnete Schaltung verwendet. Die in sich geschlossene Leitungsschleife wird von den beiden Leitungen mit der Umladekapazität C2 und den beiden Leitungsabschnitten der Umladekapazität C3 gebildet. Die mit C2 bezeichneten Leitungen haben das Phasenmass n7ir|-b und die mit C3 bezeichneten Leitungen das Phasenmas b. Wie Fig. 5 unmittelbar zeigt, sind also die Leitungsabschnitte mit den Umladekapazitäten C3 zugleich Bestandteil des in sich geschlossenen Leitungsringes 6 und der Ein- bzw. Auskoppelschaltungen. Für die bezogene Frequenz t| = f/fo = 1 ist die dabei die in sich geschlossene Leitungsschleife 6 in Resonanz; f ist dabei die laufende Frequenzvariable und fo die Mittenfrequenz des gewünschten Durchlassbereiches. Die Wirkungsweise der Weichenschaltung läuft darauf hinaus, dass bei der Resonanzfrequenz fo die gesamte am Eingang 1 eingespeiste Energie am Ausgang 2' erscheint. Bei zunehmender Abweichung von der Resonanzfrequenz erscheint zunehmend mehr Energie am Ausgang 2. Entsprechend gilt, dass bei der Resonanzfrequenz fo die gesamte in den Eingang 1 ' eingespeiste Energie am Ausgang 2 erscheint und mit zunehmender Abweichung von der Resonanzfrequenz zunehmend mehr Energie am Ausgang 2'. Diese Weichenfunktion ist streng erfüllt, wenn die in Fig. 5 gleichzeitig angegebenen Beziehungen zwischen den Umladekapazitäten und den Verstärkungsfaktoren eingehalten werden. Derartige Schaltungen können in ihrem elektrischen Ersatzschaltbild als verlustfreie Reaktanz-Abzweigschaltungen dargestellt und dementsprechend dimensioniert werden, wie dies z.B. in der Zeitschrift «NTZ 1963, Heft 6, S. 297 bis 302 angegeben hat.

Zum Aufbau einer mehrkreisigen Filterschaltung ist es nun erforderlich, mehrere resonanzfähige Gebilde nach Fig. 5 in Kette zu schalten. Eine solche Möglichkeit ist in Fig. 6 gezeichnet, deren Schaltungsdetails im einzelnen in den vorgenannten Literaturstellen ebenfalls beschrieben sind. In Analogie zu Fig. 5 sind die resonanzfähigen Schaltungsabschnitte mit 6 und 6' bezeichnet. Auch sind die jeweiligen Ein- und Auskoppelschaltungen gemäss Fig. 3 zu erkennen. Für die Zusammenschaltung der Leitungsschleifen 6 und 6' ist es erforderlich, eine weitere in sich geschlossene Leitungsschleife zu schaffen, die in Fig. 6 mit der Bezugsziffer 7 kenntlich gemacht ist. Diese Leitungsschleife wird hier als Zwischenkopplungsschleife bezeichnet und zusammen mit Teilen (Cs,

C5') der angrenzenden Ein- und Auskopplungen gebildet. Die der Kettenschaltung dienenden Leitungen haben die Umladekapazitäten Có. Ihr Phasenmass beträgt (2n— 1)ji/2t| — b. Um kenntlich zu machen, dass die in unterschiedlichen resonanz-5 fähigen Abschnitten (wie z.B. in 6 und 6') verwendeten Leitungen und Verstärker unterschiedlich bemessen werden können, sind in der Schaltung nach Fig. 6 die mit der linken Schaltungshälfte korrespondierenden Umladekapazitäten bzw. Verstärkungsfaktoren der rechten Schaltungshälfte mit einer Apo-10 strophierung versehen. Aus den zugleich angegebenen Beziehungen für die apostrophierten Grössen ist unmittelbar die Analogie zu Fig. 5 zu erkennen.

Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, können bei den vorstehend beschriebenen 15 Schaltungen nahe der Resonanzfrequenz der in sich geschlossenen Zwischenkopplungsschleife 7 dann Oszillationsschwingungen auftreten, wenn z.B. die Verstärker ki und ki' durch Fertigungstoleranzen oder Temperaturabhängigkeiten grössere Verstärkungsfaktoren aufweisen, als sich nach der 20 Berechnung ergeben hat. Zwar liegen diese Schwingungen nicht im gewünschten Durchlassbereich, sie stören jedoch deshalb, weil es sich um Oszillationsschwingungen handelt, die auch bei nicht vorhandenem Eingangssignal auftreten.

Gemäss der Erfindung lassen sich diese Störungen 25 dadurch beseitigen, dass die Verstärkungsfaktoren der in einer jeweiligen Zwischenkopplungsschleife vorgesehenen Verstärker dem Betrage nach kleiner gewählt sind, als nach einer strengen Dimensionierung als Reaktanz-Abzweigschaltung vorgegeben, jedoch nicht kleiner als eins.

30 Unter Verstärkungsfaktoren sind hier Spannungsverstärkungsfaktoren zu verstehen. Im Minimalfall kann der Verstärkungsfaktor ki bzw. ki' den Wert eins annehmen, was gleichbedeutend damit ist, dass diese Verstärker entfallen können. Wie sich insbesondere zeigt, ist es vorteilhaft, die Verstär-35 kungsfaktoren bis zu etwa 15% kleiner zu wählen, als in den Gleichungen gem. Fig. 5 und Fig. 6 angegeben ist. Durch die bewusste Verkleinerung der Verstärkungsfaktoren ki und ki' tritt im Durchlassbereich des Filters eine gewisse geringfügige Verzerrung der Übertragungscharakteristik auf. Die 40 gewünschte Übertragungscharakteristik lässt sich jedoch dadurch wieder herstellen, dass auch die übrigen Verstärker im Beispiel nach Fig. 6 - also die Verstärker k2 und k2' - in ihrem Verstärkungsfaktor geändert werden. Zusätzlich können erforderlichenfalls die Kapazitätsverhältnisse R, R' geändert 45 werden.

In den Ausführungsbeispielen der Fig. 7 und 8 ist die Wirkung der vorgenannten Massnahmen im einzelnen dargestellt.

Fig. 7 zeigt dabei in Abhängigkeit von der normierten Frequenz T) = f/fo in der Umgebung der Durchlassmittenfrequenz 50 T) = 1 das Betriebsdämfpungsverhalten aB. Als Beispiel wurde ein dreikreisiges Filter gewählt, d.h. also eine Kettenschaltung von drei Schaltungseinheiten gemäss Fig. 5. Fig. 8 zeigt wiederum den Dämpfungsverlauf für jeweils die obere Hälfte der nicht gewünschten parasitären Durchlassbereiche des Filters 55 bei geradezahligen Vielfachen (2nr[o, mit rio = 1) der gewünschten Durchlassmittenfrequenz, wobei Ar| die Abweichung von 2nr|o darstellt.

In den Fig. 7 und 8 zeigen die gestrichelten Kurven den theoretischen Verlauf, d.h. also zugleich auch den Verlauf, der 60 sich ergibt, wenn die in den Fig. 5 und 6 angegebenen Beziehungen exakt eingehalten werden. Die vorstehend erwähnten Oszillationsschwingungen liegen dabei in der Umgebung der Minima bei Àr| ^ 0 in Fig. 8. Die ausgezogenen Kurven zeigen den Dämpfungsverlauf, wenn die vorstehend beschrie-65bene Minderung der Verstärkungsfaktoren ki, ki' und zugleich die Korrektur der Verstärkungsfaktoren k2 und k2' bzw. der Kapazitätsverhältnisse R und R' vorgenommen wird. Die Dämpfungsminima sind deutlich angehoben, im Beispiel der

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Fig. 8 etwa lOdB und mehr, während die Durchlassdämpfung nach Fig. 7 nur geringfügig zunimmt (0,02dB), was für den praktischen Einsatz bedeutungslos ist. Im gewählten Beispiel wurden dabei die Verstärkungsfaktoren ki und ki' um 5% gegenüber dem Formelwert nach den Fig. 5 und 6 gemindert, die Werte für kî, ki', R, R' blieben unverändert erhalten.

Durch die aus Fig. 8 erkennbare Dämpfungserhöhung ist die Gefahr von Oszillationsschwingungen vollständig beseitigt, d.h. selbst bei Fertigungstoleranzen und temperaturbedingten Änderungen in der Grössenordnung von 5% treten keine 5 Oszillationsschwingungen auf.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

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   PATENTANSPRÜCHE

   Elektrische Filterschaltung mit mehreren Leitungsschleifen, bei der an jede in sich geschlossene Leitungsschleife mit dem Phasenmass 2 nit (n = 1,2,...) bei der Durchlassmittenfrequenz an unterschiedlichen Stellen jeweils wenigstens eine Zuführungsleitung und jeweils wenigstens eine Leitung zur Entnahme der elektrischen Signale angeschaltet ist, und bei der die geschlossenen Leitungsschleifen das frequenzabhängige Übertragungsverhalten der Filterschaltung bestimmen, die in integrierter Halbleitertechnik als durch einen Taktgenerator gesteuerte CTD-Schaltung realisiert ist, und der Wellenwiderstand jeder in sich geschlossenen Leitungsschleife unterschiedlich gewählt ist gegenüber dem der Zuführungs- und Entnahmeleitungen, und weiterhin für jede in sich geschlossene Leitungsschleife eine Ein- und Auskoppelschaltung vorgesehen ist, die jeweils zusammen mit einem Teil dieser Leitungsschleife und mit integrierten Verstärkern in der Topologie eines Kreuz- oder eines Tt-Gliedes ausgebildet ist, derart, dass jede Leitungsschleife zusammen mit Ein- und Auskoppelschaltung eine vierarmige Weichenschaltung mit dem Ersatzschaltbild einer Reaktanz-Abzweigschaltung bildet und die einzelnen Weichenschaltungen mittels Verbindungsleitungen verkettet sind, die zusammen mit einem Teil der an sie angrenzenden Aus- und Einkoppelschaltung eine weitere, eine Zwischenkopplungsschleife darstellende, in sich geschlossene Leitungsschleife bilden, die bei der Durchlassmittenfrequenz das Phasenmass (2n— 1)ji hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfaktoren der in einer jeweiligen Zwischenkopplungsschleife vorgesehenen Verstärker (ki, ki') dem Betrage nach kleiner gewählt sind als nach einer strengen Dimensionierung als Reaktanz-Abzweigschaltung vorgegeben, jedoch nicht kleiner als eins.
2. 2. Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfaktoren (ki, ki') bis zu 15% kleiner gewählt sind als nach der strengen Dimensionierung.