NL8303048A - Hoogdoorlatend filter met omschakelbare condensatoren. - Google Patents

Description

ί * ( TO k991

Betr.: Hoogdoorlatend filter met omsehakelbare condensatoren.

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op voor het frequentiedomein bedoelde elektronische hoogdoorlatende filters en heeft meer in het bijzonder betrekking op omsehakelbare condensatoren omvattende precisiefilters, die zijn bedoeld voor geïntegreerde ketens.

5 Een bekende basisuitvoering van een voor het frequentiedomein bedoeld hoogdoorlatend filter is weergegeven in fig. 1. Een dergelijk filter omvat een signaalingangsaansluiting Ui, een gelijkstroom blokkerende condensator , een weerstand R'en een signaalüitgangsaansluiting UIT, zoals een aansluiting die als regel is verbonden met het sommeer-10 knooppunt van een met negatieve terugkoppeling uitgevoerde versterker.

Het in deze beschrijving gebruikte referentiesymbool C met verschillende cijferaanduidingen, dient ter aanduiding van bepaalde condensatoren en is tevens gebruikt om de capaciteitswaarde van de desbetreffende condensator aan te geven.

15 In zeer grootschalige, geïntegreerde MOS (metaal-oxyde-silicium) ketens is in het algemeen niet mogelijk cm ofwel een precisieweerstand voor R, afwel een condensator te realiseren, waarvan de waarde de inver-- se waarde van de weerstandswaarde volgt in samenhang met afwijkingen bij het fabricageproces. De weerstand R kan echter worden vervangen door een 20 condensator die amschakelbaar is door middel van een paar elektronische verbreek-voor-maak omsehakelaars S^, Sg die worden bediend door niet-overlappende schakelpulstreinen φ^, φ^» 20<ia1: de bekende omsehakelbare condensator omvattende filter structuur volgens fig. 2 wordt verkregen.

De waarde van de condensator Cg correspondeert met de weerstandswaarde 25 van de weerstand R en is geschreven door VCgf^, waarin fg de frequentie voor stelt van de schakelpulstreinen. Er wordt opgemerkt, dat naarmate de capaciteitswaarden groter zijn, de grensfrequentie van een dergelijk filter lager is. De grensfrequentie van een filter is die frequentie, die behoort bij de knie van de transmissiekarakteristiek die 30 voor het desbetreffend filter geldend is.

Verwezen wordt naar het boek "Introduction to the Theory and Design of Active Filters" van L. P. Helsman en P. E. Allen (McGraw-Hill Book Company, Hew Xork, 1980) in het bijzonder hoofdstuk 7.2, biz. 360-378, waarin andere bekende voorbeelden zijn weergegeven van omsehakelbare 35 condensatoren omvattende filters in geïntegreerde ketens.

-¾ ' ? -Λ * „"5 O v 0 / o - 2 - Λ *

Een met een omschakelbare condensatoren omvattende filterstruc-tuur van de in fig. 2 weergegeven soort samenhangend probleem bestaat daarin, dat voor een gegeven condensatorwaarde C^, zoals deze vereist is voor de uitgangsaandrijving, en voor een gegeven schakelpulsfrequen-5 tie voor de elektronische schakelaars en S^, een relatief grote vaar-. de is vereist voor de capacitantie teneinde het mogelijk te maken, dat de grensfrequentie relatief laag vordt. Zulks hangt samen met de omstandigheid, dat een lagere grenswaarde van de condensator C^ is bepaald door de aard van de belastingsketen. Elementen met een relatief 10 grote capaciteitswaarde vereisen extra oppervlak van de chip, waarop de geïntegreerde keten is gemaakt. Verder kan. het vereiste, dat de sig-naalbron alle stroom levert die is vereist om de condensator Cg te laden, te leiden tot aanzienlijke extra kosten.

Een ander probleem houdt verband met een parasitaire capaciteit 15 . C^. die in fig. 2 door onderbroken is aangegeven en welke capaciteit bij de bekende keten van dit type aanwezig is aan die zijde van de condensator Cg» waar zich de omschakelaar bevindt. Deze extra geschakelde capaciteit is hinderlijk en vel daardoor, dat deze in het algemeen span-nings-afhankelijk is, waarbij aanzienlijke niet-lineaire transmissiever-20 liezen kunnen worden geïntroduceerd.

Alhoewel bij deze bekende structuur de grensfrequentie zou kunnen worden verlaagd door de frequentie van de schakelpulsen voor de schakelaars en Sg te verlagen, zou dit problemen meebrengen bij de realisatie van andere ketenfuncties op de chip, wanneer wordt uitgegaan 25 van de veronderstelling, dat het de hoofdklokfrequentie is die wordt verlaagd;.Tevens zouden nieuwe anti-aliasproblemen ontstaan , indien deze schakelpulsen zouden betekenen, dat de hoofdklok verder omlaag zou moeten worden gebracht.

De een tweevoudig geschakelde condensator omvattende hoogdoor-30 latende filterstructuur volgens de onderhavige uitvinding omvat verder buffermiddelen voor het toevoeren van laadstroom aan een uitgangsconden-sator, waardoor het mogelijk is om een gegeven grensfrequentie bij een gegeven schakelfrequentie en transadmittantie-eigenschap te verkrijgen met een relatief geringe waarde voor de aan de ingang aanwezige blokkeer-35 condensator. Door de buffer wordt tevens de ingangimpedantie verhoogd, waardoor de belasting voor de ingangsketenvoorzieningen wordt verminderd, doordat de stroomtoevoer voor de uitgangscondensator is geïsoleerd van ->> ' -V **

\ . Λ ."I

- 3 - i % het aandrijfsignaal.

De uitvinding zal in het onderstaande nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekening, waarin: fig. 1 een schema weergeeft van een hasisuitvoering van een be-5 kend hoogdoorlatend filter; fig. 2 een schema weergeeft van een bekende uitvoering van een omschakelbare condensatoren omvattend hoogdoorlatend filter volgens fig.

1; fig. 3 een schema weergeeft van een uitvoeringsvoorheeld volgens 10 de uitvinding van een omschakelbare condensatoren omvattend hoogdoorlatend filter; en fig. b een schema weergeeft van een ander uitvoeringsvoorheeld volgens de uitvinding van een omschakelbare condensatoren omvattend hoogdoorlaatfilter, waarbij gebruik is gemaakt van een fout-corrigerende 15. keten.

Het in fig. 3 weergegeven filter 10 omvat een gelijkstroom-blokkerende condensator , waarin een ingangssignaalspanning, afkomstig van een ingangsaansluiting UT wordt aangeboden. De andere zijde van deze blokkeereondensator is via een schakelaar , die wordt bediend met 20- een frequentie fg, verbonden met de poortelektrode van een MOS buffer-transistor T.j. De afvoerzijde van deze buffertransistor is verbonden met een gestabiliseerde voedingsspanning 7^. De bron van de buffertransistor T.j is verbonden met een stroombron die is weergegeven als een depletie-modus transistor Tg, waarvan de bron en poort zijn verbon-25 den met. een betrekkelijk geringe negatieve voedingsspanning -7ss· Een uitgangscondensator Cg is met zijn ene zijde verbonden met de bron van de buffertransistor en is met zijn andere zijde verbonden met een uit-gangsaansluiting UIT^ en wel via een tweede schakelaar Sg. Het biedt voordeel om de als bronvolger werkzame transistor T^ eveneens als een 30 depletie-modus inrichting uit te voeren ter vermijding van een aanzienlijke gelijksnanningsniveauverschuiving als gevolg waarvan het signaal-gebied waar lineariteit bestaat, sterk zal worden verminderd.

De schakelaars en Sg zijn enkel-polige verbreek-voor-maak omschakelaars die op talrijke en eenvoudige wijzen kunnen worden gere-35 aliseerd met gebruikmaking van M0S FET transistorinrichtingen, welke schakelaars worden bediend.door afzonderlijke schakelpulstreinen en ^g die elkaar niet overlappen. De sehakelc.ars en Sg zijn in alle fi- r·* — ' — - .· λ -: i - * v ψ "· - k - guren van de tekening weergegeven in hun φ^-sehakelfazetoestand. In de ?i^--f*az:e'boes‘baiiii zouden zij in een andere stand zijn geschakeld.

De schakelaar verbindt de poort van de buffertransistor afwisselend met de blokkeernondensator en signaalaarde. De tweede 5 schakelaar Sg verbindt de uitgangszijde van de condensator Cg afwisselend met de aansluiting UIT^ en signaalaarde.

In fig. 3 is door onderbroken lijnen weergegeven een condensator die representatief is voor de poort-afvoer capacitantie van de blokkeertransistor vermeerderd met de parasitaire capacitantie van de 10 schakelaar . Het filter 10 heeft als bijzonder voordeel, dat de geschakelde capacitantie die bepalend is voor de belastingsweerstand, waardoor de condensator wordt afgesloten, kan worden beperkt tot een betrekkelijk geringe waarde C^, hetgeen betekent, dat een betrekkelijk hoge equivalente weerstandswaarde en ofwel een relatief lage grenst 15 frequentie ofwel een lage -waarde ontstaat.

Eveneens door onderbroken lijnen is in fig. 3 weergegeven een tweede uitgangsketen met een condensator die via een derde omschake-laar is verbonden met een verdere uit gangs aans luit ing UIT^, teneinde te illustreren, dat vanaf de bron van de buffertransistor , indien ge-20 - wenst,. meerdere uitgangen kunnen worden afgeleid door het aanbrengen van extra condensatoren en paren van omschakelaars.

Alhoewel'de specifieke waarden van de condensatoren , Cg, Cg, enz.voor een bepaalde toepassing van het filter 10 vanzelf sprekend moet worden' gekozen in verband met de schakelpuls frequent ie en andere 25 overwegingen, is er vanuit gegaan, dat de blokkeercondensator groot genoeg is om te bereiken, dat de lading daarvan niet noemenswaardig verandert over een periode, overeenkomende met de laagste signaalfrequentie-component, die door het filter 10 moet worden doorgelaten teneinde te bereiken, dat boven de grensfrequentie een verliesniveau bestaat dat zo 30 laag is als gewenst wordt.

Wanneer het filter 10 in werking is zal signaallading, die aanwezig is op de rechter plaat van de ingangscondensator langzaam weglekken via de betrekkelijk kleine capacitantie die wordt omgeschakeld tussen.de uitgangszijde van de betrekkelijk grote ingangscondensator 35 C.j en de referentiespanning (aarde). Signaalfrequentiecomponenten die lager .zijn dan de grensfrequentie, zoals bepaald door de capaciteits-waarden C^, en de sehakelfrequentie fg worden in hoofdzaak kortge- „»v ·- - * V·» ‘ · * - -1 * «r m - 5 - sloten naar aarde. De omschakelaar fungeert tevens als de linker omschakelaar voor de condensatoren en C^. Verwacht 2ou worden, dat de eerste en tweede uitgangsketens werkzaam zouden zijn als ingangs-weerstanden voor versterkers (niet weergegeven). De ,Tbuffer"-transis-5 tor T.j, die een bron-volger is, die groot genoeg is om in staat te zijn de belasting daarvan volledig te laden gedurende de geleidingstijdpe-riode van de schakelaars en S^, geeft zijn poortspanningsvariaties onverzwakt door aan de linker aansluitingen van de condensatoren en C^. De niet-lineaire parasitaire capaciteit naar aarde vanaf het 10. knooppunt tussen de bron van de buffertransistor en de condensator Cg is van geen praktische betekenis, hetgeen eveneens geldt ten aanzien van de in dat knooppunt aanwezige gelijkspanning, uitgezonderd de invloed daarvan op het signaalspanningsgebied. Het gelijkspanningsniveau dat aanwezig is bij de bron van de buffertransistor heeft geen noe-15 menswaardig effect op de "offset" aan de uitgang.

Tijdens de werking van het filter 10 heeft het omschakelen van de besturingsspanning van de schakelaar tussen zijn lage en hoge logische niveaus tot gevolg, dat een doorgaande sehakelspanningsfout ontstaat die karakteristiek .is voor MOS inrichtingen. In feite betekent 20- zulks, dat de in het knooppunt 12 aanwezige spanning een fout spanning "Vfout in de faze bevat, zodat de in het knooppunt 12 aanwezige spanning een sprong ondergaat, uitgaande van aardpotentiaal op een waarde, gegeven door C,

25 --- V + V

? ^1^3 signaal rout in de faze* In de faze springt deze spanning terug op aardniveau ofwel 0 volt. Alhoewel deze fout zeer gering is kan het voor sommige toepassingen van het filter 10 gewenst zijn om deze fout te elimineren.

.Een ander voorbeeld van een filter volgens de uitvinding is het 30 in fig. ^ weergegeven filter 14, dat is gebaseerd op het filter 10 van fig, 3 en dat is gewijzigd zodanig, dat is voorzien in middelen, waardoor in het uitgangssignaal een compensatie wordt gegeven voor het effect van de in het voorafgaande beschreven.doorgaande foutspanning ^.

Eet gewijzigde filter 14 omvat een een filterfunctie vervullende boven-35 tak l6. en een een compensatiefunctie vervullende benedentak 18 die beide zijn getekend in een door onderbroken lijnen weergegeven kader. De «x ·" ^ ^ t

Si/ --- - - 6 - filtertak 16 is in -wezen identiek aan het filter 10 volgens fig. 3, zodat de corresponderende elementen van fig. 3 in fig. ^ van dezelfde verwijzingssymbolen zijn voorzien. De compensatietak 18 is vergelijkbaar met de filtertak 16 wat configuratie en componenteigenschappen 5 betreft. De aansluiting aan de linkerzijde van de condensator die correspondeert met de aansluiting in van de filtertak, is echter geaard. De aansluiting UIT'^ van de schakelaar S^' is verbonden met de aansluiting UIT.J van de schakelaar Sg in de filtertak 16. De ketenelementen zijn aangeduid door van accenten voorziene verwijzingscymbolen van cor-10 responderende elementen in de een filterfunctie vervullende boventak 16. Er wordt opgemerkt, dat tussen de schakelwerking van de schakelaar S'i van de compensatietak 18 en de schakelwerking van de schakelaar van de filtertak 16 een fazeverschil van in hoofdzaak 180° bestaat.

Echter wordt in het knooppunt 12' dezelfde gelijkspanningsfout ^ ont- 15 wikkeld als in het knooppunt 12. Aangezien de poort spanning van de buffertransistor T'^ een sprong ondergaat vanaf de spanningswaarde vfoilfc naar aarde tijdens.de faze, geeft de compensatietak 18 aan het uit- gangsknooppunt slechts een doorgaande schakelcorrectielading af, waarvan het voorteken tegengesteld de grootte echter precies gelijk is aan 20- de foutlading (ontstaan als gevolg van ou^) s clie in de ^ faze aan de uitgang UIT.J van de filtertak 16 wordt doorgegeven. Aangezien de uitgangssignalen van de takken 16 en 18 worden gecombineerd heeft zulks tot gevolg, dat de fout aan de aansluiting UIT^ volledig wordt geëlimineerd. De stroombron voor de buffer T^ kan op diverse wijzen zijn uit-25 gevoerd, zoals bijvoorbeeld in de vorm van een stroomspiegelconfigura-tie.

De functie van de buffertransistor kan worden vervuld door een depletie- of verrijkings-modus FET inrichting of door een operationele of andere versterker, In het geval van de buffertransistor T^ cor-30 respondeert het knooppunt 12 met een bufferingangspoort en de bron correspondeert met een bufferuitgangspoort.

Het filter volgens fig. ^ kan eveneens worden voorzien van een aantal UIT aansluitingen en wel op dezelfde wijze als in het voorafgaande werd behandeld in verband met het filter 10 volgens fig. 3.

35 Teneinde de anrplitudevervorming van het filter te verminderen kan de capacitantie eveneens een relatief stabiele, aanvullende ca-pacitantie bevatten, die in het ontwerp is toegevoegd aan de poort- : ’ -> * ;% . „ . . , \ !w ** j 'kJ \J % ij « - 7 - afvoercapacitantie van de transistor .

In de context van deze beschrijving betekent de uitdrukking "aarde" een referentiepotentiaal die in vezen constant is. Alhoewel in de fig. 2, 3 en ^ hetzelfde algemeen gebruikelijke symbool is gebruikt 5 om een dergelijke potentiaal aan te duiden in de verschillende punten van de keten, zal het duidelijk zijn» dat voor een gegeven tekenconfiguratie de desbetreffende van dergelijke potentialen niet noodzakelijkerwijs aan elkaar gelijk behoeven te zijn.

[> ' 3

Claims (4)

1. Hoogddorlatend filter te gebruiken in geïntegreerde ketens (fig. 3), omvattende eerste (C^) en tweede (Cg) condensatoren die in serie zijn aangesloten tussen ingangsaansluitingen (il) en uitgangsaanslui-tingen (UIT), een eerste overdrachtsschakelaar (F^), die cyclisch kan 5 worden verbonden tussen een ene plaat van een dergelijke tweede condensator en ofwel een referentie-aarde, ofwel een plaat van een dergelijke tweede condensator, en een tweede overdrachtsschakelaar (Fg), die cyclisch kan worden verbonden tussen de.andere plaat van een dergelijke tweede condensator en ofwel een referentiewaarde, ofwel een dergelijke 10 uitgangsaansluiting, waarbij deze eerste en tweede schakelaars in synchronisms werkzaam zijn, met het kenmerk, dat een actieve buffer (T^, Tg) die is aangebracht tussen een dergelijke eerste en een dergelijke tweede condensator, laadstroom aanbiedt aan een dergelijke tweede condensator. 15.

2. Hoogdoorlatend, filter volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat een dergelijke actieve buffer is uitgevoerd als een eerste veld-eff eet metaal-oxyde-halfgeleider transistor (T^), waarvan de afvoer-elektrode (D) is verbonden met een bron voor het aanbieden van een vaste spanning, de poort (V^i van één polariteit (12) elektrode is verbonden 20 . met een dergelijke eerste overdrachtsschakelaar (F^) en de bron (S) elektrode is verbonden met een dergelijke tweede condensator (Cg).

3. ïïoogdoorlatend filter volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dat van een tweede veld-effect metaal-oxyde-halfgeleidertransistor (Tg) de af voer elektrode is verbonden met de bronelektrode van een der-25 gelijke eerste transistor (T^) en met één plaat van. een dergelijke tweede condensator (Cg), de poort- en afvoerelektroden zijn verbonden met elkaar en met een bron voor het aanbieden van een spanning (V00), waar- ρο van de polariteit tegengesteld is aan die van genoemde vaste spanning, zoals aangeboden door de desbetreffende bron. 30

.4, Hoogdoqrlatend filter volgens.een van de voorafgaande conclusies, en waarin een doorgaande spanningsfout wordt geïntroduceerd gekenmerkt door een compensatee-Inrichting, die een dergelijke doorgaande spanningsfout in hoqfdzaak elimineert, en welke inrichting omvat een derde (G^T) en een vierde (Cgi) condensator, die zijn aangepast aan genoemde eerste 35 (Cj) en genoemde tweede (Cg) condensatoren en die met één plaat met een — -> «- > - O ' - .-¾ M j -¾-- - 9 - referentie-aarde zijn.verbonden; een derde overdrachtsschakelaar, waarvan het ene contact is verbonden met de andere plaat van een dergelijke derde condensator, een tweede contact is verbonden met referentie-aarde en een derde overdrachtscontact; een actieve buffer (T^', T^'), 5 die is aangebracht tussen deze derde en vierde condensatoren en die werkzaam is om landstroom toe te voeren aan genoemde vierde condensator bij het derde overdrachtscontact van genoemde derde overdrachts-schakelaar (S^1) en êên plaat van genoemde vierde condensator ('); en een vierde overdrachtsschakelaar, waarvan het overdrachtscontact is 10 verbonden met de andere plaat van genoemde vierde condensator en de resterende contacten zijn verbonden met respectievelijk referentie-aarde en genoemde uitgangs aansluiting (UIT); waarbij genoemde eerste, tweede en vierde schakelaars in synchronisms en in faze werkzaam zijn en genoemde derde schakelaar in synchronisme, echter niet in faze met deze andere 15 schakelaars werkzaam is - ^ -T ___