PT99636B - Filtro universal - Google Patents

Description

com quaisquer coeficientes aleatórios do filtro do, d^, d2/ c , c.., c_, Tais filtros são designados por filtros univer-sais e são filtros activos. Ê conhecida uma forma de realização de um circuito para filtros universais da publicação "Ilalflei-terschaltungstechnik", 9® Ed. correcta e aumentada, U. Tietze, Ch. Schenk, Springverlag 1989, pag. 444,, fig. 14.42. Com um tal circuito podem ajustar-se os coeficientes individuais independentemente uns dos outros, pois cada coeficiente depende apenas de um componente do circuito.

Além disso a referida fonte indica filtros com parâmetros ajustáveis no circuito, nos quais podem ajustar-se independentemente uma da outra a frequência de ressonância, a qualidade e o ganho em função da fregência de ressonância. A vantagem de um tal filtro universal reside em particular no facto de ele funcionar ao mesmo tempo, de acordo com aquela das suas saídas que e utilizada, como filtro selectivo, filtro de eliminação de banda ou filtro tampão, como filtro passa-baixoe/ou como filtro passa-alto ou como filtro passa-alto. Em função do dimensionamento dos componentes individuais do circuito pode deter-minar-se o tipo de filtro respectivo e alterar as caracterís-ticas do filtro. Além disso, com o tipo dado de filtro podem sintonisar-se as frequências limites e variar-se a amplificação de maneira independente.

Mesmo durante o funcionamento como filtro de banda ou, respectivamente, como filtro tampão, pode modificar-se a frequência de ressonância, a amplificação e o factor de qualidade, sem influências mutuas dessas modi-ficaçQes. - 2 -

Os filtros universais encontram-se disponíveis na forma de circuitos integrados# sendo apenas necessário ligar exteriormente algumas resistências para determinar o tipo de filtro e a frequência de corte.

Os circuitos conhecidos a partir da fonte referida tem no entanto o inconveniente de ser formados a partir de um numero relativamente grande cfe componentes do circuito, o que torna difícil, e portanto cara, a integração num circuito semicondutor.

Portanto, e um objecto da presente invenção proporcionar um filtro universal que apresenta um circuito de concepção simples e de custo reduzido. 0 problema é resolvido, segundo a presente invenção, por meio de um filtro universal caracte-rizado pelas características indicadas na reivindicação 1. Outras formas de realização aperfeiçoadas descrevem-se nas reivindicações secundárias.

Enquanto gue para um filtro universal activo segundo Tietze-Schenk, pag. 444 (figura 1), são necessárias 10 resistências# 2 condensadores e 4 amplificadores operacionais# com o circuito segundo a presente invenção são necessários 2 amplificadores de condutância# 4 condensadores# um seguidor de tensão e 1 amplificador K com uma amplificação k. Portanto reduz-se notavelmente o custo dos circuitos.

Em particular# por meio da estrutura de filtro universal segundo a presente invenção# pode construir-se um filtro de banda ou um filtro de eliminação de banda de uma maneira extraordinária, podendo eles ser sintonizados como se desejar relativamente à frequência central, ao factor de qualidade, à inclinação dos flancos e à amplificação, etc. 3

~V

Descreve-se a seguir com mais pormenor a presente invenção, com base em várias formas de realização dadas como exemplos e representadas nos desenhos anexos, cujas figuras representam: A figura 1, o esquema de um filtro universal de segunda ordem com coeficientes ajustáveis inde-pendentemente (conhecido)? A figura 2, um filtro universal segundo a presente invenção? A figura 3fi,o filtro universal segundo a figura 2, cablado como filtro de eliminação de banda ou filtro tampão? A figura 3b, as respostas de frequência do filtro de eliminação de banda segundo a figura 3a, com variação das variáveis m e k? A figura 4a, o filtro universal da figura 2, cablado como filtro de banda? A figura 4b, as respostas de frequência de um filtro de banda segundo a figura 4a, com a variação de m e da relação entre gm^ e gm2? A figura 5, um filtro universal segundo a figura 2 cablado como filtro passa-baixo? A figura 6, um filtro universal segundo a figura 2, cablado como filtro passa-alto? A figura 7, um filtro universal segundo a figura 2, cablado como filtro passa-tudo? e A figura 8, um filtro universal com parâmetros ajustáveis independentemente (conhecido). 4

h figura 1 mostra um filtro universal de segunda ordem com coeficientes ajustáveis independentemente, bera como a função de transferência A(P), conhecido do livro "Halbleiter-Schaltungstechnik", 9§ Ed. revista e aumentada, U. Tietze, Ch. Schenk, Spoingverlag 1989, pag. 444 a 447.

Este filtro universal tem uma concepção relativamente complicada e dispendiosa, no fim de contas, são necessários 4 amplificadores operacionais, 10 resistências e dois condensadores para realizar este filtro universal. Um tal filtro pode ser ajustado para um certo tipo de filtro em função da variação dos coeficientes KO, kl, k2, 10, 12 e 1 1. Em particular, os tipos de filtro mencionados são filtros passa-baixo, filtros passa-alto, filtros de banda, filtros passa-tudo e filtros de eliminação de banda. Para ajustar os diferentes tipos de filtro e simultaneamente variar os parâmetros ou características do filtro, a figura 8 representa um filtro universal de segunda ordem com parâmetros ajustáveis independentemente (ver o livro "Halleiter--Schaltungstechnik", pag. 446). 0 filtro está dotado com 4 amplificadores operacionais, quatro resistências fixas e quatro resistências variáveis e 2 condensadores, bem como 4 saídas (4 pemos com uma micropastilha) e uma entrada. Cada uma das saídas representa uma ramificação para um certo tipo de filtro. Mesmo com este filtro universal é relativamente elevado o custo dos circuitos e portanto os custos gerais de um circuito integrado.

A figura 2 representa a estrutura básica de ura filtro universal segundo a presente invenção, numa estrutura de filtro biquadrado. O filtro universal está dotado com dois amplificadores de condutância (GMl) e (GM2) e quatro condensadores nCO, (l-m)CO, CO e ICO, bem como umasplificador K e um seguidor de tensão SP, três entradas Vh, Vb e VI e uma saída Vout. 0 seguidor de tensão (SP) tem uma entrada de impedência elevada e é praticamente formado como um transformador de impedência com o ganho 1. A entrada (VI) está ligada à entrada não inversora do á.mplifi- 5

caâor de transcorâância (GMl) com o ganho gml, A entrada (Vb) está ligada, através da capacidade mCO, com a saída do amplificador de transcondutân-cia (GM1), com a entrada não inversora do amplificador de transcondutância 2d (GM2) com o ganho gm2, e com a capacidade (l-m)CO. A entrada (Vh) está ligada, através da capacidade (CO), com a saída do amplificador de transcondutância (GM2) com a entrada do seguidor de tensão com entrada de alta impedência e com o condensador de retroacção (ICO). A saída Vout está ligada com a saída do seguidor de tensão, às entradas inversoras dos dois amplificadores de transcondutância (GMl) e (GM2), à capacidade (l-m)co e à entrada do amplificador K com o ganho k. A saída do amplificador (K) está ligada à capacidade (ICO). Todas estas ligações são condutoras da electricidade.

Nesta forma, de acordo com a fórmula (1.1), o resultado para Vout é:

V out p p2v +m X - x V. + ( ) x gml x V p° P2 gm2 _ _ o _ 2.1 x (1+1-1 x k) P P gml 1 4* m x — + ~ x - po Po 9m2

Conforme a eonfiguração de entrada das três entradas (1), (vb) e (Vh), o filtro é concebido ou como filtro passa-alto, como filtro passa-baixo ou como filtro de banda ou ainda como filtro passa-tudo ou filtro tairpão ou outro filtro activo. Conforme o dimensionamento dos parâmetros gml, gm2, m, 1 e k, as diferentes características do filtro como a qualidade, a amplificação, a frequência central, a inclinação dos flancos, etc, podem ser ajustadas. - 6 - A figura 3a mostra o filtro universal segundo a figura 2 cablado como filtro tampão. As entradas VI e Vh são ligadas entre si. Estas duas entradas formam a entrada comum do circuito. A entrada Vb é ligada à terra. Neste caso resulta para Vout o valor:

Vin (1 + f) Po

2.1A p‘ 1 + m x ( “ + —s? ) (1+1-1 x k) P_ P o o onde o quociente gm-,/gm2 da equação 2,1 ê igual a 1 e vi =

Vh - V, · m A figura 3b mostra as respostas de frequência do filtro tampão para um caso com 1=0, m = 3 e uma variação de K e com a função de transferência do circuito de acordo com a figura 3a. Quando maior for m mais inclinado é o decrescimento, da curva do nível com a frequência central do filtro tampão. Com a variação de k, a resposta de frequência do filtro tampão mostrai quanto maior for k, maiores são as secções aumentadas no meio da frequência e menor ê o decrescimento do nível.

Na figura 4a, o filtro universal da figura 2 está cablado como filtro de banda. De novo Vh e VI são ligadas entre si e agora ligadas à terra. 0 parâmetro 1 é posto igual a sero. Então temos o resultado seguinte para a tensão Vout: - 7 -

V out

P m x — x Vm Po

1 . P 1 + m x — + e! Po ú P gm2 O sendo * Vin.

Na figura 4b, estão representadas as respostas de frequência do filtro de banda, para um caso com a variação de m e, para o outro, com a variação de gm^/gm^, bem como a função de transferência do filtro de banda, Com a variação de m, gm-^ = gir^. Com a variação de gm^/gm2, m =* 3. Quanto maior for m, mais achatada é a curva da res posta de frequência na zona da frequência central. Quanto maior for a relação mg^/gn^, mais inclinada e a queda da resposta de frequência nos bordos.

Na figura 5, o filtro universal da figura 2 está cablado como filtro passa-baixo. As entradas VH e Vb são ligadas entre si e ligadas à terra, b e ajustado a zero. É então o seguinte o valor de Voutí

VI

Vout “ ——""—.........................— (2.1.c) r P2 gml 1 + m x — + —*2 x -

Po PD gm2

Na figura 6, o filtro universal da figura 2 está cablado como filtro passa-alto. A entrada VI está ligada à entrada vb e ligada à terra. 1 é ajustado a zero. Então p valor de Vout e 8

Na figura 7, o filtro universal da figura 2 está cablado como filtro passa-tudo. De novo se ajusta 1 a zero. As duas entradas VH e VI são ligadas entre si. Para as entradas aplica-se: Vb = -VI -Vh. O valor de Vout e então o seguinte:

P

V out VI-m x — x V^ + -— x gm^ x Vh Po P2o gm2 (2.1.S) P P2 gm·. 1 + m x ~ + 9 Po o gm2

Para todas as fórmulas, aplica-se o seguinte: pQ * gru^/Co. A diferença entre um amplificador operacional e um amplificador (operacional) de transcondutância (OTA) reside no facto de gue um amplificador operacional amplifica a diferença de tensões (tensão diferencial) na entrada# até 100 000 vezes# e torna disponível esta tensão amplificada na sua saída# enquanto que o OTA, embora também amplifige a tensão diferencial na entrada proporciona# no entanto# um "factor de amplificação'1 variável, aparecendo na saída uma corrente em vez de uma tensão. O factor de amplificação do OTA exprime-se em mA/V e denomina-se inclinação, Em termos de componentes semicondutores integrados, são conhe-· 9

eidos os tipos IM 13600 e LM 13800 da RCA.

Com todos os circuitos das figuras 2 a 7, a frequência central ou a frequência de corte dos filtros podem ser alterados pela relação p/pQ· 0 factor de qualidade do filtro de banda é ajustável eontinuamente por meio de relação &/m.

Os circuitos dos tipos atrás mencionados podem ser utilizados em particular nos receptores de televisão# nos receptores de televisão multi-normas, nos receptores de rádio e em dispositivos exemplares do comercio. Com os receptores de televisão multi-normas podem ser usados de uma maneira apropriada porque, num caso, há um sinal desejado a uma frequência particular à qual aparece um sinal de interferência numa outra norma. Assim, por meio da presente invenção ê possível suprimir ou dar passagem diferentemente a um sinal como for necessário. Deste modo, tais circuitos podem ser utilizados com êxito para o processamento flexível de sinais analógicos.

Devido a sua simplicidade na estrutura do circuito, são reduzidas os custos e facilitados os processos de integração. REIVINDICAÇÕES - l§ -

Filtro universal com estrutura "Biqua-drática", com três entradas (Vh, Fb e VI) e com uma saída Vout, caracterizado pelas características seguintes: a entrada (Vl) está ligada com a entrada não inver· sora de um primeiro amplificador de transcondutân-cia (Gml) com o ganho gml? 10 -

Claims (3)

1. a entrada (vb) está ligada# através do condensador ( (mCO) com a saída do amplificador de transcondutân- cia (Gml)# com a entrada não inversora de um segundo o amplificador de transcondutância com o ganho gm e com um condensador (l-m)CO, a entrada (Vh) está ligada através de um condensador (CO) com a saída do amplificador de transcondutância (Gm2), com a entrada de seguidor de tensão com entrada de elevada impedência e com um condensador de re-troacção (ICO)t a saída (Vout) está ligada com a saída do seguidor de tensão# com as entradas inversoras dos dois amplificadores de transcondutância (Gml) e (Gm2)# e à entrada de um amplificador (k) com o ganho k, cuja saída está ligada ao condensador (ICO); conforme a configuração de entrada das entradas (Vh, Vb e Vl) o filtro universal é concebido como fil tro passa-alto, ou como filtro passa-baixo ou como filtro de banda ou como filtro tampão ou como filtro passa-tudo ou como filtro activo? e conforme o dimensionamento dos parâmetros gml# gm2# m# 1 e k podem ajustar-se caracteristicas diferentes do filtro, tais como a qualidade, a inclinação dos flancos, a frequência central# o ganho# etc.
2. - 2« - Piltro universal de acordo cora a reivindicação 1# caracterizado por# em geral# ser válias para a saída do filtro universal a expressão seguinte: 11 Vl+mx (P/PO) 2*Vb+ (P2/PO 2) * (gml/gm2) >fc Vh Vout =* .......................— ......·»-—" , .................... .............. 1+tn# (P/PO) * (P2/W2)*(gtnl/gm2) xe (1 +1-íaek) sendo PO==gml/CO.
3. - 3® - Filtro universal de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser construído como circuito integrado. A requerente reivindica a prioridade do pedido alemão apresentado em 29 de Novembro de 1990, sob o ns p 40 38 111.0. Lisboa, 28 de Novembro de 1991

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   RESUMO "FILTRO UNIVERSAL" A invenção refere-se a um filtro universal Os filtros universais da técnica anterior tem circuitos de construção dispendiosa. O objecto da invenção é construir um filtro universal cora uma construção dos circuitos simples e económica. Segundo a invenção, o filtro universal com uma estrutura "Biquadrática" com três entradas (Vh), (Vb) e (VI), e com uma saída Vout, é caracterisado pelas se-g uintes características í a entrada está ligada â entrada não inversora de um primeiro amplificador de transcondutância (Gml) e com o ganho gml? a entrada Vb está ligada, através de um condensador (mCO) com a saída do amplificador de transcondutância (Gml), com a entrada de um segundo amplificador de transcondutância (Gm2) com o ganho gm2 e a um condensador (l-m)CO; a entrada (Vh) está ligada, através de um condensador 00, com a saída do amplificador de transcondutância (Gm2), coma entrada de um seguidor de tensão, com entrada de elevada impedência e com um condensador de retroacção (ICO); A saída Vout está ligada com a saída do seguidor de tensão, às entradas inversoras dos dois amplificadores de transcondutância (Gml) e (Gm2), ao condensador (l-m)CO, e à entrada de um amplificador (K) com o ganho k, cuja saída está ligada ao condensador

   conforme a configuração de entrada das entradas (Vh), (Vb) e (VI), o filtro universal é concebido como filtro passa-alto ou filtro passa-baixo ou como filtro de banda ou como filtro tampão ou como filtro passa-tudo ou como filtro activo; conforme o dimensionamento dos parâmetros gml, gm2, m, 1 e k podem ajustar-se características diferentes do filtro, tais como a qualidade, a inclinação dos flancos, a frequência central, o ganbo, etc. Aplicado em receptores de televisão, em particular em receptores de televisão de várias normas, e em rádio-receptores. W7* Vbo. Figura 2 V! q-i mCOr- r.CO - CO Nv VOUt y1 -|^>T-0