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Hintergrund
der Erfindung Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Filter und insbesondere Tiefpassfilter mit Dämpfungspolen
entsprechend den beigefügten
Ansprüchen.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Während der
Großteil
der Literatur über
passive RC-Bandsperren, Frequenzsperrnetzwerke (frequency rejection
network FRN) oder Kerbfilter auf Zweitorfilter mit überbrückter Voll-T-Schaltung
eingeht, existieren auch andere passive RC-Filter, die die Nachteile
von Zweitorfiltern mit überbrückter Voll-T-Schaltung überwinden.
Ein derartiges Filter ist das isolierte Integratorbandsperrtilter
gemäß 1.
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Das
isolierte Integratorbandsperrfilter weist einige einzigartige Eigenschaften
auf, die bei einem Zweitorfilter mit überbrückter Voll-T-Schaltung fehlen. Was
den Aufbau angeht, so kommen bei dem isolierten Integratorbandsperrfilter
Kondensatoren mit gleichen Kennwerten zum Einsatz. Dies ermöglicht,
dass der Hersteller Kondensatoren einer einzigen Herstellungscharge
verwendet, sodass lediglich ein Typ von Kondensator anstelle vieler
Typen sortiert werden muss. Darüber
hinaus können
die eingesetzten Kondensatoren vergleichsweise kostengünstige Kondensatoren
vom NPO-Keramiktyp sein.
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Die
Netzkapazität
des Filters selbst legt die Entwicklung eines Tiefpassfilters nahe,
der in den Aufbau eines aktiven Filters integriert wird. Während die
Dämpfung
mit einer Spannungsquelle und einer Leerlauflast symmetrisch ist,
besteht bei der Entwicklung die natürliche Tendenz, finite Impedanzen
sowohl für
die Spannungsquelle wie auch für
die Last einzusetzen. In der Praxis ist jedoch wahrscheinlicher,
dass der Tiefpass-Bandpass bei der Verstärkung dominiert.
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Darüber hinaus
kann die Frequenz des isolierten Integratorbandsperrfilters durch
Abstimmen eines einzelnen variablen Widerstandes in beide Richtungen
abgeglichen werden. Neben dem Vorteil, dass ein einzelnes Element
verwendet wird, ermöglicht
die Verwendung eines Widerstandes insbesondere die Verwendung der
Laserabstimmung oder schleiftechnischer Abgleichverfahren, die bei
Screened-on-Widerstandstypen aus der Massenfertigung zum Einsatz
kommen können.
Die Verwendung eines Abgleichwiderstandes ermöglicht darüber hinaus die Verringerung
des Rauschens während
des Abgleichvorganges, da der Abgleichwiderstand geerdet ist.
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Ein
weiteres Merkmal des Filters stellt dessen Fähigkeit dar, bei praxistauglichen
Kennwerten der Bauelemente sogar bei Frequenzen im Megahertzbereich
tiefe Kerben zu erzeugen. Die Kerben oder Pole bleiben auch dann
tief, wenn die üblichen Toleranzgrenzen
der Bauelemente berücksichtigt werden.
Gleichwohl kann eine unendliche Kerbentiefe nur bei exakten Idealkennwerten
erreicht werden. Zudem können
isolierte Mehrfachintegratorbandsperrfilter gegebenenfalls auch
kaskadiert werden, um mehrere Kerben als Teil der Systemantwort
bereitzustellen.
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Weitere
Information über
RC-Kerbfilter findet man in der Handreichung "Tunable RC Null Networks" von Ralph Glasgal
auf den Seiten 70 bis 74 der Ausgabe des EEE vom Oktober 1969.
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Eine
Nullfilterschaltung ist zudem in "Electronics World & Wireless World", 101, Februar 1995, Nr. 1707, Seiten
119 und 120, beschrieben.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein aktives Tiefpassfiltersystem entsprechend
Anspruch 1 und ein Leistungsverstärkersystem entsprechend Anspruch
6 bereit.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Integration eines isolierten
Integratorbandsperrfilters in den Aufbau eines aktiven Tiefpassfilters.
Das isolierte Integratorbandsperrfilter kann in verschiedene Typen von
Tiefpassfiltern integriert werden, so beispielsweise in Tiefpassfilter
nach Sallen und Key, in Mehrfachrückkopplungsfilter und in Filter
vom zustandsvariabelen Typ. Die Integration des isolierten Integrators
in aktive Tiefpassfilterto pologien ermöglicht, dass einige neue, bislang
in der Literatur nicht bekannte Filter entwickelt werden können.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein aktives Tiefpassfiltersystem mit
einem Eingangsanschluss zum Empfangen eines Signals aus einem Signalgenerator,
einem Tiefpassfilterschaltkreis, einem Ausgangsanschluss und wenigstens
einem Frequenzsperrnetzwerk bereit, das mit dem Tiefpassfilterschaltkreis
gekoppelt ist. Der in dem System vorhandene Tiefpassfilterschaltkreis
weist eine resistive (widerstandsbehaftete) Vorwärtssignalflussverzweigung mit
einem Frequenzsperrnetzwerk auf. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Frequenzsperrnetzwerk
ein isoliertes Integratorbandsperrfilter.
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Die
vorliegende Erfindung stellt darüber
hinaus ein Leistungsverstärkersystem
zum Treiben einer Last bereit. Das Leistungsverstärkersystem
umfasst einen Eingangsanschluss zum Empfangen eines Signals aus
einem Signalgenerator, einen mit der Last verbundenen Ausgangsanschluss,
einen Welligkeitsspektren (ripple sceptra) erzeugen- den Pulsweitenmodulationsschaltkreis,
einen Fehlerverstärker
und einen mit dem Pulsweitenmodulationsschaltkreis verbundenen Modulator,
ein mit einem Ausgang des Pulsweitenmodulationsschaltkreises verbundenes
Demodulationsfilter sowie eine Rückkopplungskontrollschleife,
die mit dem Pulsweitenmodulationsschaltkreis gekoppelt ist und ein
aktives Tiefpassfiltersystem mit einem Rückkopplungsdemodulationsfilter
und einem isolierten Integratorfrequenzsperrnetzwerk aufweist. Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist das isolierte Integratorfrequenzsperrnetzwerk ein isoliertes
Integratorbandsperrfilter.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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Die
vorstehend aufgeführten
Merkmale, weitere Merkmale der Erfindung und die Art von deren praktischer
Umsetzung wie auch die Erfindung selbst werden anhand der nachstehenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung deutlich, die zusammen mit der beigefügten Zeichnung
zu betrachten ist, die sich wie folgt zusammensetzt.
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1 ist
eine schematische Ansicht eines isolierten Integratorbandsperrfilters.
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2(a) ist eine schematische Ansicht eines Tiefpassfilters
zweiter Ordnung nach Sallen und Key mit einem isolierten Integratorbandsperrfilter
entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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2(b) ist eine schematische Ansicht eines Tiefpassfilters
zweiter Ordnung nach Sallen und Key mit zwei isolierten Integratorbandsperrfiltern.
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2(c) ist eine schematische Ansicht eines Tiefpassfilters
dritter Ordnung nach Sallen und Key mit zwei isolierten Integratorbandsperrfiltern.
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3 ist
ein Bode-Diagramm der Amplitudenantwort des Filters von 2(c).
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4(a) ist eine schematische Ansicht eines Mehrfachrückkopplungstiefpassfilters
mit zwei eingebetteten isolierten Integratorbandsperrfiltern.
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4(b) ist eine schematische Ansicht eines zustandsvariablen
Tiefpassfilters mit zwei isolierten Integratorbandsperrfiltern.
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5 ist
eine schematische Ansicht eines pulsweitenmodulierten Verstärkers mit
einem Rückkopplungsfilter,
bei dem die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommen kann.
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Beschreibung
der vorliegenden Erfindung
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Um
zu einem tieferen Verständnis
der Prinzipien der Erfindung zu gelangen, wird nachstehend auf bestimmte
in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele derselben Bezug
genommen, wobei eine bestimmte Sprache zur Beschreibung derselben verwendet
wird. Es sollte gleichwohl einsichtig sein, dass dadurch keinerlei
Beschränkung
des Schutzumfanges beabsichtigt ist. Zur Erfindung gehören beliebige Änderungen
und andere Abwandlungen an den dargestellten Vorrichtungen und beschriebenen Verfahren
sowie andere Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, die sich
einem Fachmann auf dem für
die Erfindung einschlägigen
Gebiet erschließen.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird ein isoliertes Integratorbandsperrfilter 20 (1)
in den Aufbau eines aktiven Tiefpassfilters integriert. Das isolierte
Integratorbandsperrfilter kann in viele verschiedene Arten von Tiefpassfiltern
integriert werden, darunter Filter nach Sallen und Key, Mehrfachrückkopplungsfilter
sowie Filter vom zustandsvariablen Typ, was nachstehend noch beschrieben
wird.
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In 1 ist
ein herkömmliches
isoliertes Integratorbandsperrfilter 20 gezeigt. Bei dem
isolierten Integratorbandsperrfilter 20 kommen Kondensatoren mit
gleichen jeweils mit C bezeichneten Kennwerten zum Einsatz, die
beispielsweise kostengünstige
Kondensatoren vom NPO-Keramiktyp sein können. Neben den Kondensatoren
mit gleichen Kennwerten weisen auch die Widerstände R gleiche Kennwerte auf.
Eine Ausnahme von dieser allgemeinen Regel hinsichtlich gleicher
Kennwerte für
die Widerstände R
ist lediglich der Abgleichwiderstand R/12, der geerdet ist und ein
Mittel zur Verhinderung unerwünschten
Rauschens während
des Abgleichvorgangs darstellt. Wie aus 1 ersichtlich
ist, kann der Widerstand R/12 variabel sein; gleichwohl ist der
gezeigte Kennwert ein Kennwert von R/12. Allgemein ist das Verhältnis des
Kennwertes der Widerstände
R des isolierten Integratorbandsperrfilters 20 zu dem Widerstand
R/12 im ungünstigsten
Fall 12 zu 1, was jedoch bei screened-on-Vorgängen immer
noch im gängigen
Bereich liegt. Daher ist aus Gründen
der Vereinfachung der Kennwert mit R/12 angegeben.
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In 2 sind drei Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung gezeigt, bei denen das isolierte Integratorbandsperrfilter 20 in
resistive Zweige aktiver Tiefpassfilter nach Sallen und Key integriert ist.
Weitere Informationen über
Filter nach Sallen und Key sind in dem Aufsatz "A Practical Method of Designing RC Active
Filters" von R.P.
Sallen und E.L. Key zu finden, der auf den Seiten 51 bis 62 der
im März 1955
erschienenen Ausgabe von "IRE
Transaction Circuit Theory" veröffentlicht
wurde. Die Offenbarung dieses Aufsatzes wird zur vorliegenden Offenbarung hinzugenommen.
Obwohl das isolierte Integratorbandsperrfilter 20 in einem
resistiven Zweig des Filters nach Sallen und Key angeordnet ist,
sind keine zusätzlichen
Reihenwiderstände
an den Eingangs- oder Ausgangsanschlüssen des Ausgangsfilters nach
Sallen und Key erforderlich, es sei denn, es ist ein Pol im Unendlichen
erwünscht.
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Alle
drei in 2 gezeigten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung verwenden Verstärker mit einer positiven Verstärkung K.
Die einfachstmögliche
Implementie rung der positiven Verstärkung ist der Einsatz einer
Einheitsverstärkung beziehungsweise
einer Verstärkung
von 1, da dies die Notwendigkeit von Widerständen zum Einstellen der Verstärkung in
dem Spannungsrückkopplungsbetriebsverstärker beseitigt.
Verstärkungen,
die größer als
1 sind, können
jedoch eine einfachere Kondensatordimensionierung sowie stabilere
Schaltkreiskennwerte mit sich bringen.
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Nachstehend
werden die spezifischeren Ausführungsbeispiele
gemäß 2 beschrieben. 2a stellt
das erste Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dar, bei dem das isolierte Integratorbandsperrfilter 20 in
ein Filter nach Sallen und Key integriert ist, sodass ein neues
Filter 22 entsteht. Dieses stellt ein System zweiter Ordnung
dar; gleichwohl tritt nur ein Dämpfungspol
bei einer endlichen Frequenz auf. Beim Vergleich mit dem Grundfilter nach
Sallen und Key sollte man beachten, dass das isolierte Integratorbandsperrfilter 20 dazu
verwendet wird, bestimmte Teile des ursprünglichen resistiven Zweiges
zu ersetzen. Man beachte zudem, dass die Widerstände Rg, R5 und R8 sowie die
Kondensatoren C3 und C5 nicht Teile des isolierten Integratorbandsperrfilters 20 sind
und notwendigerweise auch nicht alle die gleichen Kennwerte aufweisen
müssen.
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Im
Betrieb kann einer der Widerstände
R5 oder R8 den Kennwert 0 aufweisen; für den Fall, dass beide Widerstände den
Kennwert 0 aufweisen, ergibt sich gleichwohl lediglich ein Pol im
Unendlichen. Dieser eine Pol kann zwar durchaus ein praktikables
Ergebnis darstellen, ist jedoch üblicherweise
nicht das gewünschte
Ergebnis. Der Widerstand R7 ist ein variabler Widerstand in Entsprechung
zu dem Widerstand R/12 gemäß 1 und
kann in einem großen Bereich
Kennwerte aufweisen, die sämtlich
ein Bruchteil des Widerstandes R6 sind.
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2b zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem das isolierte Integratorbandsperrfilter 20 in
ein Filter nach Sallen und Key integriert ist, sodass ein Filter 24 entsteht.
Wie beim ersten Ausführungsbeispiel
ist auch das zweite Ausführungsbeispiel
ein System zweiter Ordnung; gleichwohl treten bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2b zwei
Dämpfungspole
bei endlicher Frequenz auf. Man beachte, dass zwei isolierte Integratorbandsperrfilter 20 in
das Grundfilter nach Sallen und Key integriert sind. Wie vorstehend
ausgeführt
wurde, können
R5 oder R8 gleich 0 sein; für den
Fall, dass beide Widerstände
gleich 0 sind, kann gleichwohl kein zweiter Pol im Unendlichen erzeugt werden.
Dasselbe gilt für
R4 und Rg. Der variable Widerstand R7 entspricht dem im Zusammenhang
mit 2a beschriebenen. Der Widerstand R3 ist ebenfalls
ein variabler Widerstand, der in einem Bereich Kennwerte aufweist,
die ein Bruchteil des Kennwertes des Widerstandes R2 sind.
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In 2c ist
ein Filter 26 dargestellt, bei dem ein Tiefpassfilter dritter
Ordnung nach Sallen und Key in isolierte Integratorbandsperrtilter 20 integriert
ist. Da dieses System ein System dritter Ordnung darstellt, ist
zu erwarten, dass in der Systemantwort drei Pole im Unendlichen
auftreten. Damit drei Pole im Unendlichen vorliegen können, dürfen die
Widerstände
R1 und R4 nicht gleichzeitig 0 sein, da Rg niemals gleich 0 ist.
In der Praxis ist einer der beiden Widerstände R1 und R4 gleich 0, wobei
jedoch nicht beide Widerstände
gleich 0 sein dürfen,
wenn drei Pole auftreten sollen. Ansonsten ist der Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels
sehr ähnlich
zu demjenigen des zweiten Ausführungsbeispiels,
wobei dieselben Einschränkungen
und Unterscheidungen Gültigkeit besitzen.
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Obwohl
die dargestellten Ausführungsbeispiele
nur Systeme zweiter und dritter Ordnung betreffen, sind Systeme
höherer
Ordnung möglich,
wobei hier weitere Ersetzungen des isolierten Integratorbandsperrfilters 20 in
den resistiven Zweigen der Filter höherer Ordnung nach Sallen und
Key vorgenommen werden. Man beachte jedoch, dass mit steigender
Ordnung des Tiefpassfilters nach Sallen und Key das Auftreten der
möglichen
Pole im Unendlichen immer weniger kritisch ist, da die Cutoff-Rate passen
kann.
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3 ist
das Bode-Diagramm der Amplitudenantwort in Dezibel (dB) des Tiefpassfilters 26 nach
Sallen und Key gemäß 2c.
Dieses Diagramm zeigt die Dämpfung,
die durch die Integration des isolierten Integratorbandsperrfilters 20 in
das Filter 26 entsteht. Man beachte, dass die in dem Bode-Diagramm
angegebenen Werte nicht die einzigen Betriebsparameter der vorliegenden
Erfindung angeben, sondern lediglich Möglichkeiten hierfür darstellen.
Die folgenden Kennwerte für
die Bauelemente erzeugen die in 3 dargestellte
Amplitudenantwort.
K = 1
Rg = 2,71 kΩ
R1 = R4 = R8 = 0 Ω
R2
= 1,24 kΩ
R3
= 104 Ω
R5
= R6 = 2,49 kΩ
R7
= 208 Ω
C1
= C2 = C3 = C4 = C5 = 220 pF
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Man
beachte, dass R1 gleich R4 ist, beziehungsweise beide einen Kennwert
von 0 aufweisen, sodass nur zwei Pole in dem System auftreten, wie im
Zusammenhang mit der Beschreibung des Systems dritter Ordnung gemäß 2c festgestellt
wurde. Die beiden Dämpfungspole 32 und 34 treten
bei 500 kHz beziehungsweise 1 MHz auf. Es ist darüber hinaus
bemerkenswert, dass 500 kHz und 1 MHz diejenigen Frequenzpunkte
darstellen, an denen Welligkeitsspektren aus einem 250-kHz-Überlappwandler (interleave
converter) mit N = 2 zu erwarten sind, beziehungsweise die Frequenzpunkte
der Harmonischen aus einem 250-kHz-Wandler sind.
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Ein
weiterer bemerkenswerter Punkt ist der Dämpfungsgrad, der von der vorliegenden
Erfindung bewirkt wird. Man beachte insbesondere, dass über 70 dB
eine Dämpfung
bei allen Frequenzen über
450 kHz auftritt. Sobald die Frequenz den Wert 100 kHz erreicht,
erfährt
die Amplitudenantwort eine schnelle Dämpfung beginnend mit 20 dB
bei 100 kHz bis über 70
dB bei 450 kHz. Im Vergleich hierzu ist die Antwort von 1 kHz bis
100 kHz lediglich um 20 dB gedämpft.
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Wie
in 4 gezeigt ist, können sowohl Mehrfachrückkopplungsfilter
wie auch Filter vom zustandsvariablen Typ mit eingebetteten isolierten
Integratorbandsperrfiltern 20 in die resistiven Vorwärtskopplungszweige
jedes Filtertyps eingesetzt werden. Die Verwendung isolierter Integratorbandsperrfilter 20 in
diesen Typen von Filtern gibt Raum für weitere Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung.
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4a zeigt
ein viertes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, nämlich
ein Filter 28, wobei hier ein Mehrfachrückkopplungsfilter mit einem Paar
isolierter Integratorbandsperrfilter 20 gezeigt ist, bei
dem zwei Pole beziehungsweise Kerben für das System erzeugt werden.
In Abhängigkeit
von der Ordnung des Mehrfachrückkopplungsfilters
kann dieses Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung bei Gleichstrom invertierend wirken,
sodass die auftretenden Potentiale wechseln. Gleichwohl sollte das Hinzufügen eines
Inverters Probleme hinsichtlich der Inversion beseitigen, wie dies
aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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In 4b ist
ein fünftes
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung gezeigt, bei dem ein zustandsvariabler Filter
isolierte Integratorbandsperrfilter 20 umfasst, sodass
ein Filter 30 entsteht. Zustandsvariable Filter können auf
einfache Weise mit drei resistiven Vorwärtskopplungszweigen ausgestaltet
werden, von denen jeder ein Frequenzsperrnetzwerk unterstützt. Gleichwohl
zeigt das dargestellte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ein übliches
zustandsvariables Filter, das zwei resistive Vorwärtskopplungszweige
mit einem isolierten Integratorbandsperrfilter 20 in jedem
Zweig, wie in 4b gezeigt, aufweist. Das sich
ergebende Filter 30 zeigt eine Doppelkerbe, wie dies auch
bei dem Filter vom Mehrfachrückkopplungstyp
der Fall war. Genau wie bei Filtern vom Mehrfachrückkopplungstyp kann
das Problem der Inversion die Einsetzbarkeit dieses Filters beeinträchtigen,
wobei jedoch der Einbau eines Inverters das Problem der Inversion
beseitigen sollte.
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Bei
Anordnung eines Frequenzsperrnetzwerkes, so beispielsweise eines
isolierten Integratorbandsperrfilters, in dem Rückkopplungsweg um einen Verstärker mit
großer
Verstärkung
ergibt sich ein Bandpass- oder Frequenzanhebungsnetzwerk (frequencyemphasizing
network FEN). Derartige Abwandlungen werden als im Schutzumfang
der vorliegenden Erfindung enthalten betrachtet.
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5 zeigt
ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispieles der vorliegenden
Erfindung, bei dem das isolierte Integratorbandsperrfilter 20 als
Teil eines Rückkopplungsdemodulationsfilters 44 ausgestaltet
ist. Dieses Ausführungsbeispiel
betrifft das Problem des Entfernens von PWM-Spektren (PWM = pulse
width modulated = pulsweitenmoduliert) aus den Rückkopplungssignalen eines zweiten Switch-Mode-Verstärkers mit
fester Frequenz. Beim Entfernen der PWM-Spektren aus den Rückkopplungssignalen
kann der Hochleistungsverstärker zwei
Dämpfungspole
beziehungsweise Kerben benötigen.
Gemäß 5 umfasst
der Leistungsverstärker 40 eine
PWM-Leistungsstufe 42, die von einem Fehlerverstärker betrieben
wird, eine Modulationsstufe 43, die PWM-Welligkeitsspektren
erzeugt, sowie ein Rückkopplungsdemodulationsfilter
44 zum Entfernen der PWM-Welligkeitsspektren aus dem Rückkopplungssignal
vor Eintritt in das Filter 46. Das Rückkopplungsdemodulationsfilter 44 umfasst
wenigstens ein isoliertes isoliertes Integratorbandsperrfilter 20.
Ein Ausgabedemodulationsfilter 47 ist mit der Last 45 verbunden.
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Während die
vorliegende Erfindung anhand bestimmter beispielhafter Ausgestaltungen
beschrieben wurde, kann sie innerhalb des Schutzumfanges der Offenbarung
weiter abgewandelt werden. Der Gegenstand der Erfindung soll jede
beliebige Abwandlung, Verwendung oder Anpassung der Erfindung unter
Einsatz allgemeiner Prinzipien mit umfassen. Darüber hinaus soll der Gegenstand
der vorliegenden Erfindung Abwandlungen von der vorliegenden Offenbarung
umfassen, die geübter
oder bekannter Praxis auf dem einschlägigen Gebiet der Technik entsprechen.