DE69428785T2 - Aktives Filter enthaltend eine Transkonduktanzschaltung mit hochlinearem Differenzeingang - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf einen Aktivfilter bestehend mindestens aus einem Wandlerkreis mit Differentialeingang, gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
• Wandlerkreise sind wohlbekannt, und ihre Voraussetzung für Linearität bei Änderungen der Amplitude der Eingangsspannung ist anerkannt.
• Die Patentanmeldung GB-A-2 175 763 befasst sich unter anderem mit diesem Problem und schlägt als bevorzugte Ausführungsform den Halb-Kreis wie gezeigt in Fig. 1 vor. Dieser besteht aus einem MOS-Transistor, als M bezeichnet, dessen Source an ein Bezugspotential GND angeschlossen ist, üblicherweise an Masse, und dessen Gate-Anschluss mit dem Eingang des Kreises verbunden ist; und einem BOT-Transistor, dessen Emitter mit dem Drain von Transistor M verbunden ist, und dessen Basis an ein Polarisationsbezugspotential UDC angeschlossen ist; ein Polarisationsstrom IDC wird durch den Kollektor des Transistors Q geleitet.
• Die Steilheit G des Schaltkreises wird beschrieben durch:
• G = K * H * VDS
• worin VDS die Drain-Source-Spannung des Transistors M ist, K ein Koeffizient abhängig vom verwendeten Herstellungsprozess für den Transistor M, und von der Gate-Source-Spannung VGS, und H ein Koeffizient, der von der Geometrie des Transistors M abhängt.
• Um die Verzerrung, die vom Koeffizienten K hervorgerufen wird, zu begrenzen, schlägt die oben erwähnte Anmeldung die Verwendung eines Differentialschaltkreises vor, der aus vollständig symmetrischen Halb-Kreisen besteht.
• Um die Verzerrungen, die durch den Term VDS hervorgerufen werden, zu limitieren, schlägt die oben genannte Anmeldung als bevorzugte Ausführungsform vor, dass der Transistor Q dazu verwendet wird, die Ausgangsimpedanz zu verringern, vom Drain des Transistors M aus gesehen, wie im Halb-Kreis in Abb. 1 gezeigt wird; tatsächlich ändert sich der (Ausgangs-) Drain-Strom von Transistor M, wenn sich die Spannung VGS des Transistors M ändert, und folglich ändert sich auch die (Ausgangs-) Spannung der Last, die am Drain angelegt wird, was dem Term VDS entspricht. Als zweite Möglichkeit wird vorgeschlagen, den Transistor Q durch eine Ausgangsstufe zu ersetzen, die aus einem über Rückkopplung verbundenen Schaltkreis besteht, der eine wesentlich niedrigere Eingangsimpedanz und höhere Ausgangsimpedanz aufweist.
• Eine solche Ausgangsstufe ist von sich aus schaltungstechnisch recht kompliziert und wird noch komplizierter, wenn mehrere Wandlerkreise verwendet werden müssen, wie z. B. bei Aktivfiltern, und besonders, wenn diese auf einem Chip integriert werden sollen. Hinzu kommt, dass das Rückkopplungsschema den Struktur-Nutzbereich einschränkt, indem der Frequenz Grenzen gesetzt werden.
• Auch bekannt aus Patentanmeldung Nr. GB-A-2 175 763 ist ein Wandlerkreis mit Differentialeingang und einem einzigen Ausgang, der aus einem ersten und zweiten MOS-Transistor besteht, deren Drain und Source miteinander verbunden sind und deren Kontroll-Anschlüsse einen Differentialeingang erhalten, und einem bipolaren Transistor, dessen Basis an eine Polarisationsspannungsreferenz angeschlossen ist.
• Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, eine Lösung für das Linearitätsproblem mit der geradlinigsten Schaltungstechnik zu liefern, welche Lösung insbesondere für hochfrequente Aktivfilter geeignet ist.
• Diese Aufgabe wird durch einen Aktivfilter gelöst, der die charakterisierenden Eigenschaften von Anspruch 1 hat. Weitere vorteilhafte Aspekte dieser Erfindung werden in den Unteransprüchen erläutert.
• Durch die Verwendung eines Differentialtyp- Wandlerkreises, bei dem die zwei Eingangstransistoren miteinander verbundene Ausgangsanschlüsse haben, kann der Effekt von Schwankungen im Ausgangsstrom, und die daraus folgende Verzerrung, stark reduziert werden.
• Diese Lösung ist dann besonders effektiv, wenn die Signalspannungen an den Differentialeingängen ungefähr gleich im Betrag und um ca. 180 Grad verschoben sind. Verständlicherweise wird die beste Leistung mit Eingangstransistoren erreicht, die soweit wie möglich identisch sind.
• Die Erfindung ist besser zu verstehen im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden sollte, in denen:
• Fig. 1 ein Schaltplan eines konventionellen Wandlerkreises ist;
• Fig. 2 ein Schaltplan eines Wandlerkreises ist, der im Aktivfilter gemäß der Erfindung aufgebaut ist;
• Fig. 3a und 4a in Form von Blockdiagrammen konventionelle Aktivfilter zeigen und
• Fig. 3b und 4b, ebenfalls in Form von Blockdiagrammen, Aktivfilter gemäß der Erfindung zeigen, die denen in den entsprechenden Abbildungen "a" entsprechen.
• Der in Fig. 2 gezeigte Wandlerkreis hat einen Differentialeingang auf dem ersten 11 und dem zweiten 12 Eingangsanschluss und einen einzigen Ausgang auf einem Ausgangsanschluss OP; er besteht aus einem ersten Eingangstransistor M1 vom MOS-Typ und einem zweiten Eingangstransistor M2 auch vom MOS-Typ, deren Kontroll-Anschlüsse G1 und G2 jeweils an die Eingangs-Anschlüsse I1 bzw. I2 angeschlossen sind, Source-Anschlüsse S1 und S2 miteinander und mit einem ersten Knoten ND1 verbunden sind, und Drain-Anschlüsse D1 und D2 miteinander und mit einem zweiten Knoten ND2 verbunden sind; es umfasst weiterhin einen dritten Transistor Q0 vom BJT-Typ, dessen Emitter-Anschluss E mit dem Knoten ND2 verbunden ist, Basis-Anschluss B mit einem Referenzpolarisationspotential UDC und Kollektor-Anschluss C mit einem dritten Knoten ND3. Zusätzlich ist ein Polarisationsstromgenerator GDC an den Knoten ND3 angeschlossen, wobei der Ausgangs-Anschluss OP auch an den Knoten ND3 angeschlossen ist.
• Das Potential am Knoten ND2 kann durch den Transistor Q0 gesteuert werden.
• Mit der obigen Annahme und unter Vernachlässigung der Polarisations-Signale kann man leicht sehen, dass der Signalstrom, der durch den Transistor Q0 geleitet wird, klein ist, so dass auch die Schwankungen, die durch die Basis-Emitter-Spannung VBE verursacht werden, klein sind. Tatsächlich wird der Strom durch die Signalspannung an Eingang I1 gegeben, multipliziert mit der Steilheit des Transistors M1, plus der Signalspannung am Eingang I2, multipliziert mit der Steilheit des Transistors M2.
• Das Potential des Knotens ND2 ist daher recht konstant und die Drain-Source-Spannung VDS der Transistoren M1, M2 und dadurch auch die Steilheitsschwankungen sind begrenzt. Dies resultiert in geringen Verzerrungen.
• Der in Fig. 2 dargestellte Schaltkreis bietet sich für mehrere Modifikationen an, unter anderem die Transistoren M1, M2 und Q0, die entweder vom MOS- oder BJT-Typ sein können.
• Der Knoten ND1 wird gewöhnlich auf einem vorher bestimmten festen Potential gehalten, häufig auf Masse. Der Knoten ND1 könnte jedoch mit einem weiteren Polarisationsstromgenerator verbunden sein.
• Die getroffene Annahme (dass die Signalspannungen an den Differentialeingängen ungefähr gleich im Betrag sind und um etwa 180 Grad verschoben) ist in der Praxis häufig der Fall.
• Ein konventioneller Aktivfilter erster Ordnung, wie gezeigt in Fig. 3a, umfasst zwei Wandlerkreise TT traditionellen Typs in Reihe geschaltet. Der Mittelabgriff dieser Verbindung ist mit Masse durch einen Kondensator CC verbunden und direkt mit dem Filterausgang, wodurch eine Rückkopplung entsteht.
• Ein Aktivfilter gemäß der Erfindung, der mit einem Wandlerkreis TD nach Fig. 2 aufgebaut ist, wird in Fig. 3b gezeigt. Der Wandlerkreis TD hat einen ersten Eingang, der mit dem Filtereingang verbunden ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des Wandlerkreises TD verbunden ist; dieser Ausgang ist mit Masse durch einen Kondensator CC verbunden und mit dem Filterausgang über eine direkte Verbindung.
• Der Schaltkreis in Fig. 3b zeigt, dass die Annahme in erster Annäherung erfüllt wurde, zumindest für Frequenzen unterhalb der Schaltkreis-Eckfrequenz.
• Fig. 4a zeigt einen Aktivfilter zweiter Ordnung aufgebaut mit Wandlerkreisen TT konventionellen Designs, einem ersten Kondensator C1 und einem zweiten Kondensator C2. Es ist im wesentlichen das Äquivalent von zwei Filtern erster Ordnung, ähnlich dem in Abb. 3a dargestellten, in einer rückgekoppelten Kaskadenschaltung.
• Fig. 4b zeigt einen Aktivfilter zweiter Ordnung gemäß der Erfindung, aufgebaut mit Wandlerkreisen TD nach Fig. 2. Dies entspricht im wesentlichen zwei Filtern erster Ordnung wie in Abb. 4a, in Kaskadenschaltung und rückgekoppelt.

Claims (5)

1. Aktivfilter mit mindestens einem Wandlerkreis mit Differentialeingang über einen ersten (11) und einen zweiten (12) Eingangsanschluß und einzelnen Ausgang über einen Ausgangsanschluß (OP), wobei dieser Wandlerkreis folgende Elemente umfaßt:

- einen ersten (M1) und einen zweiten (M2) Eingangstransistor, die über einen ersten (ND1) und einen zweiten (ND2) Knoten angeschlossen sind und die Kontrollanschlüsse (G1, G2) besitzen, die an den Eingangsanschlüssen (11, 12) angeschlossen sind, wobei der besagte erste (M1) und ein zweiter (M2) Eingangstransistor erste zwei übereinstimmende Anschlüsse (S1, S2) besitzen, die zusammen und an den ersten Knoten (ND1) angeschlossen sind und zwei zweite Anschlüsse (D1, D2), die zusammen an den zweiten Knoten (ND2) angeschlossen sind;

- einen Stromgenerator (GDC), der an einen dritten Knoten (ND3) angeschlossen ist, der seinerseits wiederum an den Ausgangsanschluß (OP) angeschlossen ist, und

- einen dritten Transistor (Q3), der zwischen dem besagten zweiten (ND2) und dem besagten dritten (ND3) Knoten angeschlossen ist und einen Kontrollanschluß (B) besitzt, der an ein Polarisationsbezugspotential (UDC) dergestalt angeschlossen ist, daß das Potential des besagten zweiten Knotens (ND2) kontrolliert wird;

das besagte Aktivfilter umfaßt darüber hinaus mindestens einen Kondensator (CC) mit einem an ein Bezugspotential gekoppelten Anschluß und einem weiteren Anschluß, der an den Ausgangsanschluß (OP) des Wandlerkreises angeschlossen ist;

dadurch gekennzeichnet, daß einer der besagten Eingangsanschlüsse (11, 12) direkt an den besagten Ausgangsanschluß (OP) dergestalt angeschlossen ist, daß dadurch ein rückgekoppelter Funktionskreis erstellt wird.

2. Aktivfilter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte erste und zweite Transistor (M1, M2) des Wandlerkreises vom Typ MOS sind.

3. Aktivfilter gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte dritte Transistor (Q0) des Wandlerkreises vom Typ BJT ist.

4. Aktivfilter gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte erste Knoten (ND1) des Wandlerkreises ein feststehendes und im voraus bestimmtes Potential besitzt.

5. Aktivfilter gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerkreis einen weiteren Polarisationsstromgenerator besitzt, der an den besagten ersten Knoten (ND1) angeschlossen ist.