Lutz v. Wangenheim. Aktive Filter und Oszillatoren

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1 Lutz v. Wangenheim Aktive Filter und Oszillatoren

2 Lutz v. Wangenheim Aktive Filter und Oszillatoren Entwurf und Schaltungstechnik mit integrierten Bausteinen Mit 153 Abbildungen und 26 Tabellen 123

3 Prof.Dipl.-Ing.Lutzv.Wangenheim Hochschule Bremen Neustadtswall Bremen Ursprünglich erschienen bei Hüthig unter dem Titel: Aktive Filter in RC- und SC-Technik (1991). Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. ISBN Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Text und Abbildungen wurden mit größter Sorgfalt erarbeitet. Verlag und Autor können jedoch für eventuell verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Satz: Digitale Druckvorlage des Autors Herstellung: LE-TEXJelonek,Schmidt&VöcklerGbR,Leipzig Einbandgestaltung: estudiocalamar S.L., F. Steinen-Broo, Girona, Spanien SPIN /3180/YL GedrucktaufsäurefreiemPapier

4 Vorwort Die Dimensionierung einer elektronischen Schaltung zur Realisierung einer ausgewählten Filterfunktion ist Routine entweder über zugehörige Formeln (nach der Kochbuch -Methode) oder auch mit dem PC und einem Programm zum Filterentwurf. Aber dieses ist bereits der dritte Schritt. Der erste Schritt besteht darin, erst einmal die Entscheidung für eine geeignete Filtercharakteristik zu treffen, mit der die Vorgaben einzuhalten sind und dabei hat man die Wahl zwischen vier bis fünf klassischen Funktionen (Stichworte: Butterworth, Tschebyscheff, Cauer,...) und etwa zehn weiteren exotischen Varianten. Kompliziert wird diese Auswahl zusätzlich noch dadurch, dass gleichzeitig auch schaltungstechnische Konsequenzen zu berücksichtigen sind, da der Realisierungsaufwand bei den einzelnen Funktionen durchaus unterschiedlich ist. Und danach kommt der zweite der entscheidende und wohl auch der schwierigste Schritt: Die Auswahl einer Schaltung. Das vorliegende Buch bietet beispielsweise für einen Tiefpass zweiten Grades etwa 20 Schaltungskonfigurationen an teilweise noch mit bis zu jeweils drei unterschiedlichen Dimensionierungs- Strategien. Zudem eröffnen sich für Funktionen vierten oder höheren Grades noch weitere leistungsstarke und durchaus empfehlenswerte Möglichkeiten. Eines von diesen zahlreichen Schaltungskonzepten wird wahrscheinlich das Optimum darstellen bezogen auf Anforderungen und Randbedingungen technischer, operationeller oder auch wirtschaftlicher Art (Stichworte: Selektivität, Genauigkeit, Leistungsverbrauch, Spannungsversorgung, Kosten). Aber auf diese Frage nach der richtigen Schaltung können keine PC-Programme, keine Internet-Recherchen und auch keine notwendigerweise knapp gehaltenen Kapitel zur Filtertechnik in allgemeinen Elektronik-Fachbüchern eine Antwort geben. Auch dieses Buch kann das nicht. Es hat aber das Ziel, den interessierten Leser zu befähigen, selber eine angemessene Lösung für seine spezielle Aufgabenstellung zu finden. Dazu ist es unerlässlich, die aktuellen Entwicklungen auf dem Sektor der analogen Filtertechnik nicht nur zu kennen, sondern die Entwurfsgrundlagen dazu sowie die besonderen Merkmale und Einschränkungen der verschiedenen Verfahren auch zu verstehen. Nur dann besteht die Chance, in einem systematischen Auswahlprozess das richtige Filter für eine bestimmte Anwendung definieren zu können. Mit dieser Zielsetzung stellt das vorliegende Buch eine Einführung in die Systemtheorie und die Praxis des Entwurfs aktiver Filterschaltungen dar. Ein Buch über moderne analoge Filtertechnik ist zugleich auch ein Buch über die analoge Signalverarbeitung ein Gebiet, das auch im digitalen Zeitalter keinesfalls an Bedeutung verloren hat.

5 VI Vorwort Gerade innerhalb der letzten Jahre haben sich durch den weiteren Ausbau der Kommunikationsnetze insbesondere der mobilen Dienste für die Analogtechnik ganz neue Herausforderungen und zusätzliche Anwendungsbereiche ergeben. Das Kernstück der analogen Signalverarbeitung sind Aktivfilter mit elektronischen Verstärkern, welche abgesehen vom Mikrowellenbereich heute praktisch ausschließlich als integrierte Bausteine eingesetzt werden. Dabei spielt der klassische Operationsverstärker zwar immer noch die Hauptrolle; im vorliegenden Buch werden aber auch aktuelle Neuentwicklungen berücksichtigt, die sich hinter den Abkürzungen wie z. B. CFA, OTA und CC verbergen. Weitergehende Informationen zu den Themenbereichen und Schwerpunkten liefert das Inhaltsverzeichnis trotzdem sollen drei Kapitel hier gesondert angesprochen werden. Vor dem Hintergrund der zahlreichen Methoden, mit denen Filterschaltungen entworfen werden können, erscheint es sinnvoll, die einzelnen Strukturvarianten und unterschiedlichen Strategien zunächst im Zusammenhang vorzustellen, bevor sie später jeweils in einem eigenen Kapitel oder Abschnitt anhand von Zahlenbeispielen detailliert diskutiert werden. Diesem Zweck dient das zweite Kapitel. Ein eigenes Kapitel wird auch den Filtern mit geschalteten Kapazitäten gewidmet (SC-Filter) eine mittlerweile schon etablierte Technik, die in Form komplett integrierter Filterbausteine breite Anwendung findet. Systemtechnisch gesehen stellen diese getakteten Systeme den Übergang dar von den zeitkontinuierlichen Analogfiltern zu den zeitdiskreten Digitalfiltern. Selbstverständlich sollten die Fähigkeiten moderner und leistungsstarker PC- Programme auch für das Gebiet der Filtertechnik genutzt werden. Das gilt sowohl für die Schaltungssimulation zur Überprüfung eines Schaltungskonzepts und der gewählten Dimensionierung als auch für den Filterentwurf selber. Aus diesem Grund werden in einem separaten Kapitel neun kostenfrei erhältliche Entwurfsprogramme auf ihre Leistungsfähigkeit und ihre Grenzen hin untersucht. Das Buch ist ein Fachbuch geschrieben für Ingenieure und Naturwissenschaftler, die ihre Kenntnisse über die Filtertechnik auffrischen und vor dem Hintergrund vieler neuer Entwicklungen aktualisieren wollen oder müssen. Es ist aber auch ein Lehrbuch für Studierende der Informations- und Kommunikationstechnik sowie verwandter Fachrichtungen, die sich aufbauend auf dem mitgelieferten systemtheoretischen Fundament in das Gebiet der Filtertechnik einarbeiten wollen. Als Voraussetzung dafür sind Kenntnisse in Mathematik und Elektrotechnik in einem Umfang erforderlich, wie sie in den ersten drei Semestern eines ingenieurwissenschaftlichen Studiums vermittelt werden. Der Inhalt des Buches ist entstanden aus meiner 25-jährigen Lehr- und Forschungstätigkeit an der Hochschule Bremen im Bereich der analogen Signalverarbeitung. In diesem Zusammenhang möchte ich besonders den zahlreichen ehemaligen Studierenden danken, die in Form von Projekten, Studien- und Diplomarbeiten wesentlich zu den hier präsentierten Ergebnissen beigetragen haben. Bremen, im Herbst 2007 Lutz v. Wangenheim

6 Inhalt Einführung Systemtheoretische Grundlagen Lineare Vierpole Die komplexe Frequenz Die Übertragungsfunktion Die Systemfunktion Lineare Netzwerke im Zeit- und Frequenzbereich Polverteilung und Stabilität Filtercharakteristiken zweiten Grades Die biquadratische Systemfunktion Filterklassifikation Polkenngrößen Der Referenztiefpass Der Tiefpass zweiten Grades Das Toleranzschema Das Prinzip der Tiefpass-Approximation Der Tiefpass n-ten Grades Tiefpass-Approximationen Butterworth-Charakteristik Tschebyscheff-Charakteristik Inverse Tschebyscheff-Charakteristik Elliptische Charakteristik Thomson-Bessel-Charakteristik Vergleich der Standard-Approximationen Andere Approximationsverfahren Zusammenfassung Frequenztransformationen Tiefpass-Tiefpass-Transformation Tiefpass-Hochpass-Transformation Tiefpass-Bandpass-Transformation Tiefpass-Bandsperre-Transformation Tiefpass-Allpass-Transformation Transformation normierter Tiefpasselemente... 79

7 VIII Inhalt 2 Grundstrukturen aktiver Filter Kaskadentechnik Rückkopplungsmodell und Übertragungsfunktion Erzeugung konjugiert-komplexer Pole Erzeugung endlicher Übertragungsnullstellen GIC-Stufen Parallelstrukturen Zweipolnachbildung mit Impedanzkonvertern Impedanzkonverter Elektronische Nachbildung von Induktivitäten FDNR-Technik Einbettungstechnik Entwurfsrichtlinien für die GIC-Technik Mehrfachkopplungstechnik Die Leapfrog-Synthese Die Zustandsvariablen-Struktur zweiten Grades Die FLF-Struktur Zusammenfassung Aktive Grundelemente Operationsverstärker Eigenschaften und Kenndaten Der nicht-invertierende Verstärker Der invertierende Verstärker Der Addierverstärker Der invertierende Integrator Der nicht-invertierende Integrator Der Tiefpass ersten Grades (gedämpfter Integrator) Der Negativ-Impedanzkonverter (NIC) Der Allgemeine Impedanzkonverter (GIC) Prinzip und Eigenschaften Der GIC als Zweipol zur Induktivitätsnachbildung Der GIC als Zweipol zur FDNR-Realisierung Der GIC als Anpassungsvierpol (Einbettungstechnik) Der GIC als kaskadierbarer Filtervierpol Transimpedanzverstärker Eigenschaften und Kenndaten Grundschaltungen Transkonduktanzverstärker Eigenschaften und Kenndaten OTA-Schaltungstechnik Stromkonverter (Current Conveyor) Prinzip und Eigenschaften Grundschaltungen

8 Inhalt IX 4 Kaskadentechnik Überblick Filterstufen mit Einfach-Rückkopplung Allgemeine Filterstruktur Tiefpassfilter Hochpassfilter Bandpassfilter Filterstufen mit Zweifach-Gegenkopplung Allgemeine Filterstruktur Tiefpassfilter Hochpassfilter Bandpassfilter Filterstufen mit Impedanzkonverter Tiefpass Hochpass Bandpass Einfluss realer Verstärkereigenschaften Filterstufen mit endlichen Nullstellen Allpassfilter Filterstufen mit Sperrcharakteristik Elliptische Tiefpässe Biquadratische Filterstufen und Universalfilter Grundstruktur für Zustandsvariablentechnik Schaltung mit invertierenden Integratoren Schaltung mit gedämpftem Integrator Struktur mit Vorkopplung Parallelstruktur OTA- und CC-Filterstufen OTA-Filterstufen OTA-C-Strukturen CC-Filterstufen Zusammenfassung und Empfehlungen Entscheidungskriterien zur Schaltungswahl Vergleichende Übersicht Direkte Filtersynthese Aktive Komponentennachbildung Tiefpassfilter Hochpassfilter Bandpassfilter Filterstrukturen mit Mehrfachkopplungen Die Leapfrog-Struktur Die FLF-Struktur

9 X Inhalt 6 Aktive Filter in SC-Technik Einführung in die zeitdiskrete Signalverarbeitung Systemfunktion und z-transformation Transformation der Frequenzvariablen SC-Grundelemente Der invertierende EV-Integrator Der invertierende ER-Integrator Der invertierende Bilinear-Integrator Der Differenz-Integrator Der Tiefpass ersten Grades Entwurf und Betrieb von SC-Filtern Entwurfsverfahren Verstärkertechnik Betrieb von integrierten Filterbausteinen Simulation von SC-Filtern im Frequenzbereich Zeitkontinuierliche Modelle der SC-Kombinationen Simulationsbeispiel: SC-Tiefpass ersten Grades Rechnergestützter Filterentwurf Allgemeines PC-Programme zum Filterentwurf Systematische Übersicht Beispiel zum PC-gestützten Filterentwurf Zusammenfassung, Einschränkungen und Bewertung PC-gestützte Filteroptimierung Problemstellung Filteroptimierung durch Polanpassung Beispiel zur Filteroptimierung durch Polanpassung Zusammenfassung Lineare Oszillatoren Grundlagen Das Oszillatorprinzip Die Schwingbedingung Oszillatorstrukturen Vierpoloszillatoren Zweipoloszillatoren Auswahlkriterien Vierpol-Oszillatorschaltungen RC-Bandpass-Oszillator RC-Tiefpass-Oszillator Allpass-Oszillator Quadratur-Oszillatoren

10 Inhalt XI 8.4 Zweipol-Oszillatorschaltungen Resonanzkreisentdämpfung mit NIC GIC-Resonator Zusammenfassung Literaturverzeichnis Sachverzeichnis

11 Verwendete Symbole und Abkürzungen Symbole Symbol Bedeutung A Verstärkung allgemein, Amplitude A(ω) Betrag der Übertragungsfunktion, Amplitudengang A(jω) komplexe Übertragungsfunktion eines Vierpols A 0 Grundverstärkung bei f=0 (Tiefpass) A M Mittenverstärkung (Bandpass) A Verstärkungswert für f A U (jω) frequenzabhängige Spannungsverstärkung (Operationsverstärker) A U (s) komplexe Verstärkungsfunktion (Operationsverstärker) A U0 Gleichspannungsverstärkung (Operationsverstärker) a D Durchlassdämpfung in db a S Sperrdämpfung in db B 3-dB-Bandbreite (Bandpass) B SR Großsignalbandbreite C Kapazitätswert des Kondensators C B Bezugskapazitätswert c auf die Bezugsgröße C B normierter Kapazitätswert D * Kenngröße des FDNR mit der Impedanz Z D = -1/ω 2 D * D S Sperrdämpfungsfaktor F allgemeines Symbol für einen idealen Rückkopplungs-Vierpol F Symbol für die Fourier-Transformation F D Symbol für die Fourier-Transformation diskreter Signale f Frequenz in Hz f A Abtastfrequenz, Abtastrate f D Durchlassgrenze in Hz f G 3-dB-Grenzfrequenz in Hz f T Taktrate, Taktfrequenz f T Transitfrequenz (Operationsverstärker) g(t) Sprungantwort einer Übertragungseinheit g m Übertragungsleitwert bzw. Steilheit des OTA (Verstärkung) H allgemeines Symbol für einen idealen Übertragungs-Vierpol H(s) Systemfunktion eines zeitkontinuierlichen Systems H(z) Systemfunktion eines zeitdiskreten Systems

12 XIV Verwendete Symbole und Abkürzungen H E (s) Einkopplungsfunktion H R (s) Rückkopplungsfunktion H S (s) Schleifensystemfunktion h(t) Impulsantwort I elektrischer Gleichstrom, Effektivwert des Wechselstroms i(t) Zeitfunktion des elektrischen Stromes K Skalierungsfaktor k Komponentenspreizung (Verhältnis zweier Bauteilwerte) k(jω) Konversionsfaktor (Impedanzkonverter) L Induktivitätswert einer Spule L B Bezugsinduktivitätswert L Symbol für die Laplace-Transformation l auf die Bezugsgröße L B normierter Induktivitätswert N(s) Nennerpolynom, allgemein n Grad der Systemfunktion, Filtergrad P(η) Polynomfunktion, Approximationsfunktion Q Güte eines Resonanzkreises, Kondensatorladung (SC-Technik) Q P Polgüte Q Z Nullstellengüte R Ohmscher Widerstand R B Bezugswiderstand r auf die Bezugsgröße R B normierter ohmscher Widerstand r E Signaleingangswiderstand r A Signalausgangswiderstand S auf die Polfrequenz normierte komplexe Frequenz (S=s/ω P ) s komplexe (Kreis-)frequenz (s=σ +jω) s N komplexe Nullstelle der charakteristischen Gleichung, komplexe Polstelle der Systemfunktion (Eigenwert) s Z komplexe Nullstelle der Systemfunktion x S y passive Empfindlichkeit von x gegenüber Änderungen von y SR Slew Rate (Großsignal-Anstiegsrate, Anstiegsgeschwindigkeit) T Zeitkonstante T(ω) reelle Frequenztransformationsfunktion T(s) komplexe Frequenztransformationsfunktion T A Abtastperiode T A =1/f A T T Taktperiode T T =1/f T t kontinuierliche Zeitvariable U Elektrische Gleichspannung, Effektivwert einer Wechselspannung U komplexer Effektivwert einer Wechselspannung U(z) z-transformierte einer Folge von Spannungswerten u(n) jϕ uˆ komplexe Spannungsamplitude uˆ = uˆ e u(t) u(t) u E, u A Zeitfunktion der elektrischen Spannung elektrische Wechselspannung in komplexer Schreibweise Eingangs-/Ausgangssignalspannungen (allgemein)

13 Symbole XV u D Differenzspannung (OPV-Eingang) u (n) Folge diskreter Spannungswerte v Spannungsverstärkungsfaktor v(s) komplexer Wert der Spannungsverstärkung w Welligkeit (einer Betragsfunktion) X(jω) Fourier-Transformierte der Funktion x(t), Eingangsspektrum x(t) Eingangssignal (allgemein) im Zeitbereich x (n) Wertefolge am Eingang eines zeitdiskreten Systems Y(jω) Fourier-Transformierte der Funktion y(t), Ausgangsspektrum y(t) Ausgangssignal (allgemein) im Zeitbereich y (n) Wertefolge am Ausgang eines zeitdiskreten Systems Y komplexer Leitwert, Admittanz, Z komplexer Widerstand, Impedanz Z Symbol der z-transformation Z(s) Zählerpolynom Z D negative Impedanz des FDNR Z TR Transferimpedanz, Transimpedanz (CFA) z Frequenzvariable in zeitdiskreten Systemen δ(t) Impulsfunktion (Dirac-Impuls) ε Spreizungsfaktor (Amplitudenstabilisierung, Oszillator) ε(t) Einheitssprungfunktion ε D Toleranzfaktor (Betragsfunktion, Amplitudengang) φ Phasenwinkel φ Taktphase (SC-Technik) γ Maß für das Überschwingen (in %) η auf die Polfrequenz ω P normierte allgemeine Frequenzvariable, σ Realteil der komplexen (Kreis-)frequenz s σ N Abklingkonstante, Realteil des komplexen Eigenwertes s N τ Zeitkonstante τ G (jω ) frequenzabhängige Gruppenlaufzeit τ G0 Gruppenlaufzeit bei ω=0 τ N Skalierungsgröße (Bruton-Transformation) τ SC Skalierungsgröße (SC-Technik) ω Kreisfrequenz ω=2πf, Imaginärteil der komplexen Kreisfrequenz s ω D Durchlassgrenze ω G 3-dB-Grenzkreisfrequenz ω M Mittenkreisfrequenz (Bandpass) ω N Eigenkreisfrequenz, Imaginärteil des komplexen Eigenwertes s N ω P Polkreisfrequenz, ω P = s N ω S Beginn des Sperrbereichs, Sperrgrenze ω Z Übertragungsnullstelle, Imaginärteil von s Z Ω auf die Durchlassgrenze ω D normierte allgemeine Frequenzvariable ζ Dämpfungsfaktor (Resonanzkreis)

14 XVI Verwendete Symbole und Abkürzungen Abkürzungen A-H BL BTC CC CCCS CCVS CFA ER EV FDNR FLF GBP GIC KHN LDI LF MFB MLF NIC OPV OTA PRB SC VCVS VFA Abtast-Halte-Funktion Bilineare Transformation (SC-Technik) Balanced Time Constants Current Conveyor (Stromkonverter) Current Controlled Current Source (Stromgesteuerte Stromquelle) Current Controlled Voltage Source (Stromgesteuerte Spannungs quelle) Current-Feedback Amplifier (Transimpedanzverstärker) Euler-Rückwärts-Approximation (SC-Technik) Euler-Vorwärts-Approximation (SC-Technik) Frequency-Dependent Negative Resistor Follow-the-Leader-Feedback Gain-Bandwidth-Product (Transitfrequenz) Generalized Impedance Converter Kerwin-Huelsman-Newcomb(-Filter) Lossless Discrete Integrator (verlustloser zeitdiskreter Integrator) Leapfrog Multiple-Feedback Multi-Loop-Feedback Negative Impedance Converter Operationsverstärker Operational Transconductance Amplifier (Steilheitsverstärker) Primary Resonator Block Switched-Capacitor (Schalter-Kondensator) Voltage-Controlled Voltage Source Voltage-Feedback Amplifier

15 Einführung Elektrische Filterschaltungen spielen eine herausragende Rolle in allen Bereichen der modernen Telekommunikation, der Signalverarbeitung sowie der Mess- und Regelungstechnik. Dabei entspricht die Funktion des Filterns einem Auswahlprozess, bei dem charakteristische Merkmale der zu filternden elektrischen Größen benutzt werden, um bestimmte Anteile erkennen und verarbeiten zu können. In den meisten Fällen sind es elektrische Spannungen, die auf diese Weise nach bestimmten Kriterien verarbeitet werden. Unter diese allgemeine Definition fallen beispielsweise die auf bestimmte Minimal- bzw. Maximalwerte reagierenden Amplitudenfilter sowie über spezielle Impulse synchronisierte Auswahlschalter, die als Zeitfilter angesehen werden können (Beispiel: PCM-Zeitmultiplex). In der bei weitem überwiegenden Anzahl aller Anwendungen werden elektrische Filter aber eingesetzt, um die in den elektrischen Spannungen enthaltenen spektralen Anteile unterschiedlich zu bewerten und beim Durchlauf durch das Filter gezielt zu verändern. Dieses Buch befasst sich ausschließlich mit diesen frequenzselektiven Filtern, die soweit es den Bereich der Elektrotechnik betrifft im allgemeinen Sprachgebrauch vereinfachend als Filter bezeichnet werden und deren Funktion darin besteht, aus einem Frequenzgemisch nach festgelegten Kriterien bestimmte Anteile zwecks Weiterverarbeitung oder auch Unterdrückung herauszufiltern. Aus einer Vielzahl von Filteranwendungen in der modernen Elektronik seien sechs typische Beispiele herausgegriffen: Tiefpassfilter zur Bandbegrenzung in Systemen zur digitalen Verarbeitung analoger Signale (Anti-Aliasing-Filter); Tiefpass als Rekonstruktionsfilter am Ausgang eines Digital-Analog-Wandlers (Video-Filter); Bandpassfilter zur Frequenzselektion in Empfangsgeräten für drahtlose Kommunikationssysteme; Hochpassfilter für Oberschwingungsanalysen oder als Teilstufe in extrem breitbandigen Bandpassfiltern; Bandsperrfilter zur Unterdrückung einzelner Störfrequenzen; Allpassfilter zum Ausgleich von Laufzeitschwankungen (Delay Equalizer). Schaltungstechnisch eng verwandt mit den Aktivfiltern sind die freischwingenden linearen Oszillatoren, die entweder ein Filter als selektives Element enthalten oder auf dem Wege einer speziellen Dimensionierung unmittelbar hervorgegangen sind aus aktiven Filterschaltungen.

16 2 Einführung Um die Funktionsweise von Oszillatoren verstehen zu können, ist es deshalb unerlässlich, über vertiefte Kenntnisse der Filtertechnik zu verfügen. Ein Hinweis darauf, dass es sich bei Oszillatoren um besonders interessante und anspruchsvolle Systeme handelt, ist die zunächst widersprüchlich erscheinende Forderung, dass lineare Oszillatoren auch über nicht-linear wirkende Funktionen verfügen müssen, um ein qualitativ hochwertiges sinusförmiges Signal produzieren zu können. Die Wirkungsweise der klassischen passiven Filternetzwerke beruht auf den von der Frequenz abhängigen Eigenschaften des Kondensators und der gewickelten Spule. Diese früher als Siebschaltungen und heute als Reaktanzfilter bezeichneten LC-Kombinationen haben auch weiterhin noch eine gewisse Bedeutung im oberen MHz-Bereich. Angeregt durch die in den 50-er Jahren des vorigen Jahrhunderts sich stürmisch entwickelnde Halbleitertechnik konzentrierten sich zahlreiche Forschungsaktivitäten auf die Untersuchung der Möglichkeiten, gewickelte Spulen wegen ihrer gravierenden Nachteile Kosten, Gewicht, Volumen, mechanische und elektromagnetische Eigenschaften durch Verstärkerschaltungen zu ersetzen. Stellvertretend für viele bahnbrechende Arbeiten auf diesem Sektor sei eine Veröffentlichung aus dem Jahre 1955 erwähnt (Sallen u. Key 1955), in der ein auch heute noch gebräuchliches Schaltungsprinzip für Aktivfilter auf der Basis gesteuerter Spannungsquellen beschrieben wird. Der eigentliche Durchbruch der aktiven Filtertechnik ist eng verbunden mit der Technologie der monolithischen Integration linearer Schaltungen, die ab 1960 die ersten voll integrierten Operationsverstärker hervorgebracht hat und wenige Jahre später auch kompakte Filterbausteine in Hybridtechnologie ermöglichte. Als weiterer bedeutender Entwicklungssprung in diesem Bereich gilt die etwa seit 1980 beherrschbare monolithische Integration kompletter Filterschaltungen in MOS-Technik. Die Funktion des Widerstandes wird dabei entweder durch einen Verstärker mit Stromausgang (OTA-C-Filter) oder durch eine Kombination aus Signalschaltern und Kondensator nachgebildet (Switched-Capacitor-/SC-Filter). Diese SC-Filter nehmen aus systemtheoretischer Sicht eine Zwischenstellung ein zwischen den zeitkontinuierlichen Analogfiltern und den zeitdiskret arbeitenden Digitalfiltern. Gerade in diesem Bereich konnten innerhalb der letzten dreißig Jahre viele interessante netzwerktheoretische Erkenntnisse gewonnen und schaltungsmäßig umgesetzt werden. Angeregt und motiviert durch die extremen Anforderungen der heutigen mobilen Kommunikationsdienste mit Betriebsspannungen unterhalb von 1,5 V bei minimalem Leistungsverbrauch, guter Dynamik und Frequenzen im hohen MHz- Bereich konzentriert sich der Entwicklungsaufwand seit etwa 10 Jahren auf vollständig integrierte Filterschaltungen, die im Log-Modus (log domain) arbeiten. Dabei werden die Eingangssignale zunächst über eine logarithmische Kennlinie komprimiert, bevor sie verarbeitet d. h. gefiltert und danach wieder nach dem Kompander-Prinzip exponentiell gedehnt werden (Frey 1996). Dieses derzeit noch nicht ganz ausgereifte Schaltungsprinzip wird im vorliegenden Buch jedoch nicht berücksichtigt.

17 1 Systemtheoretische Grundlagen In diesem einleitenden Kapitel werden wichtige Definitionen und Aussagen der Systemtheorie zur Beschreibung des Übertragungsverhaltens frequenzabhängiger Netzwerke zusammengefasst. In der überwiegenden Anzahl aller Anwendungen bestehen elektrische Filter aus einer Zusammenschaltung einzelner konzentrierter Bauelemente man spricht deshalb auch von Filternetzwerken mit jeweils zwei Eingangs- und Ausgangsanschlüssen (oder auch: zwei Toren) zur Ein- bzw. Auskopplung von Spannungen. Filterschaltungen werden bei der Beschreibung, Berechnung und Messung ihrer Eigenschaften also als frequenzabhängige Zweitore bzw. Vierpole zur Übertragung elektrischer Signale angesehen. Der in diesem Zusammenhang elementare Begriff der Systemfunktion wird in Abschn. 1.1 eingeführt und erläutert. In Abschn. 1.2 werden geeignete Klassifizierungsmerkmale und Kenngrößen zur Charakterisierung des Filterübertragungsverhaltens festgelegt. Da die Übertragungseigenschaften der wichtigsten Filtertypen rechnerisch auf eine Tiefpassfunktion zurückgeführt werden können, wird in Abschn. 1.3 ein geeignetes Toleranzschema zur Formulierung der Anforderungen an den sog. Referenztiefpass eingeführt. Die wichtigsten Methoden zur Annäherung (Approximation) an den idealen Tiefpass werden in Abschn. 1.4 diskutiert. Die Verfahren, mit denen diese Tiefpassdaten auch zum Entwurf anderer klassischer Filterfunktionen herangezogen werden können (Frequenztransformationen), werden in Abschn. 1.5 beschrieben. Den Schluss dieses Abschnitts bildet eine Übersicht über passive RLC-Tiefpässe, deren Strukturen auf direktem oder indirektem Wege in aktive Schaltungen überführt werden können. 1.1 Lineare Vierpole Die komplexe Frequenz Der für die Übertragungs- und Filtertechnik fundamentale Begriff der komplexen Frequenz soll zunächst anhand eines Beispiels, s. Abb. 1.1, eingeführt und erläutert werden. Eine Gleichspannung U 0 wird zum Zeitpunkt t=0 über einen Schalter S auf eine Reihenschaltung aus Spule (Induktivität L), Widerstand R und Kondensator (Kapazität C) geschaltet. Die Reaktion dieser als Serienschwingkreis bezeichneten Schaltungsanordnung auf die sprungförmige Spannungserregung soll über den Zeitverlauf des fließenden Stromes i(t) berechnet werden.

18 4 1 Systemtheoretische Grundlagen U 0 S t=0 L R i(t) C Abb. 1.1 LRC-Reihenschaltung an Gleichspannung Für den geschlossenen Stromkreis ergibt sich nach der Maschenregel d() it 1 L + i() t R+ i()d t t = U. dt C 0 (1.1) Gleichung (1.1) wird mit C multipliziert und nach der Zeit t differenziert. Es entsteht eine homogene Differentialgleichung zweiter Ordnung mit reellen konstanten Koeffizienten: Mit dem Lösungsansatz folgt aus Gl. (1.2): 2 d it ( ) d it ( ) LC + RC + i() t = 0. (1.2) 2 dt d t st it () = I e st (1.3) I e (1 + src+ s LC) = 0. Die Größe s ist dabei ein zunächst unbekannter Faktor im Exponenten des Lösungsansatzes mit der Dimension 1/Zeit. Der Vorfaktor I ist eine Konstante mit der Dimension eines Stromes. Da die Zeit t immer positiv ist (der Vorgang wurde bei t=0 gestartet), kann die Gleichung nur erfüllt werden, indem der Klammerausdruck zu Null gesetzt wird. Es entsteht die sog. charakteristische Gleichung des Systems, wobei die linke Seite dieser Gleichung das charakteristische Polynom bildet: 2 1+ src + s LC = 0. (1.4) Diese Gleichung zweiten Grades besitzt zwei Lösungen s N1 und s N2, die auch als Eigenwerte des Systems bezeichnet werden: s N1,2 2 2 R R 1 = ±. (1.5a) 2L 2L LC Mit dem Ziel einer anschaulichen Interpretation wird dieses Ergebnis umgeformt, indem die Wurzel aus -1 gebildet wird: s N1,2 R 1 R = ± j 2L LC 2L 2. (1.5b)

19 1.1 Lineare Vierpole 5 Mit den folgenden zunächst willkürlich erscheinenden Abkürzungen R =σ N und 2L 2 1 R = ω LC 2L N (1.6a) sind die Eigenwerte, Gl. (1.5b), dann in folgender Form anzugeben: s N1,2 = σn ± jω N. (1.6b) Mit dem Lösungsansatz, Gl. (1.3), ergibt sich daraus der zeitliche Verlauf des Stromes durch Überlagerung der beiden Teillösungen: sn1t sn2t σnt jωnt jωnt it () = I e + I e = e ( I e + I e ). (1.7) Zur Bestimmung der beiden Faktoren I 1 und I 2 werden die Anfangsbedingungen im Einschaltmoment (t=0) in Gl. (1.7) eingesetzt: Bei t=0 verhindert die Induktivität L den Stromfluss durch die Schaltung: it ( = 0) = I + I = 0 I = I Bei t=0 gilt deshalb für die Spannung über L (mit u C =0): di ul ( t = 0) = U0 = L U0 = L( I1sN1+ I2sN2). dt Aus beiden Bedingungen folgt zusammen mit Gl. (1.6b): I = I = U = I I = U L mit: 0 j2ωnl 2j ωn Durch Einsetzen dieser beiden Konstanten in Gl. (1.7) erhält man dann für die Zeitfunktion des Stromes: jωnt jω (e e Nt σ ) () Nt it = I0 e. (1.8a) 2j Für reelle Werte von ω und mit der Euler-Formel für komplexe Ausdrücke jωnt jω (e e Nt ) 2j = sinω t lässt sich Gl. (1.8a) einfach darstellen als Produkt aus einer sinusförmigen Zeitfunktion und einem Vorfaktor (Amplitude), der ebenfalls zeitabhängig ist: σ Nt 0 ωn N it () = I e sin t. (1.8b) Fallunterscheidung Als Folge des Aufschaltens der Gleichspannung U 0 auf die Schaltungsanordnung nach Abb. 1.1 fließt also ein zeitlich veränderlicher Strom i(t), Gl. (1.8), bei dem grundsätzlich drei Fälle zu unterscheiden sind:

20 6 1 Systemtheoretische Grundlagen Für den Fall unterkritischer Dämpfung mit σ N 2 <1/LC ist der Ausdruck unter der Wurzel in Gl. (1.6) positiv und die Größe ω N deshalb reell. Als Strom stellen sich (mit σ N negativ) nach einer e-funktion abklingende sinusförmige Schwingungen ein mit der Kreisfrequenz ω N (Einheit rad/s). Die Größe f N = ω N /2π wird dabei als Eigenfrequenz bezeichnet (Einheit 1/s=Hz). Enthält die Schaltung keine aktiven Bauelemente (Verstärker), ist die Größe σ N stets negativ und führt zu einem gedämpften System. Deshalb wird diese Kenngröße auch Abkling- oder Dämpfungskonstante σ N genannt. Ein in diesem Sinne gedämpftes System wird als stabil bezeichnet. Für den Fall kritischer bzw. überkritischer Dämpfung mit σ N 2 1/LC wird in Gl. (1.5b) der Radikand zu Null oder negativ und beide Lösungen sind negativ reell. Es kommt ohne Ausbildung von Schwingungen zu einem reinen Abklingvorgang. Für den hier nur theoretisch denkbaren Spezialfall eines ungedämpften Systems mit R=0 bzw. σ N =0 reagiert das System mit einer kontinuierlichen Schwingung der Frequenz ω N =ω 0 =1/LC (Schwingfall, Oszillatorprinzip, vgl. Kap. 8). Zusammenfassend ist also festzuhalten, dass im vorliegenden Beispiel der zeitliche Verlauf des Stromes mittels Gl. (1.5) und Gl. (1.6) durch eine Größe s N zu beschreiben ist, die als komplexe Eigen(-Kreis)frequenz bezeichnet wird. Definition (komplexe Frequenz) In Erweiterung des Begriffs der Kreisfrequenz ω wird deshalb in Verallgemeinerung von Gl. (1.6b) die komplexe Kreisfrequenz definiert: s = σ + jω. (1.9) Damit können die in stabilen Systemen auftretenden exponentiell abklingenden Schwingungen der Kreisfrequenz ω = 2πf mathematisch auf einfache Weise erfasst und beschrieben werden. Obwohl nicht ganz konsequent in der Ausdrucksweise, ist es in der Praxis jedoch üblich, in der Definition nach Gl. (1.9) nur von der komplexen Frequenz s zu sprechen Die Übertragungsfunktion Für die hier behandelten Übertragungsvierpole sollen die folgenden Voraussetzungen gelten: Linearität: Der Vierpol besitzt lineares Übertragungsverhalten. Bei einem aus mehreren Anteilen zusammengesetzten Signal können deshalb die einzelnen Komponenten separat analysiert (also dem Übertragungsverhalten unterworfen) und am Ausgang wieder überlagert werden. Zeitinvarianz: Das Übertragungsverhalten ist von der Zeit unabhängig. Der Übertragungsvierpol hat damit zu jedem Zeitpunkt die gleichen Eigenschaften.