DE10012519A1 - High pass circuit with gyrator has inductance implemented as gyrator with transistor with resistor between base and collector, series circuit capacitor and resistor between base and emitter - Google Patents
High pass circuit with gyrator has inductance implemented as gyrator with transistor with resistor between base and collector, series circuit capacitor and resistor between base and emitterInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Hochpassschaltung mit einer Kapazität, einer Induktivität und einem Widerstand.The invention relates to a high-pass circuit with a capacitance, an inductance and a resistance.
Derartige Hochpassschaltungen sind in verschiedensten Ausgestaltungen bekannt und werden in einer Vielzahl von Anwendungen benötigt. Als Beispiele seien Empfänger- und Sendevorrichtungen für Rundfunkübertragung, Funkübertragung oder Telefone oder drahtlose Mikrofone genannt. Insbesondere in Niederfrequenz baugruppen werden Hochpassschaltungen benötigt.Such high-pass circuits are known in a wide variety of configurations and are needed in a variety of applications. As examples Receiver and transmitter devices for radio transmission, radio transmission or called phones or wireless microphones. Especially in low frequency assemblies, high-pass circuits are required.
In einer einfachsten Ausführungsform weist eine bekannte Hochpassschaltung einen Kondensator auf, der in Serie geschaltet ist zu einer Parallelschaltung aus einer Spule und einem Widerstand. Das Ausgangsignal der Hochpassschaltung wird dabei am Mittenpunkt dieser Serienschaltung abgegriffen. Vorteilhaft bei derartigen Schaltungen ist, dass sie nahezu rauschfrei sind, da ideale Spulen und Kondensato ren selbst kein thermisches Rauschen generieren. Nachteilig ist dabei allerdings die Verwendung von teuren und schwer beschaffbaren Spulen.In a simplest embodiment, a known high-pass circuit has a capacitor, which is connected in series to a parallel connection a coil and a resistor. The output signal of the high pass circuit is tapped at the center of this series connection. Advantageous in such Circuits is that they are almost noiseless because of ideal coils and condensate generate no thermal noise themselves. However, the disadvantage is that Use of expensive and difficult to obtain coils.
Die Verwendung von Spulen wird vermieden durch ebenfalls bekannte Hochpass schaltungen, bei denen Operationsverstärker oder Transistor-Spannungsfolger in aktiven Filtern verwendet werden. Bei derartigen Hochpassschaltungen muß das Signal jedoch eine rauschende Verstärkerschaltung passieren. Dadurch ist die am Ausgang des Hochpassfilters erscheinende Rauschspannung ungleich größer verglichen mit der Rauschspannung am Ausgang einer passiven Filterschaltung. Selbst bei Frequenzen weit oberhalb der Filtergrenzfrequenz rauscht ein solches aktives Filter am Ausgang.The use of coils is avoided by the well-known high pass circuits in which operational amplifiers or transistor voltage followers in active filters. With such high-pass circuits, the Signal, however, pass through a noisy amplifier circuit. This makes the Noise voltage appearing at the output of the high-pass filter is much larger compared to the noise voltage at the output of a passive filter circuit. Even at frequencies far above the filter cut-off frequency, there is noise active filter at the output.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Hochpassschaltung an zugeben, die möglichst rauscharm ist und ohne Verwendung von Spulen aus kommt. Insbesondere soll die Hochpassschaltung in Vorrichtungen zur Audio- Übertragung, z. B. in drahtlosen Mikrofonen, einsetzbar sein.The invention is therefore based on the object of a high-pass circuit admit that is as low-noise as possible and without using coils is coming. In particular, the high-pass circuit in devices for audio Transmission, e.g. B. in wireless microphones.
Diese Aufgabe wird durch eine Hochpassschaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a high-pass circuit according to claim 1.
Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, die Spule bei bekannten Hoch passschaltungen durch eine Gyratorschaltung zu ersetzen, die nur wenige Transi storen, bevorzugt einen einzigen Transistor aufweist. Zwar könnte die Spule auch durch einen Operationsverstärker ersetzt werden, der mit Kondensatoren beschaltet ist. Diese Lösung würde jedoch ebenfalls ein erhebliches Rauschen bewirken, da die zahlreichen Halbleiter und Widerstände innerhalb der Operationsverstärker Rauschen erzeugen.The invention is based on the idea of the coil at a known high to replace pass circuits by a gyrator circuit that only a few transi interfere, preferably has a single transistor. The coil could also can be replaced by an operational amplifier that is connected to capacitors is. However, this solution would also cause significant noise because the numerous semiconductors and resistors within the operational amplifiers Generate noise.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Hochpassschaltung, insbesondere der Gyrator schaltung, sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous configurations of the high-pass circuit, in particular the gyrator circuit, are specified in the subclaims.
Vor allem bei Gyratorschaltungen mit einem einzigen Transistor kann das Rauschen durch eine starke Gegenkopplung erheblich reduziert werden. Die dabei in der Serienschaltung zwischen dem Basisanschluss und dem Emitteranschluss des Transistors verwendete Kapazität wird durch den Transistor in eine Induktivität gespiegelt. Durch geeignete Beschaltung mit verschiedenen Widerständen lassen sich also der Gleichstrom- und der Gleichspannungarbeitspunkt des Transistors einstellen. Der in der Serienschaltung zwischen Basisanschluss und Emitteran schluss liegende Widerstand dient der Gegenkopplung und reduziert Rauschen und Nichtlinearität der Gyratorschaltung.Especially in gyrator circuits with a single transistor, the noise can can be significantly reduced by strong negative feedback. The one in the Series connection between the base connection and the emitter connection of the Capacitance used by the transistor is converted into an inductance mirrored. Leave it through suitable wiring with different resistances So the DC and DC voltage operating point of the transistor to adjust. The one in the series connection between the base connection and emitter The final resistor is used for negative feedback and reduces noise and Non-linearity of the gyrator circuit.
Zur Unterdrückung von Brummen und Rauschen der Betriebsspannung sind ins besondere Ausgestaltungen mit Signalauskopplung am Mittenpunkt der Serien schaltung und mit einem am Basisanschluss gegen ein Bezugspotential, insbeson dere gegen Masse, angeschlossenen Widerstand vorteilhaft.To suppress hum and noise of the operating voltage are ins special designs with signal coupling at the center of the series circuit and with one at the base connection against a reference potential, in particular against ground, connected resistance advantageous.
Zur weiteren Reduzierung von Klirrfaktor und Intermodulation kann der bevorzugt eingesetzte Einzeltransistor auch durch eine Darlingtonschaltung, beispielsweise mit zwei Transistoren, ersetzt werden.To further reduce the distortion factor and intermodulation, the can be preferred used single transistor also by a Darlington circuit, for example with two transistors.
Die Impedanzgänge der bei der Erfindung verwendeten Gyratorschaltungen sind vergleichbar sind mit den Impedanzgängen von Spulen, die relativ große Serienwi derstände und gleichzeitig relativ kleine Parallelwiderstände, d. h. niedrige Güten, aufweisen. Dies führt beispielsweise dazu, dass in einer Realisierung der erfin dungsgemäßen Hochpassschaltung mit zwei Kondensatoren und einer Gyrator schaltung der Frequenzgang dem Frequenzgang eines Hochpassfilters zweiter Ordnung entspricht, obwohl drei Ordnungen (zwei Kondensatoren und eine Gyra torschaltung) vorhanden sind.The impedance responses of the gyrator circuits used in the invention are are comparable to the impedance responses of coils that are relatively large series resistances and at the same time relatively small parallel resistances, d. H. low grades, exhibit. This leads, for example, to the realization of the inventions high pass circuit according to the invention with two capacitors and a gyrator circuit the frequency response of the frequency response of a high-pass filter second Order corresponds, although three orders (two capacitors and a gyra gate circuit) are available.
Die Erfindung betrifft auch eine Verstärkerschaltung, eine Sende- und eine Empfän gervorrichtung, die eine beschriebene erfindungsgemäße Hochpassschaltung aufweisen. Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Hochpassschaltung in Schaltungen für Audio-Übertragung, z. B. in drahtlosen Mikrofonen, eingesetzt werden. Auch in Niederfrequenzbaugruppen, die besonders rauscharm sein sollen, läßt sich die erfindungsgemäße Hochpassschaltung vorteilhaft einsetzen.The invention also relates to an amplifier circuit, a transmitter and a receiver device that described a high-pass circuit according to the invention exhibit. The high-pass circuit according to the invention can preferably be used in circuits for audio transmission, e.g. B. in wireless microphones. It can also be used in low-frequency modules that are said to be particularly low-noise use the high-pass circuit according to the invention advantageously.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1, 2 bekannte Hochpassschaltungen, Fig. 1, 2-known high-pass circuits,
Fig. 3 bis 6 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gyratorschaltung, FIGS. 3 to 6 different embodiments of the gyrator circuit according to the invention,
Fig. 7 eine erfindungsgemäße Gyratorschaltung mit einem Darling tontransistor, Shows a gyrator circuit according to the invention tontransistor. 7 with a Darling,
Fig. 8 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochpass schaltung, Fig. 8 circuit an embodiment of a high-pass filter according to the invention,
Fig. 9 einen Frequenzgang der Hochpassschaltung gemäß Fig. 8, und Fig. 9 shows a frequency response of the high pass circuit shown in Fig. 8, and
Fig. 10 den Verlauf der Rauschspannungsdichte einer Hochpass schaltung gemäß Fig. 8. Fig. 10 shows the course of the noise voltage density of a high-pass circuit according to Fig. 8.
Fig. 1 zeigt eine bekannte Hochpassschaltung, die einen Kondensator C1 und eine Parallelschaltung aus einer Spule L1 und einem Widerstand R1 aufweist. Aus einem am Eingang anliegenden von einer Wechselspannungsquelle V1 gelieferten Wech selspannung werden durch diese Schaltung die unterhalb einer Grenzfrequenz, die durch die Dimensionierung der Bauelemente bestimmt ist, liegenden Frequenzen herausgefiltert. Nachteilig ist bei dieser Hochpassschaltung, dass eine große und relativ teure Spule verwendet werden muss, was in der Praxis häufig vermieden werden soll. Fig. 1 shows a known high-pass circuit including a capacitor C1 and a parallel circuit of a coil L1 and a resistor R1. This circuit filters out the frequencies below a cutoff frequency, which is determined by the dimensioning of the components, from an AC voltage supplied by an AC voltage source V1 at the input. The disadvantage of this high-pass circuit is that a large and relatively expensive coil must be used, which should often be avoided in practice.
Eine weitere bekannte Hochpassschaltung ist in Fig. 2 gezeigt, die als aktives Element einen Operationsverstärker O aufweist. Zwar wird dabei aber die Ver wendung von Spulen vermieden, eine solche Hochpassschaltung zeigt jedoch ein erhebliches Rauschen aufgrund der Vielzahl von Halbleitern und Widerständen innerhalb des Operationsverstärkers O. A further known high-pass circuit is shown in FIG. 2, which has an operational amplifier O as the active element. The use of coils is avoided, however, such a high-pass circuit shows considerable noise due to the large number of semiconductors and resistors within the operational amplifier O.
Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gyratorschaltung für eine Hochpassschaltung ist in Fig. 3 gezeigt. Dabei ist im Gegenkopplungspfad von dem Basisanschluss B zum Emitteranschluss E des Transistors T eine Serienschaltung aus einer Kapazität C4 und einem Widerstand R4 angeordnet. Außerdem liegt zwischen dem Basisanschluss B und dem Mittenpunkt M dieser Serienschaltung ein Widerstand R5, der zusammen mit einem weiteren Widerstand R6 zwischen dem Basisanschluss B und dem Kollektoranschluss K des Transistors T der Einstellung des Gleichspannungsarbeitspunktes des Transistors T dient. Ein weiterer Wider stand R7 der zwischen einer Versorgungsspannung V2 und dem Kollektoranschluss K anliegt, dient der Bestimmung des Gleichstromarbeitspunktes des Transistors T. Das Ausgangssignal, d. h. die Induktivität L(jw), dieser Gyratorschaltung wird am Kollektoranschluss K des Transistors T abgegriffen.A first embodiment of a gyrator circuit according to the invention for a high-pass circuit is shown in FIG. 3. A series circuit comprising a capacitor C4 and a resistor R4 is arranged in the negative feedback path from the base terminal B to the emitter terminal E of the transistor T. In addition, there is a resistor R5 between the base connection B and the center point M of this series circuit, which together with a further resistor R6 between the base connection B and the collector connection K of the transistor T serves to set the DC operating point of the transistor T. Another opponent was R7 between a supply voltage V2 and the collector terminal K, serves to determine the DC operating point of the transistor T. The output signal, ie the inductance L (jw), this gyrator circuit is tapped at the collector terminal K of the transistor T.
Der Widerstand R4 dient der Gegenkopplung und reduziert das Rauschen und die Nichtlinearität der Gyratorschaltung. Die Kapazität C4 wird bei dieser Schaltung durch den Transistor T in eine Induktivität L gespiegelt.Resistor R4 is used for negative feedback and reduces noise and Non-linearity of the gyrator circuit. The capacitance C4 is in this circuit mirrored by the transistor T in an inductance L.
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gyratorschaltung ist in Fig. 4 gezeigt. Anders als bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform liegt der Widerstand R5 vom Basisanschluss B gegen das als Bezugspotential dienende Massepotential an. Außerdem ist der Widerstand R7 direkt am Emitteranschluss E des Transistors T gegen Masse angeschlossen. Die Signalauskopplung erfolgt bei dieser Schaltungsvariante am Mittenpunkt M der im Gegenkopplungspfad liegenden Serienschaltung, was hinsichtlich der Unterdrückung von Brummen und Rauschen der Betriebsspannung vorteilhaft ist.Another embodiment of a gyrator circuit according to the invention is shown in FIG. 4. In contrast to the embodiment shown in FIG. 3, the resistance R5 from the base connection B is applied to the ground potential serving as the reference potential. In addition, the resistor R7 is connected directly to the emitter terminal E of the transistor T to ground. In this circuit variant, the signal is coupled out at the center M of the series circuit located in the negative feedback path, which is advantageous with regard to the suppression of hum and noise in the operating voltage.
Die Signalauskopplung bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform erfolgt eben falls an diesem Mittenpunkt M. Der der Einstellung des Gleichspannungsarbeits punktes dienende Widerstand R5 ist jedoch direkt zwischen Basisanschluss B und Emitteranschluss E des Transistors T angeschlossen, und der Widerstand R7 liegt von diesem Mittenpunkt M gegen Masse. The signal decoupling in the embodiment shown in FIG. 5 also takes place at this center point M. However, the resistor R5 serving for setting the DC voltage operating point is connected directly between base connection B and emitter connection E of transistor T, and the resistor R7 lies from this center point M. against mass.
Gegenüber dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der Widerstand R5 bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel vom Basisanschluss B wiederum direkt gegen Masse, wodurch die erwähnte Unterdrückung von Brummen und Rauschen der Betriebsspannung erzielt werden kann.Compared to the exemplary embodiment shown in FIG. 5, the resistor R5 in the exemplary embodiment shown in FIG. 6 is again directly connected to ground from the base connection B, as a result of which the aforementioned suppression of hum and noise of the operating voltage can be achieved.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform einer Gyratorschaltung, bei der ausgehend von der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform der Transistor T durch eine Darlington schaltung D ersetzt ist, die zwei Transistoren T1 und T2 aufweist, wobei der Basisanschluss B2 des zweiten Transistors T2 mit dem Kollektoranschluss K1 des ersten Transistors T1 und der Kollektoranschluss K2 des zweiten Transistors T2 mit dem Emitteranschluss E1 des ersten Transistors T1 verbunden sind. Der Emitteranschluss E2 des zweiten Transistors T2 ist mit einer Versorgungsspannung V2 verbunden. Außerdem liegt ein Widerstand R8 zwischen dem Emitteranschluss E2 und dem Basisanschluss B2 des Transistors T2. Durch die Verwendung dieser Darlingtonschaltung läßt sich eine weitere Reduktion des Klirrfaktors und der Intermodulation erreichen. Fig. 7 shows an embodiment of a gyrator circuit in which, starting from the embodiment shown in Fig. 5, the transistor T is replaced by a Darlington circuit D which has two transistors T1 and T2, the base terminal B2 of the second transistor T2 with the collector terminal K1 of the first transistor T1 and the collector terminal K2 of the second transistor T2 are connected to the emitter terminal E1 of the first transistor T1. The emitter terminal E2 of the second transistor T2 is connected to a supply voltage V2. In addition, there is a resistor R8 between the emitter terminal E2 and the base terminal B2 of the transistor T2. By using this Darlington circuit, a further reduction in the harmonic distortion and the intermodulation can be achieved.
Eine erfindungsgemäße Hochpassschaltung mit einer Gyratorschaltung, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, ist in Fig. 8 dargestellt. Diese weist eine erste Kapazität C5, die in Fig. 4 beschriebene Gyratorschaltung G gegen Masse, eine zweite Kapazität C6 und wiederum gegen Masse einen Widerstand R9 auf, an dem das Ausgangs signal abgegriffen wird. Der Frequenzgang und der Verlauf der Rauschspannungs dichte einer solchen Hochpassschaltung in einer praktischen Realisierung sind in den Fig. 9 und 10 gezeigt. Obwohl bei dieser Hochpassschaltung drei Ord nungen, nämlich die beiden Kapazitäten C5 und C6 und die Gyratorschaltung G, vorhanden sind, entspricht der Frequenzgang dieses Hochpassfilters dem Fre quenzgang eines Hochpassfilters zweiter Ordnung.A high-pass circuit according to the invention with a gyrator circuit, as shown in FIG. 4, is shown in FIG. 8. This has a first capacitance C5, the gyrator circuit G to ground described in FIG. 4, a second capacitance C6 and again to ground a resistor R9, from which the output signal is tapped. The frequency response and the course of the noise voltage density of such a high-pass circuit in a practical implementation are shown in FIGS. 9 and 10. Although there are three orders in this high-pass circuit, namely the two capacitances C5 and C6 and the gyrator circuit G, the frequency response of this high-pass filter corresponds to the frequency response of a second-order high-pass filter.
Mit entsprechender Dimensionierung der Bauelemente der erfindungsgemäßen Hochpassschaltung kann ein rauscharmer Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 80 Hz zur Unterdrückung von Windgeräuschen modelliert werden. Dieser Filter kann in einem dynamischen Mikrofon zur drahtlosen Audio-Übertragung eingesetzt werden, ohne dass bei einem solchen Mikrofon mit 200 Ohm Schwingspule der Signal-Rauschabstand verschlechtert wird. Eine solche Schwingspule rauscht thermisch mit nur 1,8 nV/√Hz. Die Frequenzgänge solcher erfindungsgemäßer Hochpassschaltungen sind nahezu jeweils gleich dem Frequenzgang eines LC- Hochpasses zweiter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 80 Hz und einer Überhö hung bei 180 Hz von ca. 0,5 dB. Je nach konkreter Realisierung der Schaltungs anordnungen unterscheiden sich diese im wesentlichen in der Unterdrückung von Restwelligkeit der Betriebsspannung und dem Klirrfaktor.With appropriate dimensioning of the components of the invention High pass circuit can be a low noise high pass filter with a cutoff frequency of 80 Hz to suppress wind noise. This filter can be used in a dynamic microphone for wireless audio transmission without using a microphone with a 200 ohm voice coil Signal-to-noise ratio deteriorates. Such a voice coil rustles thermal with only 1.8 nV / √Hz. The frequency responses of such according to the invention High pass circuits are almost identical to the frequency response of an LC Second-order high-pass filter with a cut-off frequency of 80 Hz and a high pass hung at 180 Hz of approx. 0.5 dB. Depending on the specific implementation of the circuit Arrangements differ essentially in the suppression of Ripple of the operating voltage and the distortion factor.
Durch die Erfindung kann ein Hochpassfilter mit einer Rauschspannung von 0,35 nV/√Hz (bei 3 kHz) realisiert werden, das also nahzu rauschfrei arbeitet. Die maximale Eingangsspannung für 1% Klirrfaktor liegt dabei bei 3,4 Vss Betriebs spannung. Der Dynamikbereich eines solchen Hochpassfilters liegt dabei bei ca. 150 dB, womit folglich einer Verbesserung um mindestens 20 dB gegenüber bekannten Operationsverstärkerschaltungen erzielt wird.The invention allows a high-pass filter with a noise voltage of 0.35 nV / √Hz (at 3 kHz) can be realized, which works almost noise-free. The maximum input voltage for 1% distortion factor is 3.4 Vpp operating tension. The dynamic range of such a high-pass filter is approx. 150 dB, which is an improvement of at least 20 dB known operational amplifier circuits is achieved.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Hinsicht lich der konkreten Ausgestaltung der Hochpassschaltung, insbesondere auch der Gyratorschaltung, und hinsichtlich der Dimensionierung sind zahlreiche Varianten denkbar, die von der Erfindung umfasst sein sollen.The invention is not restricted to the embodiments shown. Terms Lich the specific design of the high-pass circuit, especially the Gyrator circuit, and in terms of dimensioning, there are numerous variants conceivable, which should be encompassed by the invention.
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