DE10234686B4

DE10234686B4 - Filterschaltung

Info

Publication number: DE10234686B4
Application number: DE10234686A
Authority: DE
Inventors: Martin Handtmann; Hans-Jörg Dr. Timme; Robert Dr. Aigner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2022-07-31
Also published as: DE10234686A1

Abstract

Filterschaltung zur Umwandlung eines symmetrischen/unsymmetrischen Signals in ein unsymmetrisches/symmetrisches Signal, mit
ersten Resonatoren (R_s1, R_s2; R_s21, R_s22) mit einer festgelegten ersten Resonanzfrequenz;
zweiten Resonatoren (R_p1, R_p2; R_p21, R_p22) mit einer gegenüber der ersten Resonanz verschobenen zweiten Resonanzfrequenz;
einem Eingang/Ausgang (404, 406) zum Bereitstellen eines unsymmetrischen Signals, wobei ein Anschluss (406) desselben mit einem Bezugspotentialanschluss verbunden ist;
einem Ausgang/Eingang (410, 412) zum Bereitstellen eines symmetrischen Signals;
einer ersten Stufe (I) mit zumindest einem ersten Resonator und mit zumindest einem zweiten Resonator, wobei die erste Stufe (I) mit dem Eingang/Ausgang (404, 406) verbunden ist;
einer zweiten Stufe (II) mit zumindest einem ersten Resonator und mit zumindest einem zweiten Resonator, wobei die zweite Stufe (II) mit dem Ausgang/Eingang (410, 412) verbunden ist; und
einem Übertragerelement (424), das zwischen die erste Stufe (I) und die zweite Stufe (II) geschaltet ist und dieselben miteinander koppelt,
wobei das...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Filterschaltung, insbesondere auf eine Filterschaltung zur Umwandlung von unsymmetrischen Signalen in symmetrische Signale; und hier insbesondere auf eine Filterschaltung, welche BAW-Resonatoren (BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwelle) umfasst. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Filterschaltung mit einer Mehrzahl von BAW-Resonatoren, welche eine Transformation von Impedanz-Pegeln zwischen einem Eingangstor und einem Ausgangstor der Filterschaltung ermöglicht.
Auf Resonatoren basierende HF-Filter, wie beispielsweise BAW-Filter, haben zwei grundsätzliche Topologien, welche anhand der 1 und 2 näher erläutert werden.
Die erste Topologie (siehe 1) ist das sogenannte „Ladder-Filter" (Leiterfilter). Das Ladder-Filter 100 umfasst ein Eingangstor 102 mit einem ersten Eingangsanschluss 104 und einem zweiten Eingangsanschluss 106. Ferner umfasst das Filter 100 ein Ausgangstor 108 mit einem ersten Ausgangsanschluss 110 und einem zweiten Ausgangsanschluss 112. Am ersten Eingangsanschluss 104 des Eingangstors 102 wird ein Eingangssignal EIN empfangen, und am ersten Ausgangsanschluss 110 des Ausgangstores 108 wird ein Ausgangssignal AUS ausgegeben. Bei dem in 1 gezeigten Filter 100 sind zwischen den ersten Eingangsanschluss 104 und den ersten Ausgangsanschluss 110 seriell drei Serienresonatoren R_s1, R_s2 und R_s3 geschaltet. Ferner sind vier Parallelresonatoren R_p1 bis R_p4 vorgesehen. Der erste Parallelresonator R_p1 ist parallel zum Eingangstor 102 geschaltet. Der zweite Parallelresonator R_p2 ist parallel zum ersten Serienresonator R_s1 geschaltet. Der dritte Parallelresonator R_p3 ist parallel zum zweiten Serienresonator R_s2 geschaltet. Der vierte Parallelresonator R_p4 ist parallel zum Ausgangstor 108 sowie parallel zum dritten Serienresonator R_s3 geschaltet. Der zweite Eingangsanschluss 106 sowie der zweite Ausgangsanschluss 112 sind mit einem Bezugspotential 114, z. B. Masse, verbunden. Die Parallelresonatoren R_p1 bis R_p4 sind ebenfalls gegen das Bezugspotential geschaltet. Bei dem in 1 dargestellten herkömmlichen Filter handelt es sich um ein Ladder-Filter mit 3,5 Stufen (den drei Serienresonatoren R_s1 bis R_s3 und den vier Parallelresonatoren R_p1 bis R_p4). Bei dem Ladder-Filter 100 handelt es sich um eine Filterschaltung mit einem einzelnen Eingang EIN und einem einzelnen Ausgang AUS. Das Ladder-Filter ist ein Filter für unsymmetrische Signale.
In 2 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel eines bekannten Lattice-Filters (Brückenfilter) mit zwei Stufen (vier Serienresonatoren und vier Parallelresonatoren) näher erläutert. Bei der Beschreibung der 2 werden ähnliche oder gleiche Bauelemente, die bereits anhand der 1 beschrieben wurden, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das Lattice-Filter 120 empfängt ein symmetrisches Eingangssignal EIN an dem ersten Eingangsanschluss 104 und an dem zweiten Eingangsanschluss 106 des Eingangstors 102, und gibt ein symmetrisches Ausgangssignal AUS am Ausgangstor 108 an den Anschlüssen 110 und 112 aus. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 104 und dem ersten Ausgangsanschluss 110 ist eine Serienschaltung von zwei Serienresonatoren R_s1 und R_s2 vorgesehen. Ebenso ist zwischen dem zweiten Eingangsanschluss 106 und dem zweiten Ausgangsanschluss 112 eine Serienschaltung von zwei Serienresonatoren R_s3 und R_s4 vorgesehen. Zwischen dem ersten Eingangsanschluss 104 und einem zwischen den Serienresonatoren R_s3 und R_s4 angeordneten Knoten 122 ist ein erster Parallelresonator R_p1 geschaltet. Ferner ist zwischen den zweiten Eingangsanschluss 106 und einen zweiten, zwischen dem ersten Serienresonator R_s1 und dem zweiten Serienresonator R_s2 angeordneten Knoten 124 ein zweiter Parallelresonator R_p2 geschaltet. Ferner ist zwischen den zweiten Knoten 124 und den zweiten Ausgangsanschluss 112 ein dritter Parallelresonator R_p3 geschaltet, und zwischen den ersten Knoten 122 und den ersten Ausgangsanschluss 110 ist ein vierter Parallelresonator R_p4 geschaltet. Das in 2 dargestellte Filter 120 ist vollständig differential, d. h., beide Eingangstore 102 und 110 sind symmetrisch (balanced).
Hinsichtlich der anhand der 1 und 2 beschriebenen Filter wird darauf hingewiesen, dass es sich bei den Serienresonatoren und Parallelresonatoren vorzugsweise um BAW-Resonatoren handelt, wobei die Serienresonatoren R_s1 bis R_s4 mit einer vorbestimmten Resonanzfrequenz hergestellt sind. Die Parallelresonatoren R_p1 bis R_p4 sind hinsichtlich der Frequenzeigenschaften im wesentlichen identisch zu den Serienresonatoren, sind jedoch hinsichtlich der Resonanzfrequenz, verglichen mit den Resonanzfrequenzen der Serienresonatoren verstimmt, um so die erwünschte Filterwirkung zu erreichen. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die im Ladder-Filter 100 verwendeten Serienresonatoren und Parallelresonatoren von den im Lattice-Filter 120 verwendeten Serienresonatoren und Parallelresonatoren unterscheiden, insbesondere bei Filterschaltungen mit im wesentlichen gleichen Filtercharakteristiken, aber unterschiedlicher Topologie.
Wie sich aus der obigen Erörterung der 1 und 2 ergibt, existiert bei dem Ladder-Filter 100 lediglich die Möglichkeit, ein unsymmetrisches Eingangssignal zu empfangen, und ein entsprechend unsymmetrisches Ausgangssignal auszugeben. Ebenso ermöglicht das Lattice-Filter 120 lediglich den Empfang eines symmetrischen Eingangssignals und die Ausgabe eines symmetrischen Ausgangssignals.
Es existieren jedoch Anwendungen, bei denen es erforderlich ist, eine Transformation/Umwandlung eines unsymmetrischen Eingangssignals in ein symmetrisches Ausgangssignal durchzuführen. Ferner existieren Anwendungen, bei denen alternativ oder zusätzlich zu der Umwandlung vom unsymmetrischen Signal in ein symmetrisches Signal an den Eingängen und Ausgängen unterschiedliche Torimpedanzen existieren, die ebenfalls gehandhabt werden müssen.
Das herkömmliche Verfahren, um eine entsprechende Umwandlung/Transformation durchzuführen besteht darin, eine Extrakomponente vorzusehen, welche als Symmetrierbauglied (Balun) bezeichnet wird. Das Symmetrierbauglied kann entweder ein magnetischer Übertrager (magnetischer Transformator), eine LC-Schaltung oder eine Streifenleitungsstruktur auf einer gedruckten Schaltungsplatine sein. Bei akustischen Oberflächenwellenfiltern kann eine akustische Symmetrier-Funktion ohne zusätzliche Komponenten implementiert werden, wodurch jedoch das Verhalten des Gesamtfilters erheblich verschlechtert wird. Ferner führt diese Symmetrier-Funktion dazu, dass diese Filter gegenüber elektrostatischen Entladungen sehr empfindlich sind, und ferner werden die Fähigkeiten in der Handhabung von Leistungen drastisch begrenzt.
Im Zusammenhang mit BAW-Filtern sind bisher nur wenige Ansätze vorgeschlagen worden, um eine Umwandlung/Transformation von unsymmetrischen Signalen in symmetrische Signale durchzuführen.
Ein Beispiel zur Umwandlung von unsymmetrischen Signalen in symmetrische Signale besteht darin, die aus 1 und 2 bekannten Filterschaltungen zu kombinieren, also an den Ausgang des Ladder-Filters 100 das Lattice-Filter 120 anzuschließen. Dieser Ansatz hat erhebliche Nachteile für praktische Anwendungen eines solchen Filters. Die gerade beschriebene Anordnung ist insbesondere dahingehend nachteilhaft, dass diese lediglich für „schwebende" (floating) differentielle Lasten herangezogen werden kann, also kein HF-Leckstrom gegen Masse zugelassen ist.
Die DE 695 16 561 T2 betrifft ein symmetrisches akustisches Oberflächenwellenfilter in einer einstufigen oder zweistufigen Ausführung, wobei die zweistufige Ausführung eine Serienschaltung von zwei Filterstufen ist.
Die US-A-2,173,894 beschreibt ein Filter mit variabler Bandbreite, welches Quarzresonatoren verwendet. Das Filter umfasst eine erste Stufe und eine zweite Stufe, welche über einen Transformator miteinander verkoppelt sind. Die zwei Filterstufen umfassen jeweils Quarzkristalle, die durch Kondensatoren überbrückt sind. Die Quarzkristalle haben unterschiedliche Eigenschaften. Die Lattice-Arme der zwei Filterstufen weisen jeweils unterschiedliche Resonatorschaltungen auf.
Steinbuch, K.; Rupprecht, W. beschreiben in "Nachrichtentechnik – eine einführende Darstellung", Berlin [u. a.]: Springer-Verlag 1973, S. 99 bis 102, ISBN: 3-540-06083-9 Umformungen von Filterschaltungen.
Die US-A-5,949,299 beschreibt einen mehrschichtigen balanced-zu-unbalanced Transformator mit Mittenanschluss.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Filterschaltung zu schaffen, die auf einfache Art und Weise herstellbar ist und auf einfache Art und Weise die Umwandlung zwischen symmetrischen und unsymmetrischen Signalen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Filterschaltung nach Anspruch 1 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die oben anhand der bekannten Ansätze dargelegten Probleme gelöst, da erfindungsgemäß auf eine „Mischstruktur" der Filterschaltung hinsichtlich der verwendeten Filtertopologien in den unterschiedlichen Stufen verzichtet wird. Anders als in den bekannten Ansätzen wird keine Mischung aus einer Ladder-Filtertopologie und einer Lattice-Filtertopologie herangezogen. Erfindungsgemäß wird statt dessen eine erste symmetrische Stufe und eine zweite symmetrische Stufe herangezogen, welche jeweils gleiche erste Resonatoren und gleiche zweite Resonatoren verwenden, wobei sich die „Gleichheit" der in den Stufen verwendeten Resonatoren auf die Resonanzfrequenzeigenschaften derselben beziehen.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine solche Filterschaltung auf einfache Art und Weise herstellbar ist, da es nunmehr nicht mehr erforderlich ist drei oder vier unterschiedliche Resonator-Typen mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen auf einem Chip herzustellen. Es ist lediglich erforderlich, zwei unterschiedliche Typen von Resonatoren, nämlich die oben bereits näher beschriebenen Parallelresonatoren und Serienresonatoren, herzustellen, die dann in beiden Stufen verwendet werden. In beiden Filterstufen werden gleiche Resonatoren eingesetzt, wobei die Parallelresonatoren jeweils um den gleichen Betrag gegenüber den Serienresonatoren verstimmt sind.
Die Filterschaltung ist vorzugsweise durch die erste symmetrische Stufe, die zweite symmetrische Stufe und das Übertragerelement gebildet, wobei diese Elemente alle auf einem gemeinsamen Chip/Substrat gebildet sind.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet die Filterschaltung sowohl als erste Stufe als auch als zweite Stufe eine symmetrische Brückenschaltung (Lattice-Filtertopologie), so dass die Vorteile der Lattice-Filtertopologie auch in der Eingangsstufe (erste symmetrische Stufe) der Filterschaltung ausgenutzt werden können.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, sind die einzelnen Resonatoren BAW-Resonatoren, deren Resonanzfrequenz im wesentlichen durch die auf dem Chip abgeschiedene Schichtfolge aus unterer Elektrode, piezoelektrischem Material und oberer Elektrode festgelegt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Filterschaltung besonders vorteilhaft, da hier aufgrund der Verwendung von nur zwei Resonatortypen in den unterschiedlichen Stufen eine einfache Herstellung gewährleistet ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Übertragerelement derart ausgestaltet, dass ein Wicklungsverhältnis desselben derart gewählt ist, um eine Impedanztransformation zwischen einem Eingangsimpedanzpegel und einem Ausgangsimpedanzpegel durchzuführen. Auch hier können hinsichtlich der Resonanzeigenschaften in den zwei Stufen identische BAW-Resonatoren herangezogen werden, die sich lediglich in der Resonatorfläche auf dem Chip unterscheiden, da die Resonatorfläche umgekehrt proportional zur Impedanz ist. Wie oben schon ausgeführt, ist die Resonanzeigenschaft des BAW-Resonators im wesentlichen durch die Schichtfolge bestehend aus unterer Elektrode, piezoelektrischem Material und oberer Elektrode festgelegt (Wahl des Materials, Dicke der einzelnen Schichten, etc.), ist im wesentlichen also unabhängig von einer Fläche des Resonators auf dem Chip.
Gemäß einem wiederum weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Übertragerelement als Differential-Transformator ausgebildet sein, um entweder eine Differential-Transformation ausschließlich in der Eingangsstufe oder sowohl in der Eingangsstufe als auch in der Ausgangsstufe durchzuführen. Der Vorteil der Verwendung eines Differential-Transformators besteht darin, dass hier die ursprüngliche Lattice-Filterkonfiguration durch eine vereinfachte Filterkonfiguration ersetzt werden kann, wobei hier insbesondere eine Mehrzahl von Resonatoren mit einer vorbestimmten Impedanz durch eine niedrigere Anzahl von Resonatoren mit einer höheren Impedanz ersetzt werden können, so dass hier der Flächenbedarf pro Stufe deutlich reduziert werden kann.
Die erfindungsgemäße Filterschaltung wird vorzugsweise zum Umwandeln eines unsymmetrischen Signals in ein symmetrisches Signal bzw. zum Umwandeln eines symmetrischen Signals in ein unsymmetrisches Signal verwendet, wobei zusätzlich eine Impedanztransformation durchführbar ist. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäße Filterschaltung auch für symmetrische Eingangssignale und symmetrische Aus gangssignale mit einem großen Gleichtaktfehler verwendet werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Anmeldung sind in den Unteransprüchen definiert.
Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein bekanntes Ladder-Filter mit 3,5 Stufen und drei Serienresonatoren und vier Parallelresonatoren;
2 ein bekanntes Lattice-Filter mit zwei Stufen und vier Serienresonatoren und vier Parallelresonatoren;
3 ein Beispiel einer Filterschaltung mit einer symmetrischen Eingangsstufe und mit einer symmetrischen Ausgangsstufe;
4 elektrisch äquivalente Brückenschaltungen;
5 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Filterschaltung mit einer Differential-Transformation in der symmetrischen Eingangsstufe; und
6 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Filterschaltung mit einer Differential-Transformation sowohl in der symmetrischen Eingangsstufe als auch in der symmetrischen Ausgangsstufe.
Anhand der 3 wird nachfolgend ein Beispiel einer Filterschaltung näher beschrieben. Dieses Beispiel beschreibt eine Filterschaltung, um ein unsymmetrisches Eingangssignal in ein symmetrisches Ausgangssignal umzuwandeln, wobei die Filterschaltung zwei symmetrische (balanced) Stufen aufweist, die über einen magnetischen Übertrager (magnetischen Transformator) miteinander gekoppelt sind.
Die Filterschaltung ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 400 versehen, und umfasst ein Eingangstor 402, welches einen ersten Eingangsanschluss 404 und einen zweiten Eingangsanschluss 406 aufweist. Ferner umfasst die Filterschaltung 400 ein Ausgangstor 408, welches einen ersten Ausgangsanschluss 410 und einen zweiten Ausgangsanschluss 412 aufweist. Ein unsymmetrisches Eingangssignal EIN liegt am ersten Eingangsanschluss 404 des Eingangstors 402 an, und der zweite Eingangsanschluss 406 des Eingangstors 402 ist mit einem Bezugspotential 414, z. B. Masse, verbunden. Am Ausgangstor 408 liegt das symmetrische Ausgangssignal AUS an den Ausgangsanschlüssen 410 und 412 an. Die Filterschaltung 400 umfasst somit eine erste Stufe I und eine zweite Stufe II, wobei sowohl die erste Stufe I als auch die zweite Stufe II bei dem gezeigten Beispiel symmetrische Stufen sind, die als Lattice-Filtertopologie ausgestaltet sind. Die erste Stufe I umfasst zusätzlich zu den Eingangsanschlüssen 404 und 406 einen ersten Ausgangsanschluss 416 und einen zweiten Ausgangsanschluss 418. Die Stufe II umfasst zusätzlich zu den zwei Ausgangsanschlüssen 410 und 412 einen ersten Eingangsanschluss 420 und einen zweiten Eingangsanschluss 422.
Die Stufe I umfasst zwei Serienresonatoren R_s11 und R_s12. Ferner sind zwei Parallelresonatoren R_p11 und R_p12 vorgesehen. Die Serienresonatoren und die Parallelresonatoren sind im wesentlichen gleich hergestellt, wobei jedoch die Parallelresonatoren gegenüber den Serienresonatoren verstimmt sind, also deren Resonanzfrequenz um einen vorbestimmten Betrag von der Resonanzfrequenz der Serienresonatoren verschoben sind. Bei dem in 3 dargestellten Beispiel ist der erste Serienresonator R_s11 zwischen den ersten Eingangsanschluss 104 und den ersten Ausgangsanschluss 416 der Stufe I geschaltet. Der zweite Serienresonator R_s12 ist zwischen den zweiten Eingangsanschluss 406 und den zweiten Ausgangsanschluss 418 der Stufe I geschaltet. Der erste Parallelresonator R_p11 ist zwischen den Eingangsanschluss 404 und den zweiten Ausgangsanschluss 418 der Stufe I geschaltet. Der zweite Parallelresonator R_p12 ist zwischen den zweiten Eingangsanschluss 406 und den ersten Ausgangsanschluss der Stufe I geschaltet.
Ähnlich wie die Stufe I enthält auch die Stufe II zwei Serienresonatoren R_s21 und R_s22, sowie zwei Parallelresonatoren R_p21 und R_p22. Der erste Serienresonator R_s11 der Stufe II ist zwischen den zweiten Eingangsanschluss 422 der Stufe II und den ersten Ausgangsanschluss 410 geschaltet. Der zweite Serienresonator R_s22 ist zwischen den ersten Eingangsanschluss 420 der Stufe II und den zweiten Ausgangsanschluss 412 geschaltet. Der erste Parallelresonator R_p21 ist zwischen den ersten Eingangsanschluss der Stufe II und den ersten Ausgangsanschluss 410 geschaltet. Der zweite Parallelresonator R_p22 ist zwischen den zweiten Eingangsanschluss 422 der Stufe I und dem zweiten Ausgangsanschluss 412 geschaltet.
Die Serienresonatoren in der ersten Stufe I und die Serienresonatoren in der zweiten Stufe II sind im wesentlichen baugleich, zumindest hinsichtlich des Frequenzverhaltens derselben. Ebenso sind die Parallelresonatoren der zwei Stufen I und II zumindest hinsichtlich des Frequenzverhaltens baugleich.
Die Resonatoren der Filterschaltung 400 können durch BAW-Resonatoren gebildet sein, und bei einem solchen Beispiel sind die Serienresonatoren der zwei Filterstufen I und II durch identische Schichtfolgen, bestehend aus unterer Elektrode, piezoelektrischem Material und obere Elektrode gebildet, wobei sich die Identität hierbei auf die Schichtfolge, die verwendeten Materialien und Dicken etc. der einzelnen Schichten bezieht. Gleiches gilt für die Parallelresonatoren, die lediglich aufgrund geringfügiger Unterschiede der einzelnen gerade genannten Parameter eine Verstimmung hinsichtlich deren Resonanzfrequenz gegenüber den Serienresonatoren auf weisen. Die Parallelresonatoren in den zwei Stufen sind ebenfalls identisch.
Zwischen der ersten Stufe I und der zweiten Stufe II ist ein magnetischer Übertrager 424 angeordnet. Der magnetische Übertrager 424 umfasst eingangsstufenseitig eine Primärwicklung 426 und ausgangsstufenseitig eine Sekundärwicklung 428. Die Primärwicklung 426 ist zwischen den ersten und den zweiten Ausgangsanschluss 416, 418 der Eingangsstufe I geschaltet, und die Sekundärwicklung 428 des Übertragers 424 ist zwischen den ersten Eingangsanschluss und den zweiten Eingangsanschluss der Ausgangsstufe II geschaltet, so dass eine Kopplung der ersten Stufe I und der zweiten Stufe II bewirkt wird. Bei einem alternativen Beispiel, welches in 3 gezeigt ist, umfasst die Sekundärwicklung 428 einen Mittenanschluss 430, der mit dem Bezugspotential, z. B. Masse, verbunden ist. Hierdurch wird die Sekundärwicklung in eine erste Sekundärwicklung 428a und eine zweite Sekundärwicklung 428b unterteilt.
Die in 3 gezeigte Filterschaltung 400 ist vorzugsweise auf einem gemeinsamen Chip gebildet, so dass die Resonatoren der ersten Stufe, die Resonatoren der zweiten Stufe, der Übertrager sowie die erforderlichen Verbindungsleitungen gemeinsam auf diesem Chip gebildet sind.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel einer Filterschaltung werden zwei Lattice-Stufen I und II über den On-Chip-Transformator (On-Chip-Übertrager) 424 miteinander gekoppelt. Die erste Stufe I umfasst die Primärwicklung 426 des Übertragers 424 als Last, welche praktisch „schwebend" (floating) ist. Aus diesem Grund arbeitet diese Lattice-Stufe I ordnungsgemäß und hat die Verhaltensvorteile, die normalerweise bei dieser Topologie gegenüber Ladder-Filtern angetroffen wird. Die Verbesserungen bestehen in einer verbesserten Sperrbanddämpfung, in geringeren Einfügungsverlusten, sowie in einem breiteren Durchlassband.
Der Übertrager 424 blockiert fast vollständig die Gleichtaktsignale und erzeugt ein symmetrisches Signal an dessen sekundärer Windung 428. Wie erwähnt, kann ein Mittelanschluss 430 vorgesehen sein, der mit der Sekundärwindung verbunden ist, wodurch die Effekte von parasitären Streukapazitäten reduziert werden.
Die zweite Lattice-Stufe II wird verwendet, um die Steilheit des Übergangs vom Durchlassband zum Sperrband zu verbessern und um gleichzeitig eine zusätzliche Sperrbanddämpfung zu erhalten.
Hinsichtlich des anhand der 3 beschriebenen Beispiels wird darauf hingewiesen, dass jede der zwei Stufen I und II ferner modifiziert werden könnte, um Kerben in einem Bereich zwischen dem Durchlassband und dem Sperrband des Filters zu erzeugen, was durch die Verwendung von leicht unterschiedlichen Flächen für die Serienresonatoren und die Parallelresonatoren erreicht werden kann.
Gemäß einem weiteren Beispiel ist es möglich, mit der anhand der 3 beschriebenen Filterschaltung eine Impedanztransformation durchzuführen. Wenn eine Eingangsimpedanz und eine Ausgangsimpedanz am Eingangstor 402 und am Ausgangstor 408 unterschiedlich sind, kann mittels der Filterschaltung 400 eine entsprechende Impedanztransformation unter Verwendung des Übertragers 424 durchgeführt werden, indem der Übertrager derart ausgestaltet wird, dass dieser ein geeignetes Wicklungsverhältnis für die primäre Wicklung und die sekundäre Wicklung aufweist. Als eine Folge der unterschiedlichen Impedanzen in den zwei Stufen I und II sind auch die Flächen der verwendeten Resonatoren in den jeweiligen Stufen unterschiedlich.
Obwohl die Filterschaltung gemäß 3 für die Impedanzwandlung von unterschiedlichen Eingangs- und Ausgangsimpedanzen mit geringer Differenz geeignet ist, kann es bei großen Impedanzunterschieden zu Problemen kommen, da es allgemein schwierig und problematisch ist, sehr kleine und sehr große Resonatoren auf dem gleichen Chip anzuordnen. In dieser Situation ist es angeraten, anstelle der in 3 dargelegten Struktur die nachfolgend anhand der 5 oder anhand der 6 beschriebene Schaltungsanordnung zu verwenden: Unter Verwendung der in 4 wiedergegebenen äquivalenten Schaltbilder für eine symmetrische Brückenschaltung (linke Abbildung), eine Gabelschaltung (mittlere Abbildung) und eine Differentialbrückenschaltung (rechte Abbildung), welche auf dem Gebiet der Elektrotechnik gut bekannt sind, wird die in 3 dargestellte erste Stufe I, welche eine symmetrische Brückenschaltung ist, in eine Differential-Brückenschaltung gemäß der rechten Abbildung in 4 umgewandelt.
Die sich ergebende Struktur ist in 5 gezeigt, wobei hier bereits anhand der 3 beschriebene Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Wie aus einem Vergleich mit 3 zu erkennen ist, ist die zweite Stufe II im wesentlichen unverändert geblieben, lediglich die Stufe I, welche in 3 als symmetrische Brückenschaltung dargestellt war, wurde, entsprechend 4, durch eine äquivalente Schaltung ersetzt, welchen einen Differential-Übertrager (Differential-Transformator) umfasst. Der Transformator 424 umfasst nun eingangsstufenseitig eine erste Primärwicklung 426a und eine zweite Primärwicklung 426b. Die Eingangsstufe I umfasst lediglich einen Serienresonator R_s1 und lediglich einen Parallelresonator R_p1, wobei der Serienresonator R_s1 zwischen den Eingangsanschluss 404 des Eingangstors und einen ersten Anschluss der ersten Primärwicklung 426a geschaltet ist. Der Parallelresonator R_p1 ist zwischen den Eingangsanschluss 404 des Eingangstores und einen ersten Anschluss der zweiten Primärwicklung 426b geschaltet. Der zweite Eingangsanschluss 406 des Eingangstores ist mit einem zweiten Anschluss der ersten Primärwicklung 426a und mit einem zweiten Anschluss der zweiten Primärwicklung 426b verschaltet.
Wie 5 in Verbindung mit 3 und 4 zu entnehmen ist, wird bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass jegliche symmetrische Brückenstruktur durch eine äquivalente Schaltung ersetzt werden kann, die einen Differential-Transformator umfasst, wie dies anhand der 4 dargestellt ist. Nachdem der Übertrager (Transformator) in jedem Fall für die Umwandlung gemäß 3 erforderlich ist, bedeutet der Ersatz des Übertragers gemäß 2 durch einen Differential-Transformator keinen zusätzlichen Aufwand.
Unter Verwendung der in 4 dargestellten Äquivalenzen kann gezeigt werden, dass die zwei Resonatoren R_p11 und R_p12 mit der jeweiligen Impedanz Z_parallel, und die zwei Resonatoren R_s11 und R_s12 mit der jeweiligen Impedanz Z_seriell durch lediglich einen Resonator R_s1 und R_p1 ersetzt werden können, wobei der Parallelresonator R_p1 die doppelte Impedanz (zweimal Z_pa _{rallel) verglichen
mit den Parallelresonatoren aus Stufe I in} 3 aufweist. Der Serienresonator R_s1 hat ebenfalls eine Impedanz von zwei mal Z_seriell, also dem Doppelten der Impedanz eines der Serienresonatoren wie in 3. Da die Impedanz eines BAW-Resonators umgekehrt proportional zu dessen Resonatorfläche ist, lässt sich durch das Ausführungsbeispiel gemäß 5 die Gesamtfläche der Resonatoren der Stufe I gegenüber der Gesamtfläche der Resonatoren der Stufe I wie sie in 3 gezeigt sind, um den Faktor 4 reduzieren. Die in 5 dargestellte Konfiguration ist insbesondere für solche Filterschaltungen geeignet, bei denen zwischen der Eingangsimpedanz und der Ausgangsimpedanz ein großer Unterschied besteht, verglichen mit der Filterschaltung gemäß 3 wird das Flächenverhältnis zwischen dem größten Resonator und dem kleinsten Resonator auf dem Chip um einen Faktor von etwa 2 verbessert. Es ist vorteilhaft, den Differential-Transformator am niederimpedanten Anschluss oder Tor des Filters vorzusehen, also in der Konfiguration wie es in 5 gezeigt ist, sofern der Pegel der Eingangsimpedanz niedriger ist als der Pegel der Ausgangsimpedanz am Ausgangstor 408. Das Resonanzverhalten der Resonatoren ist gegenüber 3 im wesentlichen unverändert.
Anhand der 6 wird nachfolgend ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert, bei dem zusätzlich zu dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel auch die zweite Stufe II, welche noch als symmetrische Brückenstruktur ausgebildet war, durch eine entsprechende äquivalente Schaltung mit einem Differential-Transformator ersetzt wurde. In 6 sind diejenigen Elemente, die bereits in den vorhergehenden Figuren beschrieben wurden, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie zu erkennen ist, entspricht die Stufe I gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 6 der Stufe I, die anhand der 5 beschrieben wurde. In der Stufe II wurden, ähnlich wie es oben anhand der 5 in Bezug auf die Stufe I beschrieben wurde, die zwei Serienresonatoren R_s21 und R_s22 durch einen Serienresonator R_s2 mit der doppelten Impedanz ersetzt. Ebenso wurden die Parallelresonatoren R_p21 und R_p22 durch einen Parallelresonator R_p2 mit der doppelten Impedanz ersetzt. Ähnlich wie bei der Stufe I wurde der Übertrager 424 nun auch ausgangsstufenseitig derart ausgebildet, dass derselbe eine erste Sekundärwicklung 428a und eine zweite Sekundärwicklung 428b umfasst. Der Parallelresonator R_p2 ist zwischen einen ersten Anschluss der ersten Sekundärwicklung 428a und zwischen den ersten Ausgangsanschluss 410 des Ausgangstors 408 geschaltet. Der Serienresonator Rs2 ist zwischen einen ersten Anschluss der zweiten Sekundärwicklung 428b und den ersten Ausgangsanschluss 410 geschaltet. Der zweite Ausgangsanschluss 412 ist mit einem zweiten Anschluss der ersten Sekundärwicklung 428a und mit einem zweiten Anschluss der zweiten Sekundärwicklung 428b verbunden.
Die in 6 dargestellte Schaltung führt bezüglich beider Tore, dem Eingangstor 402 und dem Ausgangstor 408 eine Differential-Transformation vor. In beiden Stufen I und II ergibt sich verglichen mit der Schaltung gemäß 3 eine Einsparung an Resonatorfläche um einen Faktor von etwa 4. Dies ist insbesondere für Filter von Interesse, welche bei Frequenzen von unterhalb 1,7 GHz arbeiten, oder für Filter, deren Impedanzen viel niedriger als 50 Ohm sind, da in diesen Fällen die Chipfläche normalerweise durch die Resonatorgröße dominiert wird.
Die anhand der 3, 5 und 6 beschriebenen Filterschaltungen umfassen eine Eingangsstufe I, welche ein unsymmetrisches Eingangssignal empfängt, sowie eine Ausgangsstufe II, welche ein symmetrisches Ausgangssignal abgibt. Es wird jedoch an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die in 3, 5 und 6 gezeigten Filterschaltungen eben so gut arbeiten, wenn das Eingangssignal ein symmetrisches Signal oder ein teilweise symmetrisches Signal mit einem großen Gleichtaktfehler ist. In diesem Fall ist es ausreichend, die in 3, 5 und 6 gezeigte Verbindung des ersten Anschlusses 406 des Eingangstores 402 mit dem Bezugspotential (Masse) zu lösen und statt dessen die zweite Signalleitung dort anzuschließen.
Hinsichtlich der obigen Beschreibung wird darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Eingänge und Ausgänge grundsätzlich austauschbar sind. Dies bedeutet, dass die Richtung des Signalflusses umgekehrt werden können. Daher sind alle Strukturen sowohl dazu geeignet, eine unsymmetrische Signalquelle und eine symmetrische Last oder eine unsymmetrische Last und eine symmetrische Signalquelle zu verwenden. Die Position der Mittelabgriffe der Übertragerwicklungen kann für einen inversen Betriebsmodus geändert werden.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass diese, im Gegensatz zum Stand der Technik, einen miniaturisierten magnetischen Transformator als Zwischenstufenelement zwischen symmetrischen Filterstufen verwendet, wodurch Gleichtaktsignale abgeblockt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zumindest in einer Stufe eine Differential-Transformation durchgeführt, wodurch sich erhebliche Flächeneinsparungen bei der Anordnung der Elemente auf einer Chipfläche ergeben, und gleichzeitig eine vereinfachte Impedanztransformation durchgeführt werden kann.
Die vorliegende Anmeldung wurde oben anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen BAW-Resonatoren verwendet wurden. Die vorliegende Anmeldung ist jedoch nicht auf die Verwendung von BAW-Resonatoren beschränkt, sondern kann allgemein auf Filterschaltungen mit mehreren Resonatoren angewandt werden, wobei hier insbesondere auch SAW-Resonatoren, Leitungsresonatoren, Resonatoren aus konzentrierten Bauelementen, etc. in Betracht kommen.
Die oben beschriebenen Filterschaltungen umfassten jeweils zwei Stufen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt. Zusätzlich zu den beschriebenen Stufen können bei den erfindungsgemäßen Filterschaltungen eine oder mehrere Stufen eingangsseitig und/oder ausgangsseitig vorgesehen sein. Diese weiteren Stufen können mit den übrigen Stufen durch einfaches Verbinden derselben und/oder über Übertrager gekoppelt sein.

100: Ladder-Filter
102: Eingangstor
104: erster Eingangsanschluss
106: zweiter Eingangsanschluss
108: Ausgangstor
110: erster Ausgangsanschluss
112: zweiter Ausgangsanschluss
114: Bezugspotential
120: Lattice-Filter
122: Knoten
124: Knoten
400: Filterschaltung
402: Eingangstor
404: erster Eingangsanschluss
406: zweiter Eingangsanschluss
408: Ausgangstor
410: erster Ausgangsanschluss
412: zweiter Ausgangsanschluss
414: Bezugspotential
416: erster Ausgangsanschluss der Stufe I
418: zweiter Ausgangsanschluss der Stufe II
420: erster Eingangsanschluss der Stufe II
422: zweiter Eingangsanschluss der Stufe II
424: Übertrager
426: Primärwicklung
426a: erste Primärwicklung
426b: zweite Primärwicklung
428: Sekundärwicklung
428a: erste Sekundärwicklung
428b: zweite Sekundärwicklung
430: Mittenanschluss
I: erste symmetrische Stufe
II: zweite symmetrische Stufe
EIN: Eingangssignal
AUS: Ausgangssignal
R_s1, R_s2, R_s3, R_s4: Serienresonatoren
R_p1, R_p2, R_p3, R_p4: Parallelresonatoren
R_s11, R_s12, R_s21, R_s22: Serienresonatoren
R_p11, R_p12, R_p21, R_p22: Parallelresonatoren

Claims

Filterschaltung zur Umwandlung eines symmetrischen/unsymmetrischen Signals in ein unsymmetrisches/symmetrisches Signal, mit ersten Resonatoren (R_s1, R_s2; R_s21, R_s22) mit einer festgelegten ersten Resonanzfrequenz; zweiten Resonatoren (R_p1, R_p2; R_p21, R_p22) mit einer gegenüber der ersten Resonanz verschobenen zweiten Resonanzfrequenz; einem Eingang/Ausgang (404, 406) zum Bereitstellen eines unsymmetrischen Signals, wobei ein Anschluss (406) desselben mit einem Bezugspotentialanschluss verbunden ist; einem Ausgang/Eingang (410, 412) zum Bereitstellen eines symmetrischen Signals; einer ersten Stufe (I) mit zumindest einem ersten Resonator und mit zumindest einem zweiten Resonator, wobei die erste Stufe (I) mit dem Eingang/Ausgang (404, 406) verbunden ist; einer zweiten Stufe (II) mit zumindest einem ersten Resonator und mit zumindest einem zweiten Resonator, wobei die zweite Stufe (II) mit dem Ausgang/Eingang (410, 412) verbunden ist; und einem Übertragerelement (424), das zwischen die erste Stufe (I) und die zweite Stufe (II) geschaltet ist und dieselben miteinander koppelt, wobei das Übertragerelement (424) eine erste Primärwicklung (426a) und eine zweite Primärwicklung (426b) aufweist, um in der ersten Stufe (I) eine Differential-Transformation zu bewirken, wobei die erste Stufe (I) ein Eingangstor mit einem ersten Anschluss (404) und mit einem zweiten Anschluss (406) aufweist, wobei zwischen den ersten Anschluss (404) des Eingangstores und einen ersten Anschluss der ersten Primärwicklung (426a) ein erster Resonator (R_s1) geschaltet ist, wobei zwischen den ersten Anschluss (404) des Eingangstores und einen ersten Anschluss der zweiten Primärwicklung (426b) ein zweiter Resonator (R_p1) geschaltet ist, wobei der zweite Anschluss (406) des Eingangstores mit einem Knoten verbunden ist, der mit einem zweiten Anschluss der ersten Primärwicklung (426a) und mit einem zweiten Anschluss der zweiten Primärwicklung (426b) verbunden ist.
Filterschaltung nach Anspruch 1, bei der die zweite Stufe (II) eine symmetrische Brückenschaltung mit einem ersten Tor (420, 422) und mit einem zweiten Tor (408, 410, 412) als der Ausgang/Eingang ist.
Filterschaltung nach Anspruch 2, bei der in der zweiten symmetrischen Brückenschaltung (II) ein erster Resonator (R_s22) zwischen einem ersten Anschluss (420) des ersten Tores und einem ersten Anschluss (412) des zweiten Tores, ein erster Resonator (R_s21) zwischen einen zweiten Anschluss (422) des ersten Tores und einen zweiten Anschluss (410) des zweiten Tores, ein zweiter Resonator (R_p21) zwischen den ersten Anschluss (420) des ersten Tores und den zweiten Anschluss (410) des zweiten Tores, und ein zweiter Resonator (R_p21) zwischen dem zweiten Anschluss (422) des ersten Tores und den ersten Anschluss (412) des zweiten Tores geschaltet ist.
Filterschaltung nach Anspruch 1, bei der das Übertragerelement (424) eine erste Sekundärwicklung (428a) und eine zweite Sekundärwicklung (428b) aufweist, um in der zweiten Stufe (II) eine Differential-Transformation zu bewirken, wobei die zweite Stufe (II) ein Ausgangstor (408) mit einem ersten Anschluss (410) und mit einem zweiten Anschluss (412) aufweist, wobei zwischen einen ersten Anschluss der ersten Sekundärwicklung (428a) und dem ersten Anschluss (410) des Ausgangstores (408) ein erster Resonator (R_p2) geschaltet ist, wobei zwischen einen ersten Anschluss der zweiten Sekundärwicklung (428b) und den ersten Anschluss (410) des Ausgangstores (408) ein zweiter Resonator (R_s2) geschaltet ist, wobei ein Knoten, der mit einem zweiten Anschluss der ersten Sekundärwicklung (428a) und mit einem zweiten Anschluss der zweiten Sekundärwicklung (428b) verbunden ist, mit dem zweiten Anschluss (412) des Ausgangstores (408) verbunden ist.
Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Übertragerelement (424) einen Mittenanschluss aufweist, der mit einem Bezugspotential verbunden ist.
Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der ein Eingangstor der Filterschaltung eine erste Impedanz aufweist, und ein Ausgangstor (408) der Filterschaltung eine zweite Impedanz, die sich von der ersten Impedanz unterscheidet, aufweist, ein Wicklungsverhältnis des Übertragerelements (424) eingestellt ist, um eine Impedanztransformation von der ersten Impedanz zu der zweiten Impedanz zu bewirken, die ersten Resonatoren (R_s1) und die zweiten Resonatoren (R_p1) in der ersten Stufe (I) eine erste Fläche entsprechend der ersten Impedanz aufweisen, und die ersten Resonatoren (R_s21, R_s22) und die zweiten Resonatoren (R_p21, R_p22) in der zweiten Stufe (II) eine zweite Fläche entsprechend der zweiten Impedanz aufweisen, wobei die erste Fläche und die zweite Fläche unterschiedlich sind.
Filterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die erste Stufe (I), die zweite Stufe (II) und das Übertragerelement (424) auf einem gemeinsamen Chip gebildet sind.