DE2618060B1 - Aktiver vierpol mit zwei operationsverstaerkern - Google Patents

Description

• Beschreibung
• Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.
• Es zeigt F i g. 1 den bekannten Impedanzkonverter, Fig.2 den erfindungsgemäß erweiterten Impedanzkonverter, F i g. 3 den als »Superkondensator« beschalteten erfindungsgemäßen Impedanzkonventer, F i g. 4 den als »Simulierte Spule« beschalteten erfindungsgemäßen Impedanzkonverter.
• Der in F i g. 1 gezeigte Impedanzkonverter ist ein Vierpol mit Eingangsklemmen 1 und 2 und mit Ausgangsklemmen 3 und 4, ferner mit 3 Widerständen R 1, R 2, R 3 und einem Kondensator C4, die zwischen die Klemmen 1 und 3 in Reihe geschaltet sind.
• Außerdem enthält der Vierpol zwei Operationsverstärker V 1 und V2, deren eine Versorgungsspannungseingänge ebenso wie die Leitung 24 mit Masse verbunden sind, und deren andere Versorgungsspannungen + UB und - UB erhalten. Die Leitung 2-4 kann auch auf einem anderen Potential liegen, welches jedoch in jedem Falle das Mittelpotential der Versorgungsspannung der beiden Operationsverstärker sein muß. Die Eingangsspannung wird gegen Masse dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers V1 und dem Widerstand R t zugeführt. Die Ausgangsspannung wird wiederum gegen Masse dem Kondensator C4 und dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers V2 entnommen. Die invertierenden Eingänge der beiden Operationsverstärker sind mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R2 und R 3 verbunden.
• Der Ausgang des Operationsverstärkers V 1 Iiegt am Verbindungspunkt des Widerstandes R 3 mit dem Kondensator C4, der Ausgang des Operationsverstärkers V2 am Verbindungspunkt der Widerstände R I und R 2. Die Widerstände R 1 und R 2 sind gleich.
• Erfindungsgemäß ist diese Schaltung, wie die F i g. 2 zeigt, um zwei zusätzliche Widerstände Re und Rg erweitert. Der Widerstand Re liegt zwischen den Widerständen R2 und R 3 und gleichzeitig zwischen den invertierenden Eingängen der beiden Operationsverstärker. Der Widerstand Rg liegt zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers V1 und Masse. Diese Widerstände ermöglichen eine weitgehende Kompensation der aufgrund der nichtidealen Operationsverstärker im Ersatzschaltbild des bekannten Impedanzkonverters nach F i g. 1 auftretenden parasitären Impedanzen. Besonders vorteilhaft werden die Widerstände wie folgt bemessen: Dabei ist die Gleichspannungsverstärkung der Operationsverstärker, oo die 3-dB-Kreisfrequenz der Operationsverstärker, o> die Betriebs-Kreisfrequenz und R2 der gemeinsame Wert der Widerstände R2 und R3.
• Für gewisse Anwendungsfälle reicht es auch bereits, wenn die Widerstände nur ungefähr nach den angegebenen Ausdrücken bemessen sind.
• Die F i g. 3 und 4 zeigen nun Beschaltungen, die den erweiterten in F i g. 2 gezeigten Vierpol zum Zweipol machen.
• Bei der in F i g. 3 gezeigten Schaltung ist zwischen den freien Anschluß des Widerstandes R t und Masse ein Kondensator C5 geschaltet Der Zweipol mit den Klemmen 3 und 4 zeigt nun das Impedanzverhalten eines sogenannten »Superkondensators(<, dessen nichtideale Eigenschaften weitgehend kompensiert sind. Der Superkondensator hat eine Admittanz Y=-w2D, wobei D eine positive Konstante ist, und wird daher auch als FDNR (Frequency Dependent Negative Resistor) bezeichnet Bei der in Fig.4 gezeigten Schaltung ist zwischen den freien Anschluß des Kondensators C4 und Masse ein Widerstand R 5 geschaltet Der Zweipol mit den Klemmen 1 und 2, dessen nichtideale Eigenschaften durch die neuen Widerstände Re und Rg weitgehend kompensiert wird, zeigt näherungsweise das Impedanzverhalten einer idealen Spule mit der Impedanz Z=jcoL Wird der in F i g. 3 gezeigte Superkondensator und die in F i g. 4 gezeigte simulierte Spule in bekannter Weise zum Aufbau aktiver RC-Filterschaltungen verwendet, so wird der Dämpfungsverlauf dieser Filter durch die Erfindung beträchtlich verbessert Für manche Anwendungsfälle genügt zur Kompensation beim Superkondensator bereits Re und bei der simulierten Spule Rg, d. h. Rg bzw. Re hat den Wert »unendlich«.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Aktiver Vierpol mit zwei Operationsverstärkern, bei dem die auf Masse bezogene Eingangsgröße dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers zugeführt und die auf Masse bezogene Ausgangsgröße dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers entnommen wird, wobei die Eingänge des ersten Operationsverstärkers durch eine erste Reihenschaltung aus zwei Widerständen und die Eingänge des zweiten Operationsverstärkers durch eine zweite Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator verbunden sind, derart, daß die invertierenden Eingänge an ohmschen Widerständen liegen und wobei der Verbindungspunkt der Elemente der ersten Reihenschaltung an den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers und der Verbindungspunkt der Elemente der zweiten Reihenschaltung an den Ausgang des ersten Operationsverstärkers angeschlossen ist, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß ein erster zusätzlicher ohmscher Widerstand (Re) zwischen die erste (R 1, R2) und zweite (R3, C4) Reihenschaltung und zwischen die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker und/oder ein zweiter zusätzlicher ohmscher Widerstand (Rg) zwischen den invertierenden Eingang des ersten Operationsvbrstärkers (V 1) und Masse geschaltet ist.
2. 2. Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste zusätzliche Widerstand (Re) den Wert und der zweite zusätzliche Widerstand (Rg) den Wert hat, wobei Cl 6 die Gleichspannungsverstärkung der Operationsverstärker, wo die 3-dB-Kreisfrequenz, a> die Betriebs-Kreisfrequenz und R2 der gemeinsame Wert des ersten (R2) und zweiten Widerstandes (R 3) ist.
3. 3. Vierpol nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den freien Anschluß (1) der ersten Reihenschaltung (R 1, R 2) und Masse ein Kondensator (C5) geschaltet ist.
4. 4. Vierpol nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den freien Anschluß (3) der zweiten Reihenschaltung (R 3, C1) und Masse ein ohmscher Widerstand (R 5) geschaltet ist Die Erfindung betrifft einen aktiven Vierpol mit zwei Operationsverstärkern, bei dem die auf Masse bezogene Eingangsgröße dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers zugeführt und die auf Masse bezogene Ausgangsgröße dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers ent- nommen wird, wobei die Eingänge des ersten Operationsverstärkers durch eine erste Reihenschaltung aus zwei Widerständen und die Eingänge des zweiten Operationsverstärkers durch eine zweite Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator verbunden sind, derart, daß die invertierenden Eingänge an ohmschen Widerständen liegen und wobei der Verbindungspunkt der Elemente der ersten Reihenschaltung an den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers und der Verbindungspunkt der Elemente der zweiten Reihenschaltung an den Ausgang des ersten Operationsverstärkers angeschlossen ist.

   Dieser Vierpol ist bekannt aus dem Aufsatz von D. G.

   Haigh und R. Jeffers: »The Design of an Audio-frequency Active RC Bandpass Filter for a Specific Engineering Requirement«, The Radio and Elektronic Engineer Vol. 42, Nr.8, August 1972, S.

   373-380, insbesondere Fig. 5b, auf Seite 375. Es handelt sich bei diesem Vierpol um eine spezielle Ausführung eines allgemeinen Impedanzkonverters nach Anton io u, der in der Literatur vielfach beschrieben ist.

   Bei geeigneter Beschaltung wird dieser spezielle Impedanzkonventer zur Realisierung von aktiven RC-Filtern verwendet. Dazu wird zunächst ein LC-Filter berechnet, das die gewünschten Dämpfungsanforderungen erfüllt. Mit Hilfe der Impedanzkonventer wird dieses Filter sodann in ein aktives umgesetzt. Dabei zeigt es sich, daß die Filter bei Frequenzen über 3 kHz aufgrund der nichtidealen Operationsverstärker, insbesondere aufgrund ihrer frequenzabhängigen Verstärkung, Randverzerrungen und eine zu hohe Grunddämpfung aufweisen. Durch Einführung von sogenannten parasitären Elementen in das Ersatzschaltbild lassen sich diese nichtidealen Eigenschaften der Operationsverstärker erfassen.

   Aufgabe Es ist die Aufgabe der Erfindung, den bekannten Impedanzkonventer derart zu verbessern, daß die nichtidealen Eigenschaften der Operationsverstärker weitgehend kompensiert werden.

   Lösung Die Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.

   Vorteile Filter mit den erfindungsgemäß erweiterten Impedanzkonvertern haben Filterkurven ohne Randverzerrungen und mit nahezu idealem Verlauf im Durchlaßbereich.