Switched-Capacitor-Filter

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Switched-Capacitor-Filter (deutsch: Filter mit geschalteten Kondensatoren) oder häufig auch nur kurz SC-Filter bezeichnet elektronische Filter, in denen ohmsche Widerstände durch geschaltete Kondensatoren ersetzt wurden. Es handelt sich um zeitdiskrete Filter.

Die Übertragungsfunktion aktiver analoger Filter wird meist durch Kondensatoren und elektrische Widerstände in Form einer externen Beschaltung eines Operationsverstärkers bestimmt. Das bringt folgende Probleme mit sich:

  • schwer integrierbar, da sowohl Prozessschritte für Kondensatoren wie für Widerstände verwendet werden müssen.
  • unterschiedliche Toleranzen von Widerständen und Kondensatoren
  • unterschiedliche Temperaturkoeffizienten von Widerständen und Kondensatoren
  • nur schwer für unterschiedliche Frequenzen herstellbar.

Durch den Ersatz von Widerständen durch geschaltete Kondensatoren umgeht man diese Probleme. Widerstände werden durch geschaltete Kondensatoren ersetzt, Filter sind frei durchstimmbar durch Änderung der Schaltfrequenz. Je nach Schaltung bzw. externer Beschaltung lassen sich Tiefpässe, Hochpässe, Bandsperren wie Bandpässe konfigurieren.

Schaltschema eines SC-Widerstandes

Durch Variation der Schaltfrequenzen, mit denen die Kondensatoren umgeschaltet werden, lassen sich die Filterparameter der SC-Filter sehr leicht verändern. Der Ersatz der ohmschen Widerstände R in einer gegebenen Schaltung wie einem Tiefpass durch Kondensatoren CS, die mit der Umschaltfrequenz fs betrieben werden, lässt sich nach folgender Gleichung berechnen:

Da es sich bei diesem Filtertyp um abtastende Systeme handelt, muss die Umschaltfrequenz fs hinreichend höher als die Grenzfrequenz des Filters sein, um Aliasing zu vermeiden. SC-Filter kommen daher meist nur für niederfrequente Anwendungen in Frage und erfordern bei Bedarf noch nachgeschaltete Tiefpässe, die die hochfrequenten Signalanteile von der Umschaltfrequenz ausfiltern. Dies ist einer der Nachteile dieser Schaltungstechnologie.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Filter besteht darin, dass die Filterzeitkonstante nur gering von den Bauteiltoleranzen der eingesetzten Kondensatoren abhängt. Es müssen nur die Verhältnisse der Bauelementwerte zueinander konstant bleiben, da die Filtergenauigkeit primär von der Umschaltfrequenz bestimmt wird. Genaue Umschaltfrequenzen lassen sich technisch durch Quarzoszillatorschaltungen leicht sicherstellen.

Literaturquellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, Berlin: Springer 2002. ISBN 3-540-42849-6

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]