Im Fokus: DAS SC-TIEFPASSFILTER

 

Im Fokus ist eine spezielle Elektronik-Minikurs-Idee. Es geht darum ein Thema in den Raum zu stellen, das in verschiedenen Elektronik-Projekten zum Einsatz sich eignet. Das Thema wird so weit wie nötig erklärt. Oft bietet Wikipedia eine hervorragende Unterstützung. Danach werden Elektronik-Minikurse vorgestellt, wo das Thema zum Einsatz kommt. Ein grosser Teil davon stammt aus früheren Projekten.

Diesmal geht es um das SC-Tiefpassfilter:
Was sind die Vorteile von den SC-Tiefpassfiltern im Vergleich zu den analogen aktiven Tiefpassfiltern, realisiert mit Operationsverstärkern (Opamp). Dies wird weitgehend beantwortet in bereits bestehenden Elektronik-Minikursen mit praktischen Anwendungen von SC-Tiefpassfiltern aus früheren Projekten. Zusätzlich motiviert, zu diesem einführenden Teil, hat mich eine Diskussion im ELKO-Forum.

SC ist die Abkürzung von Switched-Capacitor.
Auf deutsch:  geschaltete Kondensatoren.

Teilbild 1.1: Will man ein Tiefpassfilter mit einer steil fallenden Spannung Ua f1 im Bereich der Grenzfrequenz und dies selbstverständlich mit möglichst konstanter Spannung Ua im Übertragungsbereich Üb, benötigt man einige Opamps mit vielen Kondensatoren und Widerständen und dies mit sehr präzisen Werten. Je höher die Anforderung, um so höher die "Kunst" dies mit der dazu notwendigen Präzision der Kondensatoren CF1 bis CF8 und der Widerstände RF1 bis RF8 zu realisieren. Die Präzision der Kapazitäten und Widerstände von 1% genügen oft nicht. Mit diesen vier Opamps und einer Butterworth-Funktion erreicht man im Bereich der Grenzfrequenz eine Steilheit von 48 dB/Oktave mit einer Ordnungszahl von 8.

Teilbild 1.2: Vergleichen wir die analoge Filterschaltung mit dem integrierten SC-Tiefpassfilter MAX293 von der Firma MAXIM. Beide haben die Ordnungszahl 8, jedoch die Steilheit im Bereich der Grenzfrequenz liegt bei der SC-Version bei deutlich mehr als 80 dB/Oktave, wie man dies in diesem Diagramm aus dem Datenblatt des MAX293 erkennt. Dazu kommt, die maximale Dämpfung im Sperrbereich liegt bei etwa 80 dB. Nachteilig kann es je nach Anwendung sein, dass im Sperrbereich die Dämpfung nicht konstant ist. Dies kommt davon, dass der MAX293 anstelle einer Butterworth-Funktion mit einer Cauer-Funktion realisiert ist. In der Regel, wie z.B. als Antialiasing-Tiefpassfilter vor einem A/D-Wandler oder als Glättungsfilter nach einem D/A-Wandler, spielt diese Instabilität im Bereich der starken Dämpfung kaum je eine Rolle.

Ganz so ideal wie es scheint, ist auch das SC-Filter (nicht nur bei Tiefpassfiltern) nicht. Es ist ein abgetastetes System, gegeben durch die Abtastfrequenz (Samplefrequenz). Man nennt es Clock-Feedthrough. Diese Spannung äussert sich am Ausgang des SC-Filters als schwache Überlagerung zur Signalspannung mit der Abtastfrequenz. Diese Störspannung kann man am Ausgang leicht filtern. Mit einem einfachen aktiven Tiefpassfilter zweiter Ordnung als Smooth-Lowpass bezeichnet. Die Grenzfrequenz f2 dieses Tiefpassfilter muss höher sein, als die Grenzfrequenz f1 des SC-Tiefpassfilters, so dass das aktive Tiefpassfilter den Amplitudenverlauf des SC-Tiefpassfilters möglichst nicht beeinflusst. Mehr dazu im Kapitel "Warum SC-Filter?" im Elektronik-Minikurs Das SC-Filter, eine kurze Einführung. Im letzten Kapitel "Elektronik-Minikurse mit SC-Filter im Einsatz" folgen Links zu Projekten mit SC-Tiefpassfilter im Einsatz. Speziell ist ein SC-Sinusgenerator....



Thomas Schaerer, 01.01.2021