UPDATE: Das SC-Filter, eine kurze Einführung

Zuerst eine kritische Betrachtung: Sind Switched-Capacitor-Filter (SC-Filter) im Zeitalter der zunehmenden Digitalisierung analoger Signale überhaupt noch aktuell, denn nicht erst seit heute werden Filterfunktionen digital, z.B. mit so genannten Digitalen Signalprozessoren (DSP), realisiert. In der Tat, SC-Filter sind trotzdem noch immer sehr gefragt, wie eine Nachfrage beim Bauteile-Distributor Mouser ergab. Auch RS-Online und Farnell sind in diesem Sektor noch aktiv.

Dieser SC-Filter-Elektronik-Minikurs ist die Einleitung für alle andern Elektronik-Minikurse bei denen das SC-Filter Teil eines Ganzen ist oder es ist das zentrale Thema. Bilder und Texte sind neu überarbeitet.

Im Kapitel „Warum SC-Filter?“ geht es um die bedeutungsvollen Vorteile gegenüber den aktiven RC-Filterschaltungen, wobei auch die Nachteile deutlich thematisiert sind. Diese Vorteile und Nachteile begleiten uns immer wieder in der gesamten Einführung und ebenso in den zum Teil weiteren fünf Elektronik-Minikursen, wo SC-Filters im Einsatz sind. Linkliste am Schluss.

Die Funktionsweise leicht und praxisorientiert erklärt. Wozu das Taktsignal? Was bewirkt das Abtasten des analogen Signals und warum dürfen sich die Steuersignale nicht überlappen? Eine einfache digitale Schaltung zeigt, wie man eine Non-Overlapping-Schaltung leicht selbst realisieren kann. Eine solche Schaltung kann auch für eine ganz andere Anwendung nützlich sein. Dies betrifft in der Andeutung die Teilbilder 1, 2a und 2b hier im Titelbild.

Das SC-Filter ist ein getastetes System und darum erscheinen die analogen Spannungen am Ausgang mit feinen Stufen. Stört dies, muss man zusätzlich zeitkontinuierlich mit einem RC-Tiefpassfilter (Smoothing-Filter) dämpfen, was aber oft mit einem passiven RC-Filter, je nach Anwendung, genügt. Das exakt selbe RC-Filter gehört an den Eingang des SC-Filters für die Antialiasing-Funktion. Teilbild 3 zeigt eine Deluxe-Ausführung mit je einem Butterworth-Tiefpass 2. Ordnung.

Teilbilder 4 und  5 deuten darauf hin, welchen Aufwand die Realisierung eines aktiven RC-Tiefpassfilter 8. Ordnung verursacht im Vergleich mit einem SC-Tiefpassfilter mit den selben Eigenschaften. Nicht vergessen, man kann beim Experimentieren mit diesen ICs einiges lernen…

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Steuerbares und steiles Tiefpassfilter in SC- und Analog-Technik mit grossem Frequenzbereich

Dieses Update enthält keine speziellen Erweiterungen. Die Änderungen bestehen darin, dass gewisse Textteile verständlicher gestaltet sind.

SC-Filter-3Es geht um eine Tiefpassfilterschaltung, welche in einem grossen Bereich der Grenzfrequenz mittels Taktsignal kontinuierlich steuerbar ist. Die vorliegende Schaltung in SC- und analoger Technik wurde urpsrünglich in einem aufwändigen AD-/DA-Wandlersystem computergesteuert eingesetzt. Dieses Projekt enthält Detailschaltungen die auch einzeln und in ganz anderen Zusammenhängen eingesetzt werden können: Dies sind ein einfacher Frequenz/Spannungs-Wandler ohne spezielles IC, ein Dual-Spannungs/Strom-Wandler und ein Logik-Pegelwandler.

Lernen kann man etwas darüber wie man SC-Tiefpassfilter mit aktiven analogen Tiefpassfiltern sinnvoll kombiniert, wie man den Signal/Rausch-Abstand optimiert, wie eine elegante und einfache Filtersteuerung mit JFETs als Analog-Schalter funktioniert, wie ein Transkonduktanzverstärker (OTA) als aktives steuerbares Tiefpassfilter arbeitet, wie man in einer Konstantstromquelle den Strom misst und dabei den Strom in die Hauptrichtung zwecks genauer Messung automatisch mittels einer simplen Diode unterbricht.

Beim JFET als Analog-Schalter wird gezeigt, wie ein exotischer Trick – kleiner Stromfluss in’s Gate – den Drain-Source-Widerstand drastisch reduziert. All dies erfährt man in:


UPDATE: Das SC-Filter, eine kurze Einführung

SC-Filter 1.Teil

Zeitkontinuierliche Filterschaltungen mit Operationsverstärkern (oder mit Transistoren), Widerständen und Kondensatoren werden rasch sehr aufwändig, wenn Ordnungszahl und/oder Filtergüte hoch sein müssen. Das ist dann nötig, wenn die Steilheit vom Durchlass- in den Sperrbereich – also in der Zone der Grenzfrequenz – sehr gross sein muss. Dazu kommt, dass bei hoher Ordnungszahl die Sensivität der Schaltung ebenfalls hoch ist. Dies bedeutet, dass die frequenzbestimmenden Widerstände und Kondensatoren sehr enge Toleranzen aufweisen müssen. Das kann schnell sehr teuer werden, besonders bei den Kondensatoren.

Die Alternative ist heutzutage die digitale Filterung z.B. mittels digitalem Signal-Prozessor (DSP), aber je nach Anwendungszweck und Anforderungen kommen auch SC-Filter zum Einsatz. Dieser Elektronik-Minikurs ist eine praxisorientierte kurze Einführung in die SC-Filter-Technik.

Neu mit diesem Update: Der Vor- und Nachteil zwischen zeitkontinuierlicher (analog) und zeitdiskreter (SC) Filterung kommt mit Bild 1 deutlicher zum Ausdruck. Das Kapitel „Nyquist, Shannon und der Wilde Westen“ wurde vollständig neu überarbeitet, weil der Text zu Misverständnissen führen konnte, wie dies kürzlich ein E-Mail-Wechsel mit einem Leser zum Ausdruck brachte.