Switched-Capacitor-Filter

Switched-Capacitor-Filter oder auch SC-Filter genannt (englisch für Filter mit geschalteten Kondensatoren) sind elektronische Filter, die in ihrem Schaltungsaufbau statt ohmschen Widerständen geschaltete Kondensatoren besitzen. Es handelt sich hierbei um zeitdiskrete Filter.

Herkömmliche aktive analoge Filter wie der Tiefpass oder Hochpass bestehen aus Operationsverstärkern als aktive Bauelemente und meistens Kondensatoren und elektrischen Widerständen als externe, frequenzbestimmende Beschaltung. Zur Veränderung der Filterparameter wie der Grenzfrequenz müssen diese externen passiven Bauelemente in ihren Werten geändert werden, was je nach Schaltung sehr aufwändig sein kann. Abhilfe bieten die Switched-Capacitor-Filter welche ebenfalls aus Operationsverstärkern als aktives Schaltungselement bestehen und welche die externen ohmschen Widerstände durch geschaltete Kondensatoren ersetzt haben. Damit lassen sich nur mit Kondensatoren analoge Filter aufbauen welche sich besonders leicht auf integrierten Schaltungen wie in FPAAs unterbringen lassen und in ihren Parametern wie der Grenzfrequenz leicht veränderbar sind. Je nach Schaltungsart der geschalteten Kondensatoren lassen sich in dieser Technik sowohl Hochpässe (Differentiatoren) als auch Tiefpässe (Integratoren) aufbauen.

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 C_S welche mit einer Umschaltfrequenz f_s betrieben werden lässt sich nach folgender Gleichung beschreiben:

$R = \frac{1}{C_s \cdot f_s}$

Da es sich bei diesem Filtertyp um abtastende Systeme handelt, muss die Umschaltfrequenz f_s um den Faktor 50 bis 100 größer 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 allerdings darin, dass die Filterzeitkonstante nur gering von den einzelnen Bauteiltoleranzen der eingesetzten Kondensatoren abhängt. Es müssen nur die Verhältnisse der Bauelementwerte zueinander konstant bleiben, da die Filtergenauigkeit primär nur von der Umschaltfrequenz bestimmt wird. Genaue Umschaltfrequenzen lassen sich technisch durch Quarzoszillatorschaltungen leicht sicherstellen.

Literaturquellen

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

Weblinks

• Das SC-Filter, eine kurze Einführung mit praktischer Anwendung