專利名稱：主動式多相濾波器以及信號產(chǎn)生方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種多相濾波器(polyphase filter),且特別是有關(guān)于一種主動 式多相濾波器緩沖電路的方法與裝置。
背景技術(shù)：
多相濾波器接收N相或多相輸入信號并且產(chǎn)生N相輸出信號。 一種特殊類 型的多相濾波器"正交濾波器"(quadratiire filter)是一種大家所熟知的四相位多相 濾波器。大體來說，正交濾波器的輸入包括彼此等值的四個信號電壓。四個信 號電壓共同組成具有在既定方向旋轉(zhuǎn)卯度的相位角時個別信號向量互相接替的 一個信號向量群組。多相信號的頻率根據(jù)逆時針或順時針旋轉(zhuǎn)而可以為正或負。 一般來說，通常會將0度或180度的信號向量標示為+I與-I信號，并且將90度 或270度的信號向量標示為+jQ與-jQ信號。
多相濾波器廣泛的使用于高頻時鐘脈沖數(shù)據(jù)路徑，以產(chǎn)生正交信號以及提 升的時鐘脈沖信號的鏡像抑制(imagerejection)。最初，許多的多相濾波器設(shè)計是 通過LC濾波器的組合而達成。隨著集成電路的普及以及將電感整合至集成電路 中的難度，現(xiàn)今通常將RC濾波器的組合使用于多相濾波器中。大部分的多相濾 波器為被動式電路。被動式電路的特性是其能量損失(energy loss)通常與級數(shù)成 正比。因此，使用在被動多相濾波器的輸出端的額外的緩沖器通常會增加成本 以及電路設(shè)計的復(fù)雜度。
圖1為顯示傳統(tǒng)單級(singlestage)多相濾波器10的示意圖。單級多相濾波器 10包括復(fù)數(shù)個被動電容與電阻。輸入信號Iin' 102耦接至電容C4 104的正端以及 電阻R3 106的一側(cè)。輸出信號I。ut' 108耦接至電阻R3 106的另一側(cè)以及電容C3 110的負端。輸入信號Qin+ 112耦接至電容C3 110的正端以及電阻R2 114的一
側(cè)。輸出信號Q。ut+ 116耦接至電阻R2 114的另一側(cè)以及電容C2 118的負端。輸 入信號Iin+ 120耦接至電容C2 118的正端以及電阻R1 122的一側(cè)。輸出信號I。ut+ 124耦接至電阻R1 122的另一側(cè)以及電容C1 126的負端。輸出信號Q。u「 128耦 接至電阻R4 130的一側(cè)以及電容C4 104的負端。輸入信號Qin' 132耦接至電容 Cl 126的正端以及電阻R4 130的另一側(cè)。單級多相濾波器10包括輸入信號I^ 102， Iin+ 120， Q; 132以及Qin+ 112。單級多相濾波器10的輸出信號包括W 108， I。ut+ 124， Q。ut—128以及Q。ut+ 116。具有四個輸入端以及四個輸出端的濾波器通常 叫做正交濾波器。由于單級多相濾波器10包括復(fù)數(shù)個被動元件，因此會使輸出 端的信號衰減。此外，當增加更多級時，濾波器的能量損失與增加至濾波器的 級數(shù)成正比。
克服多相濾波器的被動特性的方法包括使用運算放大器以提供主動RC濾 波器。多相濾波器與運算放大器的結(jié)合可以在濾波器的輸出端提供增益。此外， 介于主動RC濾波器的輸入端與輸出端之間的反饋回路用以降低對集成電路中 元件變異的敏感度。然而，以運算放大器為基礎(chǔ)的多相濾波器主要的缺點為有 限的頻寬會將操作限制為低頻操作。
隨著超過1千兆赫(GHz)的高頻信號的出現(xiàn)，以運算放大器為基礎(chǔ)的多相濾 波器將不具有頻率響應(yīng)。毫無疑問地，在高頻應(yīng)用系統(tǒng)中的電路設(shè)計限制使用 被動多相濾波器設(shè)計。即使被動多相濾波器設(shè)計會使信號嚴重的衰減并且需要 具有較大增益的額外的緩沖器，電路設(shè)計人員增加額外的元件來補償被動多相 濾波器設(shè)計所引起的信號衰減。
因此，需要一種可結(jié)合被動多相濾波器與主動RC濾波器的優(yōu)點的方法與裝 置。經(jīng)過改善的多相濾波器包括下列特征，例如容易透過現(xiàn)有的集成電路工藝 制造，可操作于千兆赫的范圍，以及做為一種具有增益的主動電路，以降低緩 沖的需求。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種適用于主動多相濾波器的方法與裝置。主動多 相濾波器以串聯(lián)差動放大器以及設(shè)置于串聯(lián)差動放大器的接腳之間的RC裝置 為基礎(chǔ)。因此，本發(fā)明實施例揭露一種主動多相濾波器。多相濾波器包括第一 串聯(lián)差動放大器組以及第二串聯(lián)差動放大器組。第一串聯(lián)差動放大器組被設(shè)定 為用以接收第一差動信號，第一串聯(lián)差動放大器具有第一電阻，耦接于第一串 聯(lián)差動放大器的電流接腳之間，以及第二串聯(lián)差動放大器具有第一電容，耦接 于第二串聯(lián)差動放大器的電流接腳之間。第二串聯(lián)差動放大器組被設(shè)定為用以 接收第二差動信號，第三串聯(lián)差動放大器具有第二電阻，耦接于第三串聯(lián)差動 放大器的電流接腳之間，以及第四串聯(lián)差動放大器具有第二電容，耦接在第四 串聯(lián)差動放大器的電流接腳之間。第二串聯(lián)差動放大器組被設(shè)定為用以根據(jù)第 一差動信號產(chǎn)生第一差動輸出信號，且第一串聯(lián)差動放大器組被設(shè)定為用以根 據(jù)第二差動信號產(chǎn)生第二差動輸出信號。
根據(jù)本發(fā)明另一實施例，第一電阻與第二電阻大體相同，且第一電容與第 二電容大體相同。使電阻與電容一致將可以最佳化多相濾波器的操作。
根據(jù)本發(fā)明另一實施例，第一串聯(lián)差動放大器包括耦接至供應(yīng)電壓的第一 負載電阻對。
根據(jù)本發(fā)明另一實施例，第三串聯(lián)差動放大器包括耦接至供應(yīng)電壓的第二 負載電阻對。
根據(jù)本發(fā)明另一實施例，第一負載電阻對與第二負載電阻對大體相同。具 有大體相同的負載電阻可以簡化電路的制造并且使多相濾波器的操作最佳化。
根據(jù)本發(fā)明另一實施例，每個串聯(lián)差動放大器包括具有實質(zhì)相同特性的復(fù) 數(shù)個晶體管。
根據(jù)本發(fā)明另一實施例，晶體管包括具有相同跨導(dǎo)的MOS裝置。
根據(jù)本發(fā)明另一實施例，晶體管包括具有相同低頻跨導(dǎo)(gm)特性的雙極 接面裝置。串聯(lián)差動放大器中的晶體管可以于多相濾波器的輸出端產(chǎn)生增益。 在輸出端產(chǎn)生增益可以避免對于緩沖電路的需求，如此一來便可以簡化電路的
設(shè)計并且降低成本。


圖1所示為傳統(tǒng)多相濾波器的示意圖。
圖2所示為顯示根據(jù)非理想向量產(chǎn)生正交信號的示意圖。
圖3所示為顯示根據(jù)本發(fā)明實施例所述之主動多相濾波器的電路圖。
具體實施例方式
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉出
較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下 實施例
本發(fā)明提供一種適用于主動多相濾波器的方法與裝置。 一般來說，主動多 相濾波器包括具有相位操作的高速放大器。高速放大器包括差動對，其輸入信 號透過電容而通過具有相位偏移為90度的負載。再者，高速放大器的輸出提供 具有較大增益的緩沖特性。由于高速放大器使用差動對，放大器將其功能維持 于高頻操作。
在本發(fā)明說明書以及權(quán)利要求書中多相濾波器與正交濾波器這兩種措辭可 以交替使用。正交濾波器是多相濾波器的特例。本領(lǐng)域技術(shù)人員都了解本發(fā)明 實施例所述的正交濾波器適用于多相濾波器。因此，正交濾波器適用于多相濾 波器應(yīng)用系統(tǒng)。
正交濾波器應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)非理想向量而產(chǎn)生正交信號。當非理想向量輸入 信號Ii/， Iin'， Qi。+以及Qh;輸入正交濾波器時，濾波器會產(chǎn)生輸出信號I。ut+， 1。u卩，
Q。/以及Q。ut'。具有相對相位為0度或180度的信號為I-信號或是同相(in-phase) 信號，而具有相對相位為90度或270度的信號為Q-信號或是正交相位 (quadrature-phase)信號。輸出信號I。ut+， U。 Q喊+以及Q。ut-通常又叫做過濾向量， 并且代表具有相同振幅且與輸入信號具有90度的相位差的差動正交信號?？紤]任何正交信號的I向量與Q向量的差動信號，每個向量可以被分解為兩個向量，
對于I向量而言會被分解為L與I2，而對于Q向量而言會被分解為與Q2。以
數(shù)學(xué)的觀點而言，可以對具有相同振幅且完全正交的(h，Q,)與(l2，Q2)向量對執(zhí)行
分解，其中I!領(lǐng)先Q,90度且Q2領(lǐng)先l2 90度。在許多電路應(yīng)用系統(tǒng)中僅需要一 個次向量(sub-vector)。依照慣例，h通常會領(lǐng)先Q,。因此，將期望向量組(I,，QQ 對未期望向量組(I2，Q2)的振幅比(magnitude ratio)定義為鏡像抑制比(image rejection ratio, IRR)。本發(fā)明的正交濾波器通過對兩個向量組提供不同的增益而 改善輸入正交信號的IRR。
圖2顯示多相濾波器應(yīng)用系統(tǒng)的示意圖。旋轉(zhuǎn)非理想向量輸出信號并且計 算其總和以產(chǎn)生正交信號I'-I+jQ與Q'-Q-jI。在新的向量組中，I'向量領(lǐng)先Q， 向量90度。I，的振幅與Q，的振幅相同。鏡像抑制在理想上是無限的。然而，在 實際應(yīng)用中，可達成的鏡像抑制量受到電路元件中的不一致以及執(zhí)行90度旋轉(zhuǎn) 操作的精確度的限制。
圖3顯示根據(jù)本發(fā)明實施例所述的正交濾波器電路300，包括具有相位操作 的高速放大器。串聯(lián)差動放大器T1 302、 T2 304以及T8 316、 T7 314分別接收 輸入信號Iin+ 303以及Iin' 305。串聯(lián)差動放大器T5 310、 T6 312以及T4 308、 T6 306分別接收輸入信號Qin+ 309以及Qin' 307。電阻Ri 318耦接于差動放大器 Tl 302與T2 304的電流接腳(current leg)之間，特別是介于Tl 302的射極(emitter) 與T2 304的射極之間。電阻Rq 320耦接于差動放大器T5 310與T6 312的電流 接腳之間，特別是介于T5 310的射極與T6 312的射極之間。電容Ci 324耦接于 差動放大器T3 306與T4 308的電流接腳之間，特別是介于T3 306的射極與T4 308的射極之間。電容Cq 326耦接于差動放大器T7 314與T8 316的電流接腳之 間，特別是介于T7 314的射極與T8 316的射極之間。
負載電阻Zu 328的一端耦接至Vsupply 329,另一端耦接至Tl 302的集極 (collector)與T3 306的集極。T3 306的集極節(jié)點也提供輸出信號I。ut_ 314。負載 電阻ZL2 330的一端耦接至Vsupply 329，另一端耦接至T2 304的集極與T4 308的
集極。T4 308的集極節(jié)點也提供輸出信號I。ut+ 343。負載電阻Zu 332的一端耦 接至Vsu^y329，另一端耦接至T5 310的集極與T7 314的集極。T7 314的集極 節(jié)點也提供輸出信號Q。ut—349。負載電阻ZL4 334的一端耦接至Vsuppty329，另一 端耦接至T6 312的集極與T8 316的集極。T8 316的集極節(jié)點也提供輸出信號 Q。ut+351。電流源Ibl Ib8提供大體相同的電流。電流源Ibl 336與Ib2 338分別 耦接至Tl 302與T2 304的射極。電流源Ib3 340與Ib4 342分別耦接至T3 306 與T4 308的射極。電流源Ib5 344與Ib6 346分別耦接至T5 310與T6 312的射 極。電流源Ib7 348與Ib8 350分別耦接至T7 314與T8 316的射極。
參照串聯(lián)差動放大器Tl 302與T2 304，由于R; 318設(shè)置于差動放大器的接 腳之間，因此輸入信號通過負載ZL1 328與負載ZL2 330而與Ci 324具有90度的 相位偏移。同樣的，在串聯(lián)差動放大器T5 310與T6 312中，由于Rq 320設(shè)置 于差動放大器的接腳之間，因此輸入信號通過負載332與負載Zl4 334而與 Cq 326具有90度的相位偏移。串聯(lián)差動放大器包括主動裝置Tl 302至T8 316。 當串聯(lián)放大器的輸入端接收到輸入信號時，正交濾波器電路300的輸出端會產(chǎn) 生增益。
盡管在正交濾波器電路300中以雙極(bipolar)晶體管作為主動裝置，然而本 領(lǐng)域的技術(shù)人員都了解可通過金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS:metal oxide silicon)或其 它類似的晶體管取代雙極(bipolar)晶體管。晶體管具有類似的特性，包括適用于 正交濾波器電路300的理想操作的類似的跨導(dǎo)(tmnsconductance)。
當以雙極接面晶體管作為主動裝置時，在相對低操作頻率下的操作可以下 列等式表示
<formula>formula see original document page 11</formula>
令所有的偏壓電流Ibl~Ib8都相同，且R產(chǎn)Rq，C產(chǎn)Cq，>^^'=1。假設(shè)
<formula>formula see original document page 12</formula>
因此
同樣的，可以推導(dǎo)出正交輸出信號
鏡像抑制
<formula>formula see original document page 12</formula>
在"=叫時，如果沒有裝置不一致、g一.《》l以及"夠低時，IR為無限大。事
實上，這會因素將會造成能由電路所得到鏡像抑制的上限。
本發(fā)明雖以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何 本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可做些許的更動與潤飾， 因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當以權(quán)利要求限定的范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種主動式多相濾波器，其特征在于，包括第一與第二串聯(lián)差動放大器，被定義為用以接收第一與第二差動信號，上述第一串聯(lián)差動放大器具有耦接于上述第一串聯(lián)差動放大器的電流接腳之間的第一電阻，且上述第二串聯(lián)差動放大器具有耦接于上述第二串聯(lián)差動放大器的電流接腳之間的第一電容；以及第三與第四串聯(lián)差動放大器，被定義為用以接收上述第一與第二差動信號，上述第三串聯(lián)差動放大器具有耦接于上述第三串聯(lián)差動放大器的電流接腳之間的第二電阻，且上述第四串聯(lián)差動放大器具有耦接于上述第四串聯(lián)差動放大器的電流接腳之間的第二電容；其中上述第一與第二串聯(lián)差動放大器被設(shè)定為用以根據(jù)上述第一與第二差動信號而提供第一差動輸出信號，且上述第三與第四串連差動放大器被設(shè)定為用以根據(jù)上述第一與第二差動信號而提供第二差動輸出信號。
2. 如權(quán)利要求1所述的主動式多相濾波器，其特征在于，上述第一電阻大體 與上述第二電阻相同，且上述第一電容大體與上述第二電容相同。
3. 如權(quán)利要求1所述的主動式多相濾波器，其特征在于，上述第一串聯(lián)差動 放大器包括耦接至供應(yīng)電壓的第一負載電阻對。
4. 如權(quán)利要求3所述的主動式多相濾波器，其特征在于，上述第三串聯(lián)差動 放大器包括耦接至供應(yīng)電壓的第二負載電阻對。
5. 如權(quán)利要求1所述的主動式多相濾波器，其特征在于，上述第一差動信號包括輸入信號Ii/與IirT，且上述第二差動信號包括Qin+與QirT。
6. 如權(quán)利要求1所述的主動式多相濾波器，其特征在于，每個上述串聯(lián)差動 放大器包括具有實質(zhì)相同電流的電流源對。
7. 如權(quán)利要求1所述的主動式多相濾波器，其特征在于，每個上述串聯(lián)差動 放大器包括具有實質(zhì)相同特性的復(fù)數(shù)個晶體管。
8. 如權(quán)利要求7所述的主動式多相濾波器，其特征在于，上述晶體管包括具有相同跨導(dǎo)的金屬氧化物半導(dǎo)體裝置。
9. 如權(quán)利要求7所述的主動式多相濾波器，其特征在于，上述晶體管包括具 有實質(zhì)相同gm特性的雙極接面裝置。
10. —種信號產(chǎn)生方法，其特征在于，用以根據(jù)復(fù)數(shù)非理想向量信號產(chǎn)生正 交信號，包括使用具有移相器的復(fù)數(shù)差動對處理上述非理想向量信號，上述移相器耦接 于上述差動對的每個電流接腳之間；以及使用上述差動對的至少兩個來產(chǎn)生上述正交信號。
11. 如權(quán)利要求10所述的信號產(chǎn)生方法，其特征在于，上述移相器包括電阻 或電容。
12. 如權(quán)利要求11所述的信號產(chǎn)生方法，其特征在于，每個上述差動對的至少兩個包括電容。
13. 如權(quán)利要求11所述的信號產(chǎn)生方法，其特征在于，每個上述差動對的至少兩個包括電阻。
14. 一種主動式多相濾波器，其特征在于，包括第一電阻，具有第一端以及第二端，上述第一電阻的第一端耦接至供應(yīng)電壓，上述第一電阻的第二端耦接至第一晶體管的第一端；上述第一晶體管的第二端被設(shè)定為用以接收第一輸入信號，且上述第一晶 體管的第三端耦接至第一電流源；第二電阻，具有第一端以及第二端，上述第二電阻的第一端耦接至上述供應(yīng)電壓，上述第二電阻的第二端，耦接至第二晶體管的第一端；上述第二晶體管的第二端被設(shè)定為用以接收第二輸入信號，且上述第二晶體管的第三端耦接至第二電流源；第三電阻，耦接于上述第一電流源與第二電流源之間；第三晶體管，具有第一端，第二端以及第三端，上述第三晶體管的第一端 耦接至上述第一晶體管的第一端，上述第三晶體管的第二端被設(shè)定為用以接收第三輸入信號，上述第三晶體管的第三端耦接至第三電流源；第四晶體管，具有第一端，第二端以及第三端，上述第四晶體管的第一端 耦接至上述第二晶體管的第一端，上述第四晶體管的第二端被設(shè)定為用以接收第四輸入信號，上述第四晶體管的第三端耦接至第四電流源； 第一電容，耦接于上述第三電流源與第四電流源之間；第四電阻，具有第一端以及第二端，上述第四電阻的第一端耦接至上述供 應(yīng)電壓，上述第四電阻的第二端耦接至第五晶體管的第一端；上述第五晶體管的第二端被設(shè)定為用以接收上述第四輸入信號，且上述第 五晶體管的第三端系耦接至第五電流源；第五電阻，具有第一端以及第二端，上述第五電阻的第一端耦接至上述供 應(yīng)電壓，上述第五電阻的第二端耦接至第六晶體管的第一端；上述第六晶體管的第二端被設(shè)定為用以接收上述第三輸入信號，且上述第 六晶體管的第三端耦接至第六電流源；第六電阻，耦接于上述第五電流源與第六電流源之間；第七晶體管，具有第一端，第二端以及第三端，上述第七晶體管的第一端 耦接至上述第五晶體管的第一端，上述第七晶體管的第二端被設(shè)定為用以接收 上述第二輸入信號，以及上述第七晶體管的第三端耦接至第七電流源；第八晶體管，具有第一端，第二端以及第三端，上述第八晶體管的第一端 耦接至上述第六晶體管的第一端，上述第八晶體管的第二端被設(shè)定為用以接收 上述第一輸入信號，上述第八晶體管的第三端耦接至第八電流源；以及第二電容，耦接于上述第七電流源與第八電流源之間。
15. 如權(quán)利要求14所述的主動式多相濾波器，其特征在于，上述第一電阻大 體與上述第二電阻相同，且上述第一電容大體與上述第二電容相同。
16. 如權(quán)利要求14所述的主動式多相濾波器，其特征在于，上述晶體管大體 為雙極接面晶體管。
17. 如權(quán)利要求14所述的主動式多相濾波器，其特征在于，上述晶體管大體為金氧半晶體管。
18. 如權(quán)利要求14所述的主動式多相濾波器，其特征在于，上述第一電阻、第二電阻、第三電阻以及第四電阻實質(zhì)相同。
19. 如權(quán)利要求14所述的主動式多相濾波器，其特征在于，上述第一電流源、 第二電流源、第五電流源以及第六電流源具有實質(zhì)相同的電流。
20. 如權(quán)利要求14所述的主動式多相濾波器，其特征在于，每個上述晶體管 具有實質(zhì)相同的特性。
全文摘要
一種多相濾波器以及信號產(chǎn)生方法。第一與第二串聯(lián)差動放大器被定義為用以接收第一與第二差動信號，第一串聯(lián)差動放大器具有耦接于第一串聯(lián)差動放大器之電流接腳之間的第一電阻，且第二串聯(lián)差動放大器具有耦接于第二串聯(lián)差動放大器之電流接腳之間的第一電容；第三與第四串聯(lián)差動放大器被定義為用以接收第一與第二差動信號，第三串聯(lián)差動放大器具有耦接于第三串聯(lián)差動放大器之電流接腳之間的第二電阻，且第四串聯(lián)差動放大器具有耦接于第四串聯(lián)差動放大器之電流接腳之間的第二電容；第一與第二串聯(lián)差動放大器被設(shè)定為根據(jù)第一與第二差動信號而提供第一差動輸出信號，且第三與第四串連差動放大器被設(shè)定為根據(jù)第一與第二差動信號而提供第二差動輸出信號。
文檔編號H03H11/00GK101111996SQ200680003769
公開日2008年1月23日 申請日期2006年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月22日
發(fā)明者曹堪宇, 李虹宇, 范一平, 趙介元 申請人:聯(lián)發(fā)科技股份有限公司