一種低通濾波器的制造方法
【專利摘要】一種低通濾波器，該濾波器提供了一個非常靈活的濾波器參數(shù)的選擇，如截止頻率、直流增益和Q因子，通過為單一的集成電路選擇合適的電阻值，與其他標準的低通電路的配置相比，其具有非常低的電容、電容率和有源電路。
【專利說明】一種低通濾波器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明通常涉及一種連續(xù)時間模擬的集成電路濾波器。更具體地，本發(fā)明提供了一種完全可調(diào)諧的最小的有源電路的二階低通濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002]模擬濾波器對于大多數(shù)電子電路的工作是必不可少的，并常常用來從噪聲中分離信號。一般情況下，一個模擬濾波器是一個電網(wǎng)絡(luò)，相對于自由傳輸一個或多個頻帶內(nèi)的信號而言，改變了振幅與/或相位特性并衰減了其他頻率的信號。
[0003]濾波器根據(jù)頻帶分為五種基本類型:全通，帶通，陷波，低通和高通。一個全通濾波器對不同頻率處的信號的振幅沒有影響，它的功能是在不影響信號振幅的情況下簡單地改變信號的相位。其他四種類型的濾波器自由地傳輸或通過落在一個相對窄的頻帶范圍內(nèi)的信號并衰減該頻段以外的信號。一個濾波器通過的頻率范圍被稱為濾波器的通帶，不需要的信號衰減的頻率范圍被稱為濾波器的阻帶。一個帶通濾波器有兩個阻帶，一個在通帶上面，一個在通帶的下面，而陷波濾波器具有有效地相反的功能，具有兩個通帶，一個在阻帶的上面，一個阻帶的下面。低通和高通濾波器都有一個通帶和阻帶，低通濾波器通過所有低頻信號直到一些指定的頻率，稱為截止頻率，衰減高頻信號，且高通濾波器拒絕低于截止頻率的低頻信號并通過該頻率以上的高頻信號。
[0004]每當必須從信號中移除高頻分量時，低通濾波器被廣泛地應(yīng)用在許多不同的應(yīng)用。例子通常涉及某些形式的噪聲抑制，如在寬帶通信、音響系統(tǒng)和衛(wèi)星圖像。低通濾波器的設(shè)計一般用作其他濾波器設(shè)計的基礎(chǔ)，高通或帶通濾波器往往只是從低通濾波器的設(shè)計中簡單的變換。
[0005]一個理想的低通濾波器的設(shè)計將在其通帶中展現(xiàn)出完全平坦的響應(yīng)并在其阻帶中展現(xiàn)出無限的衰減，以及從通帶到阻帶的快速轉(zhuǎn)換。然而，在實踐中，理想的低通濾波器只能近似地達到。實現(xiàn)理想的濾波性能往往涉及濾波元件的仔細選擇和調(diào)諧。增加濾波器的階數(shù)可以提高振幅響應(yīng)特性，這直接關(guān)系到濾波器中的元件數(shù)量，因而關(guān)系到其成本、其物理尺寸和設(shè)計的復(fù)雜性。更高階的濾波器的主要優(yōu)點是:它比類似的低階濾波器從通帶到阻帶具有一個更陡峭的過渡。一般情況下，二階濾波器被認為是最簡單，可以很容易地級聯(lián)，形成更高階的濾波器。用來描述一個濾波器性能的另一個參數(shù)是該濾波器的“Q”或Q因子。Q因子表示在截止頻率附近區(qū)域的振幅響應(yīng)的銳度和該頻率附近頻帶的寬度。當Q為高電平時，振幅響應(yīng)積聚在截止頻率(窄的寬度)相對應(yīng)的峰值周圍，并且當Q為低電平時，振幅響應(yīng)是平坦的并慢慢變細到阻帶。一個值為0.707的Q導(dǎo)致最大平坦的響應(yīng)。低通濾波器通常為滿足給定的截止頻率而設(shè)計并實現(xiàn)所期望的Q、成本和復(fù)雜性。
[0006]傳統(tǒng)的模擬低通濾波器的實現(xiàn)包括電阻器、電容器和電感器的網(wǎng)絡(luò)。因為缺乏放大元件，這些濾波器通常稱作無源濾波器，其表示濾波器不能提供信號增益。此外，這些濾波器可以是復(fù)雜、耗時的，且設(shè)計昂貴，由于難以調(diào)整電感器來提供所需的精度。
[0007]集成電路(IC)運算放大器(運放)的近期可用性使設(shè)計沒有電感器的低通濾波器成為可能，從而減少了與這些元件有關(guān)的問題。這些濾波器被稱為有源濾波器，因為其使用了放大元件且通常比無源濾波器更容易設(shè)計。此外，有源濾波器可以實現(xiàn)任意增益。
[0008]有幾種已知的用于設(shè)計低通濾波器的有源濾波器配置。其中使用最廣泛的一種是信號反相多重反饋(MFB)電路，設(shè)計一個二階低通濾波器。MFB電路使用一個運算放大器和兩個電容器來實現(xiàn)一個二階濾波器且容易設(shè)計。然而，作為一個集成電路，MFB2nd階低通濾波器是非常有限的并且有幾個缺點。
[0009]第一，實現(xiàn)的直流增益和Q因子是非常受限的，一旦運算放大器和電容器集成，從最初的設(shè)計大約只增加25%。這將導(dǎo)致濾波器組件困難的可調(diào)諧性，因為截止頻率、直流增益和Q因子的靈活性。第二，為了實現(xiàn)確定的Q因子為Q>1，電容比可能是相當大的，使電容器難以匹配一個良好的準確度。最后，MFB電路所要求的總電容相當高，這會導(dǎo)致更高的制造成本以及更大范圍的管芯面積。
[0010]鑒于設(shè)計一個二階MFB低通濾波器的上述缺點，以最小的有源電路提供一種可調(diào)諧的二階低通濾波器將是可取的。
[0011]提供一種二階低通濾波器，與二階MFB低通濾波器相比，其具有較低的電容值和電容比，這也是可取的。
[0012]提供一種二階低通濾波器，其中濾波器的參數(shù)由三個電阻器定義且專門用于有源電路的面積遠小于其他完全可編程的低通電路配置，這仍是可取的。
[0013]提供一種二階低通濾波器，可以容易級聯(lián)形成更高階的濾波器，這也將是可取的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]鑒于上述情況，本發(fā)明的一個目的是提供一種可調(diào)諧的最小有源電路的二階低通濾波器。
[0015]本發(fā)明的另一個目的是提供一種二階低通濾波器，其與二階MFB低通濾波器相比具有較低的電容和電容比。
[0016]本發(fā)明的再一個目的是提供一種二階低通濾波器，其中濾波器的參數(shù)由三個電阻器定義且專門用于有源電路的面積遠小于其他完全可編程的低通電路配置。
[0017]本發(fā)明還有一個目的是提供一種二階低通濾波器，可以容易級聯(lián)形成更高階的濾波器。
[0018]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
本發(fā)明的這些目的和其它目的是通過提供一種可調(diào)諧的最小有源電路的二階低通濾波器來實現(xiàn)。該濾波器的設(shè)計通過為一個單一的集成電路選擇合適的電阻值，使濾波器的參數(shù)如截止頻率、直流增益和Q因子能夠有一個非常靈活的選擇。
[0019]在一個優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明涉及在二階MFB低通濾波器的電路結(jié)構(gòu)中插入一個正反饋回路。正反饋回路優(yōu)選用一個反相增益放大器來實現(xiàn)裝入有源電路。與正反饋一起，該集成電路成為一個完全可編程的二階低通濾波器的構(gòu)件，它提供了一個非常靈活的濾波器參數(shù)選擇。
[0020]有利地是，本發(fā)明比MFB低通電路，需要比較低的電容和電容比，以及比其他的完全可編程的低通電路配置更小的有源電路面積，包括Tow-Thomas和狀態(tài)可變?yōu)V波器。
[0021]此外，本發(fā)明使得二階濾波器可以很容易地級聯(lián)形成更高階的濾波器。[0022]對比專利文獻:CN201732856U低通濾波器 201020217663.6，CN202178740U 低通濾波器 201120300213.8。
[0023]【專利附圖】

【附圖說明】:
下面將更詳盡的描述本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點，采取相應(yīng)的【專利附圖】

【附圖說明】，各元件的參考符號都在圖中標明。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)的二階MFB低通濾波器的原理框圖和電路圖；
圖2是一個根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的二階低通濾波器的一個優(yōu)選實施例的原理框圖和電路圖；
圖3是一個根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的二階低通濾波器的另一實施例的原理框圖和電路圖；
圖4是一個通過級聯(lián)圖2的二階低通濾波器來構(gòu)造的四階低通濾波器的原理框圖和電路圖；
圖5是一個由圖3的二階低通濾波器以阻帶陷波構(gòu)造的三階低通濾波器的原理框圖和電路圖。
[0024]【具體實施方式】:
本發(fā)明提供了一個完全可調(diào)諧的最小有源電路的二階低通濾波器，其可以很容易地級聯(lián)形成更高階的濾波器。二階低通濾波器最好由二階MFB低通濾波器電路構(gòu)造，其通過在運算放大器的輸出端和先前連接到MFB配置中接地的電容器之間插入一個正反饋環(huán)路。反饋回路使集成電路成為一個完全可編程的二階低通濾波器構(gòu)件，它提供了一個非常靈活的濾波器參數(shù)的選擇，如截止頻率、直流增益和Q因子，都可以選擇合適的電阻值。
[0025]參照圖1，描述了現(xiàn)有技術(shù)的二階MFB低通濾波器的原理框圖和電路圖。濾波電路10，它實現(xiàn)了一個二階低通濾波器，包括:運算放大器11，電容器C1 (12)和(:2 (13)，電阻器R1 (14), R2 (15)和& (16)。電路10還包括一個接收電信號的輸入端Kto,電信號包含直流分量、高頻交流分量和可能的低頻交流分量，以及一個輸出端，其直接連到運算放大器11的輸出端。
[0026]二階低通濾波隨電路10的傳遞函數(shù)由下式表示:
【權(quán)利要求】
1.一種低通濾波器，其特征是:一個低通濾波器電路，它具有一個用于接收一個模擬輸入信號匕的輸入端并具有一個用于產(chǎn)生一個濾波的模擬輸出信號Vtjut的輸出端，所述濾波電路的增益由Vrat與Vjn的比值定義，它的振幅和相位取決于頻率W，濾波器電路耦合在輸入和輸出之間，從而提供振幅，所以作為頻率函數(shù)的振幅包括一個通過低頻率的通帶和一個阻止高頻率的阻帶，以及過渡區(qū)域之間的一個截止頻率K，濾波電路使增益符合一個二階頻變函數(shù)表示為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低通濾波器，其特征是:所述直流增益^、截止頻率&和Q因子Q符合下面的公式
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低通濾波器，其特征是:一個低通濾波器電路，它具有一個用于接收一個模擬輸入信號匕的輸入端并具有一個用于產(chǎn)生一個濾波的模擬輸出信號Vout的輸出端，所述濾波電路的增益由Vout與Vjn的比值定義，它的振幅和相位取決于頻率W，濾波器電路耦合在輸入和輸出之間，從而提供振幅，所以作為頻率函數(shù)的振幅包括一個通過低頻率的通帶和一個阻止高頻率的阻帶，以及過渡區(qū)域之間的一個截止頻率I，濾波電路使增益符合一個二階頻變函數(shù)表示為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低通濾波器，其特征是:所述差分放大器，第一電容器、第二電容器、第三電容器和第四電容器是集成的；所述低通濾波器電路是一個單片集成電路；所述第一和第三電阻器具有相同的電阻值，第二和第四電阻具有相同的電阻值，以及第五和第六電阻器具有相同的電阻值；所述第一電容器和第二電容器具有相同的電容值，且第三電容器和第四電容器具有相同的電容值。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低通濾波器，其特征是:所述直流增益％、截止頻率Wtj和Q因子Q符合下面的公式
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低通濾波器，其特征是:所述低通濾波器電路可以以串聯(lián)方式級聯(lián)，形成更高階的濾波器；所述低通濾波器連接了一個第二電路，第二電路包括:一個差動放大器，它具有一個負輸入端和一個正輸入端，以及一個負輸出端和一個正的輸出端；第一電阻連接在差分放大器的負輸入端和低通濾波器的差分放大器的正輸出端之間；第二電阻連接在差分放大器的正輸入端和低通濾波器的差分放大器的負輸出端之間；第三電阻器之間連接在差分放大器的負輸入端和正輸出端之間；第四電阻器連接在差分放大器的正輸入端和負輸出端之間；第一電容器連接在差分放大器的負輸入端和正輸出端之間；第二電容器連接在差分放大器的正輸入端和負輸出端之間；第三電容器連接在差分放大器的負輸入端和低通濾波器的第一電阻器之間；第四電容器連接在差分放大器的正輸入端和低通濾波器的第三電阻器之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低通濾波器，其特征是:所述低通濾波器電路和第二電路形成一個三階帶有阻帶陷波的低通濾波器電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低通濾波器，其特征是:所述三階低通濾波器電路是一個單片集成電路。
【文檔編號】H03H7/01GK103618515SQ201310596192
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請人:蘇州貝克微電子有限公司