CN100431265C - 有源可调滤波电路 - Google Patents

Abstract

一种有源可调滤波电路，它作为一种可集成有源滤波器用于移动无线电设备中，包括一个有源放大器电路(A)和一个耦合至有源放大器电路的无源谐振电路(P)。有源放大器(A)含一个电抗性反馈网络，反馈回路含有第一可调谐元件(L1)，对L1进行设置以放大通过所需的输入信号。而无源谐振电路(P)包括一个电感性元件(LFB，L3或L4)和一个无源半导体元件(FET2，FET3或FET4)，无源半导体元件具有一个极间电容，极间电容在操作中与电感性元件在所要信号的谐波处产生谐振。在一种结构(图1)中，所述电路包括一个具有放大作用的带通滤波器，而在另一种结构(图6，未表示)中，这个电路包括一个具有放大作用的谐波陷波滤波器。

Description

有源可调滤波电路

技术领域

本发明涉及一种有源可调滤波电路，它适用于多频带移动无线电通信应用中。

背景技术

随着多频带无线电系统如GSM和DCS的采用，就需要手持小型装置能在至少两个不同的系统上运行。为了改进子系统性能，涉及用于手持小型装置的电路的技术开发已集中于阻抗匹配技术和有效的功率放大器设计上，该放大器已导致功率损耗的降低、射频(RF)子系统效率的改善。阻抗匹配技术，对于在多频带通信系统里每个单独的频带仍然需要多个复杂的射频(RF)滤波器。已有两个不同的方法来实现可调元件用于滤波，也就是无源可调元件设计和有源电感和电容设计。无源可调元件设计的缺点是：它仍然处于发展过程中，并且它目前不可能达到所需要的宽频调谐范围.虽然有源电感和电容设计技术得到发展，但该技术具有高寄生效应的特点，这导致了低Q设计，从而造成了在许多元件设计中的基本性能的缺陷。因而，为了区分各个单独的频带，已将单独的滤波链用于多频带移动无线电系统中。在许多移动手持的小型装置中，使用SAW技术来实现单独的RF滤波链。这样的技术不仅昂贵，而且这样的滤波组件需要特殊的集成技术，才能使SAW滤波器与RF子组件的其它部分(例如，功率放大器)集成在一起。由于功率损耗高、相对尺寸大，这种传统的具有单独RF滤波链的RF组件设计是一个成本比较高的解决方案。

发明内容

本发明的目的是克服已知滤波器设计中的这些不足之处。

本发明提供了一种有源可调滤波电路，该电路包括一个放大组件和一个谐振电路，其中放大组件有一个电抗性反馈回路，它包括一个用于放大输入信号的可调元件。而谐振电路包括一个电感性元件和一个处于无源模式的半导体器件的极间寄生电容，这个极间寄生电容在操作中与电感性元件产生谐振，从而在输入信号的谐波处进行滤波。

本发明是基于实现能够制造一种具有放大滤波作用的噪声系数低的有源可调滤波电路，通过使用高Q值的电抗反馈，利用如晶体管这样的半导体有源元件的寄生现象提供一个非常低值的电容，以提供一个能够在如900MHz和更高频率谐波处产生谐振的电路，晶体管例如为FET(场效应晶体管)。

附图说明

下面将结合附图通过举例的方式描述本发明，在其中：

图1是用于多频带移动无线电通信的一个有源可调滤波器的第一个实施例的电路示意图。

图2是一个曲线图，它显示了由有源可调滤波器的第一个实施例所获得的带通响应特性曲线。

图3是一个图1所示在FET(场效应晶体管)情况下只有寄生效应的反馈电路图。

图4展示了电抗反馈的模拟结果S₁₂。

图5展示了电抗反馈的模拟结果S₂₁。

图6是用于多频带移动无线电通信中的一个有源可调滤波器的第二个实施例的电路示意图。

图7是有源滤波器的第二个实施例的频率响应特性的曲线图。

在上述图中，已经使用相同的标号来表示相应的特征。

具体实施方式

图1所示的有源可调滤波器包括有源放大和滤波部分A(放大组件)和提供谐振滤波的作用的无源谐振器部分P(谐振电路)。

有源部分A包括一个有源半导体放大器件，例如，FET1。输入端10接收一个RF输入信号，这个信号通过电容12加到FET1的栅极。FET1的源极连接到地，它的漏极通过电容14连接到一个RF输出端16。漏偏压(未表示)的源连接到端点18，而端点18是直接连接到FET1的漏极的。

电抗反馈电路RFC1(电抗反馈网络)是连接在FET1的漏极和栅极之间的。该电抗反馈电路RFC1包括串联在FET1的漏极和栅极之间的隔直电容器C1、可变电感L1和电阻R1。电容C2与串联链是并联的。在端点20上的频率控制电压V_FC(未表示)的源通过串联电阻R2连接到可变电感L1的控制极上。设置可变电感L1，使其可通过用于传递所需要的RF信号，这个RF信号出现在输入端10上。

无源谐振器部分P包括一个不导电的半导体器件FET2，FET2有一个电抗性反馈网络RFC2，RFC2包括串联在FET2的漏极和源极之间的隔直电容器C_FB、可变电感L_FB和电阻R_FB。电容C3与串联链是并联的.FET2的栅极通过电容C4耦合到地，并且不由任何漏偏压来驱动。因而FET2是处于一种无源模式。可变电感L_FB的控制电极通过电阻R2耦合到端点20上。

在运行过程中，漏偏压加到端点18上，频率控制电压V_FC加在端点20上。端点10上的RF输入信号通过带通滤波，其结果出现在端点16上。

无源部分P的电抗反馈电路RFC2有效地对有源部分A的电抗反馈电路RFC1进行分流，从而在所需的频率上提供无限大的阻抗。这如图2和图3所示。滤波器的谐振频率是通过反馈电感L_FB与电容C_gd的谐振来确定的，其中C_gd是不导电的FET2中的栅漏极间的寄生电容。反馈电阻R_FB的值小，用以提供稳定性。为了能使由电感L_FB和寄生电容C_gd组成的谐振电路在输入端10上的出现信号的二次或更高次谐波处产生谐振，可变电感L_FB的值与可变电感L1有很大的不同。

参照图3，我们将对谐振电路的操作进行说明。当电阻R_FB值小时，反馈阻抗完全由反馈电抗值来控制，所以电路就以电抗反馈模式工作。因此，在此情况下的FET2中，反馈电感L_FB与晶体管(FET2)的寄生效应相互作用。为了使这种电抗模式容易理解，下面的解析表达式只考虑了FET2的固有参数。这样，就把反馈电路描绘成如图3所示。

利用众所周知的双端口网络参数和最大稳定性增益(MSG)表达式之间的转换公式，MSG以下列公式来表示：

$\mathrm{MSG}=\frac{|g_m-(\frac{1}{Z_{\mathrm{gd}}}+\frac{1}{Z_{\mathrm{FB}}})|}{|\frac{1}{Z_{\mathrm{gd}}}+\frac{1}{Z_{\mathrm{FB}}}|25}$

这里g_m是图3中FET2的等效电路的跨导，Z_gd是FET2的栅漏极间阻抗，Z_FB是电抗性反馈网络RFC2的阻抗。

当 $|\frac{1}{Z_{\mathrm{gd}}}+\frac{1}{Z_{\mathrm{FB}}}|=0$

MSG达到无限大.

$\frac{1}{Z_{\mathrm{gd}}}+\frac{1}{Z_{\mathrm{FB}}}=\frac{\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{gd}}-{\mathrm{\ω}}^2{C}_{\mathrm{gd}}{C}_{\mathrm{FB}}(R_{\mathrm{FB}}+\mathrm{j\ω}{L}_{\mathrm{FB}})+\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{FB}}}{1+\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{FB}}(R_{\mathrm{FB}}+\mathrm{j\ω}{L}_{\mathrm{FB}})}$

这里，已经考虑了反馈回路所有可能的电抗分量，所以C_FB、L_FB和R_FB分别是反馈电容、电感和电阻。在R_FB＝0(电抗性反馈)或者R_FB＜＜|ωL_FB|时，

$\frac{1}{Z_{\mathrm{gd}}}+\frac{1}{Z_{\mathrm{FB}}}=\frac{\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{FB}}(1-{\mathrm{\ω}}^2{C}_{\mathrm{gd}}{C}_{\mathrm{FB}})+\mathrm{j\ω}{C}_{\mathrm{gd}}}{1-{\mathrm{\ω}}^2{C}_{\mathrm{FB}}{L}_{\mathrm{FB}}}$

当选择低值R_FB(在阈值R_K之下)时，反馈电感L_FB能够和C_FB在某个频率上产生谐振，这里，ω²C_FBL_FB＝1，产生具有无条件的稳定性的极高增益。当在两个不同的L_FB值处扫描了十个不同的R_FB值时，模拟过程进一步证实了这个极高增益设计原理。

图4和5展现了计算出的结果。图4表示反向增益S₁₂，就是说，增益g(dB)与频率f(Hz)以及与反馈电感L_FB(亨利)的关系曲线。而在图5中表示正向增益S₂₁，就是说，增益g(dB)与频率f(Hz)以及与反馈电阻R_FB(Ω)的关系曲线。图4和图5的分析表示，获得具有稳定性的极高增益是由于谐振(随着S₁₂变到零，S₂₁增加)引起。计算结果清楚表明，电抗性反馈放大器可产生极高增益。

参见图6，有源滤波器，起着谐波陷波滤波器的作用，这是因为FET3和FET4各自的结电容和各自的电感L3和L4产生谐振，L3和L4分别在它们各自FET的外部。

如图所示电路的有源部分A类似于参照图1描述和表示的电路，为了简明扼要只描述其不同之处。通过将端点30上的调谐电压Vf₁经过串联电阻32加到电感L1的控制电极上，使有源部分调谐到所需要的RF输入信号。

无源部分包括基于不导电的FET3和FET4的两个电路26和28，它们的输出端经过串联电容38耦合到FET1的漏极和电容14的结点。

因为电路26和28具有相同的结构，为了简明扼要，将详细地描述电路26，而电路28中相应的元件将在括号中列出。

调谐电压Vf₂(Vf₃)的输入端33(41)通过串联电阻34(40)耦合到FET3(FET4)的栅电极。电感L3(L4)的一端连接到FET3(FET4)的漏电极，而L3(L4)的另一端连接到电容器38上.FET3(FET4)的源电极接到地。电容器C3(C4)旁路FET3(FET4)的栅-源极间电容。电容器36(42)耦合在电阻32(40)和地之间。

调谐电压Vf₂和Vf₃是和基波频率f₁的二次谐波频率f₂和三次谐波频率f₃相对应的。当电压Vf₁、Vf₂和Vf₃加到它们各自的输入端30、33、41时，有源可调滤波电路起着谐波陷波滤波器的作用，该滤波器具有如图7所示的特性。

反馈放大器的噪声参数是：

$R_n^F={\left|\frac{y_{21}}{y_{21}-y_{\mathrm{FB}}}\right|}^2(R_n+{\left|\frac{y_{\mathrm{FB}}}{y_{21}}\right|}^2{R}_{\mathrm{FB}})$

$G_n^F=G_n+{|y_{11}+y_{21}-y_{\mathrm{cor}}|}^2\frac{{\left|\frac{y_{\mathrm{FB}}}{y_{21}}\right|}^2{R}_n{R}_{\mathrm{FB}}}{R_n+{\left|\frac{y_{\mathrm{FB}}}{y_{21}}\right|}^2{R}_{\mathrm{FB}}}$

$y_{\mathrm{cor}}^F=y_{\mathrm{cor}}+(y_{11}+y_{21}-y_{\mathrm{cor}})\frac{\frac{y_{\mathrm{FB}}}{y_{21}}{R}_n+{\left|\frac{y_{\mathrm{FB}}}{y_{21}}\right|}^2{R}_{\mathrm{FB}}}{R_n+{\left|\frac{y_{\mathrm{FB}}}{y_{21}}\right|}^2{R}_{\mathrm{FB}}}$

这里，R_n、G_n和Y_cor分别是没有反馈网络RFC2时FET2的等效噪声电阻、等效噪声电导和相关导纳。当 $R_{\mathrm{FB}}\≅\left|\mathrm{\ω}{L}_{\mathrm{FB}}\right|$ 时，上述等式是有效的。这意味着插入的反馈元件产生了额外的噪声(噪声源)，这导致对放大器噪声的贡献。在电抗模式(R_FB＜＜|ωL_FB|)，噪声系数可简化成：

$R_n^F={\left|\frac{y_{21}}{y_{21}-y_{\mathrm{FB}}}\right|}^2\left(R_n\right)$

$G_n^F=G_n$

$y_{\mathrm{cor}}^F=y_{\mathrm{cor}}+(y_{11}+y_{21}-y_{\mathrm{cor}})\frac{y_{\mathrm{FB}}}{y_{21}}$

从而，放大器的噪声降低了，但电抗分量仍然起着噪声源的作用.

和本说明书的背景技术中所述现有技术的滤波器相比较，按照本发明的有源可调滤波器电路具有单个电路的好处。这个电路提供了具在抑制寄生(spurious)衰减和滤除谐波(rejected harmonics)的谐振器型的放大作用，低噪声系数，用于移动应用的可调频率和增益，而且能够利用标准铸造(foundry)工艺制造成集成电路。

虽然已参照使用FET描述了本发明，但可以理解还可以使用其它有源半导体器件，如面结型晶体管。

上述有源可调滤波器电路的一个主要应用是作为无线电接收器的RF级的一个前端。但是，如果能得到十分耐用的有源半导体器件，则依照本发明制造的可调有源滤波器电路可用于功率放大器电路中，从而提供具有滤波作用的放大器电路。

在本发明的说明书和权利要求书中，一个元件前面的字“一”不排除多个这种元件的出现。进一步，单词“包括”并不排除除了已列出的那些元件或步骤外的其它元件或步骤的出现。

通过阅读本发明公开的内容，对于本领城中普通技术人员来说进行其它改进将是显而易见的。这样的改进可能涉及在设计、制造和使用有源可调滤波器电路及其组成部分中已是公知的其它特征，因此可以使用这些其它特征替换或加到在这里所述的特征中去。

工业适用性

多频带移动无线电通信装置。

Claims (8)

1.一种有源可调滤波器电路，包括：

一个放大组件，放大组件有一个电抗反馈网络，电抗反馈网络包括一个用于放大输入信号的可调元件，

谐振电路，可操作地连接到所述放大组件，所述谐振电路包括一个电感性元件和一个处于无源模式的半导体器件的极间寄生电容，极间寄生电容与电感性元件在操作中产生谐振，在输入信号的谐波处进行滤波。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于谐振电路进一步包括一个旁路极间寄生电容的电容。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于谐振电路包括一个串联到电感性元件上的电阻性元件。

4.根据权利要求2或3所述的电路，其特征在于：可调元件和电感性元件具有各自的控制电极，控制电极耦合到输入端，用于接收频率控制电压。

5.根据权利要求2或3所述的电路，其特征在于所述可调元件包括第一可调元件，所述第一可调元件是一个可变电感。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于所述电感性元件是电感，谐振电路包括与该电感串联的电容。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于包括至少两个谐振电路，每个谐振电路具有一个耦合到输入终端的输入端，用于连接到各自的频率控制电压，每个谐振电路还具有一个输出端，输出端连接到电抗性反馈网络的输出端上。

8.一种包括根据权利要求1到3、6到7中任何一个所述的有源可调滤波器电路的无线电通信装置。

Images