CN101111996A - 主动式多相滤波器以及信号产生方法 - Google Patents

Abstract

一种多相滤波器以及信号产生方法。第一与第二串联差动放大器被定义为用以接收第一与第二差动信号，第一串联差动放大器具有耦接于第一串联差动放大器之电流接脚之间的第一电阻，且第二串联差动放大器具有耦接于第二串联差动放大器之电流接脚之间的第一电容；第三与第四串联差动放大器被定义为用以接收第一与第二差动信号，第三串联差动放大器具有耦接于第三串联差动放大器之电流接脚之间的第二电阻，且第四串联差动放大器具有耦接于第四串联差动放大器之电流接脚之间的第二电容；第一与第二串联差动放大器被设定为根据第一与第二差动信号而提供第一差动输出信号，且第三与第四串连差动放大器被设定为根据第一与第二差动信号而提供第二差动输出信号。

Description

主动式多相滤波器以及信号产生方法

技术领域

本发明是有关于一种多相滤波器(polyphase filter)，且特别是有关于一种主动式多相滤波器缓冲电路的方法与装置。

背景技术

多相滤波器接收N相或多相输入信号并且产生N相输出信号。一种特殊类型的多相滤波器”正交滤波器”(quadrature filter)是一种大家所熟知的四相位多相滤波器。大体来说，正交滤波器的输入包括彼此等值的四个信号电压。四个信号电压共同组成具有在既定方向旋转90度的相位角时个别信号向量互相接替的一个信号向量群组。多相信号的频率根据逆时针或顺时针旋转而可以为正或负。一般来说，通常会将0度或180度的信号向量标示为+I与-I信号，并且将90度或270度的信号向量标示为+jQ与-jQ信号。

多相滤波器广泛的使用于高频时钟脉冲数据路径，以产生正交信号以及提升的时钟脉冲信号的镜像抑制(image rejection)。最初，许多的多相滤波器设计是通过LC滤波器的组合而达成。随着集成电路的普及以及将电感整合至集成电路中的难度，现今通常将RC滤波器的组合使用于多相滤波器中。大部分的多相滤波器为被动式电路。被动式电路的特性是其能量损失(energy loss)通常与级数成正比。因此，使用在被动多相滤波器的输出端的额外的缓冲器通常会增加成本以及电路设计的复杂度。

图1为显示传统单级(single stage)多相滤波器10的示意图。单级多相滤波器10包括复数个被动电容与电阻。输入信号I_in ^-102耦接至电容C4104的正端以及电阻R3106的一侧。输出信号I_out ^-1108耦接至电阻R3106的另一侧以及电容C3110的负端。输入信号Q_in ⁺112耦接至电容C3110的正端以及电阻R2114的一侧。输出信号Q_out ⁺116耦接至电阻R2114的另一侧以及电容C2118的负端。输入信号I_in ⁺120耦接至电容C2118的正端以及电阻R1122的一侧。输出信号I_out ⁺124耦接至电阻R1122的另一侧以及电容C1126的负端。输出信号Q_out ^-128耦接至电阻R4130的一侧以及电容C4104的负端。输入信号Q_in ^-132耦接至电容C1126的正端以及电阻R4130的另一侧。单级多相滤波器10包括输入信号I_in ^-102，I_in ⁺120，Q_in ^-132以及Q_in ⁺112。单级多相滤波器10的输出信号包括I_out ^-108，I_out ⁺124，Q_out ^-128以及Q_out ⁺116。具有四个输入端以及四个输出端的滤波器通常叫做正交滤波器。由于单级多相滤波器10包括复数个被动元件，因此会使输出端的信号衰减。此外，当增加更多级时，滤波器的能量损失与增加至滤波器的级数成正比。

克服多相滤波器的被动特性的方法包括使用运算放大器以提供主动RC滤波器。多相滤波器与运算放大器的结合可以在滤波器的输出端提供增益。此外，介于主动RC滤波器的输入端与输出端之间的反馈回路用以降低对集成电路中元件变异的敏感度。然而，以运算放大器为基础的多相滤波器主要的缺点为有限的频宽会将操作限制为低频操作。

随着超过1千兆赫(GHz)的高频信号的出现，以运算放大器为基础的多相滤波器将不具有频率响应。毫无疑问地，在高频应用系统中的电路设计限制使用被动多相滤波器设计。即使被动多相滤波器设计会使信号严重的衰减并且需要具有较大增益的额外的缓冲器，电路设计人员增加额外的元件来补偿被动多相滤波器设计所引起的信号衰减。

因此，需要一种可结合被动多相滤波器与主动RC滤波器的优点的方法与装置。经过改善的多相滤波器包括下列特征，例如容易透过现有的集成电路工艺制造，可操作于千兆赫的范围，以及做为一种具有增益的主动电路，以降低缓冲的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种适用于主动多相滤波器的方法与装置。主动多相滤波器以串联差动放大器以及设置于串联差动放大器的接脚之间的RC装置为基础。因此，本发明实施例揭露一种主动多相滤波器。多相滤波器包括第一串联差动放大器组以及第二串联差动放大器组。第一串联差动放大器组被设定为用以接收第一差动信号，第一串联差动放大器具有第一电阻，耦接于第一串联差动放大器的电流接脚之间，以及第二串联差动放大器具有第一电容，耦接于第二串联差动放大器的电流接脚之间。第二串联差动放大器组被设定为用以接收第二差动信号，第三串联差动放大器具有第二电阻，耦接于第三串联差动放大器的电流接脚之间，以及第四串联差动放大器具有第二电容，耦接在第四串联差动放大器的电流接脚之间。第二串联差动放大器组被设定为用以根据第一差动信号产生第一差动输出信号，且第一串联差动放大器组被设定为用以根据第二差动信号产生第二差动输出信号。

根据本发明另一实施例，第一电阻与第二电阻大体相同，且第一电容与第二电容大体相同。使电阻与电容一致将可以最佳化多相滤波器的操作。

根据本发明另一实施例，第一串联差动放大器包括耦接至供应电压的第一负载电阻对。

根据本发明另一实施例，第三串联差动放大器包括耦接至供应电压的第二负载电阻对。

根据本发明另一实施例，第一负载电阻对与第二负载电阻对大体相同。具有大体相同的负载电阻可以简化电路的制造并且使多相滤波器的操作最佳化。

根据本发明另一实施例，每个串联差动放大器包括具有实质相同特性的复数个晶体管。

根据本发明另一实施例，晶体管包括具有相同跨导的MOS装置。

根据本发明另一实施例，晶体管包括具有相同低频跨导(g_m)特性的双极接面装置。串联差动放大器中的晶体管可以于多相滤波器的输出端产生增益。在输出端产生增益可以避免对于缓冲电路的需求，如此一来便可以简化电路的设计并且降低成本。

附图说明

图1所示为传统多相滤波器的示意图。

图2所示为显示根据非理想向量产生正交信号的示意图。

图3所示为显示根据本发明实施例所述之主动多相滤波器的电路图。

具体实施方式

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

实施例：

本发明提供一种适用于主动多相滤波器的方法与装置。一般来说，主动多相滤波器包括具有相位操作的高速放大器。高速放大器包括差动对，其输入信号透过电容而通过具有相位偏移为90度的负载。再者，高速放大器的输出提供具有较大增益的缓冲特性。由于高速放大器使用差动对，放大器将其功能维持于高频操作。

在本发明说明书以及权利要求书中多相滤波器与正交滤波器这两种措辞可以交替使用。正交滤波器是多相滤波器的特例。本领域技术人员都了解本发明实施例所述的正交滤波器适用于多相滤波器。因此，正交滤波器适用于多相滤波器应用系统。

正交滤波器应用系统根据非理想向量而产生正交信号。当非理想向量输入信号I_in ⁺，I_in ^-，Q_in ⁺以及Q_in ^-输入正交滤波器时，滤波器会产生输出信号I_out ⁺，I_out ^-，Q_out ⁺以及Q_out ^-。具有相对相位为0度或180度的信号为I-信号或是同相(in-phase)信号，而具有相对相位为90度或270度的信号为Q-信号或是正交相位(quadrature-phase)信号。输出信号I_out ⁺，I_out ^-，Q_out ⁺以及Q_out ^-通常又叫做过滤向量，并且代表具有相同振幅且与输入信号具有90度的相位差的差动正交信号。考虑任何正交信号的I向量与Q向量的差动信号，每个向量可以被分解为两个向量，对于I向量而言会被分解为I₁与I₂，而对于Q向量而言会被分解为Q₁与Q₂。以数学的观点而言，可以对具有相同振幅且完全正交的(I₁，Q₁)与(I₂，Q₂)向量对执行分解，其中I₁领先Q₁90度且Q₂领先I₂90度。在许多电路应用系统中仅需要一个次向量(sub-vector)。依照惯例，I₁通常会领先Q₁。因此，将期望向量组(I₁，Q₁)对未期望向量组(I₂，Q₂)的振幅比(magnitude ratio)定义为镜像抑制比(imagerejection ratio，IRR)。本发明的正交滤波器通过对两个向量组提供不同的增益而改善输入正交信号的IRR。

图2显示多相滤波器应用系统的示意图。旋转非理想向量输出信号并且计算其总和以产生正交信号I’＝I+jQ与Q’＝Q-jI。在新的向量组中，I’向量领先Q’向量90度。I’的振幅与Q’的振幅相同。镜像抑制在理想上是无限的。然而，在实际应用中，可达成的镜像抑制量受到电路元件中的不一致以及执行90度旋转操作的精确度的限制。

图3显示根据本发明实施例所述的正交滤波器电路300，包括具有相位操作的高速放大器。串联差动放大器T1302、T2304以及T83I6、T7314分别接收输入信号I_in ⁺303以及I_in ^-305。串联差动放大器T5310、T6312以及T4308、T6306分别接收输入信号Q_in ⁺309以及Q_in ^-307。电阻Ri318耦接于差动放大器T1302与T2304的电流接脚(current leg)之间，特别是介于T1302的射极(emitter)与T2304的射极之间。电阻Rq320耦接于差动放大器T5310与T6312的电流接脚之间，特别是介于T5310的射极与T6312的射极之间。电容Ci324耦接于差动放大器T3306与T4308的电流接脚之间，特别是介于T3306的射极与T4308的射极之间。电容Cq326耦接于差动放大器T7314与T8316的电流接脚之间，特别是介于T7314的射极与T8316的射极之间。

负载电阻Z_L1 328的一端耦接至V_supply 329，另一端耦接至T1302的集极(collector)与T3306的集极。T3306的集极节点也提供输出信号I_out ^-314。负载电阻Z_L2330的一端耦接至V_supply329，另一端耦接至T2304的集极与T4308的集极。T4308的集极节点也提供输出信号I_out ⁺343。负载电阻Z_L3332的一端耦接至V_supply329，另一端耦接至T5310的集极与T7314的集极。T7314的集极节点也提供输出信号Q_out ^-349。负载电阻Z_L4334的一端耦接至V_supply329，另一端耦接至T6312的集极与T8316的集极。T8316的集极节点也提供输出信号Q_out ⁺351。电流源Ib1～Ib8提供大体相同的电流。电流源Ib1336与Ib2338分别耦接至T1302与T2304的射极。电流源Ib3340与Ib4342分别耦接至T3306与T4308的射极。电流源Ib5344与Ib6346分别耦接至T5310与T6312的射极。电流源Ib7348与Ib8350分别耦接至T7314与T8316的射极。

参照串联差动放大器T1302与T2304，由于R_i318设置于差动放大器的接脚之间，因此输入信号通过负载Z_L1328与负载Z_L2330而与Ci324具有90度的相位偏移。同样的，在串联差动放大器T5310与T6312中，由于Rq320设置于差动放大器的接脚之间，因此输入信号通过负载Z_L3332与负载Z_L4334而与Cq326具有90度的相位偏移。串联差动放大器包括主动装置T1302至T8316。当串联放大器的输入端接收到输入信号时，正交滤波器电路300的输出端会产生增益。

尽管在正交滤波器电路300中以双极(bipolar)晶体管作为主动装置，然而本领域的技术人员都了解可通过金属氧化物半导体(MOS：metal oxide silicon)或其它类似的晶体管取代双极(bipolar)晶体管。晶体管具有类似的特性，包括适用于正交滤波器电路300的理想操作的类似的跨导(transconductance)。

当以双极接面晶体管作为主动装置时，在相对低操作频率下的操作可以下列等式表示：

$i_{c1}=\frac{g_{m,c1}\·Z_{L1}}{1+g_{m,c2}\·R_i/2}\·\frac{(v_{i+}-v_{i-})}{2}$

$i_{c3}=-\frac{g_{m,c3}\·Z_{L1}}{1+g_{m,c3}/\mathrm{j\ω}2C_i}\·\frac{(v_{q+}-v_{q-})}{2}$

i_L1＝i_c1+i_c3

令所有的偏压电流I_b1～I_b8都相同，且R_i＝R_C，C_i＝C_q，jω₀C_iR_i＝1。假设g_m，c1·R_i＞＞1

${v_{i-}}^{\mathrm{out}}=-i_{L1}\·Z_{L1}=-\frac{Z_{L1}}{R_i}[(v_{i+}-v_{i-})+j\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\·(v_{q+}-v_{q-})]$

因此

$({v_{i+}}^{\mathrm{out}}-{v_{i-}}^{\mathrm{out}})=-i_{L1}\·Z_{L1}=\frac{{2Z}_{L1}}{R_i}[(V_{i+}-V_{i-})+j\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\·(v_{q+}-v_{q-})]$

同样的，可以推导出正交输出信号

$({v_{q+}}^{\mathrm{out}}-{v_{q-}}^{\mathrm{out}})=-i_{L1}\·Z_{L1}=\frac{{2Z}_{L1}}{R_i}[(v_{q+}-v_{q-})-j\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\·(v_{i+}-v_{i-})]$

镜像抑制

${\mathrm{IR}}_{\mathrm{out}}=\frac{({v_{i+}}^{\mathrm{out}}-{v_{i-}}^{\mathrm{out}})+j({v_{q+}}^{\mathrm{out}}-{v_{q-}}^{\mathrm{out}})}{({v_{i+}}^{\mathrm{out}}-{v_{i-}}^{\mathrm{out}})-j({v_{q+}}^{\mathrm{out}}-{v_{q-}}^{\mathrm{out}})}=\frac{(1+\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0})((v_{i+}-v_{i-})+j\·(v_{\mathrm{qi}+}-v_{q-}))}{(1-\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0})((v_{i+}-v_{i-})-j\·(v_{\mathrm{qi}+}-v_{q-}))}=\frac{(1+\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0})}{(1-\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0})}\·{\mathrm{IR}}_{\mathrm{in}}$

在ω＝ω₀时，如果没有装置不一致、g_m，c1·R_i＞＞1以及ω够低时，IR为无限大。事实上，这会因素将会造成能由电路所得到镜像抑制的上限。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。

Claims (20)

1.一种主动式多相滤波器，其特征在于，包括：

第一与第二串联差动放大器，被定义为用以接收第一与第二差动信号，上述第一串联差动放大器具有耦接于上述第一串联差动放大器的电流接脚之间的第一电阻，且上述第二串联差动放大器具有耦接于上述第二串联差动放大器的电流接脚之间的第一电容；以及

第三与第四串联差动放大器，被定义为用以接收上述第一与第二差动信号，上述第三串联差动放大器具有耦接于上述第三串联差动放大器的电流接脚之间的第二电阻，且上述第四串联差动放大器具有耦接于上述第四串联差动放大器的电流接脚之间的第二电容；

其中上述第一与第二串联差动放大器被设定为用以根据上述第一与第二差动信号而提供第一差动输出信号，且上述第三与第四串连差动放大器被设定为用以根据上述第一与第二差动信号而提供第二差动输出信号。

2.如权利要求1所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述第一电阻大体与上述第二电阻相同，且上述第一电容大体与上述第二电容相同。

3.如权利要求1所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述第一串联差动放大器包括耦接至供应电压的第一负载电阻对。

4.如权利要求3所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述第三串联差动放大器包括耦接至供应电压的第二负载电阻对。

5.如权利要求1所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述第一差动信号包括输入信号I_in ⁺与I_in ^-，且上述第二差动信号包括Q_in ⁺与Q_in ^-。

6.如权利要求1所述的主动式多相滤波器，其特征在于，每个上述串联差动放大器包括具有实质相同电流的电流源对。

7.如权利要求1所述的主动式多相滤波器，其特征在于，每个上述串联差动放大器包括具有实质相同特性的复数个晶体管。

8.如权利要求7所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述晶体管包括具有相同跨导的金属氧化物半导体装置。

9.如权利要求7所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述晶体管包括具有实质相同g_m特性的双极接面装置。

10.一种信号产生方法，其特征在于，用以根据复数非理想向量信号产生正交信号，包括：

使用具有移相器的复数差动对处理上述非理想向量信号，上述移相器耦接于上述差动对的每个电流接脚之间；以及

使用上述差动对的至少两个来产生上述正交信号。

11.如权利要求10所述的信号产生方法，其特征在于，上述移相器包括电阻或电容。

12.如权利要求11所述的信号产生方法，其特征在于，每个上述差动对的至少两个包括电容。

13.如权利要求11所述的信号产生方法，其特征在于，每个上述差动对的至少两个包括电阻。

14.一种主动式多相滤波器，其特征在于，包括：

第一电阻，具有第一端以及第二端，上述第一电阻的第一端耦接至供应电压，上述第一电阻的第二端耦接至第一晶体管的第一端；

上述第一晶体管的第二端被设定为用以接收第一输入信号，且上述第一晶体管的第三端耦接至第一电流源；

第二电阻，具有第一端以及第二端，上述第二电阻的第一端耦接至上述供应电压，上述第二电阻的第二端，耦接至第二晶体管的第一端；

上述第二晶体管的第二端被设定为用以接收第二输入信号，且上述第二晶体管的第三端耦接至第二电流源；

第三电阻，耦接于上述第一电流源与第二电流源之间；

第三晶体管，具有第一端，第二端以及第三端，上述第三晶体管的第一端耦接至上述第一晶体管的第一端，上述第三晶体管的第二端被设定为用以接收第三输入信号，上述第三晶体管的第三端耦接至第三电流源；

第四晶体管，具有第一端，第二端以及第三端，上述第四晶体管的第一端耦接至上述第二晶体管的第一端，上述第四晶体管的第二端被设定为用以接收第四输入信号，上述第四晶体管的第三端耦接至第四电流源；

第一电容，耦接于上述第三电流源与第四电流源之间；

第四电阻，具有第一端以及第二端，上述第四电阻的第一端耦接至上述供应电压，上述第四电阻的第二端耦接至第五晶体管的第一端；

上述第五晶体管的第二端被设定为用以接收上述第四输入信号，且上述第五晶体管的第三端系耦接至第五电流源；

第五电阻，具有第一端以及第二端，上述第五电阻的第一端耦接至上述供应电压，上述第五电阻的第二端耦接至第六晶体管的第一端；

上述第六晶体管的第二端被设定为用以接收上述第三输入信号，且上述第六晶体管的第三端耦接至第六电流源；

第六电阻，耦接于上述第五电流源与第六电流源之间；

第七晶体管，具有第一端，第二端以及第三端，上述第七晶体管的第一端耦接至上述第五晶体管的第一端，上述第七晶体管的第二端被设定为用以接收上述第二输入信号，以及上述第七晶体管的第三端耦接至第七电流源；

第八晶体管，具有第一端，第二端以及第三端，上述第八晶体管的第一端耦接至上述第六晶体管的第一端，上述第八晶体管的第二端被设定为用以接收上述第一输入信号，上述第八晶体管的第三端耦接至第八电流源；以及

第二电容，耦接于上述第七电流源与第八电流源之间。

15.如权利要求14所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述第一电阻大体与上述第二电阻相同，且上述第一电容大体与上述第二电容相同。

16.如权利要求14所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述晶体管大体为双极接面晶体管。

17.如权利要求14所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述晶体管大体为金氧半晶体管。

18.如权利要求14所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻实质相同。

19.如权利要求14所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述第一电流源、第二电流源、第五电流源以及第六电流源具有实质相同的电流。

20.如权利要求14所述的主动式多相滤波器，其特征在于，每个上述晶体管具有实质相同的特性。

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