CN101204005B - 使用多个谐振滤波器的集成波道滤波器以及操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种电路包括：包括连接到第一可变电容器的第一电感器的第一滤波器，其中，第一滤波器与第一谐振频率相关联。该电路还包括连接到第一滤波器的放大器和连接到该放大器的第二滤波器。第二滤波器包括连接到第二可变电容器的第二电感器，其中，第二滤波器与基本与第一谐振频率相同的第二谐振频率相关联。第一滤波器的至少一部分和第二滤波器的至少一部分形成于一个集成电路上。

Description

使用多个谐振滤波器的集成波道滤波器以及操作方法
技术领域
本发明一般地涉及信号处理，并且更具体地涉及使用多个谐振滤波器的集成波道滤波器。
背景技术
希望存在具有带通滤波器响应并且可调节中心频率的低噪声放大器(LNA)。由于由集电极负载电感器和寄生电容引起的额外的谐振的存在，在LNA的发射极引线(emitter leg)中的单个谐振滤波器是不够的谐振。在LNA的集电极引线中的谐振不一定会以与发射极滤波器中的谐振的频率相同的频率发生，从而导致不希望的带通滤波器响应的加宽。
发明内容
根据本发明，与现有的放大器有关的缺点和问题已经充分被减少或者消除。
根据本发明的一方面，一种电路包括：第一滤波器，该第一滤波器包括连接到第一可变电容器的第一电感器，其中第一滤波器与第一谐振频率相关联。该电路还包括连接到第一滤波器的放大器，以及连接到该放大器的第二滤波器。第二滤波器包括连接到第二可变电容器的第二电感器，其中，第二滤波器与基本上与第一谐振频率相同的第二谐振频率相关联。第一滤波器的至少一部分和第二滤波器的至少一部分形成于一个集成电路上。
下面的技术优点可以通过本发明的一些实施例或所有实施例，或者不通过本发明的实施例来实现。
本发明的特定技术优点被实现，因为滤波器至少部分形成于集成电路上。例如，不是形成于集成电路上的滤波器传送所希望的波道，但是将不希望的波道反射回输入信号的发射机或者其他源。对不希望的波道的这种反射往往会破坏输入信号中的所有波道，包括所希望的波道。形成于集成电路上的滤波器传送所希望的波道，但是不会将不希望的波道反射回输入信号的发射机或源。替代地，不希望的波道被消散在各个元件中，例如，集成电路的损耗元件。所希望的波道的破坏因此不再会是重大的问题。
通过调整两个谐振滤波器的电容，以使得它们的谐振频率被相互对准(aligned)，从而实现较锐的带通滤波器响应。结果，滤波器和放大器的品质因数(quality factor)高于仅具有单个可调谐谐振滤波器的替代电路。这样引起了电路的较高的增益以及对通道的较大的选择性。
参考下面的详细描述和附图，本发明的这些和其他优点、特征以及目的将会更加容易理解。
附图说明
为了更彻底地理解本发明和其优点，对要被结合附图理解的本发明的下面详细的描述作出参考，其中：
图1示出系统10的一个实施例，该系统包括形成在一个集成电路上的预选放大器电路和调谐器；
图2示出在图1中所描述的预选放大器的一个实施例；
图3A-3B示出在图2中所描述的预选放大器电路中的滤波器的带通滤波器响应；以及
图4A-4B示出在图2中的预选放大器电路的滤波器中使用的可变电容器。
具体实施方式
图1示出系统10的一个实施例，该系统包括连接到调谐器14的预选放大器电路12。至少部分电路12和调谐器14形成于一个集成电路16上。通常，电路12接收包括多个频道的输入信号20。电路12对信号20进行过滤和放大，以作为信号22传送到调谐器14。调谐器14接收信号22，并且传送输出信号24。通常，电路12可以实现信号20的较高增益和较大波道选择性，这是因为其包括两个被调谐为基本相同谐振频率的谐振滤波器电路30和32。
电路12包括连接到放大器34的第一滤波器30和第二滤波器32。滤波器30和32包括可以形成于集成电路16上的任何适当数量的频率选择元件和它们的组合。在下面参考图2更详细描述的特定实施例中，滤波器30包括一谐振滤波器，该谐振滤波器包括电感器和与该电感器串联配置的电容器的并联组合。此外，滤波器32包括一谐振滤波器，该滤波器包括电感器和与该电感器并联配置的电容器的并联组合。至少部分电容器可以被转换到与任何的给定滤波器30或32的电感器连接或者不连接，以便来改变特定滤波器30和32的频率选择性。电路12的这些和其它特征将参考图2进行更详细的描述。
系统10的特殊技术优点被实现，因为滤波器30和32至少部分形成于一个集成电路16上。例如，非形成于集成电路上的滤波器传送所希望的信号20的波道，而将不希望的信号20的波道反射回输入信号20的发射机或其它源。对不希望的波道的反射往往会破坏输入信号20中的所有波道，包括所希望的波道。形成于集成电路16上的滤波器30和32传送所希望的波道，而不会将不希望的波道反射回输入信号20的发射机或源。替代地，不希望的波道被消散在各个元件中，例如集成电路16的损耗元件。对所希望的波道的破坏因此不再是重大的问题。
调谐器14包括任何适当数量的有源和无源元件以及它们的组合，这些元件包括但不限于增益控制模块、混频器和可以从所希望的无线电频谱中提取内容并且将该内容转换成例如可由接入设备使用的形式的滤波器。在一实施例中，调谐器14包括用于在电视系统中使用的电视调谐器。虽然电路12和调谐器14在图1中被作为独立的部分而被示出，但是应当理解，在特定实施例中，电路12可以与调谐器14形成一体。例如，电路12可以与调谐器14的输入级形成一体。
通过将电路12配置在调谐器14的输入级之前或者与其形成一体，系统10实现了特定的技术优点。例如，由调谐器产生的互调产物的数量按照由调谐器14处理的波道的数量的平方增长。因此，通过在由调谐器14执行处理之前从信号20中过滤出大量的不希望的波道，电路10排除了很大比重的由调谐器14产生的互调产物。因此调谐器14的可变增益的范围也扩大了。互调产物的减少往往还减少了许多二次互调产物(例如，二次谐波失真)。此外，如上所述，调谐器14的功率和性能需求是由调谐器14处理的波道的数量来确定的。通过减少由调谐器处理的波道的数量，调谐器14的功率损耗和后续级数(subsequent stages)被减少。
输入信号20包括射频信号。在电视系统中，代表各个波道的信号被分配给所定义的频带中的特定频率。例如，在美国，电视信号通常在从48MHz到852MHz的频带内传输。在其它国家，电视信号通常在从470MHz到900MHz的频带内传输。
在操作中，电路12接收包括大量波道的输入信号20。所希望的调谐器14的调谐频率被确定。基于所希望的调谐频率，用于滤波器30和滤波器32的电容器值被设定，以使得滤波器32的谐振频率基本上等于滤波器30的谐振频率，滤波器30的谐振频率基本上与所希望的调谐频率相等。结果，电路12对输入信号20进行过滤，以生成具有在所希望的频带内的波道的信号22。此外，电路12的放大器34对输入信号20中将在信号22中被传输的波道进行放大。电路12将不希望的波道消散在集成电路16的损耗元件中。调谐器14接收信号22，并且发送包括从与信号20相关联的频带中选出的一个或多个波道的输出信号24。在特定实施例中，输出信号包括电视频带中的单个频道。
图2示出电路12的特定实施例，该电路包括第一滤波器30、放大器34和第二滤波器32。放大器包括晶体管50。晶体管50包括三端设备。如图所示，晶体管50包括具有接收输入信号20的基极端、连接过滤器30的发射极端和连接晶体管52的集电极端的NPN晶体管。第一滤波器30包括具有连接晶体管50的发射极的第一引线和连接可变电容器56的第二引线的电感器。可变电容器56包括可开关地相互并联并且与电感器54串联的多个电容器。第二滤波器32包括具有连接电源VCC的第一引线和连接晶体管52的第二引线的电感器60。第二滤波器还包括可变电容器62，该可变电容器62包括可开关地相互并联并且与电感器60并联的多个电容器。第二滤波器32还包括与电感器60并联的电阻器64。此外，第二滤波器包括由电容器66表示的寄生电容。电路12还包括晶体管70，该晶体管用作连接第二滤波器32的输出的射极跟随器，以便将第二滤波器32的输出与电容性负载隔离。电路12还包括电流源72。信号22的输出端被连接到晶体管70的发射极上。
第一滤波器显示出由下面的等式给定的第一谐振频率f1：
f 1 = 1 2 π L 1 C 1
其中：
L1＝电感器54；以及
C1＝可变电容器56。
第二滤波器显示出由下面的等式给定的第二谐振频率f2：
f 2 = 1 2 π L 2 ( C 2 + C p )
其中：
L2＝电感器60；
C2＝可变电容器62；以及
Cp＝寄生电容66。
从上述公式中可以看出，第一谐振频率f1依赖于第一电感器54的值和第一可变电容器56的值。在一个实施例中，第一电感器54的值是固定的，并且第一谐振频率f1通过与构成第一可变电容器56的一个或多个电容器连接或者断开连接来调谐。同样，这可以响应于使用调谐器14选出的所希望的调谐频率来实现。第二谐振频率f2不仅依赖于第二电感器60和第二可变电容器62，还依赖于寄生电容66。通常，第二电感器60和寄生电容66是固定的，并且第二谐振频率f2的值通过与构成第二可变电容器62的一个或多个电容器连接或者断开连接来调谐。为了操作电路12，第二谐振频率f2被调谐，以便其基本上与第一谐振频率f1相等。通过调整两个谐振滤波器30和32的电容，使得他们的谐振频率相互对准，如图3A和图3B所示，得到了较锐的带通滤波器响应。结果，电路12的品质因数高于仅具有单个可调谐谐振滤波器30的替代电路。这导致较高的增益和电路12对波道的较大的选择性。
从图2中可以看出，除了处于晶体管50的发射极端的可调谐谐振滤波器30之外，电路12还结合了处于晶体管52的集电极端的可调谐谐振滤波器32。可变电容器62置于第二谐振滤波器32之内，以便使得电感60、寄生电容66和可变电容器62的谐振频率与可调谐第一谐振滤波器30的谐振频率相一致。另外，晶体管50的输出相对于后续级被缓冲，以便减少电容性负载，并且提供已知的电容性负载。
图3A示出仅包括第一滤波器和放大器34的电路12的示例带通滤波器响应。图3A的曲线图中X轴表示频率，Y轴表示增益(例如，Vout/Vin)。图3B示出如图1和图2所示的包括连接第一谐振滤波器30和第二谐振滤波器32的放大器34的电路12的示例带通滤波器响应。与图3A相同，在图3B中X轴表示频率，Y轴表示增益(例如，Vout/Vin)。与图3A的带通滤波器响应相比，从图3B的带通滤波器响应可以看出，使用第一和第二谐振滤波器30和32相对于使用单个谐振滤波器30得到了具有较高增益的较锐的带通滤波器响应。具体地，通过调整谐振滤波器30和32的电容，使得他们的谐振频率相互对准，从而实现较锐的带通滤波器响应。这导致电路12的较高的增益和对波带的较大的选择性。电路12的滤波器响应可以不同于图3A～3B示出的示例滤波器响应，而不脱离本申请的公开范围。
图4A和图4B分别示出可变电容器56和62的特定实施例。参考图4A，可变电容器56包括可开关地相互连接的电容器56a-56n的并联组合。可变电容器56被串联连接到电感器54。具体地，第二电容器56b可开关地与第一电容器56a并联连接。第三电容器56c可开关地与第一电容器56a并联连接。第n电容器56n可开关地与第一电容器56a并联连接。这样，与电容器56b到56n相关联的信号可开关地连接到与电容器56a相关联的信号。从电容器56a到56n中选出的电容器的组合可以统称为电容器56，并且通常称为可变电容器56。电容器56中的每个电容器具有连接电感器54的一端的第一端。第一电容器56a所具有的第二端接地。第一开关55a短路电感器54和地。第二开关55b将第二电容器56b的第二端连接到第一电容器56a的第二端。第三开关55c将第三电容器56c的第二端连接到第一电容器56a的第二端。开关55根据由电路12接收的指令信号有选择地起作用。
参考图4B，可变电容器62包括可开关地相互连接的电容器62a-62n的并联组合。可变电容器62并联连接到电感器60。具体地，第二电容器62b可开关地与第一电容器62a并联连接。第三电容器62c可开关地与第一电容器62a并联连接。第n电容器62n可开关地与第一电容器62a并联连接。这样，与电容器62b到62n相关联的信号可开关地连接到与电容器62a相关联的信号。从电容器62a到62n中选出的电容器的组合可以统称为电容器62，并且通常称为可变电容器62。电容器62中的每个电容器具有连接电感器60的一端的第一端。第一电容器62a所具有的第二端接地。第二开关65a短路电感器60和地。第二开关65b将第二电容器62b的第二端连接到第一电容器62a的第二端。第三开关65c将第三电容器62c的第二端连接到第一电容器62a的第二端。开关65根据由电路12接收的指令信号有选择地起作用。
可变电容器56和62的组件形成在集成电路16上。电容器56和62的值可以在特定滤波器30或32中选出，以便使得任何给定的滤波器30或32内的分别与电感器54串联连接或者与电感器60并联连接的电容器56和62的适当的组合提供适当的谐振频率并因而提供关于适当的中心频率的带通滤波。例如，滤波器32的谐振频率不仅依赖于电容器62的值，还依赖于寄生电容66和电感60的值。结果，电容器56的值可以与电容器62的值相同或者不同。虽然图4A-4B示出具有特定数量和配置的电容器的可变电容器56和62，但应当理解任何给定的可变电容器56和62可以具有任何适当数量和配置的电容器，以便得到所需要的与频率选择有关的粒度水平(level of granularity)。
虽然已经详细描述了本发明，但是应当理解在不脱离由所附权利要求定的本发明的范围内，可以作出各种改变、替代和修改。

Claims (22)

1.一种集成波道滤波器电路，包括：
第一滤波器，所述第一滤波器包括连接到第一可变电容器的第一电感器，其中，所述第一滤波器与第一谐振频率相关联；
连接到所述第一滤波器的放大器；
第二滤波器，连接到所述放大器，并且包括连接到第二可变电容器的第二电感器，其中，所述第二滤波器与第二谐振频率相关联，所述第二谐振频率基本上与所述第一谐振频率相同；以及
射极跟随器电路，连接到所述第二滤波器并且可操作用于相对于电容性负载对所述第二滤波器的输出进行缓冲；
其中，所述第一滤波器的至少一部分和所述第二滤波器的至少一部分形成于一个集成电路上。
2.根据权利要求1所述的集成波道滤波器电路，其中，所述第一可变电容器包括多个可开关地相互连接的电容器，每个电容器具有一个被选择用于实现特定的第一谐振频率的值。
3.根据权利要求1所述的集成波道滤波器电路，其中，所述第二可变电容器包括多个可开关地相互连接的电容器，每个电容器具有一个被选择用于实现特定的第二谐振频率的值。
4.根据权利要求3所述的集成波道滤波器电路，其中，所述第二可变电容器还包括对所述第二谐振频率有贡献的寄生电容。
5.根据权利要求1所述的集成波道滤波器电路，其中，所述第一谐振频率至少部分基于所述第一电感器的值和所述第一可变电容器的值。
6.根据权利要求1所述的集成波道滤波器电路，其中，所述第二谐振频率至少部分基于所述第二电感器的值和所述第二可变电容器的值。
7.根据权利要求1所述的集成波道滤波器电路，其中，所述第一谐振频率和所述第二谐振频率是根据所希望的调谐频率来确定的。
8.根据权利要求1所述的集成波道滤波器电路，其中，所述集成波道滤波器电路可操作用于处理具有范围从470MHz到900MHz的频率的信号。
9.根据权利要求1所述的集成波道滤波器电路，还包括通信地连接到所述射极跟随器电路的调谐器，其中，所述调谐器的至少一部分形成于所述集成电路上。
10.一种集成波道滤波器电路，包括：
第一滤波器，所述第一滤波器包括连接到第一可变电容器的第一电感器，其中，所述第一滤波器与第一谐振频率相关联；
连接到所述第一滤波器的放大器；以及
第二滤波器，连接到所述放大器，并且包括连接到第二可变电容器的第二电感器，其中，所述第二滤波器与第二谐振频率相关联，所述第二谐振频率基本上与所述第一谐振频率相同；
射极跟随器电路，连接到所述第二滤波器，并且可操作用于相对于电容性负载对所述第二滤波器的输出进行缓冲；以及
调谐器，通信地连接到所述射极跟随器电路；
其中，所述第一滤波器的至少一部分、所述第二滤波器的至少一部分和所述调谐器的至少一部分形成于一个集成电路上。
11.根据权利要求10所述的集成波道滤波器电路，其中，所述第一可变电容器包括多个可开关地互相连接的电容器，每个电容器具有一个被选择用于实现特定的第一谐振频率的值。
12.根据权利要求10所述的集成波道滤波器电路，其中，所述第二可变电容器包括多个可开关地互相连接的电容器，每个电容器具有一个被选择用于实现特定的第二谐振频率的值。
13.根据权利要求12所述的集成波道滤波器电路，其中，所述第二可变电容器还包括对所述第二谐振频率有贡献的寄生电容。
14.根据权利要求10所述的集成波道滤波器电路，其中，所述第一谐振频率至少部分基于所述第一电感器的值和所述第一可变电容器的值。
15.根据权利要求10所述的集成波道滤波器电路，其中，所述第二谐振频率至少部分基于所述第二电感器的值和所述第二可变电容器的值。
16.根据权利要求10所述的集成波道滤波器电路，其中，所述第一谐振频率和所述第二谐振频率是根据所希望的调谐频率来确定的。
17.根据权利要求10所述的集成波道滤波器电路，其中，所述集成波道滤波器电路可操作用于处理具有范围从470MHz到900MHz的频率的信号。
18.一种集成波道滤波器电路，包括：
晶体管，具有第一端、第二端和第三端，所述第一端用于接收输入信号；
第一电感器，具有第一导线和第二导线，所述第一导线连接到所述晶体管的所述第二端；
第一可变电容器，连接到所述第一电感器的所述第二导线，其中所述第一电感器和所述第一可变电容器形成第一滤波器，所述第一滤波器具有第一谐振频率；
第二可变电容器，通信地连接到所述晶体管的所述第三端；
第二电感器，具有连接到电源的第一导线和连接到所述晶体管的所述第三端的第二导线，其中所述第二电感器和所述第二可变电容器形成第二滤波器，所述第二滤波器具有第二谐振频率；以及
射极跟随器电路，连接到所述第二滤波器并且可操作用于相对于电容性负载对所述第二滤波器的输出进行缓冲；
其中，所述第二谐振频率与所述第一谐振频率基本上相等。
19.根据权利要求18所述的集成波道滤波器电路，其中：
所述第一可变电容器包括可开关地彼此连接的第一组多个电容器，每个电容器具有一个被选择用于实现特定的第一谐振频率的值；并且
所述第二可变电容器包括可开关地彼此连接的第二组多个电容器，每个电容器具有一个被选择用于实现特定的第二谐振频率的值；
所述第二可变电容器还包括对所述第二谐振频率有贡献的寄生电容。
20.根据权利要求18所述的集成波道滤波器电路，其中，所述第一滤波器的至少一部分和所述第二滤波器的至少一部分形成于一个集成电路上。
21.根据权利要求20所述的集成波道滤波器电路，还包括通信地连接到所述第二滤波器的输出的调谐器，其中，所述调谐器的至少一部分形成于所述集成电路上。
22.根据权利要求21所述的集成波道滤波器电路，其中，所述集成波道滤波器电路可操作用于处理具有范围从470MHz到900MHz的频率的信号。
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