CN102355220B - 陷波器及低通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陷波器，包括依次连接的第一积分电路、单位增益反相电路以及第二积分电路，所述第一积分电路的输入端为陷波器的输入端，所述第二积分电路的输出端为陷波器的输出端，所述输入端和第二积分电路的反馈输入端之间连接前馈电容，所述输出端和第一积分电路的反馈输入端之间并联反馈电阻和反馈电容，所述第一积分电路和第二积分电路中运算放大器的反相输入端连接有电流控制电路。本发明还公开一种低通滤波器，其中的积分电路采用与上述陷波器相同的结构。上述积分器具有较大的时间常数，可以避免使用较大的电阻和电容，使集成变得简单。

Description

陷波器及低通滤波器

【技术领域】

本发明涉及集成电路，尤其是涉及一种集成电路中的陷波器，还涉及一种低通滤波器。

【背景技术】

在模拟电路设计中，陷波器通常是用来抑制或者消除特定频率的干扰。由于工频(50Hz或者60Hz)干扰无处不在，很多仪器设备(如心电监护仪等)内部都包含用来抑制这种工频干扰的陷波器。

这种陷波器一般用离散电阻、离散电容和运算放大器在印制电路板(PCB)焊接而成。但是这样用PCB焊接而成的陷波器不仅功耗高、体积大，而且精度也不高。

将陷波器全部集成在一个芯片内可以消除上述陷波器存在的问题。然而在现代微电子工艺中，集成在芯片内的电阻一般不超过500KΩ，电容不超过50pF，这是因为如果集成电阻或者集成电容超过这些值，它们的非线性将极大地损坏电路的性能，得不偿失。在这样的限制下，陷波器的中心频率便达不到抑制工频干扰的要求。

集成的滤波器同样存在上述的滤波频率的控制问题。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种能够集成到芯片中并用于抑制工频干扰的陷波器。

一种陷波器，包括依次连接的第一积分电路、单位增益反相电路以及第二积分电路，所述第一积分电路的输入端为陷波器的输入端，所述第二积分电路的输出端为陷波器的输出端，所述输入端和第二积分电路的反馈输入端之间连接前馈电容，所述输出端和第一积分电路的反馈输入端之间并联反馈电阻和反馈电容，所述第一积分电路和第二积分电路中运算放大器的反相输入端连接有电流控制电路。

优选地，所述电流控制电路包括两个漏极相接的第一场效应管和第二场效应管，其中第一场效应管的栅极输入第一偏置电压、源极接所述运算放大器的反相输入端，第二场效应管的栅极输入第二偏置电压、源极接所述运算放大器的同相输入端并输入标准电压，且第一积分电路的反馈输入端为两个场效应管相连的漏极，第二积分电路的反馈输入端为运算放大器的反相输入端。

优选地，所述单位增益反相电路包括运算放大器、并联于运算放大器输出端和反相输入端之间的伪电阻和电容以及并联于单位增益反相电路的输入端和所述运算放大器的反相输入端之间的伪电阻和电容，所述伪电阻包括两个场效应管，两个场效应管的栅极和漏极短接后连接，两个场效应管的源极分别作为整个伪电阻的两端。

一种低通滤波器，包括依次连接的第一积分电路、单位增益反相电路以及第二积分电路，所述第一积分电路的输入端为陷波器的输入端，所述第二积分电路的输出端为陷波器的输出端，所述输出端和第一积分电路的反馈输入端之间并联反馈电阻和反馈电容，所述第一积分电路和第二积分电路中运算放大器的反相输入端连接有电流控制电路。

优选地，所述电流控制电路包括两个漏极相接的第一场效应管和第二场效应管，其中第一场效应管的栅极输入第一偏置电压、源极接所述运算放大器的反相输入端，第二场效应管的栅极输入第二偏置电压、源极接所述运算放大器的同相输入端并输入偏置电压，且第一积分电路的反馈输入端为两个场效应管相连的漏极，第二积分电路的反馈输入端为运算放大器的反相输入端。

优选地，所述单位增益反相电路包括运算放大器、并联于运算放大器输出端和反相输入端之间的伪电阻和电容以及并联于单位增益反相电路的输入端和所述运算放大器的反相输入端之间的伪电阻和电容，所述伪电阻包括两个场效应管，两个场效应管的栅极和漏极短接后连接，两个场效应管的源极分别作为整个伪电阻的两端。

上述陷波器或低通滤波器中电流控制电路在第一积分电路和第二积分电路所起的作用是输入到运算放大器的反相输入端的电流相比于输入的电流大为减小。从而极大地增加积分器的时间常数，可以避免使用较大的电阻和电容，使集成变得简单。

【附图说明】

图1为一实施例的陷波器的电路原理图；

图2为第一积分电路的电路原理图；

图3为单位增益反相电路的电路原理图；

图4为对陷波器进行仿真后得到的频率响应曲线；

图5为陷波器在不同的偏置电压VB1下的频率响应曲线；

图6为陷波器在不同偏置电压VB1下对应的中心频率；

图7为一实施例的低通滤波器的电路原理图。

【具体实施方式】

如图1所示，为一实施例的陷波器。该陷波器包括依次连接的第一积分电路100、单位增益反相电路200以及第二积分电路300。

第一积分电路100包括运算放大器U1、连接于运算放大器U1的输出端和反相输入端之间的电容C1以及顺次连接在运算放大器U1的反相输入端的电流控制电路102和电阻R1，其中电流控制电路102连接在运算放大器U1的反相输入端和电阻R1之间。陷波器的输入端V_in通过电阻R1连接至电流控制电路102。

第二积分电路300包括运算放大器U2、连接于运算放大器U2的输出端和反相输入端之间的电容C2以及顺次连接在运算放大器U2的反相输入端的电流控制电路302和电阻R2，其中电流控制电路302连接在运算放大器U2的反相输入端和电阻R2之间。陷波器的输出端V_out是运算放大器U2的输出端。

单位增益反相电路200的输入端与运算放大器U1的输出端连接，单位增益反相电路200的输出端通过电阻R2连接至电流控制电路302。

反馈电阻R3和反馈电容C3并联在输出端V_out和第一积分电路100的反馈输入端。其中第一积分电路100的反馈输入端是指电阻R1和电流控制电路102连接的一端。

前馈电容C4连接在陷波器的输入端V_in和第二积分电路300的反馈输入端之间，其中第二积分电路300的反馈输入端是指运算放大器U2的反相输入端和电流控制电路302连接的一端。

运算放大器U1、U2的同相输入端均输入电压V_R。

上述电路中电流控制电路102、302在第一积分电路100和第二积分电路300所起的作用是使输入到运算放大器U1、U2的反相输入端的电流相比于R1、R2的电流大为减小。这里将两个电流的比值记为α。

将整个陷波器的输入电压记为Vi，输出电压记为Vo，单位增益反相电路的输入电压和输出电压分别记为V₁、-V₁，为简便起见，其他各个阻抗器件的参数均与其标号相对应(如反馈电阻R3的阻值即为R₃)，则根据基尔霍夫电流定律，有：α

$(\frac{V_i}{R_1}+\frac{V_o}{R_3}+V_o{C}_{3}s)\mathrm{\α}=(0-V_1)C_{1}s$

$\frac{-V_1}{R_2}\mathrm{\α}+V_i{C}_{4}s=(0-V_o)C_{2}s$

联立上述两个式子，可以消掉中间变量V₁，得到传递函数

$\frac{V_o}{V_i}=-\frac{1+\frac{R_1{R}_2{C}_1{C}_4{s}^2}{{\mathrm{\α}}^2}}{\frac{R_1}{R_3}+R_1{C}_{3}s+\frac{R_1{R}_2{C}_1{C}_2{s}^2}{{\mathrm{\α}}^2}}$

如果，R₁＝R₂＝R₃，C₁＝C₂＝C₃，那么上式可以简化为

$\frac{V_o}{V_i}=-\frac{1+\frac{{R_1}^2{C_1}^2{s}^2}{{\mathrm{\α}}^2}}{1+R_1{C}_{1}s+\frac{{R_1}^2{C_1}^2{s}^2}{{\mathrm{\α}}^2}}$

而陷波器的传递函数的表达式为

$H\left(s\right)=\frac{s^2+{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{s^2+\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{Q}+{{\mathrm{\ω}}_0}^2}$

因此，通过使α远小于1，则

这样陷波器的陷波中心频率ω₀可以大大减少，从而不必需要很大的电阻或电容也能够实现集成。

以下以电流控制电路102为例，说明本实施例中的电流控制电路的结构。如图2所示，电流控制电路102包括两个漏极相接的第一场效应管M1和第二场效应管M2，其中第一场效应管M1的栅极输入第一偏置电压VB1、源极接运算放大器U1的反相输入端。第二场效应管M2的栅极输入第二偏置电压VB2、源极接运算放大器U1的同相输入端并输入标准电压V_R。两个场效应管相连的漏极作为上述的第一积分电路100的反馈输入端。

电流控制电路102用来控制电流I₁占总电流I_total的比例。设α＝I₁/I_total＝I₁/(I₁+I₂)。

由于电流控制电路102中的运算放大器U1经过积分电容C1的反馈作用后，第一场效应管M1的源极电压与V_R十分接近，这里假设它们相等。第一场效应管M1和第二场效应管M1的漏源电压很小，因此这两个场效应管都工作在线性区。根据金属-氧化物-半导体场效应管的Level 1模型可知：

I₁＝μ_nC_ox(W/L)₁(VB1-V_th)V_ds

I₂＝μ_nC_ox(W/L)₂(VB2-V_th)V_ds

因此在设计电路时让VB1-Vth远远小于VB2-Vth，即可使α＝I₁/(I₁+I₂)≈(W/L)₁(VB1-V_th)/(W/L)₂(VB2-V_th)远小于1。

本实施例中，电流控制电路302与电流控制电路102完全相同，且电流控制电路302的第一场效应管的源极与运算放大器U2的反相输入端连接作为第二积分电路300的反馈输入端。

进一步地，如图3所示，本实施例的陷波器中的单位增益反相电路200包括运算放大器U3、并联于运算放大器U3输出端和反相输入端之间的伪电阻R4和电容C5以及并联于单位增益反相电路200的输入端和运算放大器U3的反相输入端之间的伪电阻R5和电容C6。其中伪电阻R4包括两个场效应管M_b1、M_b2，两个场效应管M_b1、M_b2的栅极和漏极短接后连接，两个场效应管M_b1、M_b2的源极分别作为整个伪电阻R4的两端。伪电阻R5的结构与伪电阻R4的结构一致。通过伪电阻和电容的并联代替传统的电阻，可以使单位增益反相电路200的等效电阻的阻抗大，线性度好。

根据上述实施例的方案，采用CMOS 0.18μm 1P6M工艺进行了仿真。各元件参数设置如下：

R₃＝R₂＝R₁＝297KΩ，

C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝C₅＝C₆＝1.42pF，

VB1＝1.35V，VB2＝VDD＝1.8V。

图4为上述陷波器仿真的频率响应曲线，图4上半部分为相位响应曲线，而下半部分为幅度响应曲线。从图4可以看出，陷波器的陷波中心频率为50Hz，且衰减55.4dB。图5为不同的偏置电压VB1所对应的幅度响应曲线。通过调节VB1的值，陷波中心频率也会跟着移动，这样该陷波器不仅可以抑制50Hz(在中国、欧洲)陷波器，而且可以通过调节VB1得到60Hz(美国)陷波器，更重要的是由于集成电路中电阻电容的工艺偏差比较大，而通过调节VB_1可以对中心频率进行校准。图6为不同偏置电压VB1对应的中心频率。从图6可以看出，VB1越大，陷波中心频率也越大。

如图7所示，为一实施例的低通滤波器。该低通滤波器包括依次连接的第一积分电路100′、单位增益反相电路200′以及第二积分电路300′。

第一积分电路100′包括运算放大器U1′、连接于运算放大器U1′的输出端和反相输入端之间的电容C1′以及顺次连接在运算放大器U1′的反相输入端的电流控制电路102′和电阻R1′，其中电流控制电路102′连接在运算放大器U1′的反相输入端和电阻R1′之间。低通滤波器的输入端V′_in通过电阻R1′连接至电流控制电路102′。

第二积分电路300′包括运算放大器U2′、连接于运算放大器U2′的输出端和反相输入端之间的电容C2′以及顺次连接在运算放大器U2′的反相输入端的电流控制电路302′和电阻R2′，其中电流控制电路302′连接在运算放大器U2′的反相输入端和电阻R2′之间。低通滤波器的输出端V′_out是运算放大器U2′的输出端。

单位增益反相电路200′的输入端与运算放大器U1′的输出端连接，单位增益反相电路200′的输出端通过电阻R2′连接至电流控制电路302′。

反馈电阻R3′和反馈电容C3′并联在输出端V′_out和第一积分电路100′的反馈输入端。其中第一积分电路100′的反馈输入端是指电阻R1′和电流控制电路102′连接的一端。

运算放大器U1′、U2′的同相输入端均输入电压V_R。

单位增益反相电路200′也采用与陷波器的单位增益反相电路200相同的电路结构。

本实施例的低通滤波器与上述的陷波器的区别仅在于，没有连接前馈电容。因此本实施例的低通滤波器同样可以使低通滤波的频率变小且便于集成。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种陷波器，包括依次连接的第一积分电路、单位增益反相电路以及第二积分电路，所述第一积分电路的输入端为陷波器的输入端，所述第二积分电路的输出端为陷波器的输出端，所述输入端和第二积分电路的反馈输入端之间连接前馈电容，所述输出端和第一积分电路的反馈输入端之间并联反馈电阻和反馈电容，其特征在于，所述第一积分电路和第二积分电路中运算放大器的反相输入端连接有电流控制电路；

所述电流控制电路包括两个漏极相接的第一场效应管和第二场效应管，其中第一场效应管的栅极输入第一偏置电压、源极接所述运算放大器的反相输入端，第二场效应管的栅极输入第二偏置电压、源极接所述运算放大器的同相输入端并输入标准电压，且第一积分电路的反馈输入端为两个场效应管相连的漏极，第二积分电路的反馈输入端为运算放大器的反相输入端；

所述单位增益反相电路包括运算放大器、并联于所述单位增益反相电路的运算放大器输出端和反相输入端之间的伪电阻和电容以及并联于单位增益反相电路的输入端和所述单位增益反相电路的运算放大器的反相输入端之间的伪电阻和电容，所述伪电阻包括两个场效应管，两个场效应管的栅极和漏极短接后连接，两个场效应管的源极分别作为整个伪电阻的两端。

2.一种低通滤波器，包括依次连接的第一积分电路、单位增益反相电路以及第二积分电路，所述第一积分电路的输入端为低通滤波器的输入端，所述第二积分电路的输出端为低通滤波器的输出端，所述输出端和第一积分电路的反馈输入端之间并联反馈电阻和反馈电容，其特征在于，所述第一积分电路和第二积分电路中运算放大器的反相输入端连接有电流控制电路；

所述电流控制电路包括两个漏极相接的第一场效应管和第二场效应管，其中第一场效应管的栅极输入第一偏置电压、源极接所述运算放大器的反相输入端，第二场效应管的栅极输入第二偏置电压、源极接所述运算放大器的同相输入端并输入标准电压，且第一积分电路的反馈输入端为两个场效应管相连的漏极，第二积分电路的反馈输入端为运算放大器的反相输入端；

所述单位增益反相电路包括运算放大器、并联于所述单位增益反相电路的运算放大器输出端和反相输入端之间的伪电阻和电容以及并联于单位增益反相电路的输入端和所述单位增益反相电路的运算放大器的反相输入端之间的伪电阻和电容，所述伪电阻包括两个场效应管，两个场效应管的栅极和漏极短接后连接，两个场效应管的源极分别作为整个伪电阻的两端。

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