CN102460969B - 具有可调整的滤波器频率的模拟滤波器 - Google Patents

Abstract

一种具有可调整的滤波器频率的低噪声模拟滤波器包括：振荡电路，其谐振频率(f₀)等于滤波器的滤波器频率。振荡电路具有第一电路分支(S1)，其中布置了第一频率确定元件；以及，与第一电路分支(S1)并联或串联的第二电路分支(S2)，其中布置了第二频率确定元件。频率确定元件中的一个是电容器(C)，并且另一个是电感器(L)。该低噪声模拟滤波器进一步包括在两个电路分支(S1或S2)之一中安装的具有可调整放大率(V_L或V_C)的放大器(OPV_l或OPV₂)。放大器(OPV₁或OPV₂)的输出经由在这个电路分支(S1或S2)中布置的频率确定元件与其反相输入连接。在滤波操作中，放大器(OPV_i或OPV₂)根据调整的放大率(V_L或V_C)来放大施加于这个电路分支(S1，S2)中布置的频率确定元件上的电压，并且由此实现流过这个频率确定元件的电流的相应改变。

Description

具有可调整的滤波器频率的模拟滤波器

技术领域

本发明涉及具有可调整频率的模拟滤波器。这样的滤波器的示例包括具有可调整的中心频率的带通滤波器和具有可调整的阻挡频率的带阻滤波器。

背景技术

存在大量电子电路，其中应用了具有可调整频率的模拟滤波器。

一个典型的示例是测量装置的电路，这种电路中这些滤波器被用来例如用于对使用传感器记录的测量信号进行滤波。

在这些测量装置中，存在使用超声波工作的填充水平测量装置，在该情况下，优选地在其谐振频率下运行的超声波传感器向填充物质发送短超声波脉冲，并且在依赖于填充水平的传播时间后，接收它们从填充物质表面反射回传感器的回波信号。在该情况下，传感器不仅接收具有谐振频率的所需信号，而且接收干扰信号。通常，干扰信号具有与谐振频率不同的干扰频率，并且由相应的滤波来抑制。为此，通过与超声波传感器的谐振频率匹配的带通滤波器，从传感器的接收信号滤除测量信号。然而，谐振频率在传感器之间不同，并且通常依赖于温度。为了能够覆盖可能产生的谐振频率的全部范围，例如，向带通滤波器应用固定的中心频率和很大的带宽。然而，在该情况下，带通滤波器的带宽越大，则干扰信号抑制越差。

替代地，应用可调带通滤波器。一个示例是具有多个交叉耦合的有源带通滤波器，在该情况下，经由可变电阻可调整中心频率。图1示出用于这一点的实施例的示例。在该情况下，相对于参考电势的输入电压U_e落在与具有恒定放大率的放大器V_u的反相输入串联连接的第一电阻器R₁和第一电容器C上。放大器V_u的非反相输入位于参考电势。经由相等电容的第二电容器C向位于第一电阻器R₁和第一电容器C之间的第一节点反馈放大器V_u的输出信号，并且与之并联地经由第二电阻器R₂向位于第一电容器C和反相输入之间的第二节点反馈放大器V_u的输出信号。另外，第一节点经由第三电阻器R₃连接到参考电势。这个带通滤波器的输出信号是在放大器V_u的输出处呈现的相对于参考电势的输出电压U_a。然而，这个滤波器由于电阻而显示大量的噪声，精确地在测量信号的滤波的情况下，例如它们在超声波填充水平测量装置的情况下存在的情况下，这种噪声产生很大干扰。

相反，无源滤波器表现出很小量的噪声。然而，存在下述缺点：只能通过连接或断开确定滤波器频率的电感器和电容器或通过使用机械可调整的电感器和电容器来改变滤波器频率。例如在DE 102006052873A1中描述了这样的可调滤波器。在此描述的滤波器的核心是LC振荡电路，该振荡电路包括电感器和不可调谐的电容器，特别是变容二极管。然而，变容二极管具有例如在几个微微法的数量级上的小电容，使得这些滤波器仅适合于滤波极高频率的信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有可调整的滤波器频率的低噪声模拟滤波器。

为此，本发明在于一种具有可调整的滤波器频率的模拟滤波器，包括：

-振荡电路

--其谐振频率等于滤波器的滤波器频率，

--其具有第一电路分支，其中布置了第一频率确定元件，

--其具有与第一电路分支并联或串联的第二电路分支，其中，在第二电路分支中布置了第二频率确定元件，其中

--频率确定元件的一个是电容器并且另一个是电感器；以及

-在所述两个电路分支的一个中安装的具有可调整放大率的放大器，

--其输出经由在这个电路分支中布置的频率确定元件与其反相输入连接，并且

--其在滤波操作中根据所述调整的放大率来放大施加于在这个电路分支中布置的频率确定元件上的电压，并且由此实现流过这个

频率确定元件的电流的相应改变。

在第一实施例中，调整的放大率大于1，并且放大器增大流过所述频率确定元件的电流。

在第二实施例中，调整的放大率小于1，并且放大器减小通过所述频率确定元件的电流。

在第一变化形式中，

-滤波器是带通滤波器，并且滤波器频率是其中心频率，并且

-振荡电路是并联振荡电路，其中第一电路分支和第二电路分支并联。

另外，本发明包括第一变化形式的另外的发展，在该情况下

-在所述电路分支的另一个中，同样应用具有可调整放大率的放大器，

--其输出经由在这个电路分支中布置的频率确定元件而与其反相输入连接，并且

--其在滤波操作中根据调整的放大率来放大施加于在这个电路分支中布置的频率确定元件上的电压，并且由此实现流过这个频率确定元件的电流的相应改变。

在第二变化形式中，

-滤波器是带阻滤波器，并且滤波器频率是其阻挡频率，并且

-振荡电路是串联振荡电路，其中第一电路分支和第二电路分支串联。

在一个实施例中，滤波器的输出信号是输出电压，该输出电压施加在振荡电路上。

在另一个实施例中，滤波器的输入信号是输入电压，输入电压施加在第三电路分支上，该第三电路分支在所述振荡电路之前串联，并且其中布置了电阻器。

在另一个实施例中，滤波器的输入信号是输入电流，在振荡电路之前布置又另一个电路分支，并且该又另一个电路分支与振荡电路并联，并且在该又另一个电路分支中布置电阻器。

附图说明

现在基于其中提供了实施例的10个示例的附图来更详细地说明本发明和其他优点；在附图中使用相同的附图标记来提供相同的元件。其中：

图1是从现有技术已知并且具有多个交叉耦合的有源带通滤波器；

图2是本发明的带通滤波器的第一实施例，该带通滤波器具有并联振荡电路，其中，通过可调整放大器来放大施加于并联振荡电路的电感器上的电压，并且由此实现流过该电感器的电流的相应改变；

图3是本发明的带通滤波器的第二实施例，该带通滤波器具有并联振荡电路，其中，通过可调整放大器来放大施加于并联振荡电路的电容器上的电压，并且由此实现流过该电容器的电流的相应改变；

图4是本发明的带通滤波器的第三实施例，该带通滤波器具有并联振荡电路，在该情况下，在两个电路分支中布置放大器；

图5是本发明的带阻滤波器的第一实施例，该带阻滤波器具有串联振荡电路，其中，通过可调整放大器来放大施加于串联振荡电路的电感器上的电压，并且由此实现流过该电感器的电流的相应改变；

图6是发明的带阻滤波器的第二实施例，该带阻滤波器具有串联振荡电路，其中，通过可调整放大器来放大施加于串联振荡电路的电容器上的电压，并且由此实现流过该电容器的电流的相应改变；

图7是经由电流源馈送的根据图2的本发明的滤波器；

图8是经由电流源馈送的根据图3的本发明的滤波器；

图9是经由电流源馈送的根据图4的本发明的滤波器；

图10是经由电流源馈送的根据图5的本发明的滤波器；

图11是经由电流源馈送的根据图6的本发明的滤波器；

图12是作为频率函数的图2中图示的本发明的无源带通滤波器的噪声的能谱密度的平方；以及

图13是作为频率函数的图1中图示的传统的有源带通滤波器的噪声的能谱密度的平方。

具体实施方式

图2、3和4示出具有可调整的滤波器频率的本发明的无源模拟滤波器的第一变化形式的实施例的三个示例。

在这些附图中图示的滤波器是带通滤波器，并且滤波器频率是带通滤波器的中心频率。在所有情况下，滤波器的核心是振荡电路，该振荡电路的谐振频率f₀等于相应的滤波器的滤波器频率。该振荡电路包括两个并联的电路分支S1、S2，其中每个都布置了频率确定元件，其中一个是电感器L，一个是电容器C。在这里说明的带通滤波器中，在第一电路分支S1中布置电感器L，并且在与第一电路分支S1并联的第二电路分支S2中布置电容器C。

两个电路分支S1、S2在输入侧上连接到第三电路分支S3，在电路分支S3中布置了电阻器R。滤波器的输入信号经过这个第三电路分支S3施加到并联振荡电路上，滤波器的输入信号在此是相对于例如地的固定参考电势的输入电压U_e。第二和第三电路分支S2、S3同样在输出侧上连接到这个固定参考电势。在滤波器的输出提供了输出电压U_a作为滤波的输出信号，该输出电压U_a施加于振荡电路上并且是相对于参考电势的。

根据本发明，在两个电路分支S1或S2的一个中应用分别具有可调整放大率V_L或V_C的放大器OPV₁或OPV₂，该放大器的输出经过这个电路分支S1、S2中布置的频率确定元件连接到其反相输入上。放大器OPV₁或OPV₂的非反相输入连接到参考电势。在滤波操作中的放大器OPV₁或OPV₂根据调整的放大率V_L或V_C来放大施加于这个电路分支S1或S2中布置的频率确定元件上的电压，并且由此实现流过该频率确定元件的电流的相应改变。如果调整的放大率V_L或V_C大于1，则流过频率确定元件的电流被放大器OPV₁或OPV₂增大。如果调整的放大率V_L或V_C小于1，则流过频率确定元件的电流被放大器OPV₁或OPV₂减小。

放大器OPV₁和OPV₂分别优选地是运算放大器，其放大率V_L或V_C例如能够通过在此以箭头表示的数字电位计调整。

在图2中所示的实施例的示例的情况下，放大器OPV₁被应用在第一电路分支S1中，并且连接到电感器L。电感器L和放大器OPV₁的这种组合于是作为下述大小的可调整电感器L_eff：

$L_{\mathrm{eff}}=\frac{L}{V_L+1}$

以这种方式，产生了经由放大率V_L能够调整的并联振荡电路的谐振频率f₀：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{\mathrm{LC}}{V_L+1}}}$

这个带通滤波器的中心频率等于这个振荡电路的谐振频率f₀，并且能够基于放大率V_L被自动地调整。

在图2中所示的带通滤波器的带宽B是：

$B=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}}$

带宽B是独立于滤波器的谐振频率f₀经由电阻器R可调整的。

在图3中图示的实施例的情况下，放大器OPV₂被应用在第二电路分支S2中，并且连接到电容器C。电容器C和放大器OPV₂的这种组合于是作为下述大小的可调整电容器C_eff：

C_eff＝C(V_C+1))

以这种方式，产生经由放大率V_C可调整的并联振荡电路的谐振频率f₀：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}(V_C+1)}}$

这个带通滤波器的中心频率等于这个振荡电路的谐振频率f₀，并且是基于放大率V_C自动可调整的。

在图3中图示的带通滤波器的带宽B是：

$B=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}(V_C+1)}$

因此带宽B依赖于电阻器R和滤波器的谐振频率f₀。

在图4中所示的实施例的情况下，在第一电路分支S1和第二电路分支S2这两个的每个中应用了具有可调整放大率V_L、V_C的放大器OPV₁、OPV₂，这些放大器的输出经过相应的电路分支S1、S2中布置的频率确定元件连接到其反相输入上，并且这些放大器在滤波操作中根据调整的放大率V_L、V_C来放大施加于这个电路分支S1、S2中布置的频率确定元件上的电压，并且由此实现流过这个频率确定元件的电流的相应改变。并且在此，当各自相关联的放大率V_L和V_C大于1时电流增大，并且当各自相关联的放大率V_L和V_C小于1时电流减小。

于是产生了下述大小的可调整电感器L_eff：

$L_{\mathrm{eff}}=\frac{L}{V_L+1}$

并且于是产生了下述大小的可调整电容器C_eff：

C_eff＝C(V_C+1))

因此，经由放大率V_L和V_C产生了这个并联振荡电路的可调整的谐振频率f₀：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{\mathrm{LC}(V_C+1)}{V_L+1}}}$

以这种方式，可以覆盖可调整的谐振频率的明显更大的频率范围。在该情况下，在相反方向上控制放大率V_L、V_C，以使得它们的效果不相互抵消。

在图4中所示的带通滤波器的带宽B是：

$B=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}(V_C+1)}$

图5和6示出具有可调整的滤波器频率的本发明的无源模拟滤波器的第二种变化形式的实施例的两个示例。这些图示的滤波器是带阻滤波器，并且滤波器频率是带阻滤波器的阻挡频率。在每个情况下，该滤波器的核心在此也是振荡电路，该振荡电路的谐振频率f₀等于相应的滤波器的滤波器频率。与上述的实施例的示例不同，振荡电路在此是串联振荡电路，其具有两个电路分支S1、S2，两个电路分支S1、S2彼此串联，并且每个电路分支都在其中布置了频率确定元件，其中一个是电感器L，一个是电容器C。在这里图示的带阻滤波器中，在第一电路分支S1中布置电感器L，并且在与其串联的第二电路分支S2中布置电容器C。

在两个串联布置的电路分支S1、S2之前的输入侧上布置了第三电路分支S3，在电路分支S3中布置了电阻器R。该滤波器的输入信号在此也是输入电压U_e，该输入电压U_e相对于例如地的固定参考电势，并且经过这个第三电路分支S3在输入侧施加在串联振荡电路上。串联振荡电路的输出侧同样位于固定参考电势处，并且在滤波器的输出处，施加在振荡电路并且相对于参考电势的输出电压U_a可作为滤波的输出信号。

在此也根据本发明，在两个电路分支S1或S2的一个中应用具有可调整的放大率V_L、V_C的放大器OPV₁、OPV₂。输出经过布置在这个电路分支S1、S2中的频率确定元件连接到相应的放大器OPV₁、OPV₂的反相输入上。放大器OPV₁和OPV₂的非反相输入分别连接到参考电势。放大器OPV₁、OPV₂在滤波操作中根据调整的放大率V_L或V_C来放大施加于这个电路分支S1或S2中布置的频率确定元件上的电压，并且由此实现流过这个元件的电流的相应改变。如果调整的放大率V_L或V_C大约1，则放大器OPV₁和OPV₂增大流过该频率确定元件的电流。如果调整的放大率V_L或V_C小于1，则放大器OPV₁和OPV₂减小流过该频率确定元件的电流。

放大器OPV₁和OPV₂在此也优选地是运算放大器，其放大率V_L、V_C例如能够被在此以箭头表示的数字电位计调整。

在图5中所示的实施例的示例的情况下，放大器OPV₁被应用在第一电路分支S1中，并且连接到电感器L。电感器L和放大器OPV₁的这种组合于是作为下述大小的可调整电感器L_eff：

$L_{\mathrm{eff}}=\frac{L}{V_L+1}$

以这种方式，产生经由电路V_L能够调整的串联振荡电路的谐振频率f₀：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{\mathrm{LC}}{V_L+1}}}$

这个带阻滤波器的阻挡频率等于这个振荡电路的谐振频率f₀，并且是基于放大率V_L自动可调整的。

在电阻器R与串联振荡电路串联的情况下，在图5中所示的带阻滤波器的带宽B是：

$B=\frac{R(V_L+1)}{2\mathrm{\πL}}$

于是带宽B依赖于电阻器R和滤波器的谐振频率f₀。

在图6中图示的实施例的示例的情况下，放大器OPV₂被应用在第二电路分支S2中，并且连接到电容器C。电容器C和放大器OPV₂的这种组合于是作为下述大小的可调整电容器C_eff：

C_eff＝C(V_C+1))

以这种方式，经由放大率V产生了可调整的串联振荡电路的谐振频率f₀：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}(V_C+1)}}$

这个带阻滤波器的阻挡频率等于串联振荡电路的谐振频率f₀，并且是基于放大率V_C自动可调整的。

在图6中图示的带通滤波器的带宽B是：

$B=\frac{R}{2\mathrm{\πL}}$

于是带宽B是独立于滤波器的谐振频率f₀经由电容器R可调整的。

取代输入电压U_e，本发明的模拟滤波器也可以自然地被馈送作为输入信号的输入电流I_e。在该情况下，具有与相应的振荡电路串联的电阻器R的第三电路分支S3不存在。相反，在相应的振荡电路之前布置了又另一个电路分支S4。电路分支S4与振荡电路并联，并且包含电阻器R。图7中使用图2的带通滤波器的示例、在图8中使用图3的带通滤波器的示例、在图9中使用图4的带通滤波器的示例、在图10中使用图5的带阻滤波器的示例并且在图11中使用图6的带阻滤波器的示例示出这一点。

对于在图2至6中图示的滤波器，上面给出的针对相应滤波器的可调整电感器L_eff、可调整电容器C_eff、谐振频率f₀和带宽B在公式类似地成立，其中，在上面引用的公式中，在第三电路分支S3中之前串联的电阻器R的位置处布置了在第四电路分支S4中的电阻器R。

本发明的滤波器具有如下优点：对于调整滤波器频率，即调整带通滤波器的中心频率或带阻滤波器的阻挡频率，仅需要小放大率V_L、V_C。而且，不需要可调整的电阻器，并且不放大施加于电阻器上的电压或流过电阻器的电流。因此，在本发明的滤波器的情况下，也不放大欧姆电阻器难免产生的噪声。对应地，这种滤波器表现了极低的噪声，特别是与有源滤波器作比较。

图12以双对数图形示出了作为频率f的函数的图2中图示的本发明的无源带通滤波器的噪声的能谱密度E²的平方，噪声在此是电压噪声，频率f在10kHz至100kHz的频率范围上并以Hz为单位，能谱密度E²的平方以V²/Hz为单位。

与其作比较，图13同样以双对数图形示出了作为频率f的函数的图1中图示的本发明的无源带通滤波器的噪声的能谱密度E²的平方，噪声在此是电压噪声，频率f在相同频率范围上并以Hz为单位，能谱密度E²的平方以V²/Hz为单位。

对于这个比较，以两个滤波器具有相同的中心频率和相同的带宽的方式来设计该两个滤波器。在每个情况下，该两条曲线在中心频率处具有标注的最大值。可以从两幅图12和13看到，本发明的滤波器的噪声的能谱密度在整个图示的频率范围上清楚地低于传统的有源带通滤波器的能谱密度。特别地，在所图示的比较中，中心频率的相关区域中的差别超过10的二次方。

附图标号

U_e    输入电压

U_a    输出电压

I_e    输入电流

L     电感器

C     电容器

S₁    第一电路分支

S₂    第二电路分支

S₃    第三电路分支

S₄    另一个电路分支

OPV₁  放大器

OPV₂  放大器

R     电阻器，电阻

Claims (9)

1.一种具有可调整的滤波器频率的模拟滤波器，包括：

-振荡电路，

--所述振荡电路的谐振频率(f₀)等于所述滤波器的滤波器频率，

--所述振荡电路具有第一电路分支(S1)，所述第一电路分支(S1)中布置了第一频率确定元件，

--所述振荡电路具有与所述第一电路分支(S1)并联或串联的第二电路分支(S2)，其中，在所述第二电路分支(S2)中布置了第二频率确定元件，其中

--所述第二频率确定元件是电容器(C)并且所述第一频率确定元件是电感器(L)；以及

-放大器(OPV₁)，所述放大器安装在所述第一电路分支中并具有可调整放大率(V_L)，并且

--所述放大器(OPV₁)的输出经由所述第一频率确定元件与其反相输入连接，并且

--所述放大器(OPV₁)在滤波操作中根据所调整的放大率(V_L)来放大施加于所述第一频率确定元件上的电压，并且由此实现流过所述第一频率确定元件的电流的相应改变。

2.根据权利要求1所述的模拟滤波器，其中

所述调整的放大率(V_L)大于1，并且所述放大器(OPV₁)增大流过所述第一频率确定元件的所述电流。

3.根据权利要求1所述的模拟滤波器，其中

所述调整的放大率(V_L)小于1，并且所述放大器(OPV₁)减小通过所述第一频率确定元件的所述电流。

4.根据权利要求1所述的模拟滤波器，其中

-所述滤波器是带通滤波器，并且所述滤波器频率是所述带通滤波器的中心频率，并且

-所述振荡电路是并联振荡电路，其中所述第一电路分支(S1)和所述第二电路分支(S1)并联。

5.根据权利要求4所述的模拟滤波器，其中

-在所述第二电路分支(S2)中，同样应用具有可调整放大率(V_C)的放大器(OPV₂)，并且

--该放大器(OPV₂)的输出经由所述第二频率确定元件而与其反相输入连接，并且

--该放大器(OPV₂)在滤波操作中根据所调整的放大率(V_C)来放大施加于所述第二频率确定元件上的电压，并且由此实现流过所述第二频率确定元件的电流的相应改变。

6.根据权利要求1所述的模拟滤波器，其中

-所述滤波器是带阻滤波器，并且所述滤波器频率是所述带阻滤波器的阻挡频率，并且

-所述振荡电路是串联振荡电路，其中所述第一电路分支(S1)和所述第二电路分支(S2)串联。

7.根据权利要求1所述的模拟滤波器，其中

所述滤波器的输出信号(U_a)是施加于所述振荡电路上的输出电压。

8.根据权利要求1所述的模拟滤波器，其中

所述滤波器的输入信号是施加于第三电路分支(S3)上的输入电压(U_e)，所述第三电路分支(S3)被串联在所述振荡电路之前，并且其中布置了电阻器(R)。

9.根据权利要求1所述的模拟滤波器，其中

-所述滤波器的输入信号是输入电流(I_e)，并且

-在所述振荡电路之前布置又另外的电路分支(S4)，并且所述又另外的电路分支(S4)与所述振荡电路并联并且包含电阻器(R)。