CN102664600A - 一种实现高阶复数滤波器的二阶复数带通滤波电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现高阶复数滤波器的二阶复数带通滤波电路,第一射频信号（I）路的正极输入（Iin+）接第一电阻（R1）一端，第一电阻（R1）的另一端分别与第二电阻（R2）的一端、第一电容（C1）正端和第八电阻（R8）一端相接，第八电阻（R8）的另一端分别与第二运放的输出负端、第五电容（C5）正端和第二十电阻（R20）另一端相接；第二电阻（R2）的另一端分别与第一运放的输入正端、第三电阻（R3）一端、第九电阻（R9）一端和第二电容（C2）正端相接。本发明在获得高的滤波性能的同时减小了芯片面积和电路功耗，同时所提出的滤波器电路可以作为二阶滤波单元，再与一阶滤波单元可以组合成更高阶数的复数滤波器。

Description

一种实现高阶复数滤波器的二阶复数带通滤波电路

技术领域

本发明涉及一种可实现高阶复数滤波器的二阶复数带通滤波电路,应用于低成本低功耗射频接收发机芯片中，该电路可作为二阶复数带通滤波单元，与一阶复数带通单元可级联成更高阶数的复数滤波器。所提出的二阶复数滤波器不适用于窄带接收机。IQ每路只用一个运算放大器即可实现具有二阶滤波特性的复数滤波器，可以进一步减小系统功耗和芯片面积。

背景技术

在当今的无线射频系统中，接收机很多采用低中频的结构，这种结构中射频信号被正交下变频到低中频，有效的避免了直流失调，同时减小了1/f 噪声。采用正交变频，在理想情况下，可以有效的抑制镜像信号的干扰，因而低中频结构的接收发机成为当前的主流结构。在低中频的接收发机中，接收前端需要对信号进行复数滤波以降低镜像干扰。

现有接收机中复数滤波器，主要存在下列问题：（1）当前的复数滤波器主要通过级联一阶滤波器实现所要求阶数的滤波器，因此级联级数有限同时消耗功耗大；（2）采用级联一阶滤波结构的滤波器不产生共轭复数极点，不能实现巴特沃斯，切比雪夫型滤波特性。

基于以上问题，本发明提出一种只用一对运算放大器就能实现二阶复数带通滤波的滤波器电路，并且可作为二阶复数滤波单元，与一阶复数滤波单元级联成更高阶数的复数滤波器。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种实现高阶复数滤波器的二阶复数带通滤波电路，电路中只使用一对运算放大器即可实现要求的二阶滤波特性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种实现高阶复数滤波器的二阶复数带通滤波电路, 

第一射频信号路的正极输入接第一电阻一端，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端、第一电容正端和第八电阻一端相接，第八电阻的另一端分别与第二运放的输出负端、第五电容正端和第二十电阻另一端相接；第二电阻的另一端分别与第一运放的输入正端、第三电阻一端、第九电阻一端和第二电容正端相接；第二电容的负端分别与第一运放的输出负端、第六电阻一端相接；第一运放的输出负端为第一射频信号路的输出负极，第一运放的输出正端为第一射频信号的输出正极；

第一射频信号的负极输入接第四电阻一端，第四电阻的另一端分别与第五电阻一端、第一电容负端与第十电阻一端相接；第十电阻的另一端分别与第二运放的输出正端、第六电容负端和第十五电阻的另一端相接；

第二运放的输出负端为第二射频信号路的输出负极，第二运放的输出正端为第二射频信号路的输出正极；第五电阻的另一端分别与第一运放的输入负端、第三电容正端和第六电阻一端相接；第三电容的负端分别与第一运放的输出正端、第三电阻一端和第十四电阻的另一端详相接； 

第二射频信号路的正极输入接第十六电阻一端，第十六电阻的另一端分别与第十七电阻、第四电容正端和第十四电阻一端相接；第十七电阻一端分别与第二运放的输入正端、第五电容正端和第十五电阻一端相接；第五电容的负端与第二运放的输出负端相接；第二射频信号路的负极输入接第十八电阻一端，第十八电阻的另一端分别与第十九电阻一端、第四电容负端和第十二电阻一端相接；第十九电阻的另一端分别与第二运放的输入负端、第六电容的正端和第二十电阻一端相接；第六电容的负端与第二运放的输出正端相接；

第七电阻两端跨接在第一运放的输入负端与第二运放的输出负端之间，第九电阻两端跨接在第一运放的输入正端与第二运放的输出正端之间，第十一电阻两端跨接在第二运放的输入负端与第一运放的输出正端之间，第十三电阻跨接在第二运放的输入正端与第一运放的输出负端之间。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所提出的二阶复数带通滤波电路，可以作为二阶复数带通滤波单元，与一阶滤波电路可以构成更高阶数的滤波器，实现系统要求的复数滤波功能；IQ两路各自只用一个运算放大器即可实现具有二阶滤波特性的复数滤波，可以减小系统功耗和芯片面积；电路可以实现一对共轭复数极点，从而可以实现巴特沃斯，切比雪夫型等滤波结构。

附图说明

图1为本发明的电路拓扑图；

图2为采用本发明实现的五阶复数带通滤波的电路拓扑图；

图3为采用本发明实现的五阶复数带通滤波器的滤波特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明所提出的可重构滤波器电路可以根据系统要求实时的重构电路以实现系统要求的复数滤波功能和低通滤波功能，改变了原来分别设计接收端的复数滤波器和发射端的低通滤波器设计架构，可以更好地满足低功耗射频系统的对功耗的要求同时有效的减小了芯片面积从而节约电路成本；IQ两路各自只用一个运算放大器即可实现具有二阶滤波特性的复数滤波和低通滤波可以进一步减小系统功耗和芯片面积；电路可以实现一对共轭复数极点，从而可以获得巴特沃斯，切比雪夫型滤波特性；本发明可以作为一个二阶滤波单元，与一阶滤波单元可以构成更高阶数的滤波器。

所提出的复数带通滤波器电路可以作为一个二阶复数滤波单元，与一阶复数滤波单元可以构成更高阶数的滤波器。下面结合具体电路图和仿真结果对其工作原理进行详细说明。

实现高阶复数滤波器的二阶复数带通滤波电路，只使用一对运算放大器即可实现二阶复数带通滤波特性，并可作为基本单元与一阶复数带通单元级联为更高阶数的复数滤波器，从而可以有效的降低功耗并且可以减小芯片面。

实现高阶复数滤波器的二阶复数带通滤波电路，Q路信号通过频移网络反馈到I路，I路信号通过频移网络反馈到Q路，实现滤波函数在复数域的频移从而可以达到抑制镜像信号的作用。该复数滤波是通过一对运算放大器实现二阶的复数滤波特性，在获得高的滤波性能的同时极大地减小了芯片面积和电路功耗。所提出的滤波器电路可以作为二阶滤波单元，再与一阶滤波单元可以组合成更高阶数的复数滤波器。

运算放大器以运放加序号表示；电容以C加序号表示；电阻以R加序号表示；与射频信号同相的链路以I表示，与射频信号正交的链路以Q表示；与射频信号同相的链路I的正极输入以Iin+表示，正极输出以Iout+表示，与射频信号同相的链路I的负极输入以Iin-表示，负极输出以Iout-表示；与射频信号正交的链路Q的正极输入以Qin+表示，正极输出以Qout+表示，与射频信号正交的链路Q的负极输入以Qin-表示，负极输出以Qout-表示。

参见图1－3，本发明提供的实现高阶复数滤波器的二阶复数带通滤波电路, 

第一射频信号I路的正极输入Iin+接第一电阻R1一端，第一电阻R1的另一端分别与第二电阻R2的一端、第一电容C1正端和第八电阻R8一端相接，第八电阻R8的另一端分别与第二运放的输出负端、第五电容C5正端和第二十电阻R20另一端相接；第二电阻R2的另一端分别与第一运放的输入正端、第三电阻R3一端、第九电阻R9一端和第二电容C2正端相接；第二电容C2的负端分别与第一运放的输出负端、第六电阻R6一端相接；第一运放的输出负端为第一射频信号I路的输出负极Iout-，第一运放的输出正端为第一射频信号I路的输出正极Iout+；

第一射频信号I路的负极输入Iin-接第四电阻R4一端，第四电阻R4的另一端分别与第五电阻R5一端、第一电容C1输出正端、第六电容C6负端和第十五电阻R15的另一端相接；

第二运放的输出负端为第二射频信号Q路的输出负极Qout-，第二运放的输出正端为第二射频信号Q路的输出正极Qout+；第五电阻R5的另一端分别与第一运放的输入负端、第三电容C3正端和第六电阻R6一端相接；第三电容C3的负端分别与第一运放的输出正端、第三电阻R3一端和第十四电阻R14的另一端详相接； 

第二射频信号Q路的正极输入Qin+接第十六电阻R16一端，第十六电阻R16的另一端分别与第十七电阻R17、第四电容C4正端和第十四电阻R14一端相接；第十七电阻R17一端分别与第二运放的输入正端、第五电容C5正端和第十五电阻R15一端相接；第五电容C5的负端与第二运放的输出负端相接；第二射频信号Q路的负极输入Qin-接第十八电阻R18一端，第十八电阻R18的另一端分别与第十九电阻R19一端、第四电容C4负端和第十二电阻R12一端相接；第十九电阻R19的另一端分别与第二运放的输入负端、第六电容C6的正端和第二十电阻R20一端相接；第六电容C6的负端与第二运放的输出正端相接；

第七电阻R7两端跨接在第一运放的输入负端与第二运放的输出负端之间，第九电阻R9两端跨接在第一运放的输入正端与第二运放的输出正端之间，第十一电阻R11两端跨接在第二运放的输入负端与第一运放的输出正端之间，第十三电阻R13跨接在第二运放的输入正端与第一运放的输出负端之间。

本发明提供了一种实现高阶复数滤波器的二阶复数带通滤波电路, 只采用第一射频信号I路链路的第一运放OPAMP1和第二射频信号Q路链路的第二运放OPAMP2和相应的电阻电容，即可实现二阶的复数带通滤波和低通滤波。本发明在获得高的滤波性能的同时极大地减小了芯片面积和电路功耗，同时所提出的滤波器电路可以作为二阶滤波单元，再与一阶滤波单元可以组合成更高阶数的复数滤波器。

复数带通滤波器是在实数低通滤波器基础上加入频移网络，完成实数滤波的频率搬移，实现对镜像信号的抑制作用。如图1所示，电路包括I、Q两路，每路都用一个双端输入双端输出的差分运算放大器，中间虚线所框部分为频移网络。Qout-与R7相接同时接R8，R7与运放1的输入负端相接同时接R5，R8与R2相接同时接R1和C1，Qout+与R9相接同时接R10，R9与运放1的输入正端相接同时接R2，R10与R5相接同时接R4和C1，从而建立Q路到I路的反馈。Iout-与R12相接同时接R13，R13与运放2的输入正端相接同时接R17，R12与R19相接同时接R18和C4，Qout+与R11相接同时接R14，R11与运放2的输入负端相接同时接R19，R14与R17相接同时接R16和C4，从而建立I路到Q路的反馈。通过R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13和R14组成的频移网络完成实数低通滤波到复数带通滤波的频率平移从而得到复数滤波器。电路中I路和Q路各使用一个双端输入双端输出的运算放大器，可以产生一对共轭复数极点从而可以实现巴特沃斯，切比雪夫等滤波函数。

图2为采用本发明实现的五阶复数带通滤波器的电路拓扑图，其中前两级实现四阶的滤波特性即级联两个本发明提出的二阶复数滤波单元，最后一级为一个通用的一阶滤波单元，从而实现五阶复数滤波器。第一级电路中，R1、R4、R16和R18取值相等，C1和C4取值相等，R2、R5、R17和R19取值相等, C2、C3、C5和C6取值相等, R8、R10、R12和R14取值相等, R7、R9、R11和R13取值相等，R3、R6、R15和R20取值相等。第二级电路中R21、R24、R36和R38取值相等，C7和C10取值相等，R22、R25、R37和R39取值相等, C8、C9、C11和C12取值相等, R28、R30、R32和R34取值相等, R27、R29、R31和R33取值相等，R23、R26、R35和R40取值相等。第三级电路中R51、R52、R60和R61取值相等，C13、C14、C15和C16取值相等，R53、R54、R59和R61取值相等，R55、R56、R57和R58取值相等。每级电路具体的电阻电容值由所要实现的滤波阶数，滤波类型，带宽，中心频率和增益决定。在计算每级电路的电阻电容值时，首先通过查表得到相应阶数的相应滤波函数对应的复数极点值并将中心频率对带宽归一化，给每个二阶复数滤波器单元分配一对复数极点和相应的增益，再推导出每级电路的传输函数，通过待定系数法可得一组有关电阻电容的方程，从而得到相应的电阻电容值，该电阻电容值是对带宽归一化后的值，再通过所要实现的带宽值及合适的电阻量级得到具体的电阻电容值。运算放大器为双端输入双端输出，其带宽和增益由滤波性能决定。

图3为所实现的五阶巴特沃斯型复数带通滤波器的频率曲线，带宽3MHz，中心频率2MHz，增益为12dB，镜像抑制为-30dB。通过仿真结果，可以说明，采用本发明所提出的二阶复数滤波器电路所实现的五阶复数带通滤波器，可以很好的达到滤波要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (1)

1. 一种实现高阶复数滤波器的二阶复数带通滤波电路,其特征在于：

第一射频信号（I）路的正极输入（Iin+）接第一电阻（R1）一端，第一电阻（R1）的另一端分别与第二电阻（R2）的一端、第一电容（C1）正端和第八电阻（R8）一端相接，第八电阻（R8）的另一端分别与第二运放的输出负端、第五电容（C5）正端和第二十电阻（R20）另一端相接；第二电阻（R2）的另一端分别与第一运放的输入正端、第三电阻（R3）一端、第九电阻（R9）一端和第二电容（C2）正端相接；第二电容（C2）的负端分别与第一运放的输出负端、第六电阻（R6）一端相接；第一运放的输出负端为第一射频信号（I）路的输出负极（Iout-），第一运放的输出正端为第一射频信号（I）路的输出正极（Iout+）；

第一射频信号（I）路的负极输入（Iin-）接第四电阻（R4）一端，第四电阻（R4）的另一端分别与第五电阻（R5）一端、第一电容（C1）负端与第十电阻（R10）一端相接；第十电阻（R10）的另一端分别与第二运放的输出正端、第六电容（C6）负端和第十五电阻（R15）的另一端相接；

第二运放的输出负端为第二射频信号（Q）路的输出负极（Qout-），第二运放的输出正端为第二射频信号（Q）路的输出正极（Qout+）；第五电阻（R5）的另一端分别与第一运放的输入负端、第三电容（C3）正端和第六电阻（R6）一端相接；第三电容（C3）的负端分别与第一运放的输出正端、第三电阻（R3）一端和第十四电阻（R14）的另一端详相接； 

第二射频信号（Q）路的正极输入（Qin+）接第十六电阻（R16）一端，第十六电阻（R16）的另一端分别与第十七电阻（R17）、第四电容（C4）正端和第十四电阻（R14）一端相接；第十七电阻（R17）一端分别与第二运放的输入正端、第五电容（C5）正端和第十五电阻（R15）一端相接；第五电容（C5）的负端与第二运放的输出负端相接；第二射频信号（Q）路的负极输入（Qin-）接第十八电阻（R18）一端，第十八电阻（R18）的另一端分别与第十九电阻（R19）一端、第四电容（C4）负端和第十二电阻（R12）一端相接；第十九电阻（R19）的另一端分别与第二运放的输入负端、第六电容（C6）的正端和第二十电阻（R20）一端相接；第六电容（C6）的负端与第二运放的输出正端相接；

第七电阻（R7）两端跨接在第一运放的输入负端与第二运放的输出负端之间，第九电阻（R9）两端跨接在第一运放的输入正端与第二运放的输出正端之间，第十一电阻（R11）两端跨接在第二运放的输入负端与第一运放的输出正端之间，第十三电阻（R13）跨接在第二运放的输入正端与第一运放的输出负端之间。

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