CN103078604A - 有源滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源滤波器，包括有源滤波电路，该有源滤波器还包括一个调节电路，该调节电路包括电阻匹配单元，该电阻匹配单元包括可调电阻以及与该可调电阻相匹配的参考负电阻；积分滤波单元，该积分滤波单元和该电阻匹配单元相连接，用于对该电阻匹配单元输出的电流进行积分运算及滤波处理；以及，控制信号产生单元，该控制信号产生单元与该积分滤波单元相连接，用于接收该积分滤波单元的信号输出，并产生控制信号，以对该可调电阻的阻值进行调节。该有源滤波器可实现有源滤波电路的自适应调节。

Description

有源滤波器

技术领域

本发明涉及集成有源滤波电路，更具体地，是一种具有自适应调节功能的有源滤波器。

背景技术

集成有电阻-电容-运算放大器（R-C-OPAMP）的有源滤波器设计中电阻和电容值直接决定了滤波器的特性，但是，在集成电路设计中芯片上电阻和电容的值会随工艺、温度、工作电压的变化而出现很大的波动，一般工艺厂商提供的电阻值偏差在±20%，电容值偏差在±15％，与电容值和电阻值对应的滤波器-3dB转角频率也会发生很大变化，因此，必须提供一种能自适应调节滤波器转角频率的方法以使其性能稳定可用。

目前有很多种自动调节滤波器转角频率到标称值调节方法，基本的设计思路是芯片外或芯片内提供一个已知的电压或电流或时钟频率作为基准，然后将实际电路中的电阻值或电容值或电容值与电阻值的乘积作为比较对象，通过负反馈的方式将比较对象与基准的差值作为控制信号去实时调整比较对象，以达到两个值相等，从而达到自适应调节滤波器特性的目的。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种创新的具有自适应调节电路的有源滤波器结构。

本发明的有源滤波器，包括有源滤波电路，该有源滤波电路包括多级积分单元，该多级积分单元分别包括输入电阻和反馈电阻，该输入电阻包括正相输入电阻和反相输入电阻，该反馈电阻包括正相反馈电阻和反相反馈电阻，该有源滤波器还包括一个调节电路，该调节电路包括：

电阻匹配单元，该电阻匹配单元包括可调电阻以及与该可调电阻相匹配的参考负电阻；

积分滤波单元，该积分滤波单元和该电阻匹配单元相连接，用于对该电阻匹配单元输出的电流进行积分运算及滤波处理；以及，

控制信号产生单元，该控制信号产生单元与该积分滤波单元相连接，用于接收该积分滤波单元的信号输出，并产生控制信号，以对该可调电阻的阻值进行调节；

其中，

该电阻匹配单元内的可调电阻、该多级积分单元中的正相输入电阻、反相输入电阻、正相反馈电阻、以及反相反馈电阻的结构相同，均包括定值电阻器和MOS管电阻器，该控制信号接入该MOS管电阻器，用于对其阻值进行调节。

优选地，该控制信号产生单元为差分控制信号产生单元，其产生的该控制信号包括第一差分控制信号以及第二差分控制信号；并且，

该MOS管电阻器包括第一端子、第二端子、第一MOS管和第二MOS管，其中，该第一端子和该定值电阻器相连接，该第一MOS管的漏级和该第二MOS管的漏级相连接，并接入该第一端子，该第二MOS管的源极接入该第二端子，并且，该第一差分控制信号接入该第一MOS管的栅极，该第二差分信号接入该第二MOS管的栅极。

优选地，所述参考负电阻由开关电容电路组成。

优选地，所述开关电容电路包括两个第一开关以及分别与该两个第一开关相连接的两个第二开关，并且该两个第一开关和该两个第二开关之间连接有一个电容。

优选地，所述控制信号产生单元包括：

电压跟随器，该电压跟随器和所述积分滤波单元相连接，用于产生所述第一差分控制信号；

反相比例运算器，该反相比例运算器和该电压跟随器相连接，并产生和所述第一差分控制信号反相的第二差分控制信号。

优选地，所述第一MOS管和所述第二MOS管为PMOS管。

优选地，所述滤波积分单元包括一个积分电路以及和该积分电路相连接的滤波电路。

优选地，该有源滤波电路包括三级积分单元。

优选地，该第一开关和第二开关通过一个外部时钟输入频率开关信号。

本发明的有源滤波器，在有源滤波电路的基础上，增加一个能够自适应调节的调节电路，该调节电路中引入一个参考负电阻作为基准，并利用可调电阻和参考负电阻并联，组成电阻匹配单元，当可调电阻因环境不同而变化时，由积分滤波单元及后续电路产生控制信号，反馈至可调电阻对其进行调节，从而达到使电路达到稳定状态；与此相对应，在有源滤波器中，将各级积分器的输入电阻和反馈电阻设置成和可调电阻结构相同，同时利用上述控制信号对可调电阻进行控制调节，从而达到对有源滤波电路进行自适应调节的目的。

附图说明

图1为本发明的有源滤波器的组成示意图；

图2为图1中调节电路的实施示意图；

图3为图2中调节电路在一个实施方式中的更具体的组成示意图；

图4是图1中的滤波模块内一级积分器的组成示意图；

图5是本发明的有源滤波器进行自适应调节的原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本发明的有源滤波器的组成和工作原理进行详细说明。

总体而言，本发明的有源滤波器，在有源滤波电路的基础上，增加一个能够自适应调节的调节电路，该调节电路中引入一个参考负电阻作为基准，并利用可调电阻和参考负电阻并联，组成电阻匹配单元，当可调电阻因环境不同而变化时，由积分滤波单元及后续电路产生控制信号，反馈至可调电阻对其进行调节，从而达到使电路达到稳定状态；与此相对应，在有源滤波器中，将各级积分器的输入电阻和反馈电阻设置成和可调电阻结构相同，同时利用上述控制信号对可调电阻进行控制调节，从而最终达到对有源滤波电路进行自适应调节的目的。

如图1所示，是本发明的有源滤波器的组成示意图。如图所示，本发明的有源滤波器包括一个有源滤波电路200，有源滤波电路200包括多级积分单元210、220、230，多级积分单元210、220、230分别包括输入电阻211、212、213和反馈电阻212、222、232，常规地，输入电阻包括正相输入电阻和反相输入电阻，反馈电阻包括正相反馈电阻和反相反馈电阻。容易理解，各积分单元中，正相输入电阻和该积分单元内运算放大器的正相输入端相连接，反相输入电阻和该积分单元内运算放大器的反相输入端相连接，而反馈电阻212、222、232中的正相反馈电阻和反相反馈电阻用于为各积分单元提供正相和反相的反馈增益信号。

特别地，继续结合图1，本发明的有源滤波器还包括一个调节电路100，该调节电路包括电阻匹配单元110、积分滤波单元120和控制信号产生单元130。具体地，电阻匹配单元110包括可调电阻111以及与该可调电阻111相匹配的参考负电阻112；积分滤波单元120与电阻匹配单元110相连接，用于对电阻匹配单元110输出的电流进行积分运算及滤波处理；控制信号产生单元130和积分滤波单元120相连接，用于接收积分滤波单元120的信号输出，并产生控制信号VCTL，以对该可调电阻的阻值进行调节。

进一步地，电阻匹配单元110内的可调电阻111、有源滤波电路200多级积分单元210、220、230的输入电阻211、221、231中的正相输入电阻、反相输入电阻、正相反馈电阻以及反相反馈电阻的结构相同。即它们采用的电阻组成的器件类型和器件参数均相同。参照图2、5，电阻匹配单元内的可调电阻111以及有源滤波电路200内的各正相输入电阻、各反相输入电阻、各正相反馈电阻以及各反相反馈电阻，均包括定值电阻器R1和MOS管电阻器RT，并且控制信号VCTL接入各MOS管电阻器，用于对其阻值进行调节。这将在以下进行更详细说明。

参照图1、2，如上所述，当可调电阻111和参考负电阻112阻值相同时，积分滤波电路120内积分电容CINT上的电荷保持不变，VCTL保持不变，此时调节电路100进入稳定状态。如果因环境变化导致可调电阻发生变化，则调节调节电路100进入自适应调节状态。具体地，如果可调电阻111小于参考负电阻112阻值时，则有电流流向积分电容CINT，积分滤波电路120经积分滤波得到的控制信号VCTL变小，它可调整可调电阻111变大，从而最终使得调节电路100回复到稳定状态；同样，如果可调电阻111大于参考负电阻112阻值时，则负电阻112从积分电容CINT抽取电流，积分滤波电路120经积分滤波得到的控制信号VCTL变大，它可调整可调电阻111变小，并最终使得调节电路100回复到稳定状态。

另一方面，由于在有源滤波电路200中，各级积分器输入电阻中的正相输入电阻（如图5中所示的各级积分器中的第Ⅱ组电阻R1+RT）、反相输入电阻（如图5中所示的各级积分器中的第Ⅲ组电阻R1+RT）、正相反馈电阻（如图5中所示的各级积分器中的第Ⅰ组电阻R1+RT）和反相反馈电阻（如图5中所示的各级积分器中的第Ⅳ电阻R1+RT）的结构组成均和可调电阻111（如图2所示，由R1和RT组成）相同，因此，当可调电阻111发生变化时，因为环境相同，有源滤波电路200内的各电阻也发生同样变化，因此，通过控制信号VCTL对有源滤波电路中输入电阻和反馈电阻的调节，最终可使有源滤波电路200自适应地达到稳定状态，从而使它的转角频率达到标称值。这将在以下进行更详细分析。

更具体地，参考图3、4，其中，图3示出了调节电路的具体实施电路图，图4示出了有源滤波电路200中的一个不含反馈电阻的积分级。如图所示，并结合图2，控制信号产生单元130为差分控制信号产生单元，其产生的控制信号VCTL包括第一差分控制信号VCP以及第二差分控制信号VCN。并且，在如图3、4所示的实施方式中，MOS管电阻器RT包括第一端子101、第二端子102、第一MOS管m1和第二MOS管m2，其中，第一端子101和定值电阻器R1相连接，第一MOS管m1的漏级和第二MOS管m1的漏级相连接，并接入第一端子101，第二MOS管m2源极接入第二端子102，并且，第一差分控制信号VCP接入第一MOS管m1的栅极，第二差分信号VCN接入第二MOS管m2的栅极。

在如图3、4所示的实施方式中，第一MOS管m1和第二MOS管m2为PMOS管。可选地，第一MOS管m1和第二MOS管m2也可以为NMOS管。

在如图3、4所示的结构中，可调电阻的电阻值由定值电阻器R1和由工作在线形区的第一MOS管m1及第二MOS管m2构成的可调MOS管电阻器相加得到。第一MOS管m1和第二MOS管m2的栅极分别由第一差分信号VCP和第二差分信号VCN控制，容易理解，两个差分信号的共模电平（即图3中控制信号产生电路130内的VCM_TUNING信号）选择应能使第一MOS管m1和第二MOS管m2在最大信号输入时仍工作在线形区。对于由第一差分信号VCP和第二差分信号VCN控制的第一MOS管m1和第二MOS管m2而言，其等效电阻R_eq满足以下公式：

$R_{\mathrm{eq}}=\frac{1}{\mathrm{Gm}2-\mathrm{Gm}1}=\frac{1}{\mathrm{KVc}}$

Gmi=K(Vgsi-Vthi)

$K=\mathrm{\μCox}\frac{W}{L}$

Vc=VCP-VCN

上述公式中，K是第一MOS管m1和第二MOS管m2工作在线性电阻区的跨导参数，μ是第一MOS管m1和第二MOS管m2的表面迁移率，Cox是单位面积栅氧化物电容，W是第一MOS管m1和第二MOS管m2有效沟道宽度，L是MOS有效沟道长度，Vthi是第一MOS管m1和第二MOS管m2的阈值电压，Vgsi是MOS的栅源电压，Gm2和Gm1是工作在线性电阻区的m2和m1的电导。

由上述公式可以看出，RT的等效电阻的大小只与两个控制电压，即第一差分信号VCP和第二差分信号VCN相关。因此，在调节电路100中第一差分信号VCP和第二差分信号VCN的控制下，可对有源滤波电路200中的各个电阻进行调节，从而使其达到稳定状态。

回到图1，参考负电阻可由任何合适的能够产生负电阻的电路组成。如图2、3所示，优选地，在本发明的一个实施方式中，参考负电阻112可由开关电容电路组成。具体地，结合附图，开关电容电路包括两个第一开关

以及分别与该两个第一开关

相连接的两个第二开关并且两个第一开关和该两个第二开关

之间连接有一个电容C1。更具体地，如图2所示，在该开关电容电路中，端子103作为一个负电阻端子，端子104作为另一个负电阻端子，而端子105和106接入一个共模电平信号VCM，并且参考图3，与其对应，第一MOS管m1的源极也接入一个共模电平信号VCM，以使得调节电路中m1、m2的共模电平和有源滤波电路内的共模电平相匹配。

常规地，在上述开关电容电路中，第一开关和第二开关

通过一个外部时钟输入频率开关信号。该频率开关信号为两相非交叠时钟相控制信号。参考图2、3，由于每个时钟周期内，参考负电阻112从A点抽取的平均电流I为：

$I=\frac{Q}{T}=\frac{\mathrm{VREF}.C}{T}=\mathrm{VREF}.C1.f_{\mathrm{clk}};$

其中Q为电容C1的电荷值，T为一个时钟周期，VREF为参考电压，f_ckl为时钟频率。

由此可推导出负电阻的等效电阻值R_eq为：

$R_{\mathrm{eq}}=\frac{\mathrm{VREF}}{I}=\frac{1}{C1.f_{\mathrm{clk}}}.$

由上述公式可知，在该实施方式中，参考负电阻的等效电阻仅和开关电容电路中的电容C1和外部时钟频率有关。因此，当外部时钟频率一定，并且有源滤波器内每一级积分器内的电容值和调节电路中电容值比例确定时，可保证滤波电路200的频率响应不但不受工艺流片造成的电阻值偏离标称值影响，也可不受电容值偏离标称值的影响。

具体地，参照图4，有源滤波电路200包括三级积分单元，三个几分单元拓扑结构相同，级联构成三阶低通滤波器，每一级积分器电容C11、C12和C13取值不同，而电阻构成如上所述均相同，采用R1+RT的可调电阻结构，并且R1、m1、m2参数均一致。根据上述推导可知，当调节电路100进入稳定态时，第一级积分器时间常数为：

$R_{\mathrm{eq}}C11=\frac{C11}{C1.f_{\mathrm{clk}}};$

第二级积分器的时间常数为：

$R_{\mathrm{eq}}C12=\frac{C12}{C1.f_{\mathrm{clk}}};$

第三级积分器的时间常数为

而在低通滤波电路200中，其频率响应特性完全由积分器的时间常数决定。因此，由上面的推导可知，当外部时钟频率f_clk一定并且每一级积分器的电容值与调节电路100中的电容C1比例确定的情况下，滤波器的频响特性不受工艺流片造成的电容值和电阻值偏离标称值的影响。

再次参考图3，控制信号产生单元130可采用常规的差分信号产生电路组成。在图3所示的实施方式中，控制信号产生单元130包括一个电压跟随器和反相比例运算器，电压跟随器和所述积分滤波单元相连接，用于产生第一差分控制信号VCP；反相比例运算器和电压跟随器相连接，并产生和第一差分控制信号VCP反相的第二差分控制信号VCN。更具体地，在该实施方式中，电压跟随器由运算放大器OPAMP2构成，反相比例运算器由运算放大器OPAMP3及两个等值电阻R3构成，其中，运算放大器OPAMP2的输出端和其反相输入端相连接，从而构成电压跟随器，两个电阻R3分别用作两个比例电阻，并将运算放大器OPAMP3形成负反馈，从而使得第二差分控制信号VCN与第一差分控制信号VCP等值并且反相。

如上所述，本发明的有源滤波器，在有源滤波电路的基础上，增加一个能够自适应调节的调节电路，该调节电路中引入一个参考负电阻作为基准，并利用可调电阻和参考负电阻并联，组成电阻匹配单元，当可调电阻因环境不同而变化时，由积分滤波单元及后续电路产生控制信号，反馈至可调电阻对其进行调节，从而达到使电路达到稳定状态；与此相对应，在有源滤波器中，将各级积分器的输入电阻和反馈电阻设置成和可调电阻结构相同，同时利用上述控制信号对可调电阻进行控制调节，从而最终达到对有源滤波电路进行自适应调节的目的。

Claims (9)

1.一种有源滤波器，包括有源滤波电路，该有源滤波电路包括多级积分单元，该多级积分单元分别包括输入电阻和反馈电阻，该输入电阻包括正相输入电阻和反相输入电阻，该反馈电阻包括正相反馈电阻和反相反馈电阻，其特征在于，该有源滤波器还包括一个调节电路，该调节电路包括：

电阻匹配单元，该电阻匹配单元包括可调电阻以及与该可调电阻相匹配的参考负电阻；

积分滤波单元，该积分滤波单元和该电阻匹配单元相连接，用于对该电阻匹配单元输出的电流进行积分运算及滤波处理；以及，

控制信号产生单元，该控制信号产生单元与该积分滤波单元相连接，用于接收该积分滤波单元的信号输出，并产生控制信号，以对该可调电阻的阻值进行调节；

其中，

该电阻匹配单元内的可调电阻、该多级积分单元中的正相输入电阻、反相输入电阻、正相反馈电阻、以及反相反馈电阻的结构相同，均包括定值电阻器和MOS管电阻器，该控制信号接入该MOS管电阻器，用于对其阻值进行调节。

2.根据权利要求1所述的有源滤波器，其特征在于，

该控制信号产生单元为差分控制信号产生单元，其产生的该控制信号包括第一差分控制信号以及第二差分控制信号；并且，

该MOS管电阻器包括第一端子、第二端子、第一MOS管和第二MOS管，其中，该第一端子和该定值电阻器相连接，该第一MOS管的漏级和该第二MOS管的漏级相连接，并接入该第一端子，该第二MOS管的源极接入该第二端子，并且，该第一差分控制信号接入该第一MOS管的栅极，该第二差分信号接入该第二MOS管的栅极。

3.根据权利要求2所述的有源滤波器，其特征在于，所述参考负电阻由开关电容电路组成。

4.根据权利要求3所述的有源滤波器，其特征在于，所述开关电容电路包括两个第一开关以及分别与该两个第一开关相连接的两个第二开关，并且该两个第一开关和该两个第二开关之间连接有一个电容。

5.根据权利要求2所述的有源滤波器，其特征在于，所述控制信号产生单元包括：

电压跟随器，该电压跟随器和所述积分滤波单元相连接，用于产生所述第一差分控制信号；

反相比例运算器，该反相比例运算器和该电压跟随器相连接，并产生和所述第一差分控制信号反相的第二差分控制信号。

6.根据权利要求2所述的有源滤波器，其特征在于，所述第一MOS管和所述第二MOS管为PMOS管。

7.根据权利要求2所述有源滤波器，其特征在于，所述滤波积分单元包括一个积分电路以及和该积分电路相连接的滤波电路。

8.根据权利要求2所述有源滤波器，其特征在于，该有源滤波电路包括三级积分单元。

9.根据权利要求4所述的有源滤波器，其特征在于，该第一开关和第二开关通过一个外部时钟输入频率开关信号。

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