CN103354446A - 具有增加直流增益和减少直流偏移的时钟有扫描能力的低通滤波器 - Google Patents

Abstract

一个具有增加直流增益和减少直流偏移的时钟有扫描能力的低通滤波器包括一个拥有一个电阻(或开关电容)的运算放大器，该滤波器把运算放大器的一个输入端连接到一个信号输入端口。第一个电容器在运算放大器的输出和输入之间提供了第一个反馈环路，并且一个有源网络是和其它电阻(或开关电容)串行连接的来作为一个过滤反馈回路。

Description

具有增加直流增益和减少直流偏移的时钟有扫描能力的低通滤波器

技术领域

本发明通常涉及到低通用电的滤波器电路，并且更特别的是本发明涉及到一个开关电低通滤波器利用一个有源网络来改善获得滚降和直流增益的准确性。一个无源低通滤波器组成的电阻和电容的元素呈现出一种获得拥有重要滚降的功能，即过滤掉高频信号的成分来作为一个频率的函数通常发生。有源滤波器，或滤波器包括有源成分，来改善无源电路通带的平坦性并提供直流增益，但会引入在输出信号出现的直流偏移错误。如图1所示，该滤波器实际上包括一个开关电容网络和一个无源低通滤波器的分流电容元件串联。为了获得一个最大的平面网络，该低通滤波器的截止频率应和外部RC元件密切相关，或 $F_{\mathrm{cutoff}}=\frac{1.63}{2\mathrm{\πRC}}.$

背景技术

本发明的一个对象是有源低通滤波器，该直流偏移量只取决于由一个输入运算放大器引进的偏移量。本发明的另一个对象是一个有源的低通滤波器，可以实现一个开关电容器的等效电路，该电路在一个单一的时钟频率内被扫出并且可以保持直流增益精度。还有一个本发明的对象是一个有源低通滤波器，该滤波器的输入电路的时间常数可以结合有源网络的协同因素来演算来完成一个需要全极点的低通滤波器。简要的说，根据本发明，一个有源的网络被放置在一个运算放大器的反馈回路，即直流输出偏移只取决于该运算放大器的输入偏移。外部无源的电阻和电容元件到有源网络可以很容易地修改为开关电容的等效电路，在保持直流增益准确的情况下，据此可以用一个单一的时钟频率来扫描整个电路从而改变滤波器的截止频率。此外，外部电阻和电容元件可以结合有源网络的系数来完成贝塞尔，巴特沃斯，切比雪夫函数或其它全极点低通函数。本发明和对象及其特点根据下面的详细描述和在附加权利要求时所采取的绘图将更明显。

对比文献，实用新型专利：低通滤波器，申请号：200920277860.4

附图说明

图1是一个低通滤波器的功能块图包括一个开关电容的旁路网络。

图2是一个根据本发明的低通滤波器功能块图

图3是一个图2利用开关电容元件的低通滤波器的示意图

图4是一个图2使用开关电容元件的低通滤波器另一种体现的示意图

图5是一个图2使用开关电容元件的低通滤波器另一体现的示意图

具体实施方式

图1是一个低通滤波器的示意图，如图所示，开关电容网络5是一个和电容C串联的作为一个分路到地面并提供交流通道给过滤的高频信号元件。直流路径是通过电阻R从输入到输出端。开关电容网络的协同时钟是由外部或内部时钟控制的。

图2是一个根据本发明的低通滤波器的示意图，该图利用一个有源网络10在运算放大器12的反馈回路中。输入电压V_in是通过电阻R1到运算放大器12的一个输入端提供的，并且直流电压偏移被图表式的说明来应用到运算放大器的其它输入端。该运算放大器的反馈回路包括一个电容C和一个电阻R2分别足连到有源网络的终端。

对于一个直流信号，电容C的阻抗是无限的，并且如果假定运算放大器的直流增益是也无限的，那么增益的输出是

(滤波器直流增益)。输出的直流偏移只取决于运算放大器的偏移，偏移电压，这并不取决于有源网络内环路的直流偏移。总偏移量是

在考虑到交流行，为如果有源网络的传递函数是

然后电路的整体增益是

这里s＝jw，T＝R₂C，它可以在

中被体现。考虑到现在一个全极点(巴特沃斯，切比雪大，贝塞尔)低通滤波器。如果有源网络的传递函数是 $G=\frac{b_o}{s^{n-1}+b_{n-2}{s}^{n-1}+b_{n-2}{s}^{n-2}+\·\·\·+b_1{s}^o+b_o}$ 则一个全极点低通滤波器的归一化传递函数是

图2电路的传递函数在R₂＝R₁时是公式 $\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{real}}{b}_o}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{real}}{b}_o+s^n+s^{n-1}+b_n-3s^{n-2}+b_1{s}^2+b_{\mathrm{os}}}.$ 把在(1)和(2)之间的ω_realb₀＝Co   ω_real＝Co/C1

b_n-2＝C_n-1    b_n-2＝C_n-1

b_n-3＝C_n-2    b_n-3＝C_n-2

    .   .

    .   .

b₀＝C1 b₀＝C1

视为等同。

从以上可以看出，方法是直截了当的，所有需要做的是去设计一个有源低通网络，其函数是： $G=\frac{C1}{s^{n-1}+s^{n-2}\left(C_{n-1}\right)+s^{n-2}\left(C_{n-2}\right)+\·\·\·+{\mathrm{SC}}_2+C_1}.$

上述图2的电路，根据本发明的有源网络是放置在直流和交流回路之间的。对于直流电流，运算放大器很高的开环增益迫使输出的直流偏移只取决于运算放大器的内部偏移。此外，电路的直流增益被迫使独立于有源网络的直流增益。当电路的功能所需的是一个传统的高阶极点低通滤波器，内部有源网络的设计是常规的程序。由于图2放大器的输入构件是一个反相放大器，积分器，电阻和电容器可以使用开关电容技术来制造，如图3所示。此外，内部网络可以包括开关电容电路。一个时钟驱动着集成和内部开关电容网络，即一个单个时钟可以扫描整个电路。在图3的电路中，一个电容C1的端口在输入端和接地端之间交替的切换，二电容C1的其它端口在接地端和运算放大器12的一个输入端之间切换。图2电路的电阻元件R2取而代之的是一个开关电容C2，该元件在反馈回路和接地端之间被交替的切换。为了统一直流增益，C1＝C2和直流增益表示为C1/C2±电容公差。输入开关电容C1是倒置的使整体直流增益是非反相的。

图3的开关电容C1何以执行图2中电阻R1和电阻R2的功能，如图4所示，一个明显的改善，利用图4的电路是整体滤波器的直流增益的统一。

图5是图2电路的另一种体现并且是图4电路更加完善的体现。这体现在大量的时间，整体环路是开放的，利用一个双重切换方案是最小化的，利用两个电容器(C/2)来替换掉图4单一的电容器(C1)。这里已经被一个有源低通滤波器的几个体现所描述，直流偏移只取决于一个运算放大器引入的偏移。该滤波器能够实现作为一个开关电容或者其等效电路，该电路能够在单个时钟频率内被扫描并且保持直流增益精度。时间常数可以结合高阶多级滤波器的系数演算出来。

Claims (3)

1.一种具有增加直流增益和减少直流偏移的时钟有扫描能力的低通滤波器，其特征是：运算放大器具有第一级和第二级输入和输出，第一个电阻装置把一个单一的输入信号端和上述第一个输入端连接起来，接地装置是上述第二个输入端，电容装置让上述输出端和上述第一个输入端相互联系，一个有源低通滤波器的网络有一个输入和一个输出，上述低通滤波器网络包括一个具有在上述第一个电阻装置的部分基础上拥有转换功能的全极点滤波器，上述电容的装置，和第二个电容的装置，这些装置和拥有上述运算放大器输出端的上述有源滤波器网络的上述输入端相连，上述第二个电阻装置把上述有源滤波器的输出端和上述运算放大器的第一个输入端相连。

2.根据权利要求1所述的具有增加直流增益和减少直流偏移的时钟有扫描能力的低通滤波器，其特征是：其中上述第一个电阻装置及第二个电阻装置包括开关电容器和拥有开关电容器的有源滤波网络。

3.根据权利要求1所述的具有增加直流增益和减少直流偏移的时钟有扫描能力的低通滤波器，其特征是：

一个滤波器电路包括一个运算放大器拥有第一级及第二级输入和输出，第一个电容的装置连接在上述第一个输入端和输出端之间，一个有源开关电容滤波器网络拥有一个输入端和一个输出端，这些装置把上述输入端连接到上述有源开关电容滤波器网络连接到上述那个运算放大器的输出端，第二个电容装置拥有第一个和第二个端口，第一个开关装置为了交替的改变上述第二个电容装置在一个开关电容滤波器网络之间的上述第一个端口，第二个开关装置为了交替的改变上述第二个电容装置在上述运算放大器的第一个输入端和接地端之间的上述第二个端口，其中上述第二个电容装置包括各自拥有第一个和第二个端口的第一个和第二个电容器，上述第一个开关装置交替的把上述第一个和第二个电容器的端口连接到一个信号输入端和上述有源开关电容滤波器网络的输出端，并且上述第二个开关装置交替的把上述第一个和第二个电容端口连接到上述运算放大器的第一个输入端和接地端。

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