CN103618515A

CN103618515A - 一种低通滤波器

Info

Publication number: CN103618515A
Application number: CN201310596192.2A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Suzhou Baker Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Suzhou Baker Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2014-03-05

Abstract

一种低通滤波器，该滤波器提供了一个非常灵活的滤波器参数的选择，如截止频率、直流增益和Q因子，通过为单一的集成电路选择合适的电阻值，与其他标准的低通电路的配置相比，其具有非常低的电容、电容率和有源电路。

Description

一种低通滤波器

技术领域

本发明通常涉及一种连续时间模拟的集成电路滤波器。更具体地，本发明提供了一种完全可调谐的最小的有源电路的二阶低通滤波器。

背景技术

模拟滤波器对于大多数电子电路的工作是必不可少的，并常常用来从噪声中分离信号。一般情况下，一个模拟滤波器是一个电网络，相对于自由传输一个或多个频带内的信号而言，改变了振幅与/或相位特性并衰减了其他频率的信号。

滤波器根据频带分为五种基本类型：全通，带通，陷波，低通和高通。一个全通滤波器对不同频率处的信号的振幅没有影响，它的功能是在不影响信号振幅的情况下简单地改变信号的相位。其他四种类型的滤波器自由地传输或通过落在一个相对窄的频带范围内的信号并衰减该频段以外的信号。一个滤波器通过的频率范围被称为滤波器的通带，不需要的信号衰减的频率范围被称为滤波器的阻带。一个带通滤波器有两个阻带，一个在通带上面，一个在通带的下面，而陷波滤波器具有有效地相反的功能，具有两个通带，一个在阻带的上面，一个阻带的下面。低通和高通滤波器都有一个通带和阻带，低通滤波器通过所有低频信号直到一些指定的频率，称为截止频率，衰减高频信号，且高通滤波器拒绝低于截止频率的低频信号并通过该频率以上的高频信号。

每当必须从信号中移除高频分量时，低通滤波器被广泛地应用在许多不同的应用。例子通常涉及某些形式的噪声抑制，如在宽带通信、音响系统和卫星图像。低通滤波器的设计一般用作其他滤波器设计的基础，高通或带通滤波器往往只是从低通滤波器的设计中简单的变换。

一个理想的低通滤波器的设计将在其通带中展现出完全平坦的响应并在其阻带中展现出无限的衰减，以及从通带到阻带的快速转换。然而，在实践中，理想的低通滤波器只能近似地达到。实现理想的滤波性能往往涉及滤波元件的仔细选择和调谐。增加滤波器的阶数可以提高振幅响应特性，这直接关系到滤波器中的元件数量，因而关系到其成本、其物理尺寸和设计的复杂性。更高阶的滤波器的主要优点是：它比类似的低阶滤波器从通带到阻带具有一个更陡峭的过渡。一般情况下，二阶滤波器被认为是最简单，可以很容易地级联，形成更高阶的滤波器。用来描述一个滤波器性能的另一个参数是该滤波器的“Q”或Q因子。Q因子表示在截止频率附近区域的振幅响应的锐度和该频率附近频带的宽度。当Q为高电平时，振幅响应积聚在截止频率（窄的宽度）相对应的峰值周围，并且当Q为低电平时，振幅响应是平坦的并慢慢变细到阻带。一个值为0.707的Q导致最大平坦的响应。低通滤波器通常为满足给定的截止频率而设计并实现所期望的Q、成本和复杂性。

传统的模拟低通滤波器的实现包括电阻器、电容器和电感器的网络。因为缺乏放大元件，这些滤波器通常称作无源滤波器，其表示滤波器不能提供信号增益。此外，这些滤波器可以是复杂、耗时的，且设计昂贵，由于难以调整电感器来提供所需的精度。

集成电路（IC）运算放大器（运放）的近期可用性使设计没有电感器的低通滤波器成为可能，从而减少了与这些元件有关的问题。这些滤波器被称为有源滤波器，因为其使用了放大元件且通常比无源滤波器更容易设计。此外，有源滤波器可以实现任意增益。

有几种已知的用于设计低通滤波器的有源滤波器配置。其中使用最广泛的一种是信号反相多重反馈（MFB）电路，设计一个二阶低通滤波器。 MFB电路使用一个运算放大器和两个电容器来实现一个二阶滤波器且容易设计。然而，作为一个集成电路，MFB2^nd阶低通滤波器是非常有限的并且有几个缺点。

第一，实现的直流增益和Q因子是非常受限的，一旦运算放大器和电容器集成，从最初的设计大约只增加25％。这将导致滤波器组件困难的可调谐性，因为截止频率、直流增益和Q因子的灵活性。第二，为了实现确定的Q因子为Q>1，电容比可能是相当大的，使电容器难以匹配一个良好的准确度。最后，MFB电路所要求的总电容相当高，这会导致更高的制造成本以及更大范围的管芯面积。

鉴于设计一个二阶MFB低通滤波器的上述缺点，以最小的有源电路提供一种可调谐的二阶低通滤波器将是可取的。

提供一种二阶低通滤波器，与二阶MFB低通滤波器相比，其具有较低的电容值和电容比，这也是可取的。

提供一种二阶低通滤波器，其中滤波器的参数由三个电阻器定义且专门用于有源电路的面积远小于其他完全可编程的低通电路配置，这仍是可取的。

提供一种二阶低通滤波器，可以容易级联形成更高阶的滤波器，这也将是可取的。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供一种可调谐的最小有源电路的二阶低通滤波器。

本发明的另一个目的是提供一种二阶低通滤波器，其与二阶MFB低通滤波器相比具有较低的电容和电容比。

本发明的再一个目的是提供一种二阶低通滤波器，其中滤波器的参数由三个电阻器定义且专门用于有源电路的面积远小于其他完全可编程的低通电路配置。

本发明还有一个目的是提供一种二阶低通滤波器，可以容易级联形成更高阶的滤波器。

本发明的技术解决方案：

本发明的这些目的和其它目的是通过提供一种可调谐的最小有源电路的二阶低通滤波器来实现。该滤波器的设计通过为一个单一的集成电路选择合适的电阻值，使滤波器的参数如截止频率、直流增益和Q因子能够有一个非常灵活的选择。

在一个优选的实施方案中，本发明涉及在二阶MFB低通滤波器的电路结构中插入一个正反馈回路。正反馈回路优选用一个反相增益放大器来实现装入有源电路。与正反馈一起，该集成电路成为一个完全可编程的二阶低通滤波器的构件，它提供了一个非常灵活的滤波器参数选择。

有利地是，本发明比MFB低通电路，需要比较低的电容和电容比，以及比其他的完全可编程的低通电路配置更小的有源电路面积，包括Tow-Thomas和状态可变滤波器。

此外，本发明使得二阶滤波器可以很容易地级联形成更高阶的滤波器。

对比专利文献：CN201732856U低通滤波器 201020217663.6，CN202178740U低通滤波器201120300213.8。

附图说明：

下面将更详尽的描述本发明的上述目的和优点，采取相应的附图说明，各元件的参考符号都在图中标明。

图1是现有技术的二阶MFB低通滤波器的原理框图和电路图；

图2是一个根据本发明的原理构造的二阶低通滤波器的一个优选实施例的原理框图和电路图；

图3是一个根据本发明的原理构造的二阶低通滤波器的另一实施例的原理框图和电路图；

图4是一个通过级联图2的二阶低通滤波器来构造的四阶低通滤波器的原理框图和电路图；

图5是一个由图3的二阶低通滤波器以阻带陷波构造的三阶低通滤波器的原理框图和电路图。

具体实施方式：

本发明提供了一个完全可调谐的最小有源电路的二阶低通滤波器，其可以很容易地级联形成更高阶的滤波器。二阶低通滤波器最好由二阶MFB低通滤波器电路构造，其通过在运算放大器的输出端和先前连接到MFB配置中接地的电容器之间插入一个正反馈环路。反馈回路使集成电路成为一个完全可编程的二阶低通滤波器构件，它提供了一个非常灵活的滤波器参数的选择，如截止频率、直流增益和Q因子，都可以选择合适的电阻值。

参照图1，描述了现有技术的二阶MFB低通滤波器的原理框图和电路图。滤波电路10，它实现了一个二阶低通滤波器，包括：运算放大器11，电容器C₁（12）和C₂（13），电阻器R₁（14），R₂（15）和R₃（16）。电路10还包括一个接收电信号的输入端V _in，电信号包含直流分量、高频交流分量和可能的低频交流分量，以及一个输出端V _out，其直接连到运算放大器11的输出端。

二阶低通滤波随电路10的传递函数由下式表示：

Figure 2013105961922100002DEST_PATH_IMAGE002

其中：

Figure 2013105961922100002DEST_PATH_IMAGE004

，其中j表示等于-1的平方根的复数且w表示频率变量；

^w ₀=截止频率；

Q=低通滤波器的Q因子；

H ₀=低通滤波器的直流增益；

就滤波器10的元件R₁（14）、R₂（15）和R₃（16）、C₁（12）和C₂（13）而言，截止频率W ₀、Q、直流增益H ₀由下面的等式表示：

Figure 2013105961922100002DEST_PATH_IMAGE006

现在参照图2，描述了一个根据本发明原理构成的二阶低通滤波器的优选实施例的原理框图和电路图。滤波电路17包括运算放大器18，电容器（19）和（20），电阻器（21）、（22）和R6（23）。电路17还包括一个接收电信号的输入端V _in，电信号包含直流分量、高频交流分量和可能的低频交流分量，以及一个输出端V _out，其直接连到运算放大器18的输出端。

此外，电路17包括反馈放大器24，其有一个增益K。只要增益是固定且一致的，对于滤波电路17的运行来说，放大器24的实际反馈增益K不是关键。在一个优选的实施例中，K值在-0.5到-1.0的范围内。反馈信号通过放大器24，其由运算放大器18的输出端和电容器C₃（19）之间的正反馈组成，因为反馈放大器24具有一个反相增益且运算放大器18连接在一个反相配置上。运算放大器18、电容器C₃（19）、C₄（20）和反馈放大器24形成部分的集成电路25。

无反馈放大器24，或相反地，如果反馈增益设置为零，电容器C₃（19）和运算放大器18的正输入端连接到接地，电路17相当于变成图1的二阶MFB低通滤波器。为图1的电路10增加反馈放大器24，使电路17能够实现具有比图1的电路10低得多的电容和电容比的一个完全可编程的二阶低通滤波器，以及比其他完全可编程的低通滤波器的配置具有更小的有源电路面积（至少50％），包括Tow-Thomas和状态变量滤波器。较低的电容值将导致一个较低的制造成本以及一个更小的管芯面积。

电路17的二阶低通滤波传递函数由电路10的相同标准的二阶低通随传递函数来表示。就滤波器17的元件R ₄（21）、R₅（22）、R₆（23）、C₃（19）和C₄（20）而言，截止频率W _O和直流增益H ₀由类似于电路10中截止频率和直流增益的方程来表示，电路10的电阻器R ₁（14）、R ₂（15）和R ₃（16）的不同之处在于它是由电路17的电阻器R ₄（21）、R ₅（22）和R ₆（23）替代，电路10的电容器C₁（12）和C ₂（13）由电路17的电容器C₃（19）和C₄（20）替代。因此，电路17的截止频率W ₀和直流增益H _O的方程为：

Figure 2013105961922100002DEST_PATH_IMAGE008

但是，由于反馈放大器24的杂质，电路17的Q因子是由一个实质上不同于电路10的Q因子的方程的公式来表示。反馈放大器24具有一个增益K，使电路17中一个给定的Q因子能够实现具有比电路10更低的电容比和更低的总电容值，与电路10相比，从而显著地减少成本和电路17的管芯面积。电路17的Q因子的计算公式是：

Figure 2013105961922100002DEST_PATH_IMAGE012

与电路10相比，电路17如何显著地提高电容比的一个例子，考虑到和Q因子是需要的。电路10所需的电容比C ₁ /C ₂且所有电阻等于R将实现Q因子为36。假设反馈放大器24的增益K等于-1，电路17将只需要值为2.25的电容比C3/C4，其是一个小于电路10中所需电容比的因子16，从而实现相同的Q因子。电路17中的总电容比电路10中总电容的2.84倍小，与电路10相比，电路17中转换成低得多的成本、芯片面积和所选滤波器参数的灵活性。

由图2的电路17实现的二阶低通滤波器还可以由一个差分电路配置实现。现参照图3，描述了一个根据本发明的原理构成的二阶低通滤波器的另一实施例的原理框图和电路图。差分电路26包括差分放大器27，以及值为R ₄的电阻器28和29，值为R ₅的电阻器30和31，值为R ₆的电阻器32和33，值为C ₃电的容器34和35，值为C ₄的电容器36和37。电路26还包括接收电信号的一个输入端V _in，电信号包含的直流分量、高频交流分量和可能的低频交流分量，以及一个输出端V _out，其直接连到差分放大器27的输出端。差分放大器27和电容器34、35、36，以及37构成电路26的集成部分38。

电路26二阶低通滤波传递函数和电路17的二阶低通传递函数相同。电路26的截止频率w ₀和直流增益H _O由电路17的截止频率和直流增益的相同方程来表示。电路26的Q因子的计算公式是： ,因此，当K等于-1时，电路26的Q因子和电路17的Q因子相同。由于反馈回路由差分放大器27的反相输出实现，电路26不需要一个反馈放大器，如电路17中的反馈放大器。

参照图4，描述了通过级联图2中的二阶低通滤波器来构造的一个四阶低通滤波器的原理框图和电路图。滤波电路39，它实现了一个四阶低通滤波器，由级联的二阶低通滤波器的构件40和41组成。构件40和41都由图2的二阶低通滤波器实现。构件40包括电阻R _1A（42）、R _2A（43）、R _3A（44），电容器C _1A（45）和C _2A（46），运算放大器47和反馈放大器48，同时构件41包括电阻器R _1B（49）、R _2B（50）和R _3B（51），电容器C_1B（52）和C _2B（53），运算放大器54和反馈放大器55。该滤波器的设计人员可以选择构件40的A电容器分别和构件41的B电容器相同，在所选的滤波器参数中没有损失任何灵活性，如截止频率、直流增益和Q因子。简单地选择不同的电阻值可以自由地调整滤波器的参数，使滤波电路39易于使用四阶低通滤波器。

现参照图5，描述了一个由二阶低通滤波器以阻带陷波构成的三阶低通滤波器的原理框图和电路图。滤波电路56占据了图3的电路26并增加了值为R ₇的电阻器57和58，值为R ₈的电阻器59和60，值为C₅的电容器61和62，值为C ₆的电容器63和64以及差分放大器65。这些元素添加到滤波电路26实现了阻带中的一个独立的实数值极点和一对复数值极点以及一对虚数值极点，也就是说，一个阻带陷波形成一个3 ^rd阶低通滤波器。这些元素通常是椭圆或考尔传递函数的低通滤波器需要。

阻带陷波是通过采用标准技术将具有相同增益且在所需陷波频率w _n处有180°相位差的两个信号加在一起构建。两个信号在频率W _n处相互抵消，这样就形成了在该频率下的频率响应中的陷波。陷波的深度是由两个信号匹配的增益确定。

阻带陷波是在电路56中通过将差分放大器27的正输出端耦合到差分放大器65的负输入端来实现的，其通过电阻器58到节点-A通过电容器61，且由将差分放大器27的负输出端耦合到差分放大器65的正输入端，其通过电阻器57到节点+A通过电容器62。节点+A处的电压比差分放大器27的正输出电压滞后90°，而节点-A处的电压比差分放大器27的正输出电压超前90°。在差分放大器65的输入端，将通过电阻器57和58并通过电容器61和62的电流相加。由于在一个电容器中的电压比它两端的电压超前90°，值为C ₅的电容器61中的电流使电压-A超前9°。随着节点-A处的电压比差分放大器27的正输出电压超前90°，通过电容器61的电流比通过电阻器57的电流超前180°。当这两个电流的振幅相等时，出现完全抵消且流动的净电流为零的情况。相位差是恒定的，但只在陷波频率W _n处出现抵消。

低通滤波电路56的三阶传递函数由下式表示：

Figure 2013105961922100002DEST_PATH_IMAGE018

其中：

^W _o=二阶滤波器的截止频率；

w _n=陷波频率；

w _p=实数指极点频率（3^rd极点）；

Q=Q因子；

H _o=二阶滤波器的直流增益。

这些滤波器参数是由下面的公式表示：

虽然上面已经详细描述了本发明的具体实施例，但可以理解该描述仅仅是用于说明的目的。在某些附图中显示了本发明的特定的功能而不是在其它图中，而这仅是为了方便且任何功能可以与依据本发明的另一功能相结合。所描述的过程的步骤可以重新排序或组合，可以包括其他步骤。对于本领域的技术人员来说，依据本公开的进一步变化将是显而易见的并都在所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种低通滤波器，其特征是：一个低通滤波器电路，它具有一个用于接收一个模拟输入信号V _in的输入端并具有一个用于产生一个滤波的模拟输出信号V_out的输出端，所述滤波电路的增益由V_out与V _in的比值定义，它的振幅和相位取决于频率w，滤波器电路耦合在输入和输出之间，从而提供振幅，所以作为频率函数的振幅包括一个通过低频率的通带和一个阻止高频率的阻带，以及过渡区域之间的一个截止频率w _o，滤波电路使增益符合一个二阶频变函数表示为：，式中，

，其中j表示等于-1的平方根的复数，H _O表示滤波电路的直流增益，Q表示Q因子或滤波器电路的极点的品质因数，滤波器电路包括：第一和第二电阻耦合在输入端和输出端之间；一个运算放大器，其具有一个负输入端、一个正输入端和一个输出端，第三电阻器连接在第一电阻器和运算放大器的负输入端；第一电容器连接在运算放大器的负输入端和滤波电路的输出端；反馈元件具有的一个输入端、一个输出端和一个负增益形成一个正反馈路径，实现了非常灵活的滤波器参数w _o 、H _O和Q的选择；第二电容器连接在反馈元件的输出端和第一电阻器之间；所述低通滤波电路的第一电容器、第二电容器、运算放大器和反馈元件是集成的；所述低通滤波电路是一个单片集成电路。

2.根据权利要求1所述的一种低通滤波器，其特征是：所述直流增益H _O、截止频率w _o和Q因子Q符合下面的公式：

Figure 2013105961922100001DEST_PATH_IMAGE003

其中R ₁、R ₂和R₃是第一、第二和第三电阻的电阻值，C₁和C₂是第一和第二电容器的电容值，而K是反馈元件的增益；所述低通滤波器可以以串联方式级联，形成更高阶的滤波器，所述高阶等于2ⁿ且n是串联的低通滤波器电路的数量。

3.根据权利要求1所述的一种低通滤波器，其特征是：一个低通滤波器电路，它具有一个用于接收一个模拟输入信号V _in的输入端并具有一个用于产生一个滤波的模拟输出信号V _out的输出端，所述滤波电路的增益由V _out与V _in的比值定义，它的振幅和相位取决于频率w，滤波器电路耦合在输入和输出之间，从而提供振幅，所以作为频率函数的振幅包括一个通过低频率的通带和一个阻止高频率的阻带，以及过渡区域之间的一个截止频率W_O，滤波电路使增益符合一个二阶频变函数表示为：

Figure 2013105961922100001DEST_PATH_IMAGE005

，式中，

，其中j表示等于-1的平方根的复数，H_O表示滤波电路的直流增益，Q表示Q因子或滤波器电路的极点的品质因数，滤波器电路包括：一个差分放大器，它具有一个负输入端和一个正输入端，一个负输出端和正输出端；第一和第二电阻器连接在低通滤波电路的输入端和差分放大器的负输入端之间；第三和第四电阻器连接在低通滤波器电路和差分放大器的正输入端之间；第五电阻器连接在第一电阻器和差分放大器的正输入端；第六电阻器连接在第三电阻器和差分放大器的负输出端之间；第一电容器连接在差分放大器的负输入端和差分放大器的正输出端之间；第二电容器连接在差分放大器的正输入端和差分放大器的负输出端；第三电容器连接在第一电阻器和差分放大器的负输出端；第四电容器连接在第三电阻器和差分放大器的正输出端。

4.根据权利要求3所述的一种低通滤波器，其特征是：所述差分放大器，第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器是集成的；所述低通滤波器电路是一个单片集成电路；所述第一和第三电阻器具有相同的电阻值，第二和第四电阻具有相同的电阻值，以及第五和第六电阻器具有相同的电阻值；所述第一电容器和第二电容器具有相同的电容值，且第三电容器和第四电容器具有相同的电容值。

5.根据权利要求3所述的一种低通滤波器，其特征是：所述直流增益H_O、截止频率W_O和Q因子Q符合下面的公式：

其中R₁是第一和第三电阻器的电阻值，R₂是第五和第六电阻器的电阻值，R₃是第二和第四电阻器的电阻值，C₁是第一和第二电容器的电容值，且C₂是第三和第四电容器的电容值。

6.根据权利要求3所述的一种低通滤波器，其特征是：所述低通滤波器电路可以以串联方式级联，形成更高阶的滤波器；所述低通滤波器连接了一个第二电路，第二电路包括：一个差动放大器，它具有一个负输入端和一个正输入端，以及一个负输出端和一个正的输出端；第一电阻连接在差分放大器的负输入端和低通滤波器的差分放大器的正输出端之间；第二电阻连接在差分放大器的正输入端和低通滤波器的差分放大器的负输出端之间；第三电阻器之间连接在差分放大器的负输入端和正输出端之间；第四电阻器连接在差分放大器的正输入端和负输出端之间；第一电容器连接在差分放大器的负输入端和正输出端之间；第二电容器连接在差分放大器的正输入端和负输出端之间；第三电容器连接在差分放大器的负输入端和低通滤波器的第一电阻器之间；第四电容器连接在差分放大器的正输入端和低通滤波器的第三电阻器之间。

7.根据权利要求6所述的一种低通滤波器，其特征是：所述低通滤波器电路和第二电路形成一个三阶带有阻带陷波的低通滤波器电路。

8.根据权利要求6所述的一种低通滤波器，其特征是：所述三阶低通滤波器电路是一个单片集成电路。