CN104579241B

CN104579241B - 可编程滤波器

Info

Publication number: CN104579241B
Application number: CN201410457701.8A
Authority: CN
Inventors: A·派; M·E·哥德法博
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2018-07-10
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: US9172353B2; US20150097637A1; CN104579241A; DE102014111197A1

Abstract

本发明涉及可编程滤波器。在一个示例实施方案中，本发明提供了包括多个可变电感网络和多个可变电容网络的可编程滤波器。该可编程滤波器可在经典滤波器拓扑结构中实现，其中可变电容网络取代分立电容器，可变电感网络取代分立电感器。示例可变电感网络包括带有中间抽头的初级电感器，连接在中间抽头的次级电感器，以及用于选择电感的开关。

Description

可编程滤波器

技术领域

本发明涉及到信号滤波领域，更具体地，涉及一种可编程滤波器。

背景技术

在电子设计中，电感器和电容器的反应阻抗被用于形成滤波器，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。低通或高通滤波器的截止频率、带通滤波器的通带和带阻滤波器的阻带是依赖于根据本领域公认原则选择的电容器和电感器的值。然而，滤波器并不提供完美的线性截止给它们的通带、阻带和截止频率。相反，它们提供以对数表示的分贝/十倍频程为特征的滚降率。例如，对于一阶滤波器而言滚降特性通常大约是-20分贝/十倍频程。该滚降率通过增加额外的阶层到过滤器被大幅增加以形成高阶滤波器。例如，五阶滤波器可以达到大约-100分贝/十倍频程的滚降率。

附图说明

查看附图时结合下列详细说明有助于理解本发明。需要强调的是按照行业标准做法，附图中各种特征的绘制仅用于说明。事实上，为了清晰地论述问题，各种特征的一些尺寸可能被增加或缩减。

图1是包含可编程滤波器的示例集成电路框图。

图2是带有可变电感器和电容器的微分五阶可编程滤波器的电原理图。

图3是示例可变电容网络的电原理图。

图4是示例可变电感网络的电原理图。图4A-4E是不同状态下示例可变电感网络的电原理图。

图5是适用于集成电路中的可变电感网络的俯视图。

发明内容

在一个示例实施方案中，公开了可变电感器，其包括具有第一端子、第二端子和中间抽头的初级电感器；具有连接到初级电感器中间抽头的第一端子，和第二端子的次级电感器；连接在初级电感器的第一端子和次级电感器的第二端子之间的第一开关；和连接在初级电感器的第二端子和次级电感器的第二端子之间的第二开关；据此总电感可通过打开一个或两个开关来改变而可变电感器可以通过关闭两个开关被旁路。

在另一个示例实施方案中，公开了包括可编程滤波器，其包括可变电容网络，该网络包括多个电容器和用于在至少两个可用电容之间进行选择的电容开关；可变电感网络，该网络包括多个电感器和用于在至少两个可用电感之间进行选择的电感开关；据此通带是通过选择可用容量和可用电感可选择。

在又一个示例实施方案中，公开了集成电路元件包括第一方向第一层上的第一导电绕组，该第一绕组具有中间抽头；第二方向第二层上的第二导电绕组，该第二绕组的端子被电连接到中间抽头。

具体实施方式

下面提供许多不同的实施方案或示例用于实现本发明的不同功能。描述元件和组合的特定示例用以简要地说明本发明。当然，这些仅仅是示例，并不旨在进行限制。进一步地，本发明会在各种示例中重复一些相关的数字和字母或字母。这种重复不是为了决定所讨论的各种实施方案和/或配置之间的关系而是为了简化和明晰其关系。

一个示例实施方案中，本说明书公开了带有可编程通带滤波器。可编程性是通过提供可变电容器和可变电感器网络实现的。可变电感器可以被构建为集成电路的一部分，也可以包括多个已知Y形结构电感的电感器。利用固态开关可以有选择地旁路一些电感器，或改变它们的互感。在一个具有被两个开关控制的三个电感器的示例中，每个可变电感器设置有三个分立电感和一个旁路模式。这种配置可以在电脑模拟中实现，例如，通过提供带有多个线圈和相对较窄轨迹线的初级绕组，连接在初级绕组中间抽头的次级绕组，该次级绕组更宽并且只具有一个绕组。

图1是示例集成电路(IC)100的框图，该电路仅是根据本说明书搭建的多种类型电路中的一种。集成电路100包括数字-模拟转换器(DAC)130，其被配置成接收数字输入信号并输出相应的模拟信号。在一个示例实施方案中，DAC130提供模拟输出信号132给调制器120，其是示例通信电路的一部分。

在示例集成电路100中，调制器120不产生任何直流电流，而是呈现高阻抗负载。微分电阻124被放置在输入端子到滤波器终端之间，但不影响直流电流。因此，通过电阻150-1的电流由来自DAC130的直流(中档)电流132单独生产，在这个例子中在10mA电流通过50Ω电阻150-1的情况下，通过电阻150-1产生0.5V电压，流入接地190。

DAC130产生互补输出电流132、134介于0mA和20mA，取10mA的共模电流(中间值)。该共模电流通过串联电阻150产生共模电压Vcm。在这种情况下，通过50Ω电阻器150的10mA电流产生的0.5V的共模电压。调制器120呈现高阻抗输入，以使微分电阻124终止滤波器110的输出而不影响直流电流或电压。

在一些情况下，提供具有多个可选通带的可编程低通滤波器110是可取的。例如，在本实施方案中，可编程的截止频率可以在DAC130对于不同信号带宽在通讯或其它类似的应用程序中具有可选采样率的情况下使用。

图2是微分可编程低通滤波器110示例实施方案的电原理图。应当指出虽然作为示例实施方案低通滤波器被公开，类似技术可以被用于设计其他类型滤波器，如高通滤波器、带通滤波器以及带阻滤波器。在本实施方案中，可编程低通滤波器110提供带有经典均衡阶梯式拓扑结构的五阶低通滤波器，不同在于电容器C1、C2、C3、C4、C5和C6，电感器L1、L2、L3和L4全部是可变的。在本示例实施方案中，可变电容器C和可变电感器L是离散而不是连续可变，离散值由开关控制，在图3和图4中进一步公开。在一个示例实施方案中，C1和C4被耦合共同控制以便它们具有相等的值，会在下面更详细地描述。同样，C2可以耦合到C5，C3可以耦合到C6。

图3是可变电容网络300示例实施方案的电原理图，其在一些实施方案中可以被用于图2的每个可变电容器C。可变电容网络300包括正极端子302和负极端子304，“正极”和“负极”的名称是任意双向电容器。在定向电容器，如电解电容器，被使用的情况下，“正极”和“负极”的名称可能是规定性的。此外，虽然输入端子302按照规定称为“信号”电压而输出端子304按照规定称为“地线”端子，但可以使用任何两个合适端子提供电位差。

应当指出的是虽然本例中公开的电路是单端配置，差分配置可以容易取代。

本实施方案包括三个独立的级350。第一级350-1包括两个电容器320-1、320-2和两个选择开关310-1、310-2。在本实施方案中，选择开关310是固态电子开关如晶体管，其可以被实现为集成电路的一部分。然而，应当指出选择开关310在其它实施方案中可以是其它类型的开关，包括微机电开关、机电式继电器或手动机械开关。此外在该实施方案中，开关310被功能性配对，以便两个都被选中或都未被选中，因为它们接收共同的输入。例如在集成电路中这样可以保持对称的布局。然而，应当认识到电容控制的附加粒度可以通过使选择开关320独立可选来实现。

在本实施方案中，当成对的选择开关310-1、310-2是开启的，第一级350-1被旁路。当成对的选择开关310-1、310-2是关闭的，第一级350-1提供等于电容器320-1和320-2总和电容。

同样，第二级350-2通过成对的选择开关310-3、310-4控制，当它开启时旁路第二级350-2，当它关闭时提供等于电容器320-3和320-4的总和电容。第三级350-3通过成对的选择开关310-5、310-6控制，当它开启时旁路第三级350-3而当它关闭时提供等于电容器320-5和320-6的总和电容。

因此，三个选择开关对的操作提供多达7个分立工作电容加1个旁路模式(“000”所有三个选择开关对是开启的)。另一方面，如果选择开关310被编码在单调格雷码(000001011111)，那么最多提供3个分立工作电容加1个旁路模式。如果完全独立选择开关310被提供，那么提供多达31个操作电容加一个旁路模式，或对于单调格雷码而言多达5个操作电容和1个旁路模式。在每一种情况下，由可变电容网络300提供的总电容为所有非旁路电容器320的线性总和。应当认识到其它的安排也是可能的，根据本领域公认的方法，在这种情况下总电容可通过一种关系而不是线性总和来约束。

图4是可变电感网络400示例实施方案的电原理图，其在一些实施方案中可以被用于图2的每个可变电感器L。可变电感网络400包括三个电感器420，由选择开关410控制，其可以是与选择开关310(图3)相同的种类。在本实施方案中，第一电感器420-1与第二电感器420-2串联，正节点430和负节点440被示出。应当认识到，“正”节点和“负”节点对于通用电感器可以是任意指定的，但对于需要特定的电磁性质的电感器的特定安排也可以是规定的。

第一电感器420-1和第二电感器420-2连接在中间抽头450。中间抽头450可以代表两个分立的电感器端子接合的连接，或者它可以表示“真”中心或单个电感器的中间抽头，其中第一电感器420-1和第二电感器420-2是由“抽头”在某一中间点的单个导电绕组形成的，它可能是也可能不是绕组的数学或几何中心，其中导体可以电连接到中间抽头用以提供到其它电路元件的导电路径。第三电感器420-3，有时也被称为次级或辅助电感器，也有一个端子接合到中间抽头450，它的第二端子在节点460。第一选择开关410-1被连接在输入节点430和节点460之间，而第二选择开关410-2被连接在输出节点440和节点460之间。

图4A提供了机械开关作为选择开关410的替代实施方案。应当认识到许多其它类型的开关可以被使用。图4B公开了当选择开关410都开启时可变电感网络400的等效电路。在这种情况下，第三电感器420-3是“浮动”的，因此并不贡献它的电感到网络。在这种情况下，网络总电感是电感器420-1和420-2的线性总和，加上两者之间的任何互感，以圆点标记指定。

图4C公开了当第一选择开关410-1开启并且第二选择开关410-2关闭时可变电感网络400的等效电路。在这种情况下，第三电感器420-3并联于第二电感器420-2后和第一电感器420-1串联。在这种情况下，网络总电感可以用下面的公式来描述：

这里L_nom是L₁-L₂路径的名义电感，同L₃开路。

图4D公开了当第一选择开关410-1关闭并且第二选择开关410-2关闭时可变电感网络400的等效电路。在这种情况下，第一电感器420-1和第三电感器420-3并联与第二电感器420-2串联。在这种情况下，网络总电感可以用下面的公式来描述：

从这些方程中，电感器的几何形状可以根据期望的L₁、L₂和L₃，以及k₁₂、k₁₃和k₂₃将产生三种不同的有效电感值(L_nom、L_eq1和L_eq2)进行开发。

图4E公开了当两个选择开关410都关闭时可变电感网络400的等效电路。在这种情况下，电感器被完全旁路，等效电感为零。

图5是用以实现图4中可变电感网络400的示例集成电路元件500的顶视图。集成电路元件500可以根据本领域已知技术来实现，例如使用普遍的硅基工艺。在本实施方案中，公开了两个绕组；第一绕组510形成第一电感器420-1和第二电感器420-2，而第二绕组520形成第三电感器420-3。在本实施方案中，第一绕组510具有多个绕组，而第二绕组520具有单个绕组。第一绕组510和第二绕组520可以在金属间电介质的单独层上以使绕组没有电短路。

在本实施方案中，第一绕组510顺时针方向缠绕，从输入节点430到输出节点440。输出节点440可以形成在与第一绕组510所在层分开的单独层以避免短路到第一绕组510。这可能在与第二绕组520所在层相同的或不同的层。

第二绕组520形成在与第一绕组510所在层分开的单独层，并且在该实施方案中其与第一绕组510基本上是同心的。作为实际问题，因为限制第二绕组520为单个绕组比较容易，所以第二绕组520的外径基本上比第一绕组510的更宽，这将从单个绕组创造更大的电感。然而，在这种情况下因为两个绕组物理上进一步彼此分离，它们相互耦合可能被缩减。在本实施方案中，第二绕组520逆时针方向缠绕，从节点460到中间抽头450，例如其可以由两层之间的连接形成。应当认识到在图5所公开的示例实施方案中，第三电感器420-3和第一电感器420-1之间的磁耦合将比第三电感器420-3和第二电感器420-2之间的磁耦合强。这是因为在本实施方案中，第二绕组520接续第一绕组510的外侧部分比内侧部分更紧密。然而，根据不同的设计第二电感器420-2到第三电感器420-3更强的磁耦合是可取的，第二绕组520围绕第一绕组510的内侧部分可以更紧密地被缠绕。

需要注意的是不期望寄生的其他形式的一些电容性耦合可能在第一绕组510和第二绕组520之间发生。在一些实施方案中，额外的设计工作可能被需要以便补偿这种寄生效应。

在一些实施方案中，集成电路元件500只是更大集成电路的一块，其中包括模拟和数字元件，如集成电路100。由于模拟元件相对较大，减少模拟件部分的数量是可取的。因此，举例来说，当建立可选电感网络时建立紧凑的集成电路元件如集成电路元件500是可取的，而不是为图2的每个可变电感器L建立三个单独开关电感器。

在一个示例实施方案中，五阶低通滤波器是根据图2的原理图构造的，使用图3的可变电容器和图4的可变电感器。在这个示例中，使用二进制代码在3通带之间进行选择，如下所示：

在这个示例中，电容器网络是根据单调格雷码被选择的，一个电感模式被映射到每个电容模式。当所有电容器选择开关开启并且两个电感器选择开关关闭时旁路模式被提供。对于每个电容器320和每个电感器420选择适当的电容和电感值可以实现这些示例的通带。例如，以0.25分贝在100欧姆的系统振荡的五阶切比雪夫低通滤波器可以以Y1＝10pF、Z2＝93nH、Y3＝16pF、Z4＝93nH和Y5＝10pF被构成，其中的“Zn”和“Yn”分别代表了经典切比雪夫滤波器的五个反应阻抗和易感导纳元件。本实施方案中Y1、Y3和Y5是电容，而Z2和Z4是电感。这提供了225MHz的大约-100分贝/十倍频程滚降率的截止频率。

上述列举了几个实施方案以使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域技术人员应当理解他们可以容易地使用本发明作为基础用于设计或修改其他过程和结构以执行相同的目的和/或实现本说明书所介绍的实施方案中相同优点。那些本领域技术人员也应该认识到这样的等效构造并不脱离本发明的精神和范围，并且它们在不脱离本发明精神和范围的情况下在其中可以进行各种改变、替换和变更。

在上述对实施方案的讨论中，任何电容器、缓冲器、图形元件、互连板、时钟、传感器、分频器、电感器、电阻、放大器、开关、数字核心、晶体管和/或其它组件可容易地被取代、替换或为了适应具体的电路需要以其他方式修改。此外，应该指出的是互补电子设备、硬件、非临时性软件等的使用为实现本发明的传授提供了同样可行的选择。

在一个示例实施方案中，附图中的任何数量的电路可在相关联电子设备的电路板上实现。该电路板可以是装载在电子设备的内部电子系统的各种部件还为其他外围设备提供连接器的普通电路板。更具体地，该电路板可以为该系统的其它部件可电通信提供电连接。根据特定配置的需求、处理需求、计算机设计等任何合适的处理器(包括数字信号处理器、微处理器和配套芯片组等)和存储器元件等可以适当地耦合到电路板上。其他部件，例如外部存储、额外的传感器、音频/视频显示器的控制器和外围设备可以通过插卡、电缆等连接到电路板上或集成到主板上。在另一示例实施方案中，附图中的电路可以以单独模块的形式来实现(例如，具有经配置以执行特定应用程序或功能相关的元件和电路的设备)，或者以应用电子设备的特定硬件的插件模块形式实现。

需要注意的是本说明书所提供的众多实例中，两个、三个、四个或更多个电子部件可以互相交互。该做法为了清晰地说明示例。该系统可以以任何合适的方式被合并。按照类似的设计方案，在本说明书的范围之内的任何组件，模块和附图的元件都可以以各种可能的配置进行组合。在某些情况下，参考一定数量的电子元件，描述一个或多个给定流量的功能是比较容易的。附图及其说明中的电路都是可以扩展，可以容纳大量的部件，也可以进行更为复杂而精密的安排和配置。因此，提供的实施方案不应该限制范围或抑制电路广泛传授，因为其很可能应用到无数其它体系结构中。

许多其它的改变、替换、变化、变动和修改可以由本领域技术人员来确定，并且意指本发明包括所附权利要求范围内的所有这样的改变、替换、变化、变更与修改。为了协助美国专利和商标局(USPTO)，此外，任何读者在解释此申请授权的任何专利的所附权利要求，申请人谨指出，申请人：(a)不打算任何所附的权利要求援引美国法典第35第112条第六段，因为它存在于申请日，除非“手段”或“步骤”专门在特定的权利要求中使用；(b)本说明书中的任何陈述不打算以未体现在所附的权利要求的任何方式限制本专利。

Claims

1.一种可变电感器，包括：

初级电感器，具有第一端子、第二端子和位于所述第一端子和所述第二端子之间的中间抽头；

次级电感器，具有连接到所述初级电感器中间抽头的第一端子，以及第二端子；

第一开关，连接在所述初级电感器的第一端子和所述次级电感器的第二端子之间；以及

第二开关，连接在所述初级电感器的第二端子和所述次级电感器的第二端子之间；

其中总电感能够通过打开一个或两个开关来改变，而所述可变电感器能够通过闭合两个开关被旁路。

2.如权利要求1所述的可变电感器，其中所述可变电感器在集成电路中实现。

3.如权利要求2所述的可变电感器，其中所述初级电感器是在第一层上沿第一方向的第一绕组，而且所述次级电感器是在第二层上沿第二方向的第二绕组，第二层与所述第一层在中间抽头处具有电连接。

4.如权利要求3所述的可变电感器，其中所述第二方向与所述第一方向相反，其中闭合第一开关产生与初级电感器的负互感，而闭合第二开关产生与初级电感器的正互感。

5.如权利要求2所述的可变电感器，其中所述开关是固态电子开关。

6.如权利要求1所述的可变电感器，其中所述开关是微机电开关。

7.如权利要求1所述的可变电感器，其中所述开关是机械开关。

8.一种可编程滤波器，包括：

第一可变电容网络，包括多个电容器和用于在至少两个可用电容之间进行选择的电容开关；以及

第一可变电感网络，包括多个电感器和用于在至少两个可用电感之间进行选择的电感开关，其中所述第一可变电感网络包括：

第一电感器，具有第一端子和第二端子；

第二电感器，具有第一端子和第二端子，第一电感器的第二端子和第二电感器的第一端子连接于中间抽头处；

第三电感器，具有连接在所述中间抽头处的第一端子，以及第二端子；

第一电感开关，连接在所述第三电感器的第二端子与所述第一电感器的第一端子之间；以及

第二电感开关，连接在所述第三电感器的第二端子与所述第二电感器的第二端子之间；

其中第一电感能够通过闭合第一电感开关来选择，第二电感能够通过打开第一电感开关来选择，第三电感能够通过仅闭合第二电感开关来选择，并且第四电感能够通过闭合第一电感开关和第二电感开关二者来选择，并且

其中通带能够通过选择可用电容和可用电感来选择。

9.如权利要求8所述的可编程滤波器，其中所述第一可变电容网络包括：

三个级，每个级包括：

第一电容器和电容开关与第二电容器和电容开关并联，电容开关彼此成对；

其中电容能够通过根据单调格雷码闭合电容开关来选择。

10.如权利要求8所述的可编程滤波器，其中所述可编程滤波器是在集成电路上实现的，并且还包括：

第二可变电容网络和第三可变电容网络，各可变电容网络均具有第一端子和第二端子；

第二可变电感网络、第三可变电感网络和第四可变电感网络，各可变电感网络均具有第一端子和第二端子；

其中：

所述第一可变电容网络的第一端子连接到所述第一可变电感网络的第一端子，并且所述第一可变电容网络的第二端子连接到所述第二可变电感网络的第一端子；

所述第二可变电容网络的第一端子连接到所述第一可变电感网络的第二端子和所述第三可变电感网络的第一端子，并且所述第二可变电容网络的第二端子连接到所述第二可变电感网络的第二端子和第四可变电感网络的第一端子；以及

所述第三可变电容网络的第一端子连接到第三可变电感网络的第二端子和所述第四可变电感网络的第二端子。

11.一种集成电路元件，包括：

在第一层上沿第一方向的第一导电绕组，所述第一导电绕组具有中间抽头，其中第一导电绕组还包括第一端子和第二端子，并且所述中间抽头位于第一导电绕组的第一端子和第二端子之间；以及

在第二层上沿第二方向的第二导电绕组，所述第二导电绕组的第一端子被电连接到中间抽头。

12.如权利要求11所述的集成电路元件，其中所述第一导电绕组和第二导电绕组基本上彼此同心。

13.如权利要求11所述的集成电路元件，其中所述第二导电绕组只有单个绕组。

14.如权利要求11所述的集成电路元件，其中所述第二方向与所述第一方向相反。

15.如权利要求11所述的集成电路元件，其中：

所述第二导电绕组还包括第二端子；以及

还包括：

连接在所述第一导电绕组的第一端子和所述第二导电绕组的第二端子之间的第一开关；以及

连接在所述第一导电绕组的第二端子和所述第二导电绕组的第二端子之间的第二开关；

其中第一电感能够通过打开两个开关来选择，第二电感能够通过仅闭合所述第一开关来选择，第三电感能够通过仅闭合所述第二开关来选择，以及旁路模式能够通过闭合两个开关来选择。

16.一种具有可编程滤波器的集成电路，所述可编程滤波器并入如权利要求15所述的集成电路元件作为可变电感器。

17.如权利要求16所述的集成电路，还包括可变电容器。