CN105048989A - 具有共模噪声消减的低通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低通滤波器。该低通滤波器包括第一放大级和第二放大级。第一放大级包括差分运算放大器，其中第一放大级被设置为处理差分输入信号以产生差分中间信号，差分输入信号具有第一输入信号和第二输入信号，差分中间信号具有第一中间信号和第二中间信号。第二放大级不具有共模反馈并且被设置为处理差分中间信号以产生差分输出信号，其中差分输出信号具有对应于第一输入信号的第一输出信号和对应于第二输入信号的第二输出信号。由于从第二放大级去除了产生噪声的共模反馈，因而可以降低低通滤波器的整体共模噪声。

Description

具有共模噪声消减的低通滤波器
技术领域
本发明公开的实施例涉及低通滤波器电路，更具体地，涉及能够减少/消除传递到滤波器的输出的共模(CM)噪声的低通滤波器电路。
背景技术
低通滤波器(LPF)用于传递低频信号并衰减其频率高于截止频率的信号。低通滤波器广泛使用于电子电路。当使用低通滤波器来处理输入信号时,将在输出信号中产生诸如CM噪声的CM干扰。这将使得电子电路的特征和性能恶化。因此,有必要提供一种低通滤波器电路，能够减少/消除传递到滤波器的输出的CM噪声。
发明内容
根据本发明的示例性实施例，提出了具有共模噪声消减的低通滤波器来解决上述问题。
依据本发明的第一方面，披露了一种低通滤波器。该低通滤波器包括第一放大级和第二放大级。第一放大级包括差分运算放大器，其中第一放大级被设置为处理差分输入信号以产生差分中间信号，差分输入信号具有第一输入信号和第二输入信号，差分中间信号具有第一中间信号和第二中间信号。第二放大级不具有共模反馈(CMFB)并且被设置为处理差分中间信号以产生差分输出信号，其中差分输出信号具有对应于第一输入信号的第一输出信号和对应于第二输入信号的第二输出信号。
由于从第二放大级去除了常规的产生噪声的CMFB，因而可以降低低通滤波器的整体CM噪声。在一个示例中，第二放大级使用两个单端放大器来代替差分放大器，CM电压可以首先由第一放大器控制/限定，并通过耦接到第二放大级的两个单端放大器的输入端和输出端的无源元件被传递到第二放大级的输出。
在阅读各个附图中例示的优选实施例的如下详细描述之后，本发明的这些和其他目的对本领域技术人员来说无疑将变得显而易见。
附图说明
图1示出了根据本发明的第一实施例的低通滤波器。
具体实施方式
在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域一般技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同一元件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区别元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区别的基准。在通篇说明书及后续的权利要求当中所提及的“包含”是开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置电性连接于第二装置，则代表该第一装置可直接连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地连接至该第二装置。
请参照图1，图1示出了根据本发明的实施例的低通滤波器100。低通滤波器100具有第一放大级110、第二放大级120和反馈电阻元件181和182。第一放大级110具有差分运算放大器(OP-amp)130，差分运算放大器130是全差分放大器，其需要共模反馈(CMFB)级来动态地调整在放大器的输入处呈现的共模电压。第一放大级110被设置为处理差分输入信号来生成差分中间信号，其中该差分输入信号具有第一输入信号DIN1和第二输入信号DIN2，该差分中间信号具有对应于第一输入信号DIN1的第一中间信号DM1和对应于第二输入信号DIN2的第二中间信号DM2。在此实施例中，第二放大级120没有共模反馈，并且被设置为处理差分中间信号来生成差分输出信号，其中差分输出信号具有对应于第一输入信号DIN1的第一输出信号DOUT1和对应于第二输入信号DIN2的第二输出信号DOUT2。两个反馈电阻元件181和182耦接于第一放大级110和第二放大级120之间，形成低通滤波器100的反馈级。
与第一放大级110不同，第二放大级120没有采用需要CMFB级来动态调整放大器的输入处呈现的共模电压的全差分放大器。第二放大级120可以采用伪差分放大器。由于CMFB造成了大部分的共模(CM)噪声，因而有效减少了由第二放大级120引入到滤波器的输出(即，差分输出信号)的CM噪声。下面描述了提出的低通滤波器100的进一步细节。
差分运算放大器130具有反相输入端(-)131、非反相输入端(+)132、非反相输出端(+)133和反相输出端(-)134，其中反相输入端131被设置为接收第一输入信号DIN1，非反相输入端132被设置为接收第二输入信号DIN2,非反相输出端133被设置为输出第一中间信号DM1，反相输出端134被设置为输出第二中间信号DM2。
第一放大级110还具有多个无源元件,包括第一电阻元件161、第二电阻元件162、第三电阻元件163、第四电阻元件164、第一电容元件165和第二电容元件166。例如，但不限于，每个电阻元件可以通过使用电阻器来实现，每个电容元件可以通过使用电容器来实现。第一电阻元件161耦接在差分运算放大器130的反相输入端131和非反相输出端133之间。第二电阻元件162耦接在差分运算放大器130的非反相输入端132和反相输出端134之间。第一电容元件165耦接在差分运算放大器130的反相输入端131和非反相输出端133之间。第二电容元件166耦接在差分运算放大器130的非反相输入端132和反相输出端134之间。第三电阻元件163耦接到差分运算放大器130的反相输入端131，第一输入信号DIN1经由第三电阻元件163被传送到差分运算放大器130的反相输入端131。第四电阻元件164耦接到差分运算放大器130的非反相输入端132，第二输入信号DIN2经由第四电阻元件164被传送到差分运算放大器130的非反相输入端132。
第二放大级120具有第一放大器140和第二放大器150。第一放大器140具有第一非反相输入端(+)141、第一反相输入端(-)142和第一输出端143。第一非反相输入端141被设置为接收基准电压(例如，固定电压)VREF。第一反相输入端142被设置为接收第一中间信号DM1。因此，第一放大器140根据第一中间信号DM1和基准电压VREF在第一输出端143产生第一输出信号DOUT1。第二放大器150具有第二非反相输入端(+)151、第二反相输入端(-)152和第二输出端153。第二非反相输入端151被设置为接收基准电压VREF。第二反相输入端152被设置为接收第二中间信号DM2。因此，第二放大器150根据第二中间信号DM2和基准电压VREF在第二输出端153产生第二输出信号DOUT2。由于第一放大器140的一个输入端和第二放大器150的一个输入端都耦接到基准电压VREF，因而在第二放大级120中没有实施CMFB来调整输入CM电压。
第二放大级120还具有多个无源元件,包括第一电阻元件171、第二电阻元件172、第三电阻元件173、第四电阻元件174、第一电容元件175和第二电容元件176。例如，但不限于,每个电阻元件可以通过使用电阻器来实现,每个电容元件可以通过使用电容器来实现。第一电阻元件171耦接在第一放大器140的第一反相输入端142和第二放大器150的第二输出端153之间。第二电阻元件172耦接在第二放大器150的第二反相输入端152和第一放大器140的第一输出端143之间。第一电容元件175耦接在第一放大器140的第一反相输入端142和第二放大器150的第二输出端153之间。第二电容元件176耦接在第二放大器150的第二反相输入端152和第一放大器140的第一输出端143之间。第三电阻元件173耦接在差分运算放大器130的非反相输出端133和第一放大器140的第一反相输入端142之间。第四电阻元件174耦接在差分运算放大器130的反相输出端134和第二放大器150的第二反相输入端152之间。
应该注意的是，尽管由于去除了产生噪声的CMFB电路而没有调整输入CM电压，但是有意地添加了第一电阻元件171和第二电阻元件172，以限定输出CM电压。换句话说，CM电压首先由具有CMFB的差分运算放大器130限定，接着由第一电阻元件171和第二电阻元件172传递到低通滤波器100的滤波器输出。
在第二放大级120中，由于第一电容元件175可以减少/消除电阻元件161、173、171上的CM噪声，第二电容元件176可以减少/消除电阻元件162、174、172上的CM噪声，因而可以减少/消除差分输出信号的CM噪声。此外，第一电容元件175和第二电容元件176可以减少/消除运算放大器130的CM噪声。并且，第一电阻元件171和第二电阻元件172分别提供至第二放大器150和第一放大器140的反馈路径。具体地，当低通滤波器100运行在直流(DC)状态时，第一电容元件175和第二电容元件176形成开路(open-circuit)。此时，第一放大器140的输出端143通过第二电阻元件172可以被反馈到第二放大器150的反相输入端152，第二放大器150的输出端153通过第一电阻元件171可以被反馈到第一放大器140的反相输入端142。第一电阻元件171和第二电阻元件172的面积都很小。因此，把第一电阻元件171和第二电阻元件172添加到第二放大级120不会显著增加低通滤波器100的总面积。
在整个低通滤波器100中主要的CM噪声由差分运算放大器130引入,并且通过第一电容元件175和第二电容元件176减少/消除。由于第二放大级120不采用可能引入主要的CM噪声的任何运算放大器，并且由于从所有电阻元件产生的CM噪声可以被第二放大级120中实现的电容元件减少/消除，因而差分输出信号(包括DOUT1和DOUT2)的CM噪声可以被极大地减少或完全消除。
在优选实施例中，第一电容元件175的电容值被配置为远大于第一放大器140的寄生电容值，第二电容元件176的电容值被配置为远大于第二放大器150的寄生电容值。这样，当增大第一放大器140和第二放大器150的跨导(gm)时，将不会发生β比率衰减。
请注意，本发明的第二放大级120可以被设置在各种配置中,只要用于输出差分输出信号的元件不是可能向滤波器的输出引入不期望的CM噪声的元件。图1中所示的第二放大级120作为示例性实施例，但本发明要求保护的范围并不局限于此。此外,低通滤波器100可以被配置为具有三个或更多放大级。只要最后的放大级不使用产生噪声的CMFB，就可以极大地改善总体的CM噪声性能。
通过本发明提供的配置和元件，极大地降低了低通滤波器的CM噪声。因此，可以改善采用了本发明的低通滤波器的电子电路(例如，无线发射机)的特征和性能。
本领域技术人员将容易注意到，在保持本发明的教导的同时，可以对装置和方法做出大量修改和变化。因此，上述公开内容应当被理解为仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (11)

1.一种低通滤波器，其特征在于，包括：
第一放大级，包括差分运算放大器，其中所述第一放大级被设置为处理差分输入信号以产生差分中间信号，其中所述差分输入信号具有第一输入信号和第二输入信号，所述差分中间信号具有对应于所述第一输入信号的第一中间信号和对应于所述第二输入信号的第二中间信号；以及
第二放大级，不具有共模反馈并且被设置为处理所述差分中间信号以产生差分输出信号，其中所述差分输出信号具有对应于所述第一输入信号的第一输出信号和对应于所述第二输入信号的第二输出信号。
2.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于，所述第二放大级包括：
第一放大器，具有第一非反相输入端、第一反相输入端和第一输出端，其中所述第一非反相输入端被设置为接收基准电压，所述第一反相输入端被设置为接收所述第一中间信号，所述第一输出端被设置为输出所述第一输出信号；以及
第二放大器，具有第二非反相输入端、第二反相输入端和第二输出端，其中所述第二非反相输入端被设置为接收所述基准电压，所述第二反相输入端被设置为接收所述第二中间信号，以及所述第二输出端被设置为输出所述第二输出信号。
3.根据权利要求2所述的低通滤波器，其特征在于，所述第二放大级还包括：
第一电阻元件，耦接在所述第一放大器的所述第一反相输入端和所述第二放大器的所述第二输出端之间；以及
第二电阻元件，耦接在所述第二放大器的所述第二反相输入端和所述第一放大器的所述第一输出端之间。
4.根据权利要求3所述的低通滤波器，其特征在于，所述第二放大级还包括：
第一电容元件，与所述第一电阻元件并联地耦接在所述第一放大器的所述第一反相输入端和所述第二放大器的所述第二输出端之间；以及
第二电容元件，与所述第二电阻元件并联地耦接在所述第二放大器的所述第二反相输入端和所述第一放大器的所述第一输出端之间。
5.根据权利要求4所述的低通滤波器，其特征在于，所述第一电容元件的电容值大于所述第一放大器的寄生电容值，所述第二电容元件的电容值大于所述第二放大器的寄生电容值。
6.根据权利要求3所述的低通滤波器，其特征在于，所述第二放大级还包括：
第三电阻元件，所述第一中间信号经由所述第三电阻元件被传送到所述第一放大器的所述第一反相输入端；以及
第四电阻元件，所述第二中间信号经由所述第四电阻元件被传送到所述第二放大器的所述第二反相输入端。
7.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于，所述差分运算放大器具有反相输入端、非反相输入端、反相输出端和非反相输出端，其中所述反相输入端被设置为接收所述第一输入信号，所述非反相输入端被设置为接收所述第二输入信号，所述非反相输出端被设置为输出所述第一中间信号，以及所述反相输出端被设置为输出所述第二中间信号。
8.根据权利要求7所述的低通滤波器，其特征在于，所述第一放大级还包括：
第一电阻元件，耦接在所述差分运算放大器的所述反相输入端和所述非反相输出端之间；以及
第二电阻元件，耦接在所述差分运算放大器的所述非反相输入端和所述反相输出端之间。
9.根据权利要求8所述的低通滤波器，其特征在于，所述第一放大级还包括：
第一电容元件，与所述第一电阻元件并联地耦接在所述差分运算放大器的所述反相输入端和所述非反相输出端之间；以及
第二电容元件，与所述第二电阻元件并联地耦接在所述差分运算放大器的所述非反相输入端和所述反相输出端之间。
10.根据权利要求8所述的低通滤波器，其特征在于，所述第一放大级还包括：
第三电阻元件，所述第一输入信号经由所述第三电阻元件被传送到所述差分运算放大器的所述反相输入端；以及
第四电阻元件，所述第二输入信号经由所述第四电阻元件被传送到所述差分运算放大器的所述非反相输入端。
11.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于，还包括：
耦接在所述第一放大级和所述第二放大级之间的反馈级。
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