CN106031039B - 电荷共享滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种电荷共享滤波器(303)包括：旋转电容器(CR)；以及多个基本滤波器(311、312、313)，每个基本滤波器包括：耦合在各基本滤波器的第一节点(Ai)与各基本滤波器的第二节点(Bi)之间的基本开关以及耦合到各基本滤波器的所述第一节点(Ai)的历史电容器(CH)，其中，所述多个基本滤波器的所述第二节点(Bi)与所述旋转电容器(CR)在一个互连节点(B)互连。

Description

电荷共享滤波器
技术领域
本发明涉及一种电荷共享滤波器，具体而言是一种多相电荷共享离散时间带通滤波器，以及一种用于通过电荷共享滤波器滤波电流信号的方法。
背景技术
高质量(high-quality，Q)滤波器是任何接收器(RX)中的关键组成部分，因为不仅它们提供选择性，而且RX的线性性能主要依赖于滤波器的线性。图1示出了RX的典型前端100的简化方框图。天线107处需要的RF输入电压通常伴有大型相邻信道干扰源、带外阻断器和/或传输(TX)阻断器。前端的第一级通常是低噪声放大器(low-noise amplifier，LNA)101，其为RX频带提供输入匹配和增益。放大的RF信号由混频器103使用本地振荡器(localoscillator，LO)信号102下转换为中频(intermediate-frequency，IF)或基带(base-band，BB)。将下转换的信号输入到滤波器105以选择需要的信号以及过滤出阻断器和干扰源。
存在不同类型的滤波器，例如，LC、Gm-C、双二阶、N通道以及IIR。存在许多与这些滤波器有关的问题。LC滤波器非常线性，但是它们不提供足够的选择性。因此，它们不适用于蜂窝RX。Gm-C滤波器等一些其它滤波器不仅具有非常复杂的结构，而且与没有有源组件的滤波器相比还会消耗大量功率。此外，由于使用的有源gm小区的数目，Gm-C滤波器的输入相关噪声与其它滤波器相比大得多。并且，Gm-C结构的线性与其它结构相比较差。双二阶滤波器分为两个子类：基于采样的和连续时间的滤波器。在两个子类中，滤芯基于运算放大器(operational amplifier，opamp)或Gm小区。通常，双二阶滤波器在有源组件(即，opamp)中消耗大量功率。并且，双二阶滤波器必须非常庞大才能减少有源设备产生的闪烁噪声。N通道滤波器概念基于利用混频器的变频技术，因为要求混频器在频域中传送信号。因此，N通道滤波器是低通RC滤波器，其经由混频器通过转换来转变为带通。并且，结合N通道概念与Gm-C结构的滤波器存在上述问题。N通道滤波器提供了非常好的选择性，但代价是传递功能重复。这些重复使滤波器对阻断器和干扰源失效。并且，N通道滤波器的输入二阶拦截(input second order intercept，IIP2)受限，因为伴随所需信号而产生的低频中的二阶互调产物(second order intermodulation product，IM2product)被混频器上转换。
电荷采样IIR(无限脉冲响应)滤波器仅基于电容器和开关。因此，这些滤波器其中的功耗仅与驱动开关的功率有关。并且，这些滤波器没那么复杂并且具有高线性，因为这些滤波器中没有有源组件(即，没有运算放大器)。然而，IIR滤波器是低通的，并且在高IF频率中使用这些IIR滤波器是无效的。
因此，需要提供一种不同类型的滤波器(BPF)，这种滤波器不存在上述问题并会兼容超外差架构。
发明内容
本发明的目的是提供一种节能的电荷共享滤波器，所述电荷共享滤波器提供高度频率选择性。
该目的通过独立权利要求的特性来实现。其它实施形式从从属权利要求、具体实施方式和附图中显而易见。
本发明基于以下想法：电荷共享滤波器的频率选择性可以通过电容器的比率和采样频率来控制。因此，带宽很精确并且可以通过调整滤波器内部的电容器比率来设置为任何值。电荷共享滤波器，具体而言是多相电荷共享带通滤波器(multi-phase charge-sharing Band-Pass-Filter，CS-BPF)，可以以非常高的采样频率工作。并且，电路不需要依靠任何变频技术。因此，根本不产生IM2分量，且该滤波器的IIP2接近无限大。与具有许多重复的N通道滤波器不同，CS-BPF可以设计为在高达采样频率(fS)工作时根本不会产生任何重复。原因在于，CS-BPF不是基于变频技术工作的。CS-BPF没有限制拒绝远端频率，因为滤波器没有变频信号。CS-BPF可以在离散时间(discrete-time，DT)域中工作，并且其组件可仅为充当开关和电容器的晶体管。滤波器内必须没有有源组件，例如op-amp或Gm。关键CS-BPF组件是电容器。滤波器内必须没有电阻器，并且与电阻器到电容器以及Gm到电容器的失配相比，电容器之间的失配本来就少得多。
为了详细描述本发明，将使用以下术语、缩略语和符号：
CS-BPF： 电荷共享带通滤波器，
DT： 离散时间，
Q： 质量因数，
RX： 接收器，
TX： 发射器，
LNA： 低噪声放大器，
IF： 中频，
BB： 基带，
BPF： 带通滤波器，
IIR： 无限脉冲响应，
IIP2： 输入二阶拦截，
IM2： 二阶互调，
LO： 本地振荡器。
根据第一方面，本发明涉及一种电荷共享滤波器，包括：旋转电容器；以及多个基本滤波器，每个基本滤波器包括：耦合在各基本滤波器的第一节点与各基本滤波器的第二节点之间的基本开关；以及耦合到各基本滤波器的所述第一节点的历史电容器，其中，所述多个基本滤波器的所述第二节点与所述旋转电容器在一个互连节点互连。
根据所述第一方面，在所述电荷共享滤波器的第一可能实施形式中，所述多个基本滤波器的所述第二节点与所述旋转电容器在一个互连节点互连，使得根据所述基本开关的切换状态在所述多个基本滤波器的所述历史电容器与所述旋转电容器之间共享多个信号源提供的电荷，其中每个信号源连接到所述多个基本滤波器的相应第一节点。
旋转电容器可以为电荷旋转电容器。信号源可以为电流源或电压源。
电荷共享滤波器非常节能，并且通过以下方式提供高度频率选择性：
—通过电容器的比率和切换状态，例如，通过采样频率，来控制选择性。因此，带宽很精确并且可以通过调整滤波器内部的电容器比率来设置为任何值；
—以非常高的采样频率工作，即，在高达几千兆赫的射频范围内工作。电路无须依靠任何变频技术。因此，根本不产生IM2分量，且该滤波器的IIP2无限大；
—采用提供电荷共享滤波器的滤波器设计，具体而言是CS-BPF在高达采样频率(fS)工作时不会产生任何重复。原因在于，CS-BPF不是基于变频技术工作的；
—不基于变频技术工作；
—没有限制拒绝远端频率，因为滤波器没有变频信号；
—在离散时间(discrete-time，DT)域中工作；
—提供电荷共享滤波器，具体而言是组件仅为充当开关和电容器的晶体管的CS-BPF；
—提供电荷共享滤波器，具体而言是滤波器内没有op-amp或Gm等有源组件的CS-BPF；
—提供电荷共享滤波器，具体而言是关键组件为电容器的CS-BPF。滤波器内没有电阻器，并且，与电阻器到电容器以及Gm到电容器的失配相比，电容器之间的失配本来就少得多；
—改进二阶线性；
—抑制重复；
—改进远端频率的拒绝；
—消除能量渴求并对滤波器内的op-amp或Gm等有源组件进行限速；
—改善IIP2性能；
—提高选择性而不增加区域和功耗成本；
—在不进行大量且复杂的失配校准的情况下解决组件失配。
根据所述第一方面或根据所述第一方面的所述第一实施形式，在所述电荷共享滤波器的第二可能实施形式中，所述信号源是电流源，每个电流源连接到所述多个基本滤波器的相应第一节点。
当信号源，例如，电流源，包括在电荷共享滤波器中时，信号源与电荷共享滤波器的耦合可以增强。
根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的第一或第二实施形式，在所述电荷共享滤波器的第三可能实施形式中，所述多个基本滤波器的所述第一节点为所述电荷共享滤波器的输入和输出，所述输入用于接收电流信号，所述输出用于提供电压信号，其中，所述电压信号是通过基于所述电荷共享滤波器的滤波器特性滤波所述电流信号得到。
当多个基本滤波器的第一节点为电荷共享滤波器的输入和输出时，简化了滤波器设计且可以节省芯片空间。
根据所述第一方面的所述第三实施形式，在所述电荷共享滤波器的第四可能实施形式中，所述滤波器特性是包括同相分量和正交分量的复值带通滤波器。
当滤波器特性是复值带通滤波器时，可以实施复调制任务。
根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实施形式，在所述电荷共享滤波器的第五可能实施形式中，所述多个基本滤波器的所述基本开关周期性地切换。
当多个基本滤波器周期性地切换时，电荷共享滤波器可以应用在离散时间信号处理中。
根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实施形式，在所述电荷共享滤波器的第六可能实施形式中，所述多个基本滤波器的所述基本开关基于采样周期切换。
当多个基本滤波器的基本开关基于采样周期切换时，滤波器可以应用在采样系统中。
根据所述第一方面的所述第五实施形式，在所述电荷共享滤波器的第七可能实施形式中，在所述旋转电容器和所述多个基本滤波器的所述历史电容器中累积的电荷是基于所述采样周期的。
当在旋转电容器和多个基本滤波器的历史电容器中累积的电荷是基于采样周期时，频率选择性可以通过电容器的比率以及切换状态来控制，即，通过采样频率或采样周期来控制。那么，带宽很精确并且可以通过调整滤波器内部的电容器比率来设置为任何值。
根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实施形式，在所述电荷共享滤波器的第八可能实施形式中，所述多个基本滤波器的所述基本开关基于多相切换信号切换。
当多个基本滤波器的基本开关基于多相切换信号切换时，可以实施高阶IIR滤波器，高阶IIR滤波器的频率峰值和频带宽度可以通过多相切换信号精确控制。
根据所述第一方面的第七实施形式，在所述电荷共享滤波器的第九可能实施形式中，所述多相切换信号为所述多个基本滤波器的一个基本开关提供第一信号电平，而为所述多个基本滤波器的另一基本开关提供第二信号电平。
使用这两个信号电平可以很容易地实施切换。使用晶体管可以很容易地实施这种信号逻辑。
根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实施形式，在所述电荷共享滤波器的第十可能实施形式中，所述旋转电容器、所述多个基本滤波器的所述基本开关和所述多个基本滤波器的所述历史电容器是晶体管。
晶体管可以很容易地且经济高效地针对切换在芯片上等实施。与使用运算放大器等有源元件的方案相比，经济高效的晶体管对芯片上的空间要求降低。
根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实施形式，在所述电荷共享滤波器的第十一可能实施形式中，所述电荷共享滤波器还包括：多个第二基本滤波器，每个第二基本滤波器包括：耦合在所述互连节点与各第二基本滤波器的第三节点之间的基本开关；以及历史电容器，所述历史电容器耦合到所述第三节点，使得根据所述多个基本滤波器的所述基本开关和所述多个第二基本滤波器的所述基本开关的切换状态在所述多个基本滤波器的所述历史电容器、所述多个第二基本滤波器的所述历史电容器和所述旋转电容器之间共享所述多个信号源提供的电荷。
通过使用这种第二基本开关，频率选择性可以进一步提高，因为可以实施多阶IIR滤波器。带宽很精确并且可以通过调整滤波器内部的电容器比率来设置为任何值。
根据所述第一方面的所述第十一实施形式，在所述电荷共享滤波器的第十二可能实施形式中，所述多个第二基本滤波器分为多个级联的一阶IIR滤波器，每个第二基本滤波器形成一个一阶IIR滤波器。
IIR滤波器可以具有高频率选择性并提供高斜率。
根据所述第一方面的所述第十一实施形式，在所述电荷共享滤波器的第十三可能实施形式中，所述多个第二基本滤波器分为多个级联的高阶IIR滤波器，每组三个第二基本滤波器形成一个高阶IIR滤波器。
高阶IIR滤波器可以是三阶滤波器。
三阶或多阶IIR滤波器提供较高的频率选择性并提供比一阶IIR滤波器更高的斜率。
根据所述第一方面的所述第十一到第十三实施形式中的任一种实施形式，在所述电荷共享滤波器的第十四可能实施形式中，所述多个基本滤波器的所述第一节点是所述电荷共享滤波器的输入，所述输入用于接收电流信号；所述多个第二基本滤波器的所述第三节点是所述电荷共享滤波器的输出，所述输出用于提供电压信号，其中，所述电压信号是通过基于所述电荷共享滤波器的滤波器特性滤波所述输入信号得到的。
当多个基本滤波器的第一节点是电荷共享滤波器的输入且多个第二基本滤波器的第三节点是电荷共享滤波器的输出时，滤波器的输入和输出可以解耦。
根据第二方面，本发明涉及一种用于通过电荷共享滤波器滤波信号的方法，所述电荷共享滤波器包括：旋转电容器；以及多个基本滤波器，每个基本滤波器包括：耦合在各基本滤波器的第一节点与各基本滤波器的第二节点之间的基本开关；以及耦合到各基本滤波器的所述第二节点的历史电容器，其中，所述多个基本滤波器的所述第二节点与所述旋转电容器在一个互连节点互连，所述方法包括：在所述多个基本滤波器的所述第一节点处提供电流信号。
该信号可为电流信号或电压信号。
这种方法提供了一种非常节能的滤波方式，并通过以下方式提供高度频率选择性：
—通过电容器的比率和切换状态，例如，通过采样频率，来控制选择性。因此，带宽很精确并且可以通过调整滤波器内部的电容器比率来设置为任何值；
—以非常高的采样频率工作，即，在高达几千兆赫的射频范围内工作。电路无须依靠任何变频技术。因此，根本不产生IM2分量，且该滤波器的IIP2无限大；
—采用提供电荷共享滤波器的滤波器设计，具体而言是CS-BPF在高达采样频率(fS)工作时不会产生任何重复。原因在于，CS-BPF不是基于变频技术工作的；
—不基于变频技术工作；
—没有限制拒绝远端频率，因为滤波器没有变频信号；
—在离散时间(discrete-time，DT)域中工作；
—提供电荷共享滤波器，具体而言是组件仅为充当开关和电容器的晶体管的CS-BPF；
—提供电荷共享滤波器，具体而言是滤波器内没有op-amp或Gm等有源组件的CS-BPF；
—提供电荷共享滤波器，具体而言是关键组件为电容器的CS-BPF。滤波器内没有电阻器，并且，与电阻器到电容器以及Gm到电容器的失配相比，电容器之间的失配本来就少得多；
—改进二阶线性；
—抑制重复；
—改进远端频率的拒绝；
—消除能量渴求并对滤波器内的op-amp或Gm等有源组件进行限速；
—改善IIP2性能；
—提高选择性而不增加区域和功耗成本；
—在不进行大量且复杂的失配校准的情况下解决组件失配。
根据所述第二方面，在所述用于滤波信号的方法的第一可能实施形式中，所述方法包括根据所述基本开关的切换状态在所述多个基本滤波器的所述历史电容器与所述旋转电容器之间共享所述信号提供的电荷，以在所述多个基本滤波器的所述第一节点处提供电压信号。
根据第三方面，本发明涉及一种具有程序代码的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，所述程序代码用于执行根据第二方面所述的方法。
计算机程序可以灵活地设计，使得需要的更新可以很容易地实现。计算机程序产品可在许多不同的处理器上运行。
根据第四方面，本发明涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括其上存储有程序代码的可读存储介质，所述程序代码供执行根据第二方面所述的方法的计算机使用。
通过使用可读存储介质，可以在不同环境中灵活使用计算机程序产品。
附图说明
本发明的具体实施方式将结合以下附图进行描述，其中：
图1所示为普通接收器前端的方框图；
图2所示为根据一实施形式的电荷共享滤波器200的方框图；
图3a所示为一阶低通IIR滤波器301的方框图；
图3b所示为多阶低通IIR滤波器302的方框图；
图3c所示为根据一实施形式的n/n模式的一阶电荷共享带通滤波器303的方框图；
图3d所示为根据一实施形式的与一阶IIR滤波器串联的n/(2n)模式的一阶电荷共享带通滤波器304的方框图；
图3e所示为根据一实施形式的与三阶IIR滤波器串联的n/(4n)模式的一阶电荷共享带通滤波器305的方框图；
图4a所示为根据一实施形式的4/8模式的电荷共享带通滤波器400的方框图；
图4b所示为描绘在图4a中描绘的电荷共享带通滤波器400的示例性切换信号410的时序图；
图5a所示为根据一实施形式的4/16模式的电荷共享带通滤波器500的方框图；
图5b所示为描绘在图5a中描绘的电荷共享带通滤波器500的示例性切换信号510的时序图；
图6a所示为根据一实施形式的8/8模式的电荷共享带通滤波器600的方框图；
图6b所示为描绘在图6a中描绘的电荷共享带通滤波器600的示例性切换信号610的图；
图7a所示为根据一实施形式的8/16模式的电荷共享带通滤波器700的方框图；
图7b所示为描绘在图7a中描绘的电荷共享带通滤波器700的示例性切换信号710的图；
图8所示为根据一实施形式的不同模式的电荷共享带通滤波器的归一化频率响应；
图9a所示为根据一实施形式的4/8模式的全速率电荷共享带通滤波器900的完整示意方框图；
图9b所示为描绘在图9a中描绘的电荷共享带通滤波器900的示例性切换信号910的时序图；
图10a所示为根据一实施形式的4/16模式的全速率电荷共享带通滤波器1000的完整示意方框图；
图10b所示为描绘在图10a中描绘的电荷共享带通滤波器1000的示例性切换信号1010的图；
图11a所示为根据一实施形式的8/8模式的全速率电荷共享带通滤波器1100的完整示意方框图；
图11b所示为描绘在图11a中描绘的电荷共享带通滤波器1100的示例性切换信号1110的图；
图12a所示为根据一实施形式的8/16模式的全速率电荷共享带通滤波器1200的完整示意方框图；
图12b所示为描绘在图12a中描绘的电荷共享带通滤波器1200的示例性切换信号1210的图；以及
图13所示为根据一实施形式的图示用于通过电荷共享滤波器滤波电流信号的方法1300的示意图。
具体实施方式
以下结合附图进行详细描述，所述附图是描述的一部分，并通过图解说明的方式示出可以实施本发明的具体方面。可以理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以利用其它方面，并可以做出结构上或逻辑上的改变。因此，以下详细的描述并不当作限定，本发明的范围由所附权利要求书界定。
本文描述的设备和方法可基于电荷共享滤波器，具体而言是电荷共享带通滤波器。应理解，结合描述方法做出的注解还可以适用于执行所述方法的对应设备或系统，反之亦然。例如，如果描述了具体方法步骤，则对应设备可以包括执行所描述的方法步骤的单元，即使这种单元没有在附图中详细描述或图示。此外，应理解，本文描述的各种示例性方面的特性可以相互结合，除非特殊说明。
本文描述的方法和设备可在滤波器结构中实施。所描述的设备和系统可包括软件单元和硬件单元。所描述的设备和系统可包括集成电路和/或无源电路，并可根据各种技术制造。例如，电路可设计为逻辑集成电路、模拟集成电路、混合信号集成电路、光电路、存储器电路和/或集成无源电路。电路可在芯片上实施于硬件中。
图2所示为根据一实施形式的电荷共享滤波器200的方框图。电路是复(同相和正交分量)滤波器，在该滤波器中，其输入是例如电流202，其输出是例如电压204。如从图2可以看出的，滤波器200是放大中心频率处的信号的带通滤波器。
不同离散时间(discrete time，DT)滤波器的示意图在图3a至图3e中示出。图3a中描绘了简单IIR滤波器，而高阶低通IIR滤波器(图3b)可以通过经由CR在不同CH(历史)电容器之间旋转电荷来实现。可以通过将具有具体不同相位(ΔΦ＝2π/n，n：输入的数目)的复输入应用到CH电容器来将高阶低通IIR滤波器简单地转变为一阶CS-BPF，如图3c所示。图3d所示为如何将低通IIR滤波器与一阶CS-BPF串联以便不仅增加滤波器的质量因数(Q)，而且针对低通IIR滤波器的过渡带中的频率增加滤波器的阶数。三阶低通IIR滤波器与一阶CS-BPF的串联在图3e中示出。
CS-BPF的基本示意图在图4至图7中示出。输入电流流入输入历史电容器(CH1,CH3,CH5,...,CHn)中，然后流入旋转电容器(CR)中，然后得到融合。融合的电流将转变为每个CH和CR中的电荷。在本发明中，电荷可基于计算，其中，Ts是采样时间。通过在与复输入关联的不同电容器之间共享一部分电荷来创建BPF是可能的。
图3c所示为根据一实施形式的n/n模式的一阶电荷共享带通滤波器303的方框图。
电荷共享滤波器303包括：旋转电容器CR；以及多个基本滤波器311、312、313。每个基本滤波器包括：耦合在各基本滤波器的第一节点Ai(i＝1,2,…,n)与各基本滤波器的第二节点Bi(i＝1,2,…,n)之间的基本开关以及耦合到各基本滤波器的第二节点Bi的历史电容器CH。多个基本滤波器的第二节点Bi与旋转电容器CR在一个互连节点B互连，使得根据基本开关的切换状态在多个基本滤波器的历史电容器CH与旋转电容器CR之间共享电流源等多个信号源202提供的电荷，其中每个信号源连接到多个基本滤波器的相应第一节点Ai。
电荷共享滤波器303可包括多个信号源202，其中每个电流源连接到多个基本滤波器311、312、313的相应第一节点Ai。多个基本滤波器311、312、313的第一节点Ai可为电荷共享滤波器303的输入和输出。输入用于接收电流信号，输出用于提供电压信号。电压信号可通过基于电荷共享滤波器303的滤波器特性，例如如图2中描绘的滤波器200中所示的带通特性，滤波电流信号202得到。滤波器特性可为包括同相分量和正交分量的复值带通滤波器。
多个基本滤波器311、312、313的基本开关可周期性地切换。多个基本滤波器311、312、313的基本开关可基于采样周期切换。在旋转电容器CR和多个基本滤波器311、312、313的历史电容器CH中累积的电荷可基于采样周期。
多个基本滤波器311、312、313的基本开关可基于多相切换信号切换，例如，如图4b、5b、6b、7b、9b、10b、11b、12b之一中描绘的。多相切换信号为多个基本滤波器311、312、313的一个基本开关提供第一信号电平，例如，信号高电平或信号低电平，而为多个基本滤波器311、312、313的另一基本开关提供第二信号电平，例如，对应的信号低电平或信号高电平。
旋转电容器CR、多个基本滤波器311、312、313的基本开关和多个基本滤波器的历史电容器CH可为MOSFET等晶体管或可包括适于CR和CH的金属电容器。
图3d所示为根据一实施形式的与一阶IIR滤波器串联的n/(2n)模式的一阶电荷共享带通滤波器304的方框图。
电荷共享滤波器304包括：旋转电容器CR；以及多个基本滤波器311、312、313。每个基本滤波器包括：耦合在各基本滤波器的第一节点Ai(i＝1,2,…,n)与各基本滤波器的第二节点Bi(i＝1,2,…,n)之间的基本开关以及耦合到各基本滤波器的第二节点Bi的历史电容器CH。多个基本滤波器的第二节点Bi与旋转电容器CR在一个互连节点B互连，使得根据基本开关的切换状态在多个基本滤波器的历史电容器CH与旋转电容器CR之间共享多个信号源202提供的电荷，其中每个信号源连接到多个基本滤波器的相应第一节点Ai。多个基本滤波器311、312、313的结构和功能可对应上文结合图3c描述的多个基本滤波器311、312、313的结构和功能。参考图3c。
电荷共享滤波器304还包括多个第二基本滤波器321、322、323。每个第二基本滤波器321、322、323包括：耦合在互连节点B与各第二基本滤波器321、322、323的第三节点Di(i＝1,2,…,n)之间的基本开关(j＝2,4,…,2n)；以及历史电容器CH，其耦合到第三节点Di，使得根据多个基本滤波器311、312、313的基本开关和多个第二基本滤波器321、322、323的基本开关的切换状态在多个基本滤波器311、312、313的历史电容器CH、多个第二基本滤波器321、322、323的历史电容器CH和旋转电容器CR之间共享多个信号源202提供的电荷。
下文结合图4至图7描述电荷共享机制。
多个第二基本滤波器321、322、323可分为多个级联的一阶IIR滤波器321、322、323，使得每个第二基本滤波器321、322、323形成一个一阶IIR滤波器。
多个基本滤波器311、312、313的第一节点Ai是电荷共享滤波器304的输入，其中，输入用于接收电流信号。多个第二基本滤波器321、322、323的第三节点Di是电荷共享滤波器304的输出，其中，输出用于提供电压信号。电压信号可通过由上文结合图2描述的带通滤波器等基于电荷共享滤波器的滤波器特性滤波输入信号得到的。
图3e所示为根据一实施形式的与三阶IIR滤波器串联的n/(4n)模式的一阶电荷共享带通滤波器305的方框图。
电荷共享滤波器305包括：旋转电容器CR；以及多个基本滤波器311、312、313。每个基本滤波器包括：耦合在各基本滤波器的第一节点Ai(i＝1,2,…,n)与各基本滤波器的第二节点Bi(i＝1,2,…,n)之间的基本开关以及耦合到各基本滤波器的第二节点Bi的历史电容器CH。多个基本滤波器的第二节点Bi与旋转电容器CR在一个互连节点B互连，使得根据基本开关的切换状态在多个基本滤波器的历史电容器CH与旋转电容器CR之间共享多个信号源202提供的电荷，其中每个信号源连接到多个基本滤波器的相应第一节点Ai。多个基本滤波器311、312、313的结构和功能可对应上文结合图3c和图3d描述的多个基本滤波器311、312、313的结构和功能。参考图3c和图3d。
电荷共享滤波器305还包括多个第二基本滤波器321、322、323、324、325、326、327、328、329。每个第二基本滤波器321、322、323、324、325、326、327、328、329包括：耦合在互连节点B与各第二基本滤波器321、322、323、324、325、326、327、328、329的第三节点Di(1,2,3,4,5,6,…,n-2,n-1,n)之间的基本开关以及历史电容器CH，其耦合到第三节点Di，使得根据多个基本滤波器311、312、313的基本开关和多个第二基本滤波器321、322、323、324、325、326、327、328、329的基本开关的切换状态在多个基本滤波器311、312、313的历史电容器CH、多个第二基本滤波器321、322、323、324、325、326、327、328、329的历史电容器CH和旋转电容器CR之间共享多个信号源202提供的电荷。
多个第二基本滤波器321、322、323、324、325、326、327、328、329的结构和功能可对应上文结合图3d描述的多个第二基本滤波器321、322、323的结构和功能。参考图3d。
下文结合图4至图7描述电荷共享机制。
多个第二基本滤波器321、322、323、324、325、326、327、328、329可分为多个级联的三阶IIR滤波器。每组三个基本滤波器，例如，第一组三个第二基本滤波器321、322、323、第二组三个第二基本滤波器324、325、326、第三组三个第二基本滤波器327、328、329和图3e中未描绘的其它三元组可形成一个三阶IIR滤波器。
图4a所示为根据一实施形式的4/8模式的电荷共享带通滤波器400的方框图。图4b所示为描绘在图4a中描绘的电荷共享带通滤波器400的示例性切换信号410的图。
图4a所示为4/8模式的CS-BPF 400的基本示意图。4/8模式是指滤波器中存在四个输入、八个输出和八个相位。四个输入电荷q1、q2、q3、q4在输入历史电容器(CH1、CH3、CH5、CH7)中累积。同时，在每一相位中，旋转电容器CR从每个CH移除与CR/(CH+CR)成比例的一部分电荷并在下一输入中将其传递给下一CH。应注意，CS-BPF可以仅使用一个CR操作，该CR在输入历史电容器之间共享电荷。在那种情况下，CS-BPF不再是全速率的，其采样频率将等于fLO。通过将差分输出电压定义为Vd,re＝Vo1-Vo3和Vd,im＝Vo2-Vo4，总复输出电压可以定义为
Voc＝Vd,re+j·Vd,im。 (1)
对于输入电流也一样，输入复电流可以定义为
qic＝qid,re+j·qid,im (2)
其中，qid,re＝qi1-qi3且qid,im＝qi2-qi4。可以从输入到输出推导出简化的z域传递函数为
其中，α＝CH/(CH+CR)。滤波器的中心频率位于
且滤波器的带宽等于
其中，R是CR的离散时间等效电阻，等于1/(CR·fS)。并且，根据质量因数(Q)的定义，其中质量因数是划分为带宽的中心频率，滤波器的质量因数等于Q＝0.5·cotg(π/8)≈1.21。
图5a所示为根据一实施形式的4/16模式的电荷共享带通滤波器500的方框图。图5b所示为描绘在图5a中描绘的电荷共享带通滤波器500的示例性切换信号510的图。
图5a所示为4/16模式的CS-BPF的基本示意图。名称4/16代表4个输入、4个输出和16个相位。这个电路中的输入是复电荷(qi1、qi2、qi3、qi4)。与4/8模式的CS-BPF一样，CR在输入CH电容器(CH1、CH5、CH9、……、CH13)之间进行电荷共享。在每一相位中，CR从输入CH电容器(CH1、CH5、CH9、CH13)获得电荷。在下一相位中，将CR连接到媒介和输出CH电容器(CH2、CH4、CH6、CH7、……、CH16)。这个技术将制造BPF，这是由于媒介节点和输出节点处的三个低通滤波器(Low-Pass Filter，LPF)串联的I/Q通道之间的电荷共享。关于CS-BPF如何串联低通IIR滤波器的分步详细说明的一个简单例子在图3中描绘。在CR连接到输出节点之后，在下一相位中，CR中的低通滤波的电荷将传递给复输入中的下一CH。这个机制将在所有16个相位中继续以完成16个CLK相位的循环。通过将差分输出电压定义为Vd,re＝Vo1-Vo3和Vd,im＝Vo2-Vo4，总复输出电压可以定义为
Voc＝Vd,re+j·Vd,im。 (6)
对于输入电流也一样，输入复电流可以定义为
qic＝qid,re+j·qid,im (7)
其中，qid,re＝qi1-qi3且qid,im＝qi2-qi4。可以从输入到输出推导出简化的z域传递函数为
其中，α＝CH/(CH+CR)。滤波器的中心频率位于
且滤波器的带宽等于
并且，根据质量因数(Q)的定义，其中质量因数是划分为带宽的中心频率，滤波器的质量因数等于Q＝0.5·cotg(π/16)≈2.51。
图6a所示为根据一实施形式的8/8模式的电荷共享带通滤波器600的方框图。图6b所示为描绘在图6a中描绘的电荷共享带通滤波器600的示例性切换信号610的图。
图6a所示为8/8模式的CS-BPF的基本示意图。8/8模式是指滤波器中存在8个输入、8个输出和8个CLK相位。八个输入电荷qi1、qi2、qi3、qi4、……、qi8在输入历史电容器(CH1、CH3、CH5、……、CH8)中累积。同时，在每一相位中，旋转电容器CR从每个CH移除与CR/(CH+CR)成比例的一部分电荷并在下一输入期间将其传递给下一CH。应注意，CS-BPF可以仅使用一个CR操作，该CR在输入历史电容器之间共享电荷。在那种情况下，CS-BPF不是全速率的，其采样频率将等于fLO。通过将差分输出电压定义为Vod1＝Vo1-Vo5、Vod2＝Vo2-Vo6、Vod3＝Vo3-Vo7和Vod4＝Vo4-Vo8，总复输出电压可以定义为
Voc＝Vod1·ejπ0+Vod2·ejπ/4+Vod3·ejπ/2+Vod4·ej3π/4。 (11)
对于输入电流也同样适用。融合的输入复电流可以定义为
qic＝qid1·ejπ0+qid2·ejπ/4+qid3·ejπ/2+qid4·ej3π/4 (12)
其中，qid1＝qi1-qi5、qid2＝qi2-qi6、qid3＝qi3-qi7且qid4＝qi4-qi8。可以从复输入到复输出推导出简化的z域传递函数为
其中，α＝CH/(CH+CR)。滤波器的中心频率位于
且滤波器的带宽等于
其中，R是CR的离散时间等效电阻，等于1/(CR·fS)。并且，根据质量因数(Q)的定义，其中质量因数是划分为带宽的中心频率，滤波器的质量因数等于Q＝0.5·cotg(π/8)≈1.21。
图7a所示为根据一实施形式的8/16模式的电荷共享带通滤波器700的示意图。图7b所示为描绘在图7a中描绘的电荷共享带通滤波器700的示例性切换信号710的图。
图7a所示为8/16模式的提议CS-BPF的基本示意图。8/16模式表示8个输入、8个输出和16个CLK相位。这个电路中的输入是复电荷(qi1、qi2、qi3、qi4、……、qi8)。与8/8模式的CS-BPF一样，CR在输入CH电容器(CH1、CH3、CH5、……、CH15)之间进行电荷共享。在每一相位中，CR从输入CH电容器获得电荷。在下一相位中，将CR连接到输出CH电容器(CH2、CH4、CH6、……、CH16)。这个技术将制造BPF，这是由于输出处的低通滤波器(low-pass filter，LPF)串联的电荷共享。关于CS-BPF如何串联低通IIR滤波器的分步详细说明的一个简单例子在图3中描绘。在LPF电荷共享之后，在下一相位中，CR中低通滤波的电荷将传递给复输入中的下一CH。这个机制将在所有16个相位中继续以完成16个CLK相位的循环。通过将差分输出电压定义为Vod1＝Vo1-Vo5、Vod2＝Vo2-Vo6、Vod3＝Vo3-Vo7和Vod4＝Vo4-Vo8，总复输出电压可以定义为
Voc＝Vod1·ejπ0+Vod2·ejπ/4+Vod3·ejπ/2+Vod4·ej3π/4。 (16)
对于融合的输入电流也一样，输入复电流可以定义为
qic＝qid1·ejπ0+qid2·ejπ/4+qid3·ejπ/2+qid4·ej3π/4 (17)
其中，qid1＝qi1-qi5、qid2＝qi2-qi6、qid3＝qi3-qi7且qid4＝qi4-qi8。可以从输入到输出推导出简化的z域传递函数为
其中，α＝CH/(CH+CR)。滤波器的中心频率位于
且滤波器的带宽等于
滤波器的质量因数等于Q＝0.5·cotg(π/16)≈2.51。
图8a和8b所示为根据一实施形式的不同模式的电荷共享带通的归一化频率响应的传递函数。上文结合图4至图7使用等式(13)和(18)描述的滤波器的归一化频率响应在图8中针对同一中心频率的滤波器的输入(图8b)和输出(图8a)节点两者示出。
4/8、4/16、8/8和8/16模式的全速率CS-BPF的最终示意图分别在图9、图10、图11和图12中示出。总之，滤波器提供具有高选择性的复带通滤波。
图9a所示为根据一实施形式的4/8模式的全速率电荷共享带通滤波器900的完整示意方框图。图9b所示为描绘在图9a中描绘的电荷共享带通滤波器900的示例性切换信号910的图。
图10a所示为根据一实施形式的4/16模式的全速率电荷共享带通滤波器1000的完整示意方框图。图10b所示为描绘在图10a中描绘的电荷共享带通滤波器1000的示例性切换信号1010的图。
图11a所示为根据一实施形式的8/8模式的全速率电荷共享带通滤波器1100的完整示意方框图。图11b所示为描绘在图11a中描绘的电荷共享带通滤波器1100的示例性切换信号1110的图。
图12a所示为根据一实施形式的8/16模式的全速率电荷共享带通滤波器1200的完整示意方框图。图12b所示为描绘在图12a中描绘的电荷共享带通滤波器1200的示例性切换信号1210的图。
图13所示为根据一实施形式的图示用于通过电荷共享滤波器滤波电流信号的方法1300的流程图。电流信号可为如上文结合图2至图12描述的电流信号202。电荷共享滤波器可为如上文结合图2至图12描述的电荷共享滤波器之一。
电荷共享滤波器包括旋转电容器CR；以及多个基本滤波器，如上文结合图2至图12描述的。每个基本滤波器包括：耦合在各基本滤波器的第一节点A与各基本滤波器的第二节点Bi之间的基本开关以及耦合到各基本滤波器的第二节点Bi的历史电容器CH。多个基本滤波器的第二节点Bi与旋转电容器CR在一个互连节点B互连。方法1300包括在多个基本滤波器的第一节点Ai处提供1301电流信号。方法1300包括根据基本开关的切换状态在多个基本滤波器的历史电容器CH与旋转电容器CR之间共享1302电流信号提供的电荷，以在多个基本滤波器的第一节点Ai处提供电压信号。
本文描述的方法、系统和设备可实施为数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、微控制器或任何其它侧处理器中的软件或实施为数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)的专用集成电路(application specific integratedcircuit，ASIC)内的或芯片上的硬件电路。本发明可以在数字电子电路中或在计算机硬件、固件、软件或它们的组合中实施。
本发明还支持包括计算机可执行代码或计算机可执行指令的计算机程序产品，当被执行时，该计算机程序产品使至少一个计算机执行本文描述的执行和计算步骤，具体而言是如上文结合图13描述的方法1300。这种计算机程序产品可包括其上存储有供计算机使用的程序代码的可读存储介质，程序代码可执行如上文结合图13描述的方法1300。
尽管本发明的特定特征或方面可能已经仅结合几种实现方式中的一种进行公开，但此类特征或方面可以和其它实现方式中的一个或多个特征或方面相结合，只要对于任何给定或特定的应用是有需要或有利。而且，在一定程度上，术语“包括”、“有”、“具有”或这些词的其它变形在详细的说明书或权利要求书中使用，这类术语和所述术语“包含”是类似的，都是表示包括的含义。同样，术语“示例性地”，“例如”仅表示为示例，而不是最好或最佳的。可以使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应理解，这些术语可能已用于表明两个元件彼此合作或交互，无论它们是否有直接物理或电接触，或它们彼此没有直接接触。
尽管本文已示出了特定方面，但本领域普通技术人员将理解，各种替代性和/或等价实施方式可替代所示和所描述的特定方面而不脱离本发明的范围。该申请旨在覆盖本文论述的具体实施方式的任何修改或变更。
尽管以下权利要求书中的各元素是借助对应的标签按照特定顺序列举的，除非对权利要求的阐述另有暗示用于实现部分或所有这些元素的特定顺序，否则这些元素并不一定限于以所述特定顺序来实现。
通过以上启示，对于本领域技术人员来说，许多替代产品、修改及变体是显而易见的。当然，所属领域的技术人员容易意识到除本文所述的应用之外，还存在本发明的众多其它应用。虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将认识到在不偏离本发明的范围的前提下，仍可对本发明作出许多改变。因此，应理解，只要是在所附权利要求书及其等效文句的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实践本发明。

Claims (14)

1.一种电荷共享滤波器(303)，其特征在于，包括：
旋转电容器(CR)；以及
多个基本滤波器(311、312、313)，每个基本滤波器包括：
耦合在各基本滤波器的第一节点(Ai)与各基本滤波器的第二节点(Bi)之间的基本开关以及
耦合到各基本滤波器的所述第一节点(Ai)的历史电容器(CH)，其中，所述多个基本滤波器的所述第二节点(Bi)与所述旋转电容器(CR)在一个互连节点(B)互连；
所述多个基本滤波器(311、312、313)的所述基本开关周期性地切换；
所述多个基本滤波器的所述第二节点(Bi)与所述旋转电容器(CR)在一个互连节点(B)互连，使得多个信号源(202)提供的输入信号被电荷共享，其中每个信号源连接到所述多个基本滤波器的相应第一节点(Ai)。
2.根据前述权利要求1所述的电荷共享滤波器(303)，其特征在于：
所述信号源(202)是电流源，每个电流源连接到所述多个基本滤波器(311、312、313)的相应第一节点(Ai)。
3.根据前述权利要求1所述的电荷共享滤波器(303)，其特征在于：
所述多个基本滤波器(311、312、313)的所述第一节点(Ai)为所述电荷共享滤波器(303)的输入和输出，所述输入用于接收电流信号，所述输出用于提供电压信号，
所述电压信号是通过基于所述电荷共享滤波器(303)的滤波器特性滤波所述电流信号得到。
4.根据权利要求3所述的电荷共享滤波器(303)，其特征在于：
所述滤波器特性是包括同相分量和正交分量的复值带通滤波器。
5.根据前述权利要求1所述的电荷共享滤波器(303)，其特征在于：
所述多个基本滤波器(311、312、313)的所述基本开关基于采样周期切换。
6.根据权利要求5所述的电荷共享滤波器(303)，其特征在于：
在所述旋转电容器(CR)和所述多个基本滤波器(311、312、313)的所述历史电容器(CH)中累积的电荷是基于所述采样周期的。
7.根据前述权利要求1所述的电荷共享滤波器(303)，其特征在于：
所述多个基本滤波器(311、312、313)的所述基本开关基于多相切换信号(610)切换。
8.根据权利要求7所述的电荷共享滤波器(303)，其特征在于：
所述多相切换信号(610)为所述多个基本滤波器(311、312、313)的一个基本开关提供第一信号电平，而为所述多个基本滤波器(311、312、313)的另一基本开关提供第二信号电平。
9.根据前述权利要求1所述的电荷共享滤波器(303)，其特征在于：
所述旋转电容器(CR)、所述多个基本滤波器(311、312、313)的所述基本开关和所述多个基本滤波器的所述历史电容器(CH)是晶体管。
10.根据前述权利要求1所述的电荷共享滤波器(304、305)，其特征在于，还包括：
多个第二基本滤波器(321、322、323)，每个第二基本滤波器包括：
耦合在所述互连节点(B)与各第二基本滤波器(321、322、323)的第三节点(Di)之间的基本开关以及
耦合到所述第三节点(Di)的历史电容器(CH)，
使得根据所述多个基本滤波器(311、312、313)的所述基本开关和所述多个第二基本滤波器(321、322、323)的所述基本开关的切换状态在所述多个基本滤波器(311、312、313)的所述历史电容器(CH)、所述多个第二基本滤波器(321、322、323)的所述历史电容器(CH)和所述旋转电容器(CR)之间共享所述多个信号源(202)提供的电荷。
11.根据权利要求10所述的电荷共享滤波器(304)，其特征在于：
所述多个第二基本滤波器(321、322、323)分为多个级联的一阶IIR滤波器(321、322、323)，每个第二基本滤波器形成一个一阶IIR滤波器。
12.根据权利要求10所述的电荷共享滤波器(305)，其特征在于：
所述多个第二基本滤波器(321、322、323)分为多个级联的高阶三阶IIR滤波器，每组三个第二基本滤波器形成一个三阶IIR滤波器。
13.根据权利要求10至12之一所述的电荷共享滤波器(304、305)，其特征在于：
所述多个基本滤波器(311、312、313)的所述第一节点(Ai)是所述电荷共享滤波器(304、305)的输入，所述输入用于接收电流信号；
所述多个第二基本滤波器(321、322、323)的所述第三节点(Di)是所述电荷共享滤波器(304、305)的输出，所述输出用于提供电压信号，
所述电压信号是通过基于所述电荷共享滤波器的滤波器特性滤波所述输入信号得到的。
14.一种用于通过电荷共享滤波器滤波信号的方法(1300)，其特征在于，所述电荷共享滤波器包括：旋转电容器(CR)；以及多个基本滤波器，每个基本滤波器包括：耦合在各基本滤波器的第一节点(Ai)与各基本滤波器的第二节点(Bi)之间的基本开关以及耦合到各基本滤波器的所述第一节点(Ai)的历史电容器(CH)，其中，所述多个基本滤波器的所述第二节点(Bi)与所述旋转电容器(CR)在一个互连节点(B)互连，所述方法包括：
在所述多个基本滤波器的所述第一节点(Ai)处提供(1301)信号；
所述多个基本滤波器(311、312、313)的所述基本开关周期性地切换；
所述多个基本滤波器的所述第二节点(Bi)与所述旋转电容器(CR)在一个互连节点(B)互连，使得多个信号源(202)提供的输入信号被电荷共享，其中每个信号源连接到所述多个基本滤波器的相应第一节点(Ai)。
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