CN107819451A

CN107819451A - 一种有源rc复数带通滤波器

Info

Publication number: CN107819451A
Application number: CN201711015528.6A
Authority: CN
Inventors: 王永; 李亚萍; 周冉冉; 孙娟娟; 王志南
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: CN107819451B

Abstract

本发明涉及一种有源RC复数带通滤波器，包括第一低通滤波器、第二低通滤波器、连接单元，所述连接单元耦接于所述第一低通滤波器与所述第二低通滤波器之间，所述连接单元包括耦合电阻以及与所述耦合电阻并联的补偿电容。本发明减小了低通滤波器频谱搬移时的额外的相位滞后，降低了对运放增益带宽积的依赖性。

Description

一种有源RC复数带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种有源RC复数带通滤波器，属于通信领域和卫星导航领域。

背景技术

无线接收机的主要任务是将叠加在高频载波上的信号接收到本地，转换成比较容易处理的中低频基带信号。一般来说，无线接收机可分为超外差结构、零中频结构、低中频结构等。与其它两种结构相比，低中频结构具有结构简单、集成度较高、功耗小、直流失调小和闪烁噪声低等优点。在低中频接收机中，为了去除镜像信号的干扰，可以采用复数带通滤波器。复数带通滤波器是将低通滤波器的通带进行单向的频谱搬移，而得到的只有单边通带的滤波器，它可以将下变频后处于镜像位置的频率滤除，从而实现镜像干扰的抑制。

滤波器通常由电感、电容、电阻通过串并联组合构成。由于无源电感难以进行芯片级集成，所以在集成电路中一般采用有源电感实现复数滤波器。主要的有源复数滤波器结构有Gm-C、MOSFET-C和有源RC。在低功耗要求下，Gm-C和MOSFET-C很难提供足够的线性度和大的动态范围，而有源RC滤波器能够提供优良的线性度和噪声性能，所以有源RC复数带通滤波器最为常见。有源RC复数带通滤波器中，由于运放的增益带宽积(GBW)有限，将低通滤波器进行频谱搬移时会产生额外的相位滞后，导致复数带通滤波器通带纹波增大。另一方面，增大运放的增益带宽积会导致较大的功耗，因此，市场需求一种在运放的增益带宽积有限的条件下，能够消除额外的相位滞后、降低通带纹波的复数带通滤波器。

发明内容：

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种加入无源补偿的有源RC复数带通滤波器，本发明减小了低通滤波器频谱搬移时的额外的相位滞后，降低了对运放增益带宽积的依赖性。

本发明的技术方案为：

一种有源RC复数带通滤波器，包括第一低通滤波器、第二低通滤波器、连接单元，所述连接单元耦接于所述第一低通滤波器与所述第二低通滤波器之间，所述第一低通滤波器及所述第二低通滤波器均为N阶切比雪夫低通滤波器，N为整数，所述连接单元包括N组连接模块，每组连接模块包括4个耦合模块，每个耦合模块包括耦合电阻以及与所述耦合电阻并联的补偿电容。

第一低通滤波器、第二低通滤波器、连接单元共同完成对输入信号的滤波。耦合电阻的取值几K到几十K都可以，补偿电容几十到上百f F，耦合电阻太大，耦合电容太小了就没法实现。工艺上实现不了。耦合电阻的值在电路设计时取值比较灵活，可以根据耦合电阻需要的范围去调整低通滤波器中其它电阻电容的值。

根据本发明优选的，设定第i组连接模块中4个耦合模块A1、A2、A3、A4与第一低通滤波器的第i阶、第二低通滤波器的第i阶的连接关系如下，i为整数，0＜i≤N：

第二低通滤波器的第i阶的正输出端通过耦合模块A1连接第一低通滤波器的第i阶的负输入端；

第二低通滤波器的第i阶的负输出端通过耦合模块A2连接第一低通滤波器的第i阶的正输入端；

第一低通滤波器的第i阶的正输出端通过耦合模块A3连接第二低通滤波器的第i阶的正输入端；

第一低通滤波器的第i阶的负输出端通过耦合模块A4连接第二低通滤波器的第i阶的负输入端。

上述连接关系目的是实现低通滤波器向复数带通滤波器的转换。

所述第一低通滤波器及所述第二低通滤波器中电阻阵列用于调节所述有源RC复数带通滤波器的增益，所述第一低通滤波器及所述第二低通滤波器中电容阵列用于调节所述有源RC复数带通滤波器的中心频率和带宽。

根据本发明优选的，所述补偿电容的求取过程如下：

(1)求取第一低通滤波器或第二低通滤波器中运放的增益带宽积GBW，计算公式如式(I)所示：

GBW＝A₀ω₀ (I)

式(I)中，A₀是指运放的直流增益，ω₀是指运放的带宽；

(2)本发明为了减小(sτ)运放增益带宽积有限带来的影响，在耦合电阻上并联补偿电容，第i阶的运算放大器及运算放大器输入、输出端之间连接的电容与第i组连接模块中的任一耦合模块组成的积分器的传输函数H(s)如式(II)所示：

式(II)中，R为耦合电阻的电阻值，C₁为所述第一低通滤波器或所述第二低通滤波器中第i阶的运算放大器输入、输出端之间连接的电容的电容值，C₂为补偿电容的电容值；s为复频域变量；

根据泰勒级数展开，式(II)所示的传输函数H(s)近似为式(III)，如下所示：

(3)求取补偿电容C₂，计算公式如式(IV)所示：

其中的原理就是补偿电容求取过程中，加入耦合电容后，公式(II)可以近似为公式(III)，公式(III)中部分，分母中没有变量s，也就是消除了相位滞后。

根据本发明优选的，所述第一低通滤波器、所述第二低通滤波器均为五阶切比雪夫低通滤波器。

本发明的有益效果为：

1、本发明有源RC复数带通滤波器实现了复数带通滤波功能，能够有效抑制低中频接收机中的镜像干扰，并实现了小于1dB的通带纹波，有利于保证信号滤波后的线性度。

2、本发明有源RC复数带通滤波器，在耦合电阻上并联补偿电容，结构简单但可实现在不增加运放增益带宽积的条件下，大幅度减小有源RC复数带通滤波器的通带纹波，避免了增加运放增益带宽积带来的高功耗问题，减小了设计复杂度，提高了设计效率。

附图说明

图1为本发明有源RC复数带通滤波器的结构连接框图；

图2为本发明所述连接单元的结构示意图；

图3为本发明有源RC复数带通滤波器与不加补偿电容有源RC复数带通滤波器、及在第一低通滤波器和第二低通滤波器中使用理想运放的三种复数带通滤波器的幅频响应比对示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步描述，但不限于此。

实施例1

一种有源RC复数带通滤波器，如图1所示，包括第一低通滤波器、第二低通滤波器、连接单元，连接单元耦接于第一低通滤波器与第二低通滤波器之间，第一低通滤波器及第二低通滤波器均为五阶切比雪夫低通滤波器，连接单元包括5组连接模块，每组连接模块包括4个耦合模块，每个耦合模块包括耦合电阻以及与耦合电阻并联的补偿电容。

连接模块中4个耦合模块A1、A2、A3、A4与第一低通滤波器、第二低通滤波器的连接关系如下：

第二低通滤波器的第一阶的正输出端QO1P通过耦合模块A1连接第一低通滤波器的第一阶的负输入端II1N；第二低通滤波器的第一阶的负输出端QO1N通过耦合模块A2连接第一低通滤波器的第一阶的正输入端II1P；第一低通滤波器的第一阶的正输出端IO1P通过耦合模块A3连接第二低通滤波器的第一阶的正输入端QI1P；第一低通滤波器的第一阶的负输出端IO1N通过耦合模块A4连接第二低通滤波器的第一阶的负输入端QI1N。

第二低通滤波器的第二阶的正输出端QO2P通过耦合模块A1连接第一低通滤波器的第二阶的负输入端II2N；第二低通滤波器的第二阶的负输出端QO2N通过耦合模块A2连接第一低通滤波器的第二阶的正输入端II2P；第一低通滤波器的第二阶的正输出端IO2P通过耦合模块A3连接第二低通滤波器的第二阶的正输入端QI2P；第一低通滤波器的第二阶的负输出端IO2N通过耦合模块A4连接第二低通滤波器的第二阶的负输入端QI2N。

第二低通滤波器的第三阶的正输出端QO3P通过耦合模块A1连接第一低通滤波器的第三阶的负输入端II3N；第二低通滤波器的第三阶的负输出端QO3N通过耦合模块A2连接第一低通滤波器的第三阶的正输入端II3P；第一低通滤波器的第三阶的正输出端IO3P通过耦合模块A3连接第二低通滤波器的第三阶的正输入端QI3P；第一低通滤波器的第三阶的负输出端IO3N通过耦合模块A4连接第二低通滤波器的第三阶的负输入端QI3N。

第二低通滤波器的第四阶的正输出端QO4P通过耦合模块A1连接第一低通滤波器的第四阶的负输入端II4N；第二低通滤波器的第四阶的负输出端QO4N通过耦合模块A2连接第一低通滤波器的第四阶的正输入端II4P；第一低通滤波器的第四阶的正输出端IO4P通过耦合模块A3连接第二低通滤波器的第四阶的正输入端QI4P；第一低通滤波器的第四阶的负输出端IO4N通过耦合模块A4连接第二低通滤波器的第四阶的负输入端QI4N。

第二低通滤波器的第五阶的正输出端QO5P通过耦合模块A1连接第一低通滤波器的第五阶的负输入端II5N；第二低通滤波器的第五阶的负输出端QO5N通过耦合模块A2连接第一低通滤波器的第五阶的正输入端II5P；第一低通滤波器的第五阶的正输出端IO5P通过耦合模块A3连接第二低通滤波器的第五阶的正输入端QI5P；第一低通滤波器的第五阶的负输出端IO5N通过耦合模块A4连接第二低通滤波器的第五阶的负输入端QI5N。

第一低通滤波器及第二低通滤波器中电阻阵列用于调节有源RC复数带通滤波器的增益，第一低通滤波器及第二低通滤波器中电容阵列用于调节源RC复数带通滤波器的中心频率和带宽。

实施例2

根据实施例1所述的一种有源RC复数带通滤波器，其区别在于，

补偿电容的求取及推理过程如下：

GBW＝A₀ω₀ (I)

式(I)中，A₀是指运放的直流增益，ω₀是指运放的带宽；

由于运放的增益带宽积有限，采用运放的单极点模型，积分器的传输函数H(s)为：

在运放的增益带宽积有限的条件下，sτ的存在会导致额外的相位滞后；

(2)本发明为了减小(sτ)运放增益带宽积有限带来的影响，在耦合电阻上并联补偿电容，如图2所示，第i阶的运算放大器及运算放大器输入、输出端之间连接的电容与第i组连接模块中的任一耦合模块组成的积分器的传输函数H(s)如式(II)所示：

(3)求取补偿电容C₂，计算公式如式(IV)所示：

本实施例有源RC复数带通滤波器与不加补偿电容有源RC复数带通滤波器、及在第一低通滤波器和第二低通滤波器中使用理想运放的三种复数带通滤波器的幅频响应比对如图3所示：

图3中，在第一低通滤波器和第二低通滤波器中使用增益带宽积有限的运放(实际电路中可以实现的均为增益带宽积有限的运放)，未加入补偿电容时，由于从低通滤波器向复数带通滤波器频谱搬移过程中产生的相位滞后，通带内纹波较大，甚至出现尖峰，而加入补偿电容后，复数带通滤波器的频谱响应通带纹波较小，基本接近于在第一低通滤波器和第二低通滤波器使用理想运放(理想运放是用veriloga代码实现的)的复数带通滤波器的幅频响应曲线。

Claims

1.一种有源RC复数带通滤波器，其特征在于，包括第一低通滤波器、第二低通滤波器、连接单元，所述连接单元耦接于所述第一低通滤波器与所述第二低通滤波器之间，所述第一低通滤波器及所述第二低通滤波器均为N阶切比雪夫低通滤波器，N为整数，所述连接单元包括N组连接模块，每组连接模块包括4个耦合模块，每个耦合模块包括耦合电阻以及与所述耦合电阻并联的补偿电容。

2.根据权利要求1所述的一种有源RC复数带通滤波器，其特征在于，设定第i组连接模块中4个耦合模块A1、A2、A3、A4与第一低通滤波器的第i阶、第二低通滤波器的第i阶的连接关系如下，i为整数，0＜i≤N：

第二低通滤波器的第i阶的负输出端通过耦合模块A2连接第一低通滤波器的第i阶的正输入端。

3.根据权利要求1所述的一种有源RC复数带通滤波器，其特征在于，所述补偿电容的求取过程如下：

GBW＝A₀ω₀ (I)

式(I)中，A₀是指运放的直流增益，ω₀是指运放的带宽；

(2)第i阶的运算放大器及运算放大器输入、输出端之间连接的电容与第i组连接模块中的任一耦合模块组成的积分器的传输函数H(s)如式(II)所示：

(3)求取补偿电容C₂，计算公式如式(IV)所示：

4.根据权利要求1-3任一所述的一种有源RC复数带通滤波器，其特征在于，所述第一低通滤波器、所述第二低通滤波器均为五阶切比雪夫低通滤波器。