CN109450402B - 十四阶开关电容带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种十四阶开关电容带通滤波器，所述滤波器包括八阶切比雪夫高通开关电容滤波器、六阶椭圆低通开关电容滤波器、开关电容采样保持电路，所述八阶切比雪夫高通开关电容滤波器的输入端连接差分输入信号Vin+、Vin‑，八阶切比雪夫高通开关电容滤波器的输出端连接第一开关电容采样保持电路的输入端，第一开关电容采样保持电路的输出端连接六阶椭圆低通开关电容滤波器的输入端，六阶椭圆低通开关电容滤波器的输出端连接第二开关电容采样保持电路的输入端，第二开关电容采样保持电路的输出端作为最终输出，实现带通滤波器功能。本发明实现了可调谐、低通带纹波、高过渡带衰减的高精度带通滤波器。

Description

十四阶开关电容带通滤波器
技术领域
本发明涉及一种开关电容滤波器，尤其涉及一种可调谐、低通带纹波、高过渡带衰减的开关电容带通滤波器电路，适用于需要高精度滤波的信号处理领域。
背景技术
在信号处理过程中，滤波是重要的任务之一。滤波器是一种对输入电学信号进行按频率加权传输的电子网络系统。经典的连续时间有源滤波器，可分为有源RC滤波器和有源OTA-C滤波器，他们的特点是精度低、非线性畸变大且需要调谐电路，高频下信号噪声畸变比(SNDR)小，但幸运的是许多高速应用对SNDR要求不高。另外，随着集成电路规模的不断扩大，由电阻电容构成的有源、无源滤波器都很难实现大规模集成，并且受到温度变化和工艺带来的元件不匹配的影响，电阻电容的值会产生较大误差，这就限制了这类滤波器的精度。
为了实现高质量的有源滤波器，人们开始将目光转向开关电容滤波器。它最大的优点是电路参数都是由时钟频率和电容的比值决定的，通过适当的版图设计可以实现高精度的电容比值，同时也可以消除温度变化带来的影响，这样可以大大提高滤波器的精度。同时，也可以使用小电容来实现电容比值，有利于大规模集成。和连续时间滤波器相比，开关电容滤波器不需要调谐系统，允许更大的输入信号摆幅，同时功耗更低，这些优点都促进了开关电容滤波器的发展。尤其是随着近些年的技术发展，高阶的开关电容滤波器的优秀表现使得它的应用和需求更加的强烈。
发明内容
为了解决普通滤波器精度低、难以实现高阶级联的问题，本发明提供了一种十四阶开关电容带通滤波器。整体电路通过八阶切比雪夫高通滤波器和六阶椭圆低通滤波器的级联实现了十四阶带通滤波器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种十四阶开关电容带通滤波器，包括八阶切比雪夫高通开关电容滤波器、六阶椭圆低通开关电容滤波器、开关电容采样保持电路，其中：
所述八阶切比雪夫高通开关电容滤波器由四个二阶双四结构的高Q值开关电容电路级联组成；
所述六阶椭圆低通开关电容滤波器由三个二阶双四结构的低Q值开关电容电路的级联组成；
所述开关电容采样保持电路包括第一开关电容采样保持电路和第二开关电容采样保持电路；
所述八阶切比雪夫高通开关电容滤波器的输入端连接差分输入信号Vin+、Vin-，八阶切比雪夫高通开关电容滤波器的输出端连接第一开关电容采样保持电路的输入端，第一开关电容采样保持电路的输出端连接六阶椭圆低通开关电容滤波器的输入端，六阶椭圆低通开关电容滤波器的输出端连接第二开关电容采样保持电路的输入端，第二开关电容采样保持电路的输出端作为最终输出，实现带通滤波器功能。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明通过使用二阶双四结构开关电容电路的级联来实现高阶开关电容滤波器，设计简单，易于实现。
2、本发明十四阶开关电容带通滤波器的系数是由电容比值和时钟频率共同决定的，相比于有源RC滤波器，具有更高的精度，更节省芯片面积，同时易于实现频率可调谐。
3、本发明实现了可调谐、低通带纹波、高过渡带衰减的高精度带通滤波器。
4、本发明为了消除高通、低通部分因时钟频率不同而带来的采样误差，分别在八阶切比雪夫高通开关电容滤波器和六阶椭圆低通开关电容滤波器的输出端增加了不同结构的开关电容采样保持电路。
5、本发明为了避免由于电路中电容值过小带来的误差变差问题，在保证滤波器传递函数的系数不变的前提下，合理地扩大了部分积分电容和与之成比例的电容的值，在芯片面积和设计精度之间进行了折中，保证了它们的比值不变，从而也解决了电容太小带来的精度问题。
6、本发明的整个电路使用全差分的电路形式，有利于抑制共模干扰和提高输入信号摆幅。
附图说明
图1为本发明十四阶开关电容带通滤波器的原理图；
图2是本发明二阶双四结构的高Q值开关电容电路的原理图；
图3是本发明二阶双四结构的低Q值开关电容电路的原理图；
图4是本发明第一开关电容采样保持电路原理图；
图5是本发明第二开关电容采样保持电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述十四阶开关电容带通滤波器包括八阶切比雪夫高通开关电容滤波器100、六阶椭圆低通开关电容滤波器101、第一开关电容采样保持电路104和第二开关电容采样保持电路105，其中：
所述八阶切比雪夫高通开关电容滤波器100由四个二阶双四结构的高Q值开关电容电路102级联组成。
所述六阶椭圆低通开关电容滤波器101由三个二阶双四结构的低Q值开关电容电路103的级联组成。
所述八阶切比雪夫高通开关电容滤波器100由两相不交叠时钟φ1和φ2控制，六阶椭圆低通开关电容滤波器101由两相不交叠时钟φ11和φ22控制，φ1和φ2具有相同的时钟频率，φ11和φ22具有相同的时钟频率，但φ1和φ11时钟频率不同，通过改变时钟φ1和φ11的频率可实现滤波器中心频率的改变，从而实现整体滤波器中心频率可调谐功能。
所述二阶双四结构的高Q值开关电容电路102的级联实现了八阶切比雪夫高通开关电容滤波器100，差分输出信号Vin+、Vin-首先连接八阶切比雪夫高通开关电容滤波器100的输入端，经过高通滤波处理后，八阶切比雪夫高通开关电容滤波器100的输出端连接第一开关电容采样保持电路104的输入端；所述二阶双四结构的低Q值开关电容电路103的级联组成了六阶椭圆低通开关电容滤波器101，六阶椭圆低通开关电容滤波器101的输入端连接第一开关电容采样保持电路104的输出端，其输出端连接第二开关电容采样保持电路105的输入端，第二开关电容采样保持电路105的输出端作为最终输出，整个电路在两相不交叠时钟φ1和φ2、φ11和φ22的控制下工作，通过改变时钟φ1和φ2、φ11和φ22的频率可实现整体滤波器中心频率可调谐。
本实施方式中，八阶切比雪夫高通开关电容滤波器100由二阶双四结构的高Q值开关电容电路102级联实现，六阶椭圆低通开关电容滤波器101由二阶双四结构的低Q值开关电容电路103级联实现。之所以使用不同类型的双四结构，是为了得到合理的电容分布，尽量减小芯片面积。高通滤波器的类型是切比雪夫型滤波器，低通滤波器的类型是椭圆型滤波器，为了实现要求的过渡带衰减，高通滤波器的阶数设为八阶，低通滤波器的阶数设为六阶。
本实施方式中，八阶切比雪夫高通开关电容滤波器100的输出端增加了第一开关电容采样保持电路104，六阶椭圆低通开关电容滤波器101的输出端增加了第二开关电容采样保持电路105，而不是直接将八阶切比雪夫高通开关电容滤波器100和六阶椭圆低通开关电容滤波器101级联起来，这样的好处是可以消除八阶切比雪夫高通开关电容滤波器100和六阶椭圆低通开关电容滤波器101由于时钟频率不同带来的采样误差。
本实施方式中，开关使用PMOS管和NMOS管组成的传输门，减小了开关导通电阻的同时也增大了输入信号范围。为了减小沟道注入电荷和时钟馈通的影响，在传输门的基础上增加了四个虚拟晶体管，虚拟管的尺寸是开关管尺寸的一半。
具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一作进一步说明。对于滤波器的设计，最重要的是传递函数的设计，本发明是开关电容滤波器，涉及到不同的时序，因此最简单的方法是用z域传递函数来描述其传递函数。为了简化设计，本发明使用计算机辅助方法来得到整个滤波器的传递函数。具体方法是使用MATLAB中的滤波器设计工具箱，通过设置相关参数指标，如采样时钟频率、截至频率、通带纹波等参数，从而得到符合要求的滤波器传递函数，简化了设计复杂度。
经过大量电路仿真发现，对本发明中使用的OTA的要求是：中等增益(60dB左右)，尽可能大的单位增益带宽和摆率。只有这样的OTA才能满足滤波器中积分器的建立要求，减小误差。因此本发明的OTA采用折叠式共源共栅运放结构实现。
为了进一步减小电容比值误差带来的误差，本发明在版图设计的时候对成比例的电容作了匹配设计。具体方法是将成比例的电容进行拆分，将这些电容值的最大公约数作为单元电容，然后用这些单元电容组成所需要的电容值，并且在组合的时候将他们打散以减小随机误差。
具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明。本实施方式所述二阶双四结构的高Q值开关电容电路102包括运算跨导放大器OTA1、运算跨导放大器OTA2、电容C1、电容C2、电容a2C1、电容a4C1、电容a5C2、电容a6C2以及由两相不交叠时钟控制的开关，整个电路是上下对称全差分结构。其中：差分输入信号Vin+和Vin-通过电容a6C2分别连接到OTA2的同相输入端和反相输入端；电容C1跨接在OTA1的两端作为积分电容，电容C2跨接在OTA2的两端作为积分电容；OTA1的输出端通过电容a5C2和开关连接到OTA2的输入端；OTA2的输出端通过电容a2C1和开关反馈回OTA1的输入端；OTA2的差分输出端Vout+和Vout-是二阶双四结构高Q值开关电容电路的输出。
具体实施方式四：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明。本实施方式所述二阶双四结构的低Q值开关电容电路103包括运算跨导放大器OTA3、运算跨导放大器OTA4、电容C3、电容C4、电容b1C3、电容b2C3、电容b3C4、电容b5C4、电容b6C4以及由两相不交叠时钟控制的开关，整个电路是上下对称的全差分结构。其中：差分输入信号In+和In-通过电容b1C3和开关连接到OTA3的两个输入端；输入信号In+和In-通过电容b3C4连接到OTA4的两个输入端；电容C3跨接在OTA3的两端作为积分电容，电容C4跨接在OTA4的两端作为积分电容；OTA3的输出端通过电容b5C4和开关连接到OTA4的输入端；OTA4的输出端通过电容b2C3和开关反馈到OTA3的输入端；OTA4的输出端通过b2C3和开关反馈到OTA4的输入端；OTA4的差分输出端Vo+和Vo-是二阶双四结构低Q值开关电容电路的输出。
具体实施方式五：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明。本实施方式中，用在高通滤波器之后的第一开关电容采样保持电路104由跨导运算放大器OTA5、采样电容Ca、积分电容Cb和受两相不交叠时钟φ1和φ2控制的开关组成。其中：差分输入信号Vi+和Vi-分别通过开关连接到采样电容Ca的上极板；差分输入信号Vi+和Vi-通过开关连接到地；采样电容Ca的下极板通过开关连接到地；采样电容Ca的下极板通过开关连接到OTA5的输入端；电容Cb跨接到OTA5的两端作为积分电容；OTA5的输出端通过开关反馈回OTA5的输入端；OTA5的差分输出端Out+和Out-是采样保持电路104的输出。
具体实施方式六：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明。本实施方式中，用在低通滤波器之后的第二开关电容采样保持电路105由跨导运算放大器OTA6、采样电容Cc、积分电容Cd和受两相不交叠时钟φ11和φ22控制的开关组成。其中：差分输入信号in+和in-分别通过开关连接到采样电容Cc的上极板；采样电容Cc的下极板与地相连；采样电容Cc的上极板通过开关连接到OTA6的输出端；采样电容Cc的下极板通过开关连接到OTA6的输入端；电容Cc跨接到OTA的输入端和输出端作为积分电容；OTA6的输出端作为第二采样保持电路105的输出。
具体实施方式七：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明。图2是用在八阶切比雪夫高通开关电容滤波器100的二阶双四结构的高Q值开关电容电路102。其z域传递函数为：
Figure GDA0003591022550000092
系数a表示各电容的比值，即：系数a2表示电容a2C1与电容C1的比值，系数a4表示电容a4C1与电容C1的比值，系数a5表示电容a5C2与电容C2的比值，系数a6表示电容a6C2与电容C2的比值。通过设置合适的系数a，可以实现不同要求的滤波功能。
具体实施方式八：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明。图3是用在六阶椭圆低通开关电容滤波器101的二阶双四结构的低Q值开关电容电路103，其z域传递函数为：
Figure GDA0003591022550000091
系数b表示各电容的比值，即：系数b1表示电容b1C3与C3的比值，系数b2表示b2C3电容与C3的比值，系数b3表示电容b3C4与C4的比值，系数b5表示电容b5C4与C4的比值，系数b6表示电容b6C4与C4的比值，可见通过设置合适的系数b，可以实现不同要求的滤波功能。
在本发明中，为了实现整体带通滤波器低通带纹波同时又有高过渡带衰减的要求，得到的滤波器传递函数中有特别小的电容比值(b6C4)，这样的后果是当积分电容C2正常取值为5pF时，电容b6C4的值过于小，和寄生电容一个量级，这明显会带来较大误差。本发明提出了一个解决办法：等比例增大和积分电容C4相关的电容值，具体说就是使电容C4扩大4倍，这样电容b3C4、b5C4、b6C4也扩大了4倍，这样就可以解决电路中单个电容值太小带来的精度问题，而且不影响整个传递函数的实现。

Claims (7)

1.一种十四阶开关电容带通滤波器，其特征在于所述滤波器包括八阶切比雪夫高通开关电容滤波器、六阶椭圆低通开关电容滤波器、开关电容采样保持电路，其中：
所述八阶切比雪夫高通开关电容滤波器由四个二阶双四结构的高Q值开关电容电路级联组成；
所述六阶椭圆低通开关电容滤波器由三个二阶双四结构的低Q值开关电容电路的级联组成；
所述开关电容采样保持电路包括第一开关电容采样保持电路和第二开关电容采样保持电路；
所述八阶切比雪夫高通开关电容滤波器的输入端连接差分输入信号Vin+、Vin-，八阶切比雪夫高通开关电容滤波器的输出端连接第一开关电容采样保持电路的输入端，第一开关电容采样保持电路的输出端连接六阶椭圆低通开关电容滤波器的输入端，六阶椭圆低通开关电容滤波器的输出端连接第二开关电容采样保持电路的输入端，第二开关电容采样保持电路的输出端作为最终输出，实现带通滤波器功能；
所述第一开关电容采样保持电路由跨导运算放大器OTA5、采样电容Ca、积分电容Cb和受两相不交叠时钟φ1和φ2控制的开关组成，其中：差分输入信号Vi+和Vi-分别通过开关连接到采样电容Ca的上极板；差分输入信号Vi+和Vi-通过开关连接到地；采样电容Ca的下极板通过开关连接到地；采样电容Ca的下极板通过开关连接到OTA5的输入端；电容Cb跨接到OTA5的两端作为积分电容；OTA5的输出端通过开关反馈回OTA5的输入端；OTA5的差分输出端Out+和Out-是采样保持电路的输出；
所述第二开关电容采样保持电路由跨导运算放大器OTA6、采样电容Cc、积分电容Cd和受两相不交叠时钟φ11和φ22控制的开关组成，其中：差分输入信号in+和in-分别通过开关连接到采样电容Cc的上极板；采样电容Cc的下极板与地相连；采样电容Cc的上极板通过开关连接到OTA6的输出端；采样电容Cc的下极板通过开关连接到OTA6的输入端；电容Cc跨接到OTA的输入端和输出端作为积分电容；OTA6的输出端作为第二采样保持电路的输出。
2.根据权利要求1所述的十四阶开关电容带通滤波器，其特征在于所述二阶双四结构的高Q值开关电容电路是上下对称全差分结构，包括运算跨导放大器OTA1、运算跨导放大器OTA2、电容C1、电容C2、电容a2C1、电容a4C1、电容a5C2、电容a6C2以及由两相不交叠时钟控制的开关，其中：差分输入信号Vin+和Vin-通过电容a6C2分别连接到OTA2的同相输入端和反相输入端；电容C1跨接在OTA1的两端作为积分电容，电容C2跨接在OTA2的两端作为积分电容；OTA1的输出端通过电容a5C2和开关连接到OTA2的输入端；OTA2的输出端通过电容a2C1和开关反馈回OTA1的输入端；OTA2的差分输出端Vout+和Vout-是二阶双四结构高Q值开关电容电路的输出。
3.根据权利要求1所述的十四阶开关电容带通滤波器，其特征在于所述二阶双四结构的低Q值开关电容电路是上下对称的全差分结构，包括运算跨导放大器OTA3、运算跨导放大器OTA4、电容C3、电容C4、电容b1C3、电容b2C3、电容b3C4、电容b5C4、电容b6C4以及由两相不交叠时钟控制的开关，其中：差分输入信号In+和In-通过电容b1C3和开关连接到OTA3的两个输入端；输入信号In+和In-通过电容b3C4连接到OTA4的两个输入端；电容C3跨接在OTA3的两端作为积分电容，电容C4跨接在OTA4的两端作为积分电容；OTA3的输出端通过电容b5C4和开关连接到OTA4的输入端；OTA4的输出端通过电容b2C3和开关反馈到OTA3的输入端；OTA4的输出端通过b2C3和开关反馈到OTA4的输入端；OTA4的差分输出端Vo+和Vo-是二阶双四结构低Q值开关电容电路的输出。
4.根据权利要求1所述的十四阶开关电容带通滤波器，其特征在于所述φ1和φ2具有相同的时钟频率，φ11和φ22具有相同的时钟频率，但φ1和φ11时钟频率不同。
5.根据权利要求1所述的十四阶开关电容带通滤波器，其特征在于所述开关使用PMOS管和NMOS管组成的传输门。
6.根据权利要求2所述的十四阶开关电容带通滤波器，其特征在于所述二阶双四结构的高Q值开关电容电路的z域传递函数为：
Figure FDA0003591022540000031
系数a2表示电容a2C1与电容C1的比值，系数a4表示电容a4C1与电容C1的比值，系数a5表示电容a5C2与电容C2的比值，系数a6表示电容a6C2与电容C2的比值。
7.根据权利要求3所述的十四阶开关电容带通滤波器，其特征在于所述二阶双四结构的低Q值开关电容电路的z域传递函数为：
Figure FDA0003591022540000041
系数b1表示电容b1C3与C3的比值，系数b2表示b2C3电容与C3的比值，系数b3表示电容b3C4与C4的比值，系数b5表示电容b5C4与C4的比值，系数b6表示电容b6C4与C4的比值。
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