CN109672423A - 集成状态变量滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成状态变量滤波器,包括低通滤波支路,带通滤波支路,带阻滤波支路和高通滤波支路,各滤波支路由电阻、电容和折叠共源共栅运算放大器组成。集成运算放大器用作放大电路,用状态变量法求解微分方程,实现可并行滤波的高通、低通和带通滤波、带阻滤波功能。其中带通滤波支路由高通滤波部分串联一个低通滤波部分得到,带阻滤波支路由高通滤波电路的输出与低通滤波电路的输出接求和运算电路得到。通过Cadence软件仿真得到的参数表明此发明各滤波支路的截止频率更高,滤波器品质因数更高,滤波效果在相同条件下明显优于其他设计。且各参数可独立调节,整体电路结构简单,重构性强。
Description
技术领域
本发明涉及无线电通信、非电量及微弱信号检测领域,尤其涉及基于集成电路的状态变量滤波器的设计。
背景技术
此前常用的滤波器有数字滤波器和开关电容滤波器2种。其中,数字滤波器占用过多软件资源,而开关电容滤波器电路噪声较大,截止频率受限且价格不菲。
目前流行的有电压控制电压源、多路反馈、单位增益及状态变量滤波器。前三种滤波器虽然应用了较少的有源元件,但在实现有源研发的技术上有其局限性,并且元件的灵敏度影响了滤波器的特性。
发明内容
发明目的
解决电压控制电压源、多路反馈、单位增益及状态变量滤波器在有源研发技术上的局限性,优化滤波器的性能,丰富滤波器功能使品质因数,截止频率,中心频率等重要参数都可以单独调节。
技术方案
一种集成状态变量滤波器,其特征在于:包括低通滤波支路,带通滤波支路,带阻滤波支路和高通滤波支路,各滤波支路由电阻、电容和折叠共源共栅运算放大器组成,输入端Ui(s)连接有一个电阻R4,电阻R4的另一端接在运算放大器A3的反相输入端,运算放大器A3的同相输入端接地,一个电阻R5与一个电容C2并连,电阻R5与电容C2并连后的一端接在运算放大器A3的反相输入端,电阻R5与电容C2并连后的另一端与运算放大器A3的输出端共同连接在Uo3,信号从输出端Uo3输出,输入端Ui(s)、电阻R4、电阻R5、电容C2、运算放大器A3和输出端Uo3构成低通滤波支路;
输入端Ui(s)与电阻R4同时连接有一个电容C0,电容C0与一个电阻R0串连,电阻R0的另一端连接在运算放大器A1的反相输入端,运算放大器A1的同相输入端接地,一个电阻R1接在运算放大器A1的反相输入端, 电阻R1的另一端连接运算放大器A1的输出端,运算放大器A1的输出端还连接一个电阻R2,电阻R2接在运算放大器A2的反相输入端,运算放大器A2的同相输入端接地,一个电阻R3与一个电容C1并连,电阻R3与电容C1并连后的一端接在运算放大器A2的反相输入端,电阻R3与电容C1并连后的另一端与运算放大器A2的输出端共同连接在输出端Uo2,信号从输出端Uo2输出,输入端Ui(s)、C0、R0、R1、A1、R2、R3、C1、A2和Uo2构成带通滤波支路;
运算放大器A1的输出端还与一个电阻R7连接,运算放大器A3的输出端还与一个电阻R6连接,电阻R6的另一端连接在运算放大器A4的反相输入端,运算放大器A4的同相输入端接地,运算放大器A4的反相输入端还同时连接有电阻R8,电阻R8的另一端与运算放大器A4的输出端相连接,运算放大器A4的输出端连接在输出端Uo4,信号从输出端Uo4输出,Ui(s)、C0、R0、R1、A1、R7、R8、A4、R4、R5、C2、A3、R6和Uo4构成带阻滤波支路;
运算放大器A1的输出端还连接有输出端Uo1,信号从输出端Uo1输出,输入端Ui(s)、C0、R0、R1、A1、R2、R3、C1、A2和输出端Uo1构成高通滤波支路。
所述运算放大器A1、A2、A3和A4的电路包括电流源电路,差分放大器电路,共源级放大器电路,频率补偿电路;
M1、M2、M5、M6、M7和M10为PMOS管,M3、M4、M8、M9和M11为NMOS管;
M1和M2的源极并连到VDD,M1和M2的栅极与M1的漏极和M3的漏极连接到一起,M3和M4的栅极与M2的漏极和M4的漏极连接到一起,M3的源级串连一个电阻R,电阻R的另一端与M4的源级连接并一起连接到GND构成电流源电路,为差分放大器电路和共源级放大电路提供工作电流;
M5的源级接到VDD, M6和M7的源极同时连接到M5的漏极,M6的栅极作为运算放大器的反向输出端Vi1,M7的栅极作为运算放大器的同向输出端Vi2, M8和M9的栅极与M6的漏极和M8的漏极连接到一起,M8和M9的源极共同连接到GND构成差分放大器电路;
M10的源级接到VDD,M10、M5、M1和M2的栅极皆相连,并与M1的漏极和M3的漏极连接到一起,M10的漏极与M11的漏极相连作为运算放大器的输出Vo,M11的栅极与M7、M9的漏极连接到一起,M11的源极接到GND,构成共源级放大电路;
电容C的一端与M11的栅极相连,另一端与M11的漏极相连,电容C与M11构成频率补偿电路。
所述R0为100KΩ,R1为1MΩ,R2为5MΩ,R3为5MΩ,R4为5MΩ,R5为5MΩ,R6为100KΩ,R7为100KΩ,R8为100KΩ。C0为5pF,C1为30pF,C2为30PF。
所述M1(W/L) =11um/8um,M2(W/L)=11um/8um,M3(W/L)=10um/8um, M4(W/L)=10um/8um,M5(W/L)=5um/2um,M6(W/L)=11um/8um,M7(W/L)=11um/8um,M8(W/L) =10um/8um,M9(W/L)=10um/8um,M10(W/L)=13.5um/6um,M11(W/L)=22.25um/6um,W/L为宽长比。
优点及效果
各滤波支路的截止频率更高,滤波器品质因数更高,滤波效果在相同条件下明显优于其他设计。且各参数可独立调节,整体电路结构简单,重构性强。
附图说明
图1、集成状态变量滤波器电路;
图2、运算放大器电路;
图3、Cadence软件仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明:
如图1所示,一种集成状态变量滤波器,包括低通滤波支路,带通滤波支路,带阻滤波支路和高通滤波支路,各滤波支路由电阻、电容和折叠共源共栅运算放大器组成,输入端Ui(s)连接有一个阻值为5MΩ的电阻R4,电阻R4的另一端接在运算放大器A3的反相输入端,运算放大器A3的同相输入端接地,一个阻值为5MΩ的电阻R5与一个容值为30PF的电容C2并连,电阻R5与电容C2并连后的一端接在运算放大器A3的反相输入端,电阻R5与电容C2并连后的另一端与运算放大器A3的输出端共同连接在Uo3,信号从输出端Uo3输出,输入端Ui(s)、电阻R4、电阻R5、电容C2、运算放大器A3和输出端Uo3构成低通滤波支路;
输入端Ui(s)与电阻R4同时连接有一个容值为5pF电容C0,电容C0与一个阻值为100KΩ的电阻R0串连,电阻R0的另一端连接在运算放大器A1的反相输入端,运算放大器A1的同相输入端接地,一个阻值为1MΩ的电阻R1接在运算放大器A1的反相输入端, 电阻R1的另一端连接运算放大器A1的输出端,运算放大器A1的输出端还连接一个阻值为5MΩ的电阻R2,电阻R2接在运算放大器A2的反相输入端,运算放大器A2的同相输入端接地,一个阻值为5MΩ的电阻R3与一个容值为30PF的电容C1并连,电阻R3与电容C1并连后的一端接在运算放大器A2的反相输入端,电阻R3与电容C1并连后的另一端与运算放大器A2的输出端共同连接在输出端Uo2,信号从输出端Uo2输出,输入端Ui(s)、C0、R0、R1、A1、R2、R3、C1、A2和Uo2构成带通滤波支路;
运算放大器A1的输出端还与一个阻值为100KΩ的电阻R7连接,运算放大器A3的输出端还与一个阻值为100KΩ的电阻R6连接,电阻R6的另一端连接在运算放大器A4的反相输入端,运算放大器A4的同相输入端接地,运算放大器A4的反相输入端还同时连接有电阻为100KΩ的电阻R8,电阻R8的另一端与运算放大器A4的输出端相连接,运算放大器A4的输出端连接在输出端Uo4,信号从输出端Uo4输出,Ui(s)、C0、R0、R1、A1、R7、R8、A4、R4、R5、C2、A3、R6和Uo4构成带阻滤波支路;
运算放大器A1的输出端还连接有输出端Uo1,信号从输出端Uo1输出,输入端Ui(s)、C0、R0、R1、A1、R2、R3、C1、A2和输出端Uo1构成高通滤波支路。
如图2所示,运算放大器A1、A2、A3和A4的电路包括电流源电路,差分放大器电路,共源级放大器电路,频率补偿电路;
M1、M2、M5、M6、M7和M10为PMOS管,M3、M4、M8、M9和M11为NMOS管;M1(W/L) =11um/8um,M2(W/L)=11um/8um,M3(W/L)=10um/8um, M4(W/L)=10um/8um,M5(W/L)=5um/2um,M6(W/L)=11um/8um,M7(W/L)=11um/8um,M8(W/L) =10um/8um,M9(W/L)=10um/8um,M10(W/L)=13.5um/6um,M11(W/L)=22.25um/6um,W/L为宽长比。
M1和M2的源极并连到VDD,M1和M2的栅极与M1的漏极和M3的漏极连接到一起,M3和M4的栅极与M2的漏极和M4的漏极连接到一起,M3的源级串连一个电阻R,电阻R的另一端与M4的源级连接并一起连接到GND构成电流源电路,为差分放大器电路和共源级放大电路提供工作电流;
M5的源级接到VDD, M6和M7的源极同时连接到M5的漏极,M6的栅极作为运算放大器的反向输出端Vi1,M7的栅极作为运算放大器的同向输出端Vi2, M8和M9的栅极与M6的漏极和M8的漏极连接到一起,M8和M9的源极共同连接到GND构成差分放大器电路;
M10的源级接到VDD,M10、M5、M1和M2的栅极皆相连,并与M1的漏极和M3的漏极连接到一起,M10的漏极与M11的漏极相连作为运算放大器的输出Vo,M11的栅极与M7、M9的漏极连接到一起,M11的源极接到GND,构成共源级放大电路;
电容C的一端与M11的栅极相连,另一端与M11的漏极相连,电容C与M11构成频率补偿电路。
状态变量滤波器电路只用了四个运算放大器和有限的电阻电容,结构简单。输入信号进入输入端口Ui(s)经过状态滤波器电路后可以同时得到高通、低通、带通、带阻四种滤波结果为测量和控制电路提供了很大的便利。不同滤波支路的截止频率、增益、品质因数可以由通路内R和C的值加以设定,各个通路参数互相独立且不影响,元件扩散的影响非常小,并且温度变化和元件公差的影响也非常小。
滤波支路的截止频率与滤波支路上的电容值和反馈通路上的电阻成反比,所以高通滤波支路上的C0与R1采用较小的值。而低通滤波支路上的C2与R5采用较大值。带通滤波支路是由高通滤波部分与低通滤波支路部分串连组成的,所以这里将R3与C1设定与C2、R5相同的值。为满足滤波支路的增益将R0、R2、R4、R6、R7、R8选取合适的值。本发明集成状态变量滤波器电路,通过拉氏变换法,将电压与电流变换成象函数。用COMS管设计了状态变量滤波电路,以集成运放作为放大电路,以一种运算电路作为其反馈通路,利用状态变量方法来对微分方程进行求解。
该状态变量型滤波电路结构由四个基本运算电路组合而成,在运算放大器之外,仅需外接9个电阻和3个电容,运用比例,积分,求和三种运算电路实现低通、高通、带通和带阻滤波功能。将R1作为运算放大器A1的反馈,电容C0与电阻R0串连接在A1的反相输入端,A1的输出作为整个电路的U01端,构成高通滤波部分。将R5与C2并连作为运算放大器A3的反馈,R4接在A3的反相输入端,A3的输出作为整个电路的U03端,构成低通滤波器部分。在A1输出端串连电阻R2连接在运算放大器A2的反相输入端,并且将R3与C1并连作为A2的反馈,A2的输出作为整个电路的U02端,从C0到U02的这一部分电路作为带通滤波部分。将A1的输出端与电阻R7串连,将A3的输出端与电阻R6串连,并且将R4到R6与C0到R7这部分进行并连接在运算放大器A4的反相输入端,并将R5作为A4的反馈,将A4的输出作为整个电路的U04端,将这一部分电路作为带阻滤波部分。
如图3所示,通过Cadence软件仿真得到状态变量滤波器高通电路截止频率为32.9KHz,低通电路截止频率为1.7KHz,带通电路中心频率为7.0KHz,带阻电路中心频率为7.0KHz,滤波器的品质因数为0.2,明显优于同等条件下的其他设计。各参数可独立调节,整体电路结构简单,重构性强。。
Claims (4)
1.一种集成状态变量滤波器,其特征在于:包括低通滤波支路,带通滤波支路,带阻滤波支路和高通滤波支路,各滤波支路由电阻、电容和折叠共源共栅运算放大器组成,输入端Ui(s)连接有一个电阻R4,电阻R4的另一端接在运算放大器A3的反相输入端,运算放大器A3的同相输入端接地,一个电阻R5与一个电容C2并连,电阻R5与电容C2并连后的一端接在运算放大器A3的反相输入端,电阻R5与电容C2并连后的另一端与运算放大器A3的输出端共同连接在Uo3,信号从输出端Uo3输出,输入端Ui(s)、电阻R4、电阻R5、电容C2、运算放大器A3和输出端Uo3构成低通滤波支路;
输入端Ui(s)与电阻R4同时连接有一个电容C0,电容C0与一个电阻R0串连,电阻R0的另一端连接在运算放大器A1的反相输入端,运算放大器A1的同相输入端接地,一个电阻R1接在运算放大器A1的反相输入端, 电阻R1的另一端连接运算放大器A1的输出端,运算放大器A1的输出端还连接一个电阻R2,电阻R2接在运算放大器A2的反相输入端,运算放大器A2的同相输入端接地,一个电阻R3与一个电容C1并连,电阻R3与电容C1并连后的一端接在运算放大器A2的反相输入端,电阻R3与电容C1并连后的另一端与运算放大器A2的输出端共同连接在输出端Uo2,信号从输出端Uo2输出,输入端Ui(s)、C0、R0、R1、A1、R2、R3、C1、A2和Uo2构成带通滤波支路;
运算放大器A1的输出端还与一个电阻R7连接,运算放大器A3的输出端还与一个电阻R6连接,电阻R6的另一端连接在运算放大器A4的反相输入端,运算放大器A4的同相输入端接地,运算放大器A4的反相输入端还同时连接有电阻R8,电阻R8的另一端与运算放大器A4的输出端相连接,运算放大器A4的输出端连接在输出端Uo4,信号从输出端Uo4输出,Ui(s)、C0、R0、R1、A1、R7、R8、A4、R4、R5、C2、A3、R6和Uo4构成带阻滤波支路;
运算放大器A1的输出端还连接有输出端Uo1,信号从输出端Uo1输出,输入端Ui(s)、C0、R0、R1、A1、R2、R3、C1、A2和输出端Uo1构成高通滤波支路。
2.根据权利要求1所述的集成状态变量滤波器,其特征在于:所述运算放大器A1、A2、A3和A4的电路包括电流源电路,差分放大器电路,共源级放大器电路,频率补偿电路;
M1、M2、M5、M6、M7和M10为PMOS管,M3、M4、M8、M9和M11为NMOS管;
M1和M2的源极并连到VDD,M1和M2的栅极与M1的漏极和M3的漏极连接到一起,M3和M4的栅极与M2的漏极和M4的漏极连接到一起,M3的源级串连一个电阻R,电阻R的另一端与M4的源级连接并一起连接到GND构成电流源电路,为差分放大器电路和共源级放大电路提供工作电流;
M5的源级接到VDD, M6和M7的源极同时连接到M5的漏极,M6的栅极作为运算放大器的反向输出端Vi1,M7的栅极作为运算放大器的同向输出端Vi2,M8和M9的栅极与M6的漏极和M8的漏极连接到一起,M8和M9的源极共同连接到GND构成差分放大器电路;
M10的源级接到VDD,M10、M5、M1和M2的栅极皆相连,并与M1的漏极和M3的漏极连接到一起,M10的漏极与M11的漏极相连作为运算放大器的输出Vo,M11的栅极与M7、M9的漏极连接到一起,M11的源极接到GND,构成共源级放大电路;
电容C的一端与M11的栅极相连,另一端与M11的漏极相连,电容C与M11构成频率补偿电路。
3.根据权利要求1所述的集成状态变量滤波器,其特征在于:所述R0为100KΩ,R1为1MΩ,R2为5MΩ,R3为5MΩ,R4为5MΩ,R5为5MΩ,R6为100KΩ,R7为100KΩ,R8为100KΩ;C0为5pF,C1为30pF,C2为30PF。
4.根据权利要求2所述的集成状态变量滤波器,其特征在于:所述M1(W/L) =11um/8um,M2(W/L)=11um/8um,M3(W/L)=10um/8um,M4(W/L)=10um/8um,M5(W/L)=5um/2um,M6(W/L)=11um/8um,M7(W/L)=11um/8um,M8(W/L) =10um/8um,M9(W/L)=10um/8um,M10(W/L)=13.5um/6um,M11(W/L)=22.25um/6um,W/L为宽长比。
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