CN109873620B - 三阶低通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三阶低通滤波器，包括第一跨导运算放大器、第二跨导运算放大器、第三跨导运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容及第三电容；所述第一跨导运算放大器、所述第二跨导运算放大器及所述第三跨导运算放大器依次串联于信号输入端和信号输出端之间且其输出分别通过所述第一电容、第二电容及所述第三电容连接至接地端；所述第一电阻与所述第一跨导运算放大器形成并联，所述第二电阻与所述第三跨导运算放大器形成并联，所述第三电阻一端连接于所述第一跨导运算放大器的输入，其另一端连接于其输出。与相关技术相比，本发明的三阶低通滤波器结构简单、功耗低且带宽大。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种三阶低通滤波器。
背景技术
滤波器是模拟电路系统中必不可少的模块，在系统中起到频率选择的作用。按照所使用元件类型分类，模拟滤波器可分为无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器是由电感、电阻、电容等无源元件组成的滤波网络，通过电感和电容的频率特性，使得对不同的频率信号有不同的阻碍效果，达到滤波的目的。但由于这种滤波器只消耗能量不提供能量，因此其通带增益小于1，对信号有一定损耗。另外，在集成电路中，电感所占面积比较大，使得这种滤波器的应用受到了很大的限制。为了克服这种限制，人们发明了电感的替代方法，通过有源器件如运算放大器来等效电感的特性，于是就出现了有源滤波器。有源器件能够给电路提供一定的能量，弥补电阻对信号的损耗，其通带增益可以做到大于1。因此有源滤波器在集成电路中得到广泛应用。
然而，相关技术的有源滤波器中，其实际的Q值会因运算放大器的有限单位增益带宽而升高，导致所述有源滤波器特性偏离理想值。要保持通带的平坦性，所述运算放大器的单位增益带宽通常达到滤波器带宽的100倍以上，导致所述运算放大器的功耗比较大，不适合高频应用；另外所述运算放大器需要额外的偏置电路，增加了电路的复杂性。
因此，实有必要提供一种新的有源滤波器解决上述问题。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明提出一种结构简单、功耗低且带宽大的三阶低通滤波器。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三阶低通滤波器，包括信号输入端、信号输出端，第一跨导运算放大器、第二跨导运算放大器、第三跨导运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容及第三电容；所述第一跨导运算放大器、所述第二跨导运算放大器及所述第三跨导运算放大器依次串联于所述信号输入端和所述信号输出端之间；所述第一电阻与所述第一跨导运算放大器形成并联，所述第二电阻与所述第三跨导运算放大器形成并联，所述第三电阻一端连接于所述第一跨导运算放大器的输入，其另一端连接于所述第三跨导运算放大器的输出；所述第一跨导运算放大器的输出通过所述第一电容连接至接地端，所述第二跨导运算放大器的输出通过所述第二电容连接至接地端，所述第三跨导运算放大器的输出通过所述第三电容连接至接地端。
优选的，所述第一跨导运算放大器、所述第二跨导运算放大器及所述第三跨导运算放大器中，其中至少一个结构为：包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的栅极作为输入，所述第一晶体管的源极连接至电源端，所述第一晶体管的漏极作为输出；所述第二晶体管的栅极连接至所述第一晶体管的栅极，所述第二晶体管的源极连接至接地端，所述第二晶体管的漏极连接至所述第一晶体管的漏极。
优选的，所述第一跨导运算放大器、所述第二跨导运算放大器及所述第三跨导运算放大器中，其中至少一个结构为：包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的栅极连接至电压端，所述第一晶体管的源极连接至电源端，所述第一晶体管的漏极作为输出；所述第二晶体管的栅极作为输入，所述第二晶体管的源极连接至接地端，所述第二晶体管的漏极连接至所述第一晶体管的漏极。
优选的，所述第一跨导运算放大器、所述第二跨导运算放大器及所述第三跨导运算放大器中，其中至少一个结构为：包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的栅极作为输入，所述第一晶体管的源极连接至电源端，所述第一晶体管的漏极作为输出；所述第二晶体管的栅极连接至电压端，所述第二晶体管的源极接地，所述第二晶体管的漏极连接至所述第一晶体管的漏极。
优选的，所述第一晶体管为PMOS管，所述第二晶体管为NMOS管。
优选的，所述第一电阻、所述第二电阻及所述第三电阻均为反馈偏置电阻。
优选的，所述第一电容、所述第二电容及所述第三电容均为负载电容。
与相关技术相比，本发明的三阶低通滤波器通过设置依次串联的所述第一跨导运算放大器、所述第二跨导运算放大器和所述第三跨导运算放大器，使所述第一跨导运算放大器与所述第一电阻形成第一增益级，所述第三跨导运算放大器与所述第三电阻组成第二增益级，所述第二跨导运算放大器为所述第一增益级和所述第二增益级之间的缓冲级，起到隔离作用，通过所述第一电阻、所述第二电阻和所述第三电阻为对应的跨导运算放大器提供直流偏置，使得跨导运算放大器不需要额外的共模反馈电路，从而实现了结构简单且功耗低的目的；另外由于所述三阶低通滤波器不受单位增益带宽的限制，使其带宽大，滤波性能好。
附图说明
下面结合附图详细说明本发明。通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中：
图1为本发明三阶低通滤波器的电路结构图；
图2为本发明三阶低通滤波器的跨导运算放大器的电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
在此记载的具体实施方式/实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。
请参图1所示，为本发明三阶低通滤波器的电路结构图。本发明提供一种三阶低通滤波器100，包括信号输入端Vin、信号输出端Vout，第一跨导运算放大器OTA1、第二跨导运算放大器OTA2、第三跨导运算放大器OTA3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2及第三电容C3。
所述第一跨导运算放大器OTA1、所述第二跨导运算放大器OTA2及所述第三跨导运算放大器OTA3依次串联于所述信号输入端Vin和所述信号输出端Vout之间。所述第一跨导运算放大器OTA1、所述第二跨导运算放大器OTA2及所述第三跨导运算放大器OTA3的结构可以全部相同，也可部分相同，当然也可全部不相同，这都是可行的。
所述第一电阻R1与所述第一跨导运算放大器OTA1形成并联；所述第二电阻R2与所述第三跨导运算放大器OTA3形成并联；所述第三电阻R3一端连接于所述第一跨导运算放大器OTA1的输入，其另一端连接于所述第三跨导运算放大器OTA3的输出。
所述第一跨导运算放大器OTA1的输出通过所述第一电容C1连接至接地端，所述第二跨导运算放大器OTA2的输出通过所述第二电容C1连接至接地端，所述第三跨导运算放大器OTA3的输出通过所述第三电容C3连接至接地端。
上述三阶低通滤波器100的结构中，所述第一电阻R1、所述第二电阻R2及所述第三电阻R3均为反馈偏置电阻。所述第一电容C1、所述第二电容C2及所述第三电容C3均为负载电容。
其中，所述第一跨导运算放大器OTA1和所述第一电阻R1组成第一增益级，所述第三跨导运算放大器OTA3和所述第三电阻R3组成第二增益级，所述第二跨导运算放大器OTA2形成所述第一增益级和所述第二增益级之间的缓冲级，起到隔离作用。
由于所述第一电阻R1、所述第二电阻R2及所述第三电阻R3均为反馈偏置电阻，其共同为所述第一跨导运算放大器OTA1、所述第二跨导运算放大器OTA2及所述第三跨导运算放大器OTA3的输入提供直流偏置，因此，所述第一跨导运算放大器OTA1、所述第二跨导运算放大器OTA2及所述第三跨导运算放大器OTA3不需要额外的共模反馈电路，使得所述三阶低通滤波器的电路结构简单且功耗小。
请结合参阅图2，为本发明三阶低通滤波器的跨导运算放大器的电路结构图，其中，图(a)、图(b)及图(c)为跨导运算放大器的三种实施例的电路结构图。即本发明的三阶低通滤波器100中的所述第一跨导运算放大器OTA1、所述第二跨导运算放大器OTA2及所述第三跨导运算放大器OTA3可为其中的任意一种结构的跨导运算放大器。可全部相同，也可部分相同，也可全部相异，这都是可行的。
具体的，本实施方式中，所述第一跨导运算放大器OTA1、所述第二跨导运算放大器OTA2及所述第三跨导运算放大器OTA3结构均相同。以所述第一跨导运算放大器OTA1为例进行说明，则其可为三种结构的实施例：
实施例一
如图(a)所示，所述第一跨导运算放大器OTA1包括第一晶体管M1和第二晶体管M2，其中，所述第一晶体管M1为PMOS管，所述第二晶体管M2为NMOS管。
所述第一晶体管M1的栅极作为输入in，所述第一晶体管M1的源极连接至电源端，所述第一晶体管M1的漏极作为输出out。
所述第二晶体管M2的栅极连接至所述第一晶体管M1的栅极，所述第二晶体管M2的源极连接至接地端，所述第二晶体管M2的漏极连接至所述第一晶体管M1的漏极。
实施例二
如图(b)所示，所述第一跨导运算放大器OTA1包括第一晶体管M1和第二晶体管M2，所述第一晶体管M1的栅极连接至电压端vb，所述第一晶体管M1的源极连接至电源端，所述第一晶体管M1的漏极作为输出out。
所述第二晶体管M2的栅极作为输入in，所述第二晶体管M2的源极连接至接地端，所述第二晶体管M2的漏极连接至所述第一晶体管M1的漏极。
实施例三
如图(c)所示，所述第一跨导运算放大器OTA1包括第一晶体管M1和第二晶体管M2，所述第一晶体管M1的栅极作为输入in，所述第一晶体管M1的源极连接至电源端，所述第一晶体管M1的漏极作为输出out。
所述第二晶体管M2的栅极连接至电压端，所述第二晶体管M2的源极接地，所述第二晶体管M2的漏极连接至所述第一晶体管M1的漏极。
当然，所述第一跨导运算放大器OTA1、第二跨导运算放大器OTA2及第三跨导运算放大器OTA3的结构并不限于上述。三者可为上述三种实施例中任意一种。
请继续参图1所示，假设R1＝R2＝R3＝R，gm*R>>1，其中gm为跨导系数，则所述三阶低通滤波器100所示电路的传输函数可以表示为：
其中，为滤波器带宽；/>为滤波器品质因子。
则由上式可知，所述三阶低通滤波器100的传输函数除了有三个极点外，还有两个实零点。它们分别为：
当c3>c1时，ωz＞＞ω0，零点分布在阻带，对所述三阶低通滤波器100的通带及过渡带特性没有影响，因此该三阶低通滤波器100的电路可等效为一个三阶低通滤波器。
根据上面的公式，设c1＝c2，c3/c1＝gm*R，则：ω0＝1/(R*c1)，Q≈1，此时所述三阶低通滤波器100为三阶巴特沃斯低通滤波器。
本发明的上述三阶低通滤波器100由于不受单位增益带宽的限制，其带宽比相关技术中的有源Active-RC型的滤波器大很多，其性能更优。
与相关技术相比，本发明的三阶低通滤波器通过设置依次串联的所述第一跨导运算放大器、所述第二跨导运算放大器和所述第三跨导运算放大器，使所述第一跨导运算放大器与所述第一电阻形成第一增益级，所述第三跨导运算放大器与所述第三电阻组成第二增益级，所述第二跨导运算放大器为所述第一增益级和所述第二增益级之间的缓冲级，起到隔离作用，通过所述第一电阻、所述第二电阻和所述第三电阻为对应的跨导运算放大器提供直流偏置，使得跨导运算放大器不需要额外的共模反馈电路，从而实现了结构简单且功耗低的目的；另外由于所述三阶低通滤波器不受单位增益带宽的限制，使其带宽大，滤波性能好。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。
Claims (7)
1.一种三阶低通滤波器，其特征在于，包括信号输入端、信号输出端，第一跨导运算放大器、第二跨导运算放大器、第三跨导运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容及第三电容；所述第一跨导运算放大器、所述第二跨导运算放大器及所述第三跨导运算放大器依次串联于所述信号输入端和所述信号输出端之间；所述第一电阻与所述第一跨导运算放大器形成并联，所述第二电阻与所述第三跨导运算放大器形成并联，所述第三电阻一端连接于所述第一跨导运算放大器的输入，其另一端连接于所述第三跨导运算放大器的输出；所述第一跨导运算放大器的输出通过所述第一电容连接至接地端，所述第二跨导运算放大器的输出通过所述第二电容连接至接地端，所述第三跨导运算放大器的输出通过所述第三电容连接至接地端。
2.根据权利要求1所述的三阶低通滤波器，其特征在于，所述第一跨导运算放大器、所述第二跨导运算放大器及所述第三跨导运算放大器中，其中至少一个结构为：包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的栅极作为输入，所述第一晶体管的源极连接至电源端，所述第一晶体管的漏极作为输出；所述第二晶体管的栅极连接至所述第一晶体管的栅极，所述第二晶体管的源极连接至接地端，所述第二晶体管的漏极连接至所述第一晶体管的漏极。
3.根据权利要求1所述的三阶低通滤波器，其特征在于，所述第一跨导运算放大器、所述第二跨导运算放大器及所述第三跨导运算放大器中，其中至少一个结构为：包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的栅极连接至电压端，所述第一晶体管的源极连接至电源端，所述第一晶体管的漏极作为输出；所述第二晶体管的栅极作为输入，所述第二晶体管的源极连接至接地端，所述第二晶体管的漏极连接至所述第一晶体管的漏极。
4.根据权利要求1所述的三阶低通滤波器，其特征在于，所述第一跨导运算放大器、所述第二跨导运算放大器及所述第三跨导运算放大器中，其中至少一个结构为：包括第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管的栅极作为输入，所述第一晶体管的源极连接至电源端，所述第一晶体管的漏极作为输出；所述第二晶体管的栅极连接至电压端，所述第二晶体管的源极接地，所述第二晶体管的漏极连接至所述第一晶体管的漏极。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的三阶低通滤波器，其特征在于，所述第一晶体管为PMOS管，所述第二晶体管为NMOS管。
6.根据权利要求1所述的三阶低通滤波器，其特征在于，所述第一电阻、所述第二电阻及所述第三电阻均为反馈偏置电阻。
7.根据权利要求1所述的三阶低通滤波器，其特征在于，所述第一电容、所述第二电容及所述第三电容均为负载电容。
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