CN110022136A - 滤波器网络 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种滤波器网络，包括：有源滤波器，其中所述有源滤波器被配置为将从由极点和零点组成的组中选择的至少一个成员添加到所述滤波器网络的传递函数；无源滤波器，耦合到所述有源滤波器，并配置为将由极点和零点组成的组中选择的至少一个成员添加到所述滤波器网络的所述传递函数；和非反相放大器，具有耦合到所述无源滤波器的输出的输入和耦合到所述有源滤波器的输入的输出。实施本发明实施例可改进滤波器网络的性能。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，尤其涉及滤波器网络。
背景技术
双二阶滤波器(Biquadratic filter)是具有传递函数的滤波器，其是两个二阶函数的比率。二阶函数可以是多项式函数，其中每个函数中的最高阶(degree)是第二阶。通常，通过级联两个有源滤波器形成双二阶滤波器网络，每个有源滤波器包括运算放大器以实现期望的传递函数。这种双二阶滤波器的一个例子如图1中的双二阶滤波器100所示。
双二阶滤波器100分别包括第一和第二运算放大器108和116，每个都具有接近无限的开环增益，并与其他电子组件一起布置以形成有源滤波器。如图所示，运算放大器108的输出通过包括电容器106(或称之为C1)的反馈回路耦合到运算放大器108的输入。类似地，第二运算放大器116的输出通过反馈回路耦合到第二运算放大器116的输入，所述反馈回路包括并联耦合的电阻器112(或称之为R4)和电容器114(或称之为C2)。第二运算放大器116的输出还通过包括电阻器104(或称之为R3)的另一反馈回路耦合到第一运算放大器108的输入。另外，双二阶滤波器100包括将双二阶滤波器100的输入耦合到第一运算放大器108的输入的电阻器102(或称之为R1)和将第一运算放大器108的输出耦合到第二运算放大器116的输入的电阻器110(或称之为R2)。在s平面中用于双二阶滤波器100的导出传递函数在下面的等式(1)中示为
T1(s)：
发明内容
本发明提供滤波器网络，可改进滤波器网络的性能。
本发明提供一种滤波器网络，包括：有源滤波器，其中所述有源滤波器被配置为将从由极点和零点组成的组中选择的至少一个成员添加到所述滤波器网络的传递函数；无源滤波器，耦合到所述有源滤波器，并配置为将由极点和零点组成的组中选择的至少一个成员添加到所述滤波器网络的所述传递函数；和非反相放大器，具有耦合到所述无源滤波器的输出的输入和耦合到所述有源滤波器的输入的输出。
本发明提供另一种滤波器网络，包括：具有输入和输出的放大器；无源滤波器，耦合到所述放大器的输出，并被配置为将由极点和零点组成的组中选择的至少一个成员添加到滤波器网络的传递函数；和电压缓冲器，具有耦合到所述无源滤波器输出的输入和耦合到所述放大器输入的输出。
由上可知，本发明的技术方案提供的滤波器网络中在无源滤波器后面耦合有非反相放大器(例如，电压缓冲器)，所述非反相放大器可改进所述滤波器网络的性能。
附图说明
图1是传统双二阶滤波器的示意图。
图2是根据一些实施例的示例滤波器网络的示意图。
图3是根据一些实施例的另一示例滤波器网络的示意图。
图4A，4B和4C分别是根据一些实施例的示例电压缓冲器的示意图。
具体实施方式
在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”及“包括”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大体上”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性连接于所述第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电性连接至所述第二装置。以下所述为实施本发明的较佳方式，目的在于说明本发明的精神而非用以限定本发明的保护范围，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
接下面的描述为本发明预期的最优实施例。这些描述用于阐述本发明的大致原则而不应用于限制本发明。本发明的保护范围应在参考本发明的权利要求的基础上进行认定。
如上所述，传统的双二阶滤波器具有传递函数，所述传递函数是两个二阶函数的比率，并且通常通过级联多个有源滤波器形成。发明人已经意识到，这种双二阶滤波器，包括上述双二阶滤波器100，在驱动电容性负载时性能较差。例如，传统双二阶滤波器的输出可以变为非线性和/或可以减小传统双二阶滤波器的带宽。结果，这些传统的双二阶滤波器可能不适合用于采用更严格的通信标准的通信系统，例如IEEE802.11ax和5G蜂窝通信标准。
因此，本公开的方面涉及在以相对高的频率驱动电容性负载时表现出改善的性能的滤波器网络，例如以100MHz的频率驱动具有至少约8皮法(pF)的电容的负载具有大于60dBc的第三阶失真。这里描述的滤波器网络可以在驱动电容性负载时提供改善的线性度。在一些实施例中，滤波器网络可以用耦合到非反相放大器的无源滤波器代替滤波器级联中的最后有源滤波器。非反相放大器可以包括电压缓冲器。在这些实施例中，无源滤波器可以被设计为向滤波器网络的传递函数添加极点和/或零，使得滤波器网络的传递函数仍然是二阶函数(或更高阶多项式函数)的比率。非反相放大器(例如，电压缓冲器)可以具有低开环增益(例如，不超过100的开环增益)并且从负载缓冲滤波器。结果，滤波器网络在驱动容性负载中的性能得到改善，因为负载由非反相放大器(例如，电压缓冲器)驱动，而不是由级联中的最后一个滤波器直接驱动。此外，非反相放大器(例如，电压缓冲器)的输出可以用在反馈电路路径中，返回到级联中的一个或多个滤波器中。因此，非反相放大器(例如，电压缓冲器)被集成到滤波器网络中后，相对于简单地向传统双二阶滤波器的输出添加电压缓冲器的设计，可以更好地控制非反相放大器(例如，电压缓冲器)的输出电压。
图2示出了实现为双二阶滤波器的示例滤波器网络200的图，所述双二阶滤波器的传递函数具有两个极点和两个零点。滤波器网络200在输入端201接收输入信号，并通过输出端203向负载提供输出信号。负载可以是例如电容性负载。滤波器网络200可以采用级联滤波器来实现期望的传递函数，包括耦合到输入201的有源滤波器205和耦合到有源滤波器205的无源滤波器211。级联滤波器的输出可以作为输入提供至耦合到输出203的电压缓冲器212。因此，电压缓冲器212而不是有源滤波器205和/或无源滤波器211可以驱动耦合到输出203的负载。
有源滤波器205可以被配置为向滤波器网络200的传递函数提供一个或多个极点和/或零点。有源滤波器205可以包括至少一个有源电子部件。示例性有源电子组件包括晶体管和采用晶体管的器件，诸如放大器(例如，运算放大器)。有源滤波器205还可以包括一个或多个无源部件，例如电阻器，电容器，电感器和变压器。
可以基于滤波器网络200的期望传递函数以多种方式中的任何一种来构造有源滤波器205。如图2所示，有源滤波器205可以包括放大器208，其输出通过包括电容器206(C1)的第一反馈回路耦合到放大器208的输入。滤波器网络200的输出203还可以通过包括电阻器204(R3)的第二反馈回路耦合到放大器208的输入。放大器208的输入还可以经由电阻器202(R1)耦合到滤波器网络200的输入201。另外，第一和/或第二反馈回路可包括图2中未示出的附加部件。例如，第一反馈回路还可以包括电阻器(未示出)，其在放大器208的输入和输出之间与电容器206并联耦合。
有源滤波器205中的放大器208可以具有比电压缓冲器212更高的开环增益。在一些实施例中，放大器208的开环增益可以比电压缓冲器212的开环增益至少大一个数量级(例如，至少大10倍)，例如，所述放大器208的开环增益比所述电压缓冲器的开环增益大10到100倍。例如，放大器208的开环增益可以是至少10,000并且电压缓冲器212的开环增益可以不大于100。放大器208可以被实现为，例如，运算放大器。
无源滤波器211可以被配置为向滤波器网络200的传递函数提供一个或多个极点和/或零点。例如，无源滤波器211可以被构造为将至少一个极点添加到滤波器的传递函数。与有源滤波器205不同，无源滤波器211可以完全由无源电子部件构成，例如电阻器，电容器，电感器和变压器。因此，无源滤波器211可以不包括任何有源电子部件，例如晶体管。例如，无源滤波器211可以实现为包括至少一个电阻器和至少一个电容器的电阻器-电容器(RC)滤波器，或包括至少一个电感器和至少一个电阻器和至少一个电感器的电阻器-电感器(RL)滤波器，或包括至少一个电感器和至少一个电容器的电感器-电容器(LC)滤波器，和/或包括至少一个电阻器，至少一个电感器和至少一个电容器的电阻器-电感器-电容器(RLC)滤波器。
无源滤波器211可以基于滤波器网络200的期望传递函数以多种方式中的任何一种来构造。如图2所示，无源滤波器211实现为RC滤波器，其包括电阻器210(R4)和电容器214(C2)。电阻器210耦合在有源滤波器205的输出(例如，放大器208的输出)和电压缓冲器212的输入之间。复数个电容器214中的每一个具有耦合在电阻器210和缓冲器212的电压输入的第一端子和耦合到参考电位(例如，地)的第二端子。
应当理解，滤波器网络200可以包括一个以上的有源滤波器205和/或一个以上的无源滤波器211。例如，可以在输入201和电压缓冲器212之间级联附加滤波器以实现更高阶的多项式在滤波器网络200的传递函数中起作用，例如三阶或四阶多项式函数。因此，这里描述的滤波器网络不限于仅采用如图2所示单个有源滤波器205和/或单个无源滤波器211的实现。
电压缓冲器212可以被配置为缓冲来自耦合到输出203的负载的级联滤波器。因此，电压缓冲器212而不是有源滤波器205或无源滤波器211可以驱动负载。电压缓冲器的输出212可以紧密地(或精确地)跟踪从无源滤波器211接收的电压缓冲器212的输入。与有源滤波器205中的放大器208不同，电压缓冲器212可以具有低开环增益(例如，开路-环路增益不超过100)。例如，电压缓冲器212可以具有大约1的开环增益。因此，电压缓冲器212的结构可以比放大器208的结构简单得多。例如，电压缓冲器212可以包括有限数量的晶体管(例如，少于15个晶体管，少于12个晶体管，少于10个晶体管，少于8个晶体管，少于5个晶体管等)。电压缓冲器212的示例实现在下面参考图4A，4B和4C进一步描述。
在一些实施例中，滤波器网络200可以具有与图1中所示的双二阶滤波器100相同的传递函数。虽然滤波器网络200的传递函数不包括参数R2，因为已经去除了与参数R2相关联的电阻器，但是添加了代表电压缓冲器212的增益的新参数ASF。滤波器网络200的传递函数在下面等式2中示为T2(s)：
给定新参数ASF在滤波器网络200的传递函数中的位置，可以通过选择电压缓冲器212的增益使得滤波器网络200的传递函数等效于双二阶滤波器100的传递函数，使得参数ASF等于术语R4和R2的比率，如下面的等式3所示：
将等式(2)中的参数ASF替换为等式(3)中所示的R4和R2的比率，产生与双二阶滤波器100的传递函数相同的传递函数，传递函数在下面的等式(4)通过T3(s)所示：
因此，滤波器网络200提供改进的性能的同时可以具有与图1中所示的双二阶滤波器100等效的传递函数。
在一些实施例中，滤波器网络200还可以包括一个或多个组件，以降低滤波器网络的输出203处的共模电压。图3中的滤波器网络300示出了这种滤波器网络的示例。相对于图2中的滤波器网络200，滤波器网络300添加共模电压感测电路302和参考电压端子304。共模电压感测电路302耦合到电压缓冲器212，放大器208和参考电压端子304的输出。共模电压感测电路302可以被配置为测量电压缓冲器212的输出处的共模电压，并将电压缓冲器212的输出处的共模电压与从参考电压端子304接收的参考电压进行比较。共模电压感测电路302可以基于在电压缓冲器212的输出处测量的共模电压与从参考电压端子304接收的参考电压之间的差值来为放大器208生成反馈信号。放大器208可以反过来，采用来自共模电压检测电路302的反馈信号来调节放大器输出端的共模电压结果，放大器208的输出处的共模电压可以朝向(和/或等于)施加到参考电压端子304的参考电压被驱动。
应当理解，本文描述的包括滤波器网络200和300的滤波器网络可以使用一个或多个半导体芯片来实现。例如，滤波器网络的组件可以在单个半导体芯片中实现，所述半导体芯片可以集成到电路封装中。在另一个示例中，滤波器网络的组件可以分布在可以电连接的多个半导体芯片中。多个芯片可以集成到单个电路封装或多个电路封装中。
如上所述，可以在滤波器网络(例如，滤波器网络200和/或300)中采用电压缓冲器(例如，电压缓冲器212)来驱动负载。应当理解，电压缓冲器可以以多种方式中的任何一种来构造。为了说明，图4A，4B和4C所示的电压缓冲器400A，400B和400C分别示出了三个不同的示例电压缓冲器实现。电压缓冲器400A，400B和400C中的每一个在输入端401处接收输入信号并在输出端403处提供输出信号。
如图4A所示，电压缓冲器400A包括耦合到电流源404的晶体管402(示为N型晶体管)。晶体管402具有耦合到电源电压(VS)的漏极端子，耦合到输出403的源极端子，耦合到输入401的栅极端子。电流源404耦合在晶体管402的源极端子和参考电位(例如，地)之间。
如图4B所示，电压缓冲器400B包括耦合到第一晶体管408(示为N型晶体管)和第二电流源410的第一电流源406。第一晶体管408具有耦合到第一电流源406的漏极端子，耦合到输入401的栅极端子，耦合到第二电流源410和输出403的源极端子。第一电流源406耦合在电源电压(VS)和第一晶体管408的漏极端子之间。第二电流源410耦合在第一晶体管408的源极端子和参考电位(例如，地)之间。电压缓冲器400B还包括第二晶体管412(示为P型晶体管)，其具有耦合到第一电流源406的栅极端子，耦合到电源电压(VS)的源极端子，以及耦合到输出403的漏极端子。
如图4C所示，电压缓冲器400C包括耦合到第一晶体管416(示为N型晶体管)和第二晶体管422(示为N型晶体管)的第一电流源414。电压缓冲器400C还包括耦合至第一电流源414的第三晶体管418(示为P型晶体管)和第二电流源420。第一晶体管416具有耦合至第一电流源414的漏极端子，耦合到输入401的栅极端子，耦合到输出403的源极端子。第二晶体管422具有耦合到输出403的漏极端子，耦合到第二电流源420的栅极端子，以及耦合到参考电位(例如，地面)的源极端子。第三晶体管418具有耦合到第一电流源414的源极端子，耦合到偏置端子424的栅极端子(例如，被配置为接收诸如直流(DC)偏置电压的偏置电压)，以及耦合到第二电流源420的漏极端子。晶体管418可以例如形成共栅反馈晶体管，以实现电压缓冲器400C的推挽操作。第一电流源414耦合在电源电压(VS)和第一晶体管416的漏极端之间。第二电流源420耦合在第三晶体管418的漏极端和参考电位(例如，地)之间。
应当理解，上述晶体管可以以各种方式中的任何一种来实现。例如，一个或多个晶体管可以实现为双极结型晶体管或场效应晶体管(FET)，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，结型场效应晶体管(JFET)和异质结构。场效应晶体管(HFET)。在将这里描述的一个或多个晶体管实现为BJT的情况下，上述用于这种晶体管的栅极，源极和漏极端子可以分别是基极，发射极和集电极端子。
在一些实施例中，术语“大约”，“大约”和“基本上”可以用于表示目标值的±10％以内。术语“大约”，“大约”和“基本上”可以包括目标值。应当理解，术语“大约”，“大约”和“基本上”可以用于指代小于目标值的±10％的范围，例如：目标值的±5％，±2.5％目标值的±1％，目标值的±1％。
在权利要求中使用诸如“第一”，“第二”，“第三”等的序数术语来修改权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素优先于另一个或者时间的任何优先权，优先权或顺序。执行方法的行为的顺序，但仅用作标签以将具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称的另一个元素(但是用于使用序数术语)区分，以区分权利要求元素。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
Claims (14)
1.一种滤波器网络，其特征在于，包括：
有源滤波器，其中所述有源滤波器被配置为将从由极点和零点组成的组中选择的至少一个成员添加到所述滤波器网络的传递函数；
无源滤波器，耦合到所述有源滤波器，并配置为将由极点和零点组成的组中选择的至少一个成员添加到所述滤波器网络的所述传递函数；和
非反相放大器，具有耦合到所述无源滤波器的输出的输入和耦合到所述有源滤波器的输入的输出。
2.根据权利要求1所述的滤波器网络，其特征在于，所述无源滤波器实现为包括至少一个电阻器和至少一个电容器的电阻器-电容器滤波器，或包括至少一个电感器和至少一个电阻器和至少一个电感器的电阻器-电感器滤波器，或包括至少一个电感器和至少一个电容器的电感器-电容器滤波器，或包括至少一个电阻器，至少一个电感器和至少一个电容器的电阻器-电感器-电容器滤波器。
3.根据权利要求2所述的滤波器网络，其特征在于，当所述无源滤波器实现为所述电阻器-电容器滤波器，所述无源滤波器包括耦合在所述有源滤波器的输出与所述非反相放大器的输入之间的电阻器和耦合在所述电阻器和所述非反相放大器的输入及参考电位之间的电容器。
4.根据权利要求1所述的滤波器网络，其特征在于，所述滤波器网络的传递函数具有至少两个极点和至少两个零点。
5.根据权利要求1所述的滤波器网络，其特征在于，所述有源滤波器包括：
耦合在所述滤波器网络的输入和所述无源滤波器的输入之间的放大器；
耦合在所述非反相放大器的输出和所述放大器的输入之间的电阻器；和
耦合在所述放大器输出和所述放大器输入之间的电容器。
6.根据权利要求1所述的滤波器网络，其特征在于，所述放大器具有开环增益，所述开环增益是所述非反相放大器的开环增益的至少10倍。
7.根据权利要求1所述的滤波器网络，其特征在于，还包括：共模电压感测电路，被配置为测量由所述非反相放大器输出的共模电压，并基于由所述非反相放大器输出的共模电压的测量产生用于放大器的控制信号。
8.根据权利要求1所述的滤波器网络，其特征在于，所述非反相放大器包括：
电流源，包括耦接于第一参考电位的第一端和一第二端；和
晶体管，所述晶体管的漏极端子耦合到第二参考电位，栅极端子耦合到所述非反相放大器的输入，源极端子耦合到所述电流源的所述第二端及所述非反相放大器的输出。
9.根据权利要求1所述的滤波器网络，其特征在于，所述非反相放大器为电压缓冲器。
10.一种滤波器网络，其特征在于，包括：
具有输入和输出的放大器；
无源滤波器，耦合到所述放大器的输出，并被配置为将由极点和零点组成的组中选择的至少一个成员添加到滤波器网络的传递函数；和
电压缓冲器，具有耦合到所述无源滤波器输出的输入和耦合到所述放大器输入的输出。
11.根据权利要求10所述的滤波器网络，其特征在于，还包括：
电路封装，至少容纳所述放大器，所述无源滤波器和所述电压缓冲器。
12.根据权利要求11所述的滤波器网络，其特征在于，所述电压缓冲器包括：
第一电流源，包括耦接于第一参考电位的第一端和一第二端；和
第一晶体管，所述第一晶体管的源极端子耦合到所述第一电流源的所述第二端和所述电压缓冲器的输出，栅极端子耦合到所述电压缓冲器的输入，漏极端子耦合到第二参考电位。
13.根据权利要求12所述的滤波器网络，其特征在于，所述电压缓冲装置还包括：
第二电流源，耦合到所述第一晶体管的漏极端子和所述参考电位之间；和
第二晶体管，所述第二晶体管的源极端子耦合到所述参考电位，栅极端子耦合到所述第一晶体管的漏极端子和所述第二电流源，漏极端子耦合到所述电压缓冲器的输出和所述第一晶体管的所述源极端子。
14.根据权利要求11所述的滤波器网络，其特征在于，所述电压缓冲装置包括：
第一电流源，包括耦接于第一参考电位的第一端和一第二端；和
第一晶体管，所述第一晶体管的漏极端子耦合到所述第一电流源的所述第二端，栅极端子耦合到一偏置端子，源极端子耦合到第二个电流源的第一端；
第二电流源，包括耦合到所述第一晶体管的所述源极端子的所述第一端和耦合到第二参考电位的第二端；
第二晶体管，所述第二晶体管的源极端子耦合到所述第一参考电位，栅极端子耦合到所述第一电流源的所述第二端和所述第一晶体管的所述漏极端子，漏极端子耦合到所述电压缓冲器的输出；
第三晶体管，所述第三晶体管的源极端子耦合到所述电压缓冲器的输出，栅极端子耦合到所述电压缓冲器的输入，漏极端子耦合到所述第二电流源的所述第一端。
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