CN112422104A - 滤波器和滤波方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及滤波器和滤波方法。滤波器包括M级滤波器电路。M级滤波器电路自一输入端依序串联至一输出端，以根据一输入信号产生一输出信号，其中M为大于或等于2的正整数。M级滤波器电路包括至少一第一滤波器电路以及至少一第二滤波器电路。至少一第一滤波器电路中每一者设定为一主动式滤波器电路，且至少一第二滤波器电路中每一者设定为一被动式滤波器电路。

Description

滤波器和滤波方法
技术领域
本申请涉及一种滤波器，且特别是涉及低功耗应用的滤波器和滤波方法。
背景技术
滤波器常见于各种数据传输接口或数据传输装置中，以滤除信号上的噪声供后续信号处理。在目前的技术中，滤波器中的所有电路部分皆以主动式电路实现。然而，主动式电路需额外提供电源或额外的频率信号，造成滤波器的整体功耗明显上升。因此，目前的滤波器无法应用于现今低功耗要求较高的应用上。
发明内容
为了解决上述问题，本申请的一些方面在于提供一种滤波器，其包括M级滤波器电路。M级滤波器电路自一输入端依序串联至一输出端，以根据一输入信号产生一输出信号，其中M为大于或等于2的正整数。M级滤波器电路包括至少一第一滤波器电路以及至少一第二滤波器电路。至少一第一滤波器电路中每一者设定为一主动式滤波器电路，且至少一第二滤波器电路中每一者设定为一被动式滤波器电路。
本申请的一些方面在于提供一种滤波方法，其包括下列操作：设定M级滤波器电路中的至少一第一滤波器电路中每一者为一主动式滤波器电路；设定M级滤波器电路中的至少一第二滤波器电路中每一者为一被动式滤波器电路；以及经由M级滤波器电路根据一输入信号产生一输出信号，其中M级滤波器电路自一输入端依序串联至一输出端，且M为大于或等于2的正整数。
综上所述，本申请的一些实施例所提供的滤波器和滤波方法可利用混合的主动式滤波器电路与被动式滤波器电路来消除噪声。如此，具有此电路设定方式的滤波器可适用于低功耗应用。
附图说明
本申请的附图说明如下：
图1为根据本申请一些实施例所绘示的一种滤波器的示意图；
图2为根据本申请一些实施例所绘示的滤波器的示意图；以及
图3为根据本申请一些实施例所绘示的滤波方法的流程图。
具体实施方式
本文所使用的所有词汇具有其通常的含义。上述的词汇在普遍常用的字典中的定义，在本申请的内容中包含任一在此讨论的词汇的使用例子仅为示例，不应限制到本申请的范围与含义。同样地，本申请也不限于在此说明书中所示出的各种实施例。
关于本文中所使用的“耦接”或“连接”，均可指两个或更多个组件相互直接作实体接触或电接触，或是相互间接作实体接触或电接触，也可指两个或更多个组件相互操作或动作。
在本申请中，词汇“与/或”包括了列出的关联项目中的一个或多个项目的任何组合。
在本申请中，使用第一、第二与第三等等的词汇，是用于描述各种元件、组件、区域、层与/或区块是可以被理解的。但是这些元件、组件、区域、层与/或区块不应该被这些术语所限制。这些词汇只限于用来区分单一元件、组件、区域、层与/或区块。因此，在下文中的一第一元件、组件、区域、层与/或区块也可被称为第二元件、组件、区域、层与/或区块，而不脱离本申请的本意。
在本申请中，除非本文中有特别限定，否则“一”与“该”可泛指单个或多个。将进一步理解的是，本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”及相似词汇，指明其所记载的特征、区域、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除其所述或额外的其一个或多个其它特征、区域、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
关于本文中所使用的“约”、“大约”或“大致约”一般通常是指数值的误差或范围约百分之二十以内，较好地是约百分之十以内，而更佳地则是约百分五之以内。文中若无明确说明，其所提及的数值皆视作为近似值，即如“约”、“大约”或“大致约”所表示的误差或范围。
在本文中，用语“电路系统(circuitry)”泛指包括一或多个电路(circuit)所形成的单一系统。用语“电路”泛指由一个或多个晶体管和/或一个或多个主被动组件按一定方式连接以处理信号的对象。
以下将结合附图公开本申请的多种实施方式。应了解到，实务上的细节不应用以限制本申请。也就是说，在本申请部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些熟知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘出。
参照图1，图1为根据本申请一些实施例所绘示的一种滤波器100的示意图。在一些实施例中，滤波器100可应用于收发器中，以滤除所接收到的信号上的噪声。在一些实施例中，滤波器100可适用于WI-FI或蓝牙应用。
在此例中，滤波器100包括多级滤波器电路1101～110M，其中M为一正整数。滤波器100包括输入端101与输出端102。输入端101接收输入信号SIN，且输出端102接收输出信号SO。多级滤波器电路1101～110M自输入端101依序串联(cascade)至输出端102以提供一滤波响应来处理输入信号SIN，以产生输出信号SO。此滤波响应用于允许输入信号SIN在特定频带内的信号分量通过，以将输入信号SIN整形(shape)为输出信号SO。在不同应用中，前述的滤波响应可包括低通滤波、高通滤波、带通滤波或带阻滤波等等。
在一些实施例中，输入端101可为单端(single-ended)输入端。在一些实施例中，输入端101可为差动输入端，且输入信号SIN可为差动输入信号之间的差值。在一些实施例中，输出端102可为单端输出端。在一些实施例中，输出端102可为差动输出端，且输出信号SO可为差动输出信号之间的差值。
在一些实施例中，多级滤波器电路1101～110M中至少一个滤波器电路对应于第一部分P1，且多级滤波器电路1101～110M中剩余的滤波器电路对应于第二部分P2。其中，第一部分P1中的滤波器电路具有功率消耗PW1，且第二部分P2中的滤波器电路具有功率消耗PW2。在一些实施例中，功率消耗PW1高于功率消耗PW2。例如，功率消耗PW1大约为功率消耗PW2的4～5倍。
在一些实施例中，多级滤波器电路1101～110M中每一者可由主动式滤波电路或被动式滤波电路实施。在一些实施例中，多级滤波器电路1101～110M中对应第一部分P1的每一滤波器电路由主动式滤波器电路实施，且多级滤波器电路1101～110M中对应第二部分P2的每一滤波器电路由被动式滤波器电路实施。
例如，第一部分P1的滤波器电路可为多级滤波器电路1101～110M中的任意至少一者，且第二部分P2的滤波器电路可为多级滤波器电路1101～110M中的剩余电路。或者，如后图2的实施例所述，第一部分P1的滤波器电路可为多级滤波器电路110x～110M(例如为较接近输出端102的最后几级滤波器电路)，且第二部分P2的滤波器电路可为多级滤波器电路1101～110x-1(例如为较接近输入端101的先前几级滤波器电路)，其中x为大于1，且x为小于或等于M的正整数。其中，若M等于2，第一部分P1的滤波器电路即为最后1级(即第2级)滤波器电路110M，且第二部分P2的滤波器电路即为第1级滤波器电路1101。
在一些实施例中，主动式滤波器电路泛指具有放大增益的滤波器电路，这些电路除了滤除噪声还可对信号进行放大。例如，主动式滤波器电路可包括放大器电路、开关电容(switched capacitor)电路与/或跨导电容(gm-C)式等等类型的电路，但本申请并不限于上述类型。
在一些实施例中，被动式滤波器电路为不具有放大增益的电路。在一些实施例中，被动式滤波器电路为全部由被动式组件实施的电路。例如，被动式滤波器电路可包括电容电阻(RC)电路、电阻电感电容梯形(RLC ladder)电路、电容电感梯形电路等等类型的电路，但本申请并不限于上述类型。
在一些相关技术中，现行滤波器的电路结构全部皆由主动式滤波器电路实施，而不会采用任何被动式电路。然而，主动式的滤波器电路需要提供电源以进行操作。因此，在这些技术中，滤波器的功耗较高而不适用于低功耗的应用。
相较于上述技术，在本申请的一些实施例中，滤波器100由主动式滤波器电路以及被动式滤波器电路共同实施。因此，滤波器100的功耗可明显降低，而较适用于低功耗的应用。
参照图2，图2为根据本申请一些实施例所绘示的滤波器100的示意图。为易于理解，图1与图2中的类似组件将被指定为相同标号。
在此例中，输入端101依序经由第二部分P2以及第一部分P1耦接至输出端102。在一些实施例中，多级滤波器电路1101～110M共同形成W阶的转移函数F(s)，其中阶数W为大于等于2的正整数。转移函数F(s)相当于前述的滤波响应。转移函数F(s)的阶数W越高，转移函数F(s)在阻带的衰减量越高，且滤波器100的噪声消除能力越好。
在一些实施例中，第一部分P1中的多级滤波器电路110x～110M共同对应于Y阶的转移函数F1(s)，且第二部分P2中的多级滤波器电路1101～110X-1共同对应于Z阶的转移函数F2(s)。其中，阶数Y与阶数Z皆为正整数，阶数Y与阶数Z的和为阶数W，即W＝Y+Z。在一些实施例中，转移函数F1(s)与转移函数F2(s)的乘积为转移函数F(S)，即F(S)＝F1(s)×F2(s)。转移函数F1(s)对应质量因子Q1，且转移函数F2(s)对应质量因子Q2。
在一些实施例中，质量因子Q1大于质量因子Q2，例如质量因子Q1约为质量因子Q2的2～3倍。换言之，滤波器100的转移函数F(s)可拆分成两个转移函数F1(s)与F2(s)来实施，其中对应于较大的质量因子Q1的转移函数F1(s)可由第一部分P1中的多级滤波器电路110x～110M实施，且对应于较小的质量因子Q2的转移函数F2(s)可由第二部分P2中的多级滤波器电路1101～110x-1实施。在一些实施例中，质量因子Q1约大于或等于一默认数值，且品质因子Q2小于该预设数值。在一些实施例中，该预设数值约为0.707。在实际应用中，主动式滤波器电路较易实现高质量因子，以提供具有峰值化(peaking)的通带响应。因此，在一些实施例中，当滤波器电路的质量因子大于或等于该预设数值时，该滤波器电路可设定为主动式滤波器电路。
在一些实施例中，阶数Y与阶数W之间的比例约为60％，且阶数Z与阶数W之间的比例约40％。在一些实施例中，阶数Y或阶数Z与阶数W之间的比例约为50％。举例而言，滤波器100具有4阶(即阶数W为4)的转移函数F(s)，其具有低通滤波响应。在此条件下，转移函数F1(s)的阶数Y可设定为2，且转移函数F2(s)的阶数Z可设定为2。也就是，多级滤波器电路110x～110M经设定以提供2阶的转移函数F1(s)，且多级滤波器电路1101～110x-1经设定以提供2阶的转移函数F2(s)。
上述阶数的设定方式用于示例，本申请并不限于此。符合上述阶数Y、Z与W的设定方式的各种数值皆为本申请所涵盖的范围。
如先前所述，第二部分P2中的每一级滤波器电路由被动式滤波器电路实施。若输出端102上的负载CL为未知时，转移函数F2(s)有可能会受到输出端102后的负载CL影响而产生不必要的偏移。在此例中，第二部分P2设定为靠近输入端101的多级滤波器电路1101～110x-1，并经由第一部分P1中的多级滤波器电路110x～110M耦接至输出端102。由主动式滤波器电路实施的第一部分P1具有足以驱动负载CL的驱动能力，可避免上述问题。
或者，在一些实施例中，在负载CL为已知的情形下，第二部分P2的电路设定与/或转移函数F2(s)可以预先调整。在此条件下，第二部分P2亦可设定为靠近输出端102的多级滤波器电路110x～110M，且第一部分P1亦可设定为靠近输入端101的多级滤波器电路1101～110x-1。在一些实施例中，负载CL的数值可透过电路仿真的方式推估而得。
另外，由于第二部分P2中的滤波器电路由被动式滤波器电路实施，故输入信号SIN可能会被衰减。为了补偿此衰减，第一部分P1中的多级滤波器电路110x～110M中的至少一者的增益可以提高。举例而言，最靠近输出端102的最后一级的滤波器电路110M的增益可设定为最高。即，最后一级的滤波器电路110M的增益设定以高于滤波器电路110x～110M-1中每一者的增益。
参照图3，图3为根据本申请一些实施例所绘示的一种滤波方法300的流程图。
在操作S310，设定多级滤波器电路1101～110M中至少一滤波器电路的每一者为主动式滤波器电路。例如，如先前所述，第一部分P1中的滤波器电路每一者经设定为主动式滤波器电路。
在操作S320，设定多级滤波器电路1101～110M中至少一滤波器电路的每一者为被动式滤波器电路。例如，如先前所述，第二部分P2中的滤波器电路每一者经设定为被动式滤波器电路。
在操作S330，经由多级滤波器电路1101～110M根据输入信号SIN产生输出信号SO。
上述滤波方法300的多个操作仅为示例，并非限定需依照此示例中的顺序执行。在不违背本申请的各实施例的操作方式与范围下，在滤波方法300下的各种操作当可适当地增加、替换、省略或以不同顺序执行。
综上所述，本申请一些实施例所提供的滤波器和滤波方法可利用混合的主动式滤波器电路与被动式滤波器电路来消除噪声。如此，具有此电路设定方式的滤波器可适用于低功耗应用。
虽然本申请已以实施方式公开如上，但是这些实施方式并不限制本申请，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以进行各种修改和变型，因此本申请的保护范围应以所附的权利要求为准。
【符号说明】
100：滤波器 1101～110M：滤波器电路
101：输入端 102：输出端
SIN：输入信号 SO：输出信号
P1：第一部分 P2：第二部分
PW1：功率消耗 PW2：功率消耗
CL：负载 F1(s)：转移函数
F(s)：转移函数 F2(s)：转移函数
Q1：质量因子 Q2：质量因子
W、Y、Z：阶数 300：滤波方法
S310：操作 S330：操作
S320：操作

Claims (10)

1.一种滤波器，包括：
M级滤波器电路，自一输入端依序串联至一输出端，以根据一输入信号产生一输出信号，其中M为大于或等于2的正整数，且所述M级滤波器电路包括：
至少一第一滤波器电路，所述至少一第一滤波器电路中每一者设定为一主动式滤波器电路；以及
至少一第二滤波器电路，所述至少一第二滤波器电路中每一者设定为一被动式滤波器电路。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述至少一第一滤波器电路具有一第一功率消耗，所述至少一第二滤波器电路具有一第二功率消耗，且所述第一功率消耗大于所述第二功率消耗。
3.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述至少一第一滤波器电路为所述M级滤波器电路中靠近所述输出端的一第x级滤波器电路至一第M级滤波器电路，其中x为大于1，且小于或等于M的正整数。
4.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述至少一第二滤波器电路为所述M级滤波器电路中靠近所述输入端的一第1级滤波器电路至一第x-1级滤波器电路，其中x为大于1，且小于或等于M的正整数。
5.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述M级滤波器电路具有一W阶转移函数，所述至少一第一滤波器电路具有一Y阶转移函数，所述至少一第二滤波器电路具有一Z阶转移函数，W为Y与Z的乘积，且W、Y与Z皆为正整数。
6.根据权利要求5所述的滤波器，其中W为4，且Y与Z皆为2。
7.根据权利要求5所述的滤波器，其中Y或Z与W之间的比例为50％。
8.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述至少一第一滤波器电路具有一第一质量因子，所述至少一第二滤波器电路具有一第二质量因子，且所述第一品质因子大于所述第二品质因子。
9.根据权利要求1所述的滤波器，其中所述输入端依序经由所述至少一第二滤波器电路以及所述至少一第一滤波器电路耦接至所述输出端。
10.一种滤波方法，包括：
设定M级滤波器电路中的至少一第一滤波器电路中每一者为一主动式滤波器电路；
设定所述M级滤波器电路中的至少一第二滤波器电路中每一者为一被动式滤波器电路；以及
经由所述M级滤波器电路根据一输入信号产生一输出信号，
其中所述M级滤波器电路自一输入端依序串联至一输出端，且M为大于或等于2的正整数。
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