CN1415136A - 带有衰减极值的有源隔离积分低通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有源低通滤波器系统，其包括：一个低通滤波电路(22，24，26，28，30)；以及至少一个与低通滤波电路相连的频阻网络(20)。频阻网络(20)包括在低通滤波器的电阻前向信号流路中。本发明还提供了一种用来驱动负载(45)的功率放大系统(40)。该功率放大系统(40)包括一个用来产生脉动波谱的脉宽调制电路(42)；以及一个串联的解调滤波器(47)；以及一个与所述脉宽调制电路(42)相连的反馈控制回路，其包括一个有源低通滤波器(44，46)，所述低通滤波器包括一个反馈解调滤波器(44)和一个隔离积分频阻网络(20)。

Description

带有衰减极值的有源隔离积分低通滤波器

相关申请

本申请要求2000年1月3日提交的、序列号为60/174,201的美国临时专利申请的优先权，该申请的整个文本在这里以参考的形式并入本申请。

发明背景

技术领域

本发明涉及滤波器，其特别涉及带有衰减极值的低通滤波器。

背景技术

尽管大多数关于无源电阻一电容型带阻滤波器、频阻网络(FRN)、或者陷波滤波器的文献都集中在桥式全T滤波器，但是另一种无源RC滤波器克服了桥式全T滤波器的某些缺陷。该滤波器就是图1所示的隔离积分器的带阻滤波器。

这种隔离积分带阻滤波器具有几个桥式全T滤波器所不具备的独特性能。在结构形式上，隔离积分带阻滤波器采用的电容器的电容值相同。这可使制造商采用同批生产的电容，并只需分出一类电容而不是多种电容。此外，所用电容可以是相对比较便易的NPO陶瓷型电容。

滤波器自身的净电容在有源滤波器的设计中是用来方便低通滤波器的构造的。尽管电压电源和开路负载的衰减是对称的，但是设计的目的是使电压电源和负载具有限定的阻抗。然而，在实际工作中，可能主要是低通的通频波带。

此外，隔离积分带阻滤波器的频率可通过一个可变电阻的微调在两个方向进行调节。除了只使用一个电阻的优点之外，电阻本身还可实施激光微调或研磨调节，这些方法在加工过程中可用于电阻上的屏蔽介质。使调谐电阻接地还能降低调谐过程的杂波干扰。

该滤波器的另一个特征在于其能够根据实际的元件参数在兆赫频率上产生很深的凹陷。即使在通常的元件误差范围内，也能保持很深的凹陷或极值。然而，只有在精确的理想值上才能获得深度无限的凹陷。最后，如果需要可以层叠多个隔离积分带阻滤波器从而使系统的部分响应产生多个凹陷。

关于电阻电容陷波滤波器的其它信息可参见Ralph Glasgal在1969年10月的EEE第70-74页发表的“Tunable RC Null Networks”。这里其以参考的形式并入本申请。

发明内容

本发明的一个目的是在有源低通滤波器的设计中引入隔离积分带阻滤波器。该隔离积分带阻滤波器可包括在多种不同的低通滤波器中如Sallen&Key滤波器、多反馈滤波器以及状态可变型滤波器。将隔离积分带阻滤波器引入有源低通滤波器的结构中可以形成一些现有技术中至今还不知道的、新的滤波器。

本发明提供一种有源低通滤波器系统，其包括：一个输入端，其从一个信号发生器接收一个信号；一个低通滤波电路；一个输出端子；以及至少一个频阻网络，其与低通滤波电路相连。系统中的这个低通滤波电路具有一个包括频阻网络的电阻前向信号流路。在一实施例中，频阻网络是一种隔离积分带阻滤波器。

本发明还提供一种用来驱动负载的功率放大系统。该功率放大系统包括：一个输入端，其从一个信号发生器接收一个信号；一个与负载相连的输出端子；一个用来形成波谱的脉宽调制电路；一个误差放大器和调制器，其与脉宽调制电路的一个输入相连；一个解调滤波器，其与脉宽调制电路的一个输出相连；以及一个反馈控制回路，其与脉宽调制电路相连并包括一个有源低通滤波器，该有源低通滤波器具有一个反馈解调滤波器和一个隔离积分频阻网络。在一个实施例中，隔离积分频阻网络是一种隔离积分带阻滤波器。

附图说明

结合附图并参考本发明实施例的详细说明，本发明的上述及其它特征以及实现这些特征的方法将更加清楚，本发明本身也会变得更容易理解。其中：

图1为隔离积分带阻滤波器的示意图；

图2(a)为包括本发明的隔离积分带阻滤波器的二阶低通Sallen和Key滤波器的示意图；

图2(b)为包括二个隔离积分器的带阻滤波器的二阶低通Sallen和Key滤波器的示意图；

图2(c)为包括二个隔离积分器的带阻滤波器的三阶低通Sallen和Key滤波器的示意图；

图3为图2(c)中滤波器振幅特性曲线的预测图；

图4(a)为包括二个嵌入式隔离积分带阻滤波器的多反馈低通滤波器的示意图；

图4(b)为包括二个隔离积分带阻滤波器的状态可变低通滤波器的示意图；

图5为带有一个本发明反馈滤波器的脉宽调制放大器的示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的原理，现在来参见附图所示的实施例并进行说明。然而，其并非是用来限定本发明的保护范围。对本发明所涉及领域普通技术人员来说，对这里所示设备、所述方法以及本发明原理的应用进行任易地变化、改进和扩展都是正常的。

本发明的一个目的是在有源低通滤波器的设计中引入(图1)隔离积分带阻滤波器20。该隔离积分带阻滤波器可包括在多种不同的低通滤波器中，如Sallen&Key滤波器、多反馈滤波器以及状态可变型滤波器，这将在下面详细介绍。

参见图1，图1所示为传统的隔离积分带阻滤波器20。该隔离积分带阻滤波器20采用等值电容C，这种电容可以是价格较便宜的NPO陶瓷电容。除了采用等值电容外，其中的电阻R也具有相同的值，当然这里有一个例外，即调谐电阻R/12，其在使用中接地，并在调谐过程中用来防止杂波干扰。如图1所示，电阻R/12是可变的，然而所示的值却是R/12。通常来讲，隔离积分带阻滤波器20中电阻R的值与电阻R/12的值的比为12比1时为最差的，但其仍在屏蔽范围内。因此，为了简化起见，该值表示为R/12。

现在参见图2，图2中所示为本发明的三个实施例，其中的隔离积分带阻滤波器20放在了Sallen和Key有源低通滤波器的电阻支路中。关于Sallen和Key滤波器的其它信息可参见R.P.Sallen和E.L.Key在1955年三月出版的IRE Tranction Circuit Theory中第51-62页的“APractical Method of Designing RC Active Filters”。这里其以参考的形式并入本申请。尽管隔离积分带阻滤波器20是放在Sallen和Key滤波器的电阻支路中，但起初的Sallen和Key滤波器的输入或输出端子中并不要求其它的串联电阻，除非是需要一个无限极值。

图2所示本发明的三个实施例都采用增益K为正的放大器。该正增益的一种最简单的实施形式是采用整数增益或一，这样就不必在电压反馈运算放大器中使用增益设定电阻。然而，大于1的增益可使电容的筛选更为容易，电路更为稳定。

现在回到图2中的特定形式。图2(a)说的是本发明的第一实施例，该实施例中的隔离积分带阻滤波器20被并在了Sallen&Key滤波器中，从而形成新的滤波器22。这是一种二阶系统，但其只能产生一个有限的频率衰减极值。与基本的Sallen&Key滤波器相比，我们会注意到这里是用隔离积分带阻滤波器20取代了最初的部分电阻支路。这里我们还应该注意到：电阻Rg、R5和R8以及电容C3和C5并非是隔离积分带阻滤波器20的一部分，并且也不必是相同的一个值。使用中，电阻R5或R8可以是零，然而如果这两个电阻都是零的话，那么只会形成一个无限极值。该极值是一个有用的结果，尽管通常并非是所需的结果。电阻R7与图1中的电阻R/12对应，是一个可变电阻，其数值范围可以很宽，并且所有这些值都是电阻R6的一小部分。

图2(b)是本发明的第二实施例，其中隔离积分带阻滤波器20并在了Sallen&Key滤波器中并形成新的滤波器24。与第一实施例类似，第二实施例也是一个二阶系统，然而图2(b)的实施例会产生两个有限的频率衰减极值。我们应该注意到这里的两个隔离积分带阻滤波器20并在了一个基本的Sallen&Key滤波器中。如上所述，R5或R8可以是零；然而如果两个电阻都是零的话，那么不会形成无限的第二极值。这一点对R4和Rg也是一样的。可变电阻R7与图2(a)所述的相同。电阻R3也是一个可变电阻，其数值范围是电阻R2的一小部分。

现在参见图2(c)。图2(c)描述的是滤波器26，其中所示有一个三阶低通Sallen&Key滤波器，其包括隔离积分带阻滤波器20中。由于这是一个三阶系统，因此可以想到在系统的响应曲线中会产生三个无限的极值。为了使三个极值为无限极值，电阻R1和R4不能同时为零，因为Rg永远都不为零。实际上，电阻R1和R4中的一个或另一个可以是零，但如果想要有三个极值就不能同时为零。否则，第三个实施例的结构与第二实施例的结构就非常相似，并适用同样的限制条件和特征。

尽管所描述的实施例仅涉及二阶和三阶系统，但也可以是更高阶的系统，只要对更高阶的Sallen&Key滤波器的电阻支路中的隔离积分带阻滤波器20进行替换即可。然而，我们应该注意随着低通Sallen&Key滤波器阶数的增加，只要截断速率合适，所有可能存在的无限极值都越来越不重要。

图3为图2(c)中三阶低通Sallen&Key滤波器26振幅特性曲线的预测(Bode)图，其中的振幅以分贝(dB)为单位。该图显示：在滤波器26中引入隔离积分带阻滤波器20会产生凹陷。我们应当清楚该预测图中所用的数值不仅反映了本发明的操作参数，还反映了多种可能情况中的一种情况。采用下面的部件值可形成图3所描述的振幅特性曲线：

K＝1

Rg＝2.71KΩ

R1＝R4＝R8＝0Ω

R2＝1.24KΩ

R3＝104Ω

R5＝R6＝2.49KΩ

R7＝208

C1＝C2＝C3＝C4＝C5＝220pf

这里应该注意R1等于R4，或者两者都等于零，这样该系统就如图2(c)三阶系统中描述的那样，只会出现两个极值。这两个衰减极值分别在500KHz和1MHz处。还有一点需要注意的是：500KHz和1MHz是250KHz倍频N＝2转换器的脉动波谱点，或者是250KHz转换器的谐振点。

还有一项需要注意的是本发明的衰减量。特别是450KHz以上的频率都出现了70dB以上的衰减。一旦频率达到100KHz，振幅响应曲线就会从100KHz的20dB快速衰减到450KHz的70dB。与之相对的是频率从1KHz到100KHz，其衰减只有20dB。

现在参见图4，在图4的多反馈型和状态可变型滤波器中，可在它们的前馈电阻支路中嵌入隔离积分带阻滤波器20。在这些滤波器使用隔离积分带阻滤波器20就构成了本发明的其它实施例。

图4(a)所示为本发明的第四个实施例或滤波器28，其中的多反馈滤波器具有一对隔离积分带阻滤波器20，其使系统形成两个极值或凹陷。根据多反馈滤波器阶数的不同，本发明的实施例可在DC条件下进行反相，从而改变其可能的应用。然而，根据现在的公知技术，加入反相器还必须解决反相所带来的问题。

图4(b)是本发明的第五个实施例，其中的状态可变滤波器包括隔离积分带阻滤波器20从而形成滤波器30。状态可变滤波器在配置上很容易带有三个前馈电阻支路，每一个支路都支撑一个频阻网络。然而，从本发明的实施例可以看出一般的状态可变滤波器更多地是带有两个前馈电阻支路，如图4(b)所示，其中每个支路中都带有一个隔离积分带阻滤波器20。所形成的滤波器30如多反馈型滤波器一样可产生两个凹陷。再有，像多反馈型滤波器一样，反相问题会影响这种滤波器的使用，引入反相器的同时必须克服这些反相问题。

如果频阻网络如隔离积分带阻滤波器布置在高增益放大器旁边的反馈通路中，结构就会形成一个带通网络或频率校正网络(FEN)。这种变化在本发明的保护范围之内。

现在来参见图5，图5所示为本发明另一实施例的方块图，其中的隔离积分带阻滤波器20构成反馈解调滤波器44的一个部分。本实施例解决了从固定频率开关放大器的反馈信号去除脉宽调制(PWM)波谱的问题。为了将PWM波谱从反馈信号中去除，高性能放大器需要两个衰减极值或凹陷。在附图5中，功率放大器40包括：PWM功率级42，其由误差放大调制级43驱动并产生PWM脉动波谱；反馈解调滤波器44，其用来在反馈信号进入滤波器46之前从中去掉PWM脉动波谱。反馈解调滤波器44至少包括一个隔离积分带阻滤波器20。输出解调滤波器47与负载45相连。

尽管本发明是以实施例的形式进行的描述，但本发明还可在其公开的范围内进行进一步的修改。因此本申请采用其基本原理来覆盖本发明的各种变化、用途或改进。此外，本申请还在于覆盖那些能够从这里公开的内容以及本发明所属领域公知或惯用手段导出的内容。

Claims (8)

1、一种有源低通滤波器系统，其包括：

一个低通滤波电路(22，24，26，28，30)，其包括一个前向信号电阻流路；以及

一个隔离积分带阻滤波器(20)，其与低通滤波电路(22，24，26，28，30)的前向信号流路相连。

2、如权利要求1的系统，其中的带阻滤波器(20)包括一个用来调谐带阻滤波器的电阻(R3，R7)。

3、如权利要求1的系统，其中的低通滤波电路是一种Sallen&Key滤波器(22，24，26)。

4、如权利要求1的系统，其中的低通滤波电路是一种多反馈滤波器(28)。

5、如权利要求1的系统，其中的低通滤波电路是一种状态可变滤波器(30)。

6、一种用来驱动负载的功率放大系统(40)，其包括：

一个用来产生脉动波谱的脉宽调制电路(42)；

一个与所述脉宽调制电路(42)相连的反馈控制回路，其包括一个有源低通滤波器(44，46)，所述低通滤波器包括一个反馈解调滤波器(44)和一个隔离积分频阻网络(20)。

7、如权利要求6的系统，其中的频阻网络(20)是一种隔离积分带阻滤波器，其包括一个对带阻滤波器进行调谐的电阻(R3，R7)。

8、如权利要求6的系统，其进一步包括：一个与脉宽调制电路(42)的输入相连的误差放大调制电路(43)；以及连在脉宽调制电路(42)和负载之间的一个解调滤波器(47)。

Images