CN204316465U - 高阶模拟n通道频率可调有源带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器，包括有源带通滤波器本体。所述有源带通滤波器本体由M个N通道滤波组、2(M-1)个回转器和1个时钟发生器构成。将两路单端有源滤波器组成一个完整的差分双端N通道有源带通滤波器，消除了偶数次谐波；回转器由基于反相器的跨导运算放大器构成，能有效增加滤波器的增益；时钟发生器用来给N通道有源滤波器提供周期性的取样脉冲序列，使得滤波器的中心频率仅由时钟频率决定；通过对本实用新型的6阶8通道有源带通滤波器进行仿真，仿真结果显示其可变范围为0.2G至2.0G，可见其具有宽可调的中心频率，此外还具有稳定性好和灵敏度低的特点，在通信系统领域中有着广泛的应用。

Description

高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种模拟滤波器，具体涉及一种高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器。

背景技术

在无线通信系统中，无线接收机中应用到的带通滤波器需有好的选择性，宽的动态范围和自由可调的中心频率。目前，常用N通道滤波单元来构建高Q值的带通滤波器，通过适当的选择电路中的中心频率，通道数等参数就可使Q值高达10⁴的数量级。N通道滤波单元可实现梳式滤波，容易得到很好的窄带滤波特性，且N通道滤波单元中的容性基带阻抗能够模拟RLC网络，其中心频率可通过改变时钟发生器所产生的取样脉冲序列频率来调节。由于取样的重复性及积分器的抑噪作用，因而使得N通道滤波单元的信噪比较传统滤波器而言得到了很大的改善，并具有稳定性好和灵敏度低的优点。

然而，传统的带通滤波器属于无源带通滤波器，其内部的传统N通道滤波单元是由N个通道及取样脉冲产生电路构成，且每个通道都有相同的传输函数H(jω)。传统的无源RC构成H(jω)应用于N通道滤波单元时，虽可得到一个很窄的带宽，但是却会占用很大的芯片面积和具有较小的动态范围。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是传统N通道滤波单元在构成N通道带通滤波器所存在的动态范围小和体积大的不足，提供一种高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器，包括有源带通滤波器本体。所述有源带通滤波器本体由M个N通道滤波组、2(M-1)个回转器和1个时钟发生器构成，其中N为大于等于2的正偶数，M为大于等于3的奇数。时钟发生器包括N个D触发器。每个D触发器的时钟端高电平和低电平分别与外部时钟的高电平和低电平相连。前一个D触发器的Q端与后一个D触发器的D端相连，第一个D触发器的D端与最后一个D触发器的Q端相连。每个D触发器的S端输出一个取样脉冲序列。N通道滤波组包括N条开关支路和个电容。每条开关支路由2个串联的开关构成。每个电容的两端分别跨接在2条开关支路上，且电容的两端接在2个开关相连的公共端上，即2条开关支路与1个电容形成H形电路结构，H形电路结构的数目与电容的数目 相同。每个H形电路结构中处于左上位置处的开关和处于右下位置处的开关同时与一个D触发器的S端相连即接同一个取样脉冲序列，每个H形电路结构中处于左下位置处的开关和处于右上位置处的开关同时与另一个D触发器的S端相连即接另一个相同的取样脉冲序列。每两个N通道滤波组是通过2个回转器相连的，前一个N通道滤波组的两端与2个回转器的输入端相连，后一个N通道滤波组的两端与2个回转器的输出端相连。第一个N通道滤波组与2个回转器输入端相连的端口构成有源带通滤波器本体的输入端正极和负极，最后一个N通道滤波组与最后2个回转器输出端相连的端口构成有源带通滤波器本体的输出端正极和负极。

上述方案中，每个N通道滤波组与时钟发生器相连时，其第i个H形电路结构中处于左上位置处的开关与第i个D触发器的S端相连，第i个H形电路结构中处于右上位置处的开关与第2个D触发器的S端相连，其中  $i=\mathrm{1,2},...,\frac{N}{2}.$

上述方案中，开关为金属氧化物半导体晶体管。

上述方案中，回转器为基于反相器的跨导放大器。

上述方案中，有源带通滤波器本体的输入端正极和负极之间的相位差为180°。

上述方案中，所述N的取值范围介于2～16之间，所述M的取值范围介于3～9之间。

与现有技术相比，本实用新型将两路单端有源滤波器组成一个完整的差分双端N通道有源带通滤波器，消除了偶数次谐波；回转器由基于反相器的跨导运算放大器构成，能有效增加滤波器的增益；时钟发生器用来给N通道有源滤波器提供周期性的取样脉冲序列，使得滤波器的中心频率仅由时钟频率决定；通过对本实用新型的6阶8通道有源带通滤波器进行仿真，仿真结果显示其可变范围为0.2G至2.0G，可见其具有宽可调的中心频率，此外还具有稳定性好和灵敏度低的特点，在通信系统领域中有着广泛的应用。

附图说明

图1为一种高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器的N通道滤波组和回转器的电路原理图。

图2为一种高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器的时钟发生器的电路原理图。

图3为一种高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器(6阶8通道)的频率特性曲线。

具体实施方式

本实用新型所设计的一种高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器，如 图1所示，包括有源带通滤波器本体。所述有源带通滤波器本体由M个N通道滤波组、2(M-1)个回转器和1个时钟发生器构成，其中N为大于等于2的正偶数，M为大于等于3的奇数。在本实用新型优选实施例中，有源带通滤波器本体是由3个N通道滤波组、4个回转器和1个时钟发生器构成6阶8通道有源带通滤波器。

时钟发生器如图2所示，包括N个D触发器。每个D触发器的时钟端高电平和低电平分别与外部时钟的高电平和低电平相连。前一个D触发器的Q端与后一个D触发器的D端相连，第一个D触发器的D端与最后一个D触发器的Q端相连。每个D触发器的S端输出一个取样脉冲序列。每个D触发器都是由两个CMOS反相器和两个CMOS传输门构成。外部时钟CLK控制CMOS传输门的导通和关闭。

回转器用一个基于反相器，没有内部节点，且具有很好线性度的跨导运算放大器构成。其中跨导运算放大器由一个N型金属氧化物半导体晶体管和一个P型金属氧化物半导体晶体管组成。在本实用新型优选实施例中，所有2(M-1)个回转器的结构均完全相同。而为了获得所要求的滤波器增益，跨导运算放大器的跨导可根据要求而改变，同一个N通道滤波组上接的2个回转器即跨导运算放大器的跨导相同(即g_m1和g_m1’的跨导相同，g_m2和g_m2’的跨导相同)；而不同N通道滤波组上接的回转器即跨导运算放大器的跨导可以相同(g_m1和g_m2的跨导相同)，也可以不同(g_m1和g_m2的跨导不相同)。在本实用新型优选实施例中，两个跨导运算放大器即g_m1和g_m1’的跨导为60ms，g_m2和g_m2’的跨导为24ms。

N通道滤波组包括N条开关支路和个电容。每条开关支路由2个串联的开关构成。在本实用新型优选实施例中，每个开关都是用N型金属氧化物半导体晶体管(NMOS)实现，宽长比达到800以上比例的NMOS管可获得低于10Ω的开关导通电阻。每个电容的两端分别跨接在2条开关支路上，且电容的两端接在2个开关相连的公共端上，即2条开关支路与1个电容形成H形电路结构，H形电路结构的数目与电容的数目相同。

每个H形电路结构中处于左上位置处的开关和处于右下位置处的开关同时与一个D触发器的S端相连即接同一个取样脉冲序列，每个H形电路结构中处于左下位置处的开关和处于右上位置处的开关同时与另一个D触发器的S端相连即接另一个相同的取样脉冲序列。具体地，每个N通道滤波组与时钟发生器相连时，其第i个H形电路结构中处于左上位置处的开关与第i个D触发器的S端相连，第i个H形电路结构中处于右上位置处的开关与第个D触发器的S端相连，其中

每两个N通道滤波组是通过2个回转器相连的，前一个N通道滤波组的两端与2个回转器的输入端相连，后一个N通道滤波组的两端与2个回转器 的输出端相连。第一个N通道滤波组与2个回转器输入端相连的端口构成有源带通滤波器本体的输入端正极和负极，最后一个N通道滤波组与最后2个回转器输出端相连的端口构成有源带通滤波器本体的输出端正极和负极。

下面以3个8通道滤波组、1个时钟发生器和4个回转器所构成的6阶8通道有源带通滤波器为例，对本实用新型的性能进行进一步详细说明：

实施例的6阶8通道有源带通滤波器，如图1所示，输入信号通过8通道开关电容网络的作用之后，所述带通滤波器的输出呈现出高Q带通，稳定性好，灵敏度低等特性，改变时钟发生器取样脉冲序列的频率，可以调节所述有源滤波器的中心频率。

利用周期性信号的重复性,在每个周期内将N个开关电容网络依次对输入信号进行取样积分，所述N通道滤波器组的输出电压传输函数为

$T\left(s\right)=\frac{V_{\mathrm{OUT}}\left(s\right)}{V_{\mathrm{IN}}\left(s\right)}={\left(\frac{\sin \mathrm{\π}/N}{\mathrm{\π}/N}\right)}^2[\frac{1}{N{R}_S{C}_{\mathrm{BB}}(s-j{\mathrm{\ω}}_0)+1}+\frac{1}{N{R}_S{C}_{\mathrm{BB}}(s+j{\mathrm{\ω}}_0)+1}]$

公式中，ω₀为滤波器的中心频率，各通道传递函数的采样频率为Nω₀；

其通带宽度为：

$\mathrm{BW}=\frac{2}{N{R}_S{C}_{\mathrm{BB}}}$

于是带宽与N和C_BB成反比。品质因数为：

$Q=\frac{{\mathrm{\ω}}_{0}N{R}_S{C}_{\mathrm{BB}}}{2}$

于是品质因数与N和C_BB成正比，通道个数越多，电容C_BB越大，滤波器的品质因数Q越大，滤波器的选频特性越好。

N通道滤波产生的系统频率响应，呈现出梳状带通特性，并且呈现阶梯波的形式，即在整个频域上，有无数个通带，其中心频率分别为0，f₀,kf₀(k＝±1,±2…)，但k＝mN除外，m为自然数。在其输出端加一个普通带通滤波器，便可恢复输入有用信号波形。

6阶8通道有源带通滤波器所用到的8个取样脉冲序列由互不重叠的8相位时钟发生器产生。图2表示互不重叠的8相位时钟发生器，它由8个相位匹配性良好的D触发器组成，D触发器把频率大小是开关频率8倍的外部时钟分成8份，进而产生了8路占空比为12.5％时钟输出信号即取样脉冲序列，这8个取样脉冲序列周期性地对输入信号依次取样积分，使得单通道的低通滤波特性在整个系统内呈现出梳状的带通特性。每个D触发器中使用传输门，可获得低功耗和高速率的优点。

回转器由基于反相器的跨导放大器g_m1和g_m2构成，反相器中的MOS管采用工艺的最小沟道长度；此类型跨导放大器可获得非常低的二阶谐波失真，这将会补偿由于电路不匹配所带来的二阶谐波失真。

根据通用N通道滤波器的基本原理，分析计算得本实用新型的单端有源 滤波器的低通传输函数为：

$H\left(s\right)=\frac{H_0}{(1+s/p_1)(a{s}^2+\mathrm{bs}+1)};$

其中,

$H_0=\frac{\sqrt{2}g{m}_{1}g{m}_2}{g{o}_{1}g{o}_2},$

$p_1=\frac{1}{8C_{\mathrm{BB}1}{R}_S},$

$a=\frac{64C_{\mathrm{BB}2}{C}_{\mathrm{BB}3}}{g{o}_{1}g{o}_2},$

(其中,go₁,go₂分别为跨导运算放大器gm₁,gm₂的输出导纳，R_S为输入匹配电阻，C_BB1,C_BB2,C_BB3为基带电容)

只要把H(s)转换到时钟频率f_lo，就可得到最终的带通传输函数，即：

H_total(j(ω_lo+Δω))＝sinc²(π/N)×H(j(Δω))(其中N为通道个数)

6阶8通道有源带通滤波器开关电容支路中的开关用N型金属氧化物半导体晶体管(NMOS)实现，既可减小开关的导通电阻和滤波器的噪声，又可以提高线性度。宽长比达到800以上比例的NMOS管可获得低于10Ω的开关导通电阻。但是NMOS管的宽长比不可过大，过大会引入额外的寄生电容且会增加动态功耗。

使用时，单端输入信号通过平衡—不平衡转换器转化为相位相差180°的差分信号，分别流经两条支路，经过所述6阶8通道有源带通滤波器后消除了偶数次谐波。改变时钟频率，有源带通滤波器的中心频率也随之发生变化。对所述6阶8通道有源带通滤波器进行仿真，其频率的可调范围是0.2G至2.0G，参见图3。

本实用新型所设计的高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器可应用于现代测试仪表中微弱信号的检测。要增加滤波器的阶数，应用本文的设计方法，在所述滤波器后增加开关电容网络和回转器即可实现更高阶的具有更好性能的高阶N通道有源带通滤波器。

Claims (6)

1.高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器，包括有源带通滤波器本体，其特征在于：所述有源带通滤波器本体由M个N通道滤波组、2(M-1)个回转器和1个时钟发生器构成，其中N为大于等于2的正偶数，M为大于等于3的奇数；

时钟发生器包括N个D触发器；每个D触发器的时钟端高电平和低电平分别与外部时钟的高电平和低电平相连；前一个D触发器的Q端与后一个D触发器的D端相连，第一个D触发器的D端与最后一个D触发器的Q端相连；每个D触发器的S端输出一个取样脉冲序列；

N通道滤波组包括N条开关支路和个电容；每条开关支路由2个串联的开关构成；每个电容的两端分别跨接在2条开关支路上，且电容的两端接在2个开关相连的公共端上，即2条开关支路与1个电容形成H形电路结构，H形电路结构的数目与电容的数目相同；每个H形电路结构中处于左上位置处的开关和处于右下位置处的开关同时与一个D触发器的S端相连，每个H形电路结构中处于左下位置处的开关和处于右上位置处的开关同时与另一个D触发器的S端相连；

每两个N通道滤波组是通过2个回转器相连的，前一个N通道滤波组的两端与2个回转器的输入端相连，后一个N通道滤波组的两端与2个回转器的输出端相连；第一个N通道滤波组与2个回转器输入端相连的端口构成有源带通滤波器本体的输入端正极和负极，最后一个N通道滤波组与最后2个回转器输出端相连的端口构成有源带通滤波器本体的输出端正极和负极。

2.根据权利要求1所述的高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器，其特征在于：每个N通道滤波组与时钟发生器相连时，其第i个H形电路结构中处于左上位置处的开关与第i个D触发器的S端相连，第i个H形电路结构中处于右上位置处的开关与第个D触发器的S端相连，其中 $i=\mathrm{1,2},...,\frac{N}{2}.$

3.根据权利要求1所述的高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器，其特征在于：开关为金属氧化物半导体晶体管。

4.根据权利要求1所述的高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器，其特征在于：回转器为基于反相器的跨导放大器。

5.根据权利要求1所述的高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器，其特征在于：有源带通滤波器本体的输入端正极和负极之间的相位差为180°。

6.根据权利要求1所述的高阶模拟N通道频率可调有源带通滤波器，其特征在于：所述N的取值范围介于2～16之间，所述M的取值范围介于3～9之间。