KR20090094248A

KR20090094248A - 능동 엘씨 대역통과 필터

Info

Publication number: KR20090094248A
Application number: KR1020097010467A
Authority: KR
Inventors: 윤-오 창
Original assignee: 자이온, 인크.
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2009-09-04
Also published as: US7639071B2; EP2097976A1; EP2097976A4; CN101553982A; US20080252366A1; WO2008066552A1; JP2010512045A

Abstract

본 발명인 능동 LC 대역통과 필터(10)는 단일의 LC 쌍과, 많은 별도의 공진 회로들을 제공하는 복수의 능동 증폭기들을 포함한다. 능동 증폭기들은 옴 손실, 고주파 스킨 효과, 및 고주파 방사를 보상한다. 각 회로는 하나 이상의 능동 증폭기들의 매개변수만을 변경하여 조절가능한 공진 주파수를 갖는다. 필터(10)는 매우 높은 조절가능한 품질값(Q), 매우 낮은 형태 인자(S), 비교적 높은 신호대 잡음비, 및 주파수와 함께 증가하는 매우 큰 전압 이득을 갖는다. 고주파 성능은 증폭기 부품의 고주파 성능에 의해서만 제한되면서, LC 쌍의 품질에 의해 영향을 받지 않는다. 또한, 능동 LC 대역통과 필터(10)을 이용하여 전기신호를 처리하기 위한 방법도 개시된다.

Description

능동 엘씨 대역통과 필터 {ACTIVE LC BAND PASS FILTER}

본 발명은 대역통과 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 또는 유선 전송기 및 수신기 어플리케이션(applications)에 적합한 대역통과 필터에 관한 것이다.

수동 엘씨(LC) 직렬/병렬 대역통과 필터의 공진 특성들은 거의 모두 연구되었고 잘 알려져 있다. 무선 또는 유선 전송기 및 수신기에서, 수동 LC 대역통과 필터는 종종 우선 선택 또는 튜닝 증폭 유닛 (싱글 또는 듀얼 튜닝)이며, 낮은 가격, 동작의 안정성, 간결한 디자인, 쉬운 주파수 변경, 및 우수한 성능 덕택에 널리 이용된다. 그러나, 동작 주파수가 증가함에 따라 루프(loop)의 Q값이 줄어들 것이다. 주파수가 증가하면, 캐패시터는 옴(ohms) 값을 소비하고 그 캐패시턴스 특성에 더하여 인덕턱스를 분산시키는 반면, 인덕터는 옴 값을 소비하고 그 인턱턱스 특성과 별개로 캐패시턴스를 분산시킨다. 동작 주파수가 증가할 때 이러한 저항값의 소비는 증가할 것이므로, 루프의 옴 손실도 증가하여, 루프의 품질을 떨어뜨린다. 이러한 결점들로 인하여, 수동 LC 대역통과 필터는 수신장치의 신호 대 잡음비, 감도 및 선택성을 향상시키기 위한 목적의 가변주파수를 갖는 고주파 수신장치의 전단(pre-stage)에서 튜닝 증폭 유닛으로서 직접적으로 이용되는 일이 드물다. 이는 무선 수신장치들이 슈퍼헤테로다인(superheterodyne) 방식, 즉, 믹싱(mixing), 중간주파수 증폭, 파동 검출(wave detection), 저주파 증폭 및 전력 증폭을 채택하고 수신장치에 의해 요청되는 증폭의 대부분을 주파수가 고정되는 중간 주파수 증폭에 두고 소수는 저주파 증폭에 두는 단점 때문이다.

수동 LC 직렬 대역통과 필터는 적은 소스저항(source resistance)을 갖는 고주파 수신기의 전단에서 종종 이용된다. 일반적으로, 이는 싱글-튜닝 공진 시스템이고, 고주파 하에 작동할 때 고품질 인자(high-quality factor)를 갖는 인덕터, 즉, 인자, 은(silver) 코팅된 중공의 전선으로 만들어진 인덕터를 필요로 한다. 비록 그렇다 하더라도, 이 시스템은 비교적 높은 형태 인자(shape factor)를 여전히 갖는다. 수동 LC 병렬 대역통과 필터는 라디오 공학, 음향 공학 및 기계적 진동 어플리케이션들에서 비교적 낮은 작동 주파수와 큰 소스저항을 갖는 저주파 신호 전송 및 검출 장치들에 널리 이용된다.

푸리에 변환(Fourier transformations)을 이용하고 네트워크의 주파수 영역의 시각에서 연산증폭기들(operational amplifiers)뿐만 아니라 수동 R 및 C 소자들로 만들어진 능동 알씨(RC) 고역통과 필터들, 저역통과 필터들 및 대역통과 필터들에 대한 많은 연구가 있었다. 또한, 고역통과 및 저역통과 필터들로 만들어진 대역통과 필터들에 대한 많은 연구도 있었다. 그러나, 이러한 대역통과 필터들의 공진 주파수 변화는 직렬로 연결된 다중 듀얼 튜닝 유닛들을 이용하는 고성능 대역통과 필터들에게 특히, 주파수 변화를 매우 복잡하고 어렵게 만드는 몇몇 R 및 C 구성요소들의 매개변수 값들을 동시에, 동기로 및 정밀하게 변화시키는 것을 요구한다. 따라서, 이러한 타입의 능동 RC 대역통과 필터들은 대개 고정된 주파수의 수신 시스템들에만 한정되어 사용된다. 그런데, 능동 LC 공진 및 관련 이론들에 대한 연구들은 거의 없고 특허도 드물다. 자료에 의하면 능동 LC 대역통과 필터에 대한 특허가 최근에 하나도 없었다는 것을 보여준다.

일반적으로, 주파수 가변용 수신 시스템은 헤테로다인 수신기를 이용한다. 현재 헤테로다인 무선 수신시스템에서, 고주파 이득은 상대적으로 작다. 전체 시스템의 이득 요구에 부응하기 위해, 지배적인 관행은 고정된 주파수에서 안정적으로 작동할 수 있는 중간 주파수 증폭기에 이득 업무를 맡기는 것이다. 전체 시스템의 감도를 향상시키기 위하여, 보통의 관행은 큰 안테나에 의존하거나 추가의 안테나 증폭기를 이용하는 것이고, 또는 기술적으로 복잡한 경우에는, 적은 전력들에서 고주파 성분을 증폭하기 위해 입력의 전단에서 가변 캐패시턴스를 갖는 두 개의 전기적 튜닝 다이오드들의 듀얼 튜닝 대역통과 필터를 이용하는 것이다.

이에 따라, 특히 유선 및 무선 수신 시스템들 양 분야에서, 기존의 수동 LC 대역통과 필터를 대신할, 고압 이득, 좋은 선택성, 강력한 잡음 억제, 높은 신호 대 잡음비, 쉬운 입출력 매칭, 및 안정적인 동작이 가능한 고성능 입력장치가 필요하다. 덧붙여, 대체는 매우 단순해야만 하며 아주 쉽게 이루어질 수 있다. 입력유닛은 매우 안정적으로 작동해야만 한다.

도 1은 본 발명에 따른 능동 LC 대역통과 필터의 회로도이다.

도 2는 도 1의 필터의 대체 구성을 보여주는 회로도이다.

도 3은 도 1의 구성을 갖는 검사회로의 주파수 응답도이다.

도 4는 연산 증폭기와 결합한 도 1의 필터를 보여주는 회로도이다.

도 5는 본 발명에 따른 능동 LC 대역통과 필터를 이용한 전기 신호를 처리하기 위한 방법의 흐름도이다.

본 발명은 특히 수신 장치의 입력유닛으로 사용하기에 적합한 능동 LC 대역통과 필터를 제공함으로써 이러한 요구에 부응한다. 이 유닛은 공진 주파수에 쉽게 변화를 줄 수 있고 수신 장치에 편리하게 통합될 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 능동 LC 대역통과 필터에 있어서, 공진을 위해 캐패시터에 연결된 인덕터인 LC 쌍; 복수의 능동 증폭기들; 적어도 하나의 공진 회로를 형성하기 위해 상기 LC 쌍과 합동으로 연결된 상기 증폭기들; 및 상기 필터의 인덕턴스 또는 캐패시턴스를 바꾸지 않고 상기 필터의 이득, 공진 주파수 및/또는 형태 인자를 변경하기 위해 상기 복수의 증폭기들 중 하나에 의해 각각 공급받는 복수의 조절가능한 저항 요소들을 포함한다. 바람직하게, 상기 LC 쌍의 옴 손실 및 고주파 방사로부터의 공진 에너지 손실은 능동 증폭기들에 의해 보상된다. 상기 조절가능한 저항 요소들 중 적어도 하나는 전위차계를 포함할 수 있다. 바람직하게, 전류 제한 저항이 상기 복수의 증폭기들 중 하나와 상기 복수의 조절가능한 저항 요소들 중 대응하는 하나 사이에서 직렬로 연결된다. 바람직하게, 제조와 제어를 쉽게 하기 위해, 상기 증폭기들이 오직 단일의 LC 쌍을 이용하여 복수의 별도의 공진 회로들을 형성한다.

바람직하게, 원하는 주파수 응답 특성의 형성을 돕기 위해, 상기 별도의 공진 회로들은 다른 소정의 독립적 주파수들에서 공진할 수 있다. 상기 다른 주파수들은 상기 LC 쌍에서 추가되고, 상기 필터는 다음 단 회로에 공급하기 위해 상기 LC 쌍에 연결된 연산 증폭기(높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 갖는 산술적 증폭기)를 포함한다. 상기 복수의 공진 회로들은 단일 피크의 총 주파수 응답곡선을 형성하기 위해 가깝게 이격된 주파수들에서 공진이 가능하다. 유리하게, 상부 주파수는 능동 증폭기들의 차단 주파수들에 의해서만 제한된다. 상기 통과 대역은 광대역 통신 수신유닛 및/또는 다중의 서브채널들을 갖는 확산 스펙트럼의 통신 수신유닛에 이용하기 적합하다. 이는 또한 본 발명의 상기 능동 LC 대역통과 필터가 수동 LC 필터를 대신하도록 허용한다.

상기 LC 쌍이 직렬 또는 병렬로 연결된다. 대역통과 필터는 싱글 공진, 더블 공진, 및 멀티 공진이 가능하다. 바람직하게, 대역통과 필터는 상기 필터의 작동 주파수와 함께 증가하는 회로 출력 전압 증폭을 갖는다.

특정 이행에 있어서, 대역통과 필터는 적어도 2000의 전압이득(G), 적어도 200의 품질인자(Q), 및 10 이하의 형태인자(S)를 갖는다.

상기 능동 LC 대역통과 필터는 수신시스템에 포함될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 능동 LC 대역통과 필터에 있어서, 공진을 위해 캐패시터에 연결된 인덕터인 LC 쌍; 복수의 능동 증폭기들; 적어도 하나의 공진 회로를 형성하기 위해 상기 LC 쌍과 합동으로 연결된 상기 증폭기들; 및 상기 필터의 인덕턴스 또는 캐패시턴스를 바꾸지 않고 상기 필터의 이득, 공진 주파수, 및/또는 형태인자를 변경하기 위한 수단을 포함한다. 바람직하게는, 상기 LC 쌍의 옴 손실 및 고주파 방사로부터의 공진 에너지 손실은 능동 증폭기들에 의해 보상된다. 상기 변경을 위한 수단은 전위차계를 포함한다. 이와 달리 또는 추가로, 상기 능동 증폭기들 중 적어도 하나는 능동 회로 요소를 포함하고, 상기 변경을 위한 수단은 그 대신에 연결된 다른 능동 회로 요소를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 전기 신호를 처리하는 방법에 있어서, 공진을 위해 캐패시터에 연결된 인덕터인 LC 쌍; 복수의 능동 증폭기들; 및 적어도 하나의 저항 요소를 포함하는 적어도 하나의 공진 루프를 형성하기 위해 상기 LC 쌍과 합동으로 연결된 상기 증폭기들을 포함하는 능동 LC 대역통과 필터를 마련하고; 상기 대역통과 필터에 상기 전기 신호를 공급하고; 상기 대역통과 필터로부터 출력 신호를 추출하고; 상기 대역통과 필터의 주파수 응답 특성을 바꾸기 위하여 상기 저항요소를 조절함으로써, 이에 대응하여 상기 출력 신호가 바뀌는 단계들을 포함한다. 상기 전기 신호는 주파수 대역 내에서 복수의 주파수 채널을 갖는 무선 신호이고, 조절은 상기 채널들 중 특정한 하나를 선택하기에 효과적이다. 상기 대역통과 필터는 제1작동 주파수에서 사용 가능하고, 상기 방법은 다른 작동 주파수에서 대역통과 필터를 작동시키기 위한 캐패시터를 바꾸는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 전기 신호를 처리하는 방법에 있어서,

(a) 주 공진 주파수에서 공진을 위해 캐패시터에 연결된 인덕터인 LC 쌍, 복수의 능동 증폭기들; 및 적어도 하나의 저항 요소를 포함하는 적어도 하나의 공진 루프를 형성하기 위해 상기 LC 쌍과 합동으로 연결된 상기 증폭기들을 포함하는 능동 LC 대역통과 필터를 위한 회로 구성을 정의하고;

(b) 상기 공진 루프에 각각에 대해, 상기 대역통과 필터를 서술하는 상수 계수 선형 비동차 상 미분방정식의 고유 방정식을 형성하고; 의 형태로 상기 미분방정식의 두 개의 고유 근들을 확인하며; F₂가 1(unity)보다 작지 않도록 그리고 고유해 의 원하는 주파수를 위하여 회로 매개변수들을 선택하고;

(c) 상기 회로를 구성하고;

(d) 상기 대역통과 필터에 상기 전기 신호를 공급하고;

(e) 상기 대역통과 필터로부터 출력 신호를 추출하는 단계들을 포함하는 전기 신호를 처리한다.

상기 대역통과 필터의 주파수 응답 특성을 바꾸기 위하여 상기 저항요소를 조절함으로써, 이에 대응하여 상기 출력 신호가 바뀌는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 능동 L(인덕턴스) C(캐패시턴스) 대역통과 필터로서 능동 부품들, L 및 C 소자들로 이루어진 대역통과 필터에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 고주파에서 Q값(품질 인자), 선택성(즉, 형태 인자) 및 루프의 전압 이득을 향상시키고, 싱글 튜닝, 듀얼 튜닝으로부터 멀티 튜닝까지 선택된 주파수들의 튜닝을 위하여 인덕터-캐패시터 쌍을 이용하며, 전환 주파수의 변화가 쉽게 이루어지는 능동 LC 대역통과 필터에 관한 것이다. 본 발명의 능동 LC 대역통과 필터는 더 이상 L 및 C 소자들의 매개변수가 아닌 증폭기 부품의 주파수 특성에 대개 판단되는 고주파 성능을 갖는다. 그 회로는 증폭기가 동작 주파수에서 적절히 작동할 수 있는 한 상급의 성능을 유지할 수 있다.

기초 기술 및 이론:

본 발명의 능동 LC 대역통과 필터의 기초 이론은 네트워크의 주파수 영역 이론을 이용한 흔한 접근보다는, 매우 명료한 물리적 의미가 있으며 그 물리적 과정을 정직하게 서술하는 미분 방정식으로부터 직접적으로 이해될 수 있다. 이러한 관점에서, 인덕터는 전류에 대한 미분 유닛이고, 캐패시터는 전압에 대한 적분 유닛이다. 이러한 두 유닛들로 만들어진 루프는 이차 선형 상수계수 상 미분방정식(second-order linear constant coefficient ordinary differential equation)에 의해 확실히 서술될 수 있다. 이차 선형 상수계수 상 미분방정식은 두 가지 타입의 해, 즉, 안정적인 해와 진동하는 해를 갖는다. 증폭 시스템에 이용될 때, 안정적 해만이 오직 바람직한 해이고, 진동하는 해는 바람직하지 못하다. 이차 선형 상수계수 상 미분방정식의 해들은 방정식의 계수들에 의해 결정된다. 이차 비동차 방정식(second-order non-homogeneous equation)의 일반해들은 여자(勵磁, excitation)의 비동차 방정식의 특수해와 동차 방정식의 일반해들에 의해 공동으로 결정될 수 있다. 또한, 공진 해(resonance solution)의 주파수는 방정식의 계수들에 의해 결정되지만, 이 계수들은 임의로 결정될 수 있다. 따라서, 미분 방정식의 해들이 제어될 수 있다.

본 발명에 따르면, 적절한 방정식의 해들은 특별한 주파수에서 증폭 계수가 여과 및 증폭가능하게 하면서, 공진으로부터 먼 범위 내로 한정된다. 도 1을 참조하면, 능동 LC 필터(10)는 신호 소스 (V_S)로부터 공급 받는 제1증폭기(12)를 포함하는데, 증폭기는 제1증폭률(K₁)을 가지며, 전류제한 보호저항(14)을 통하여 제1감쇄 인자(α₁, 전류 감쇄)를 갖는 제1전위차계(13)의 와이퍼(wiper)를 공급한다. 필터(10)는 또한 인덕터(15) 및 직렬연결된 캐패시터(16)를 포함하는데, 인덕터는 인덕턴스(L)와 내부저항(r_L)을 가지며, 캐패시터는 캐패시턴스(C)와 무시할 정도로 작은 내부저항(r_C)을 갖는다. 저항값(r₁)을 갖는 외부저항(17)은 인덕터(15)에 직렬로 연결되고, 저항값(r₂)을 갖는 다른 외부저항(18)은 캐패시터(16)에 직렬로 연결된다. 제1증폭기(12)는 L 및 r₁ 공진 회로를 구동시켜, 또한 능동 LC 필터(10)의 출력(V_out)을 제공한다. 인덕턴스(L)의 카운터 전동력(counter electromotive force)은 V_out으로부터, 제2증폭률(K₂)을 가지며 제2감쇄 인자(α₂, 전압 감쇄)를 갖는 제2전위차계(20)를 갖는 제2증폭기(19)로 공급되는데, 증폭된 신호는 캐패시터(16)를 지나 인덕터(15)로 들어간다. 또한, 출력(V_out)에서 발생하고 제2증폭기(19)에 의해 증폭된 전압은 제3전위차계(21)로 공급되어 제3감쇄 인자(α₃, 전압 감쇄)에 의해 감쇄되면서 (22)로 지시된 바와 같이 입력 신호 (V_S)와 부가로 결합된다. 이 성분은 상술한 바와 같이 K₁에 의해 더욱 증폭되고 α₁에 의해 감쇄되어, 캐패시터(16)로부터 출력되어 인덕터와 직렬로 연결된 저항(r₁)을 통하여 흐른다. 저항들(r₁ 및 r₂)은 전류제한 및 자기여자억제 저항들이다. 다음의 방정식은 능동 LC 필터(10)을 서술한다:

방정식의 좌측에서 첫 번째 항은 상술한 바와 같이 제1증폭기(12)에 의해 증폭된 입력(V_S)이고; 두 번째 항은 카운터 전동력이며; 세 번째 항은 출력(V_out)으로부터 발생한 전류가 K₂에 의해 증폭되고 α₂에 의해 감쇄되어 상술한 바와 같이 캐패시터(16)를 통하여 공급된 이후 두 저항들(r₁ 및 r₂)에서 생성된 전압이고; 네 번째 항은 출력(V_out)으로부터 발생한 전류가 K₂에 의해 증폭되고 α₃에 의해 감쇄되며, K₁에 의해 더 증폭되고 α₁에 의해 감쇄되며, 캐패시터(16)로부터 출력되어 직렬로 연결된 인덕터의 저항인 저항(r₁)을 통하여 흐르는 전압이다. 상기 이미 알려진 방정식으로부터, 전형적인 패턴의 이차 상수계수 비동차 상 미분방정식 (second-order constant coefficient non-homogeneous ordinary differential equation)을 얻을 수 있다:

방정식의 오른쪽은 여자소스(excitation source), 즉 신호소스(V_S)이다. 이 상수계수 선형 비동차 상 미분방정식의 고유방정식(characteristic equation)은:

이다.

두 개의 특수근들은

이다.

이 선형 비동차 방정식의 일반해들은 매우 빨리 얻을 수 있다. 감쇄인자는

이고;

해는

이다.

두 개의 특정 상수들, A와 B는 초기 조건에 의해 결정된다.

다음의 방정식에서,

안정적인 해를 얻기 위한 사인 여자함수(V_S=V₀sinω₀t)에 대하여, 근호 안의 식은 반드시 0보다 작거나 같아야한다. 캐패시턴스(C)는 인덕턴스(L)보다 작은 적어도 두 개의 레벨임이 당연하다. K₁α₁K₂α₃-1≥0의 조건은 증폭률의 값과 증폭기의 감쇄인자(즉, K₁,α₁,K₂및α₃)의 값을 조정하여 확실히 유지될 수 있게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 해 함수들은 또한 사인함수들이라는 것이 확실해 질 수 있다.

미분방정식 수학에서 잘 알려진 방식인, 가변 상수 방식(또한 특정 계수 방식으로도 알려짐)은 비동차 방정식의 일반해들을 빠르게 산출한다:

병합, 계산 및 확정 이후에, 0의 초기조건하에 비동차 방정식의 특수해는 마지막으로 다음과 같이 표현된다:

방정식(미도시)에서 그 밖의 항들은 너무 높은 주파수에 대해 제거함에 따라 검출되지 않을 수 있다.

사인 입력신호, V₀sinωt의 작용하에, 출력신호는 입력신호의 각주파수(ω)와 방정식의 고유해의 각주파수(ω₀) 간의 차이(ω-ω₀)에 반비례하고, 또한 ω₀LC에 반비례한다. 이는 본 발명의 매우 중요한 특징을 결정짓는다. 주파수 차이가 작은 값에 근접할 때, 능동 LC 대역통과 필터(10)는 매우 큰 출력, 및 이에 따라 매우 높은 품질 인자(Q) 뿐만 아니라 전력을 증폭하는 매우 높은 전압을 갖는다.

이상은 오직 하나의 공진 루프를 갖는 도 1의 전형적인 능동 LC 대역통과 필터(10)의 응답을 보여준다. 회로 내에서 몇 개의 공진 루프가 있는 경우에, 이러한 규칙의 응답은 회로의 각 루프에 적용된다. 각 공진 루프는 같은 루프의 매개변수들에 대응하는 주파수를 갖는다. 이러한 주파수들은 같거나 다를 수 있다. 공진 루프들의 공진 주파수들이 서로 다른 경우, 회로의 출력 파형은 이렇게 다른 주파수들의 모든 파형들을 겹쳐 쌓은 결과이다.

추가의 능동 부품들이 대응하는 수의 이차 루프를 동일한 LC 쌍을 이용하는 LC 대역통과 필터에 추가하기 위해 활용될 수 있다. 또한, 직렬/병렬 능동 LC 필터 회로들을 형성하기에 유용한 능동소자 구성들이 많이 있다. 사인 입력에 대응하는 루프의 공진 주파수는 상기 방정식(2)에 의해 결정된다. 근호의 식에서, 두 번째 항의 절댓값은 첫 번째 항보다 크고, 출력 사인신호의 주파수는 두 번째 항에 의해 주로 결정된다. K₁,α₁,K₂,α₂및 α₃을 포함하는 다른 매개변수들은 L 및 C 보다 훨씬 크기 때문에, 주파수는 L 및 C 값에 의해 주로 결정되지만, K₁,α₁,K₂,α₂및 α₃을 포함하는 매개변수들에 의해 약하게 영향을 받는다. 이는 개별적인 공진 루프에 대응하는 주파수들이 같거나 다른 이유이다.

이상은 도 1의 필터(10)에 의해 예를 보인 것과 같은 직렬 능동 LC 필터의 이론적인 분석이다. 도 2를 더욱 참조하여, 본 발명의 또 다른 구성은 낮은 주파수들에서 일반적으로 적용되는 병렬 능동 LC 대역통과 필터(10')를 제공한다. 방정식(1)에 대응하는 미분 방정식이 전술한 논의에 기초하여 도 2에 따라 전개될 수 있고, 대응하는 이론적 분석이 당업자에게 명확할 것이다. 본 발명의 능동 LC 대역통과 필터는 직렬 공진에 초점을 맞추어 서술되고, 그 작동 메커니즘이 직렬공진을 참조하여 논의될 수 있는 병렬 공진을 설명하는 데는 막대 그래프만으로도 충분하다.

도 5를 더 참조하면, 본 발명은 다음과 같은 단계들을 포함하는, 전기 신호를 처리하기 위한 신규한 방법(40)을 제공한다.

(a) 능동 LC 대역통과 필터를 위한 회로 구성을 정의하는 단계, 상기 회로는 주 공진 주파수에서 공진을 위하여 캐패시터에 연결된 인덕터인 LC 쌍, 복수의 능동 증폭기들을 포함하고, 상기 증폭기는 상기 LC 쌍과 합동으로 연결되어 적어도 하나의 공진 루프를 형성하며, 상기 공진 증폭기는 적어도 하나의 저항 소자를 포함한다;

(a) 각 공진 루프에서, 상기 대역통과 필터를 서술하는 상수계수 선형 비동차 상 미분방정식의 고유 방정식을 형성하고, 의 형태로 상기 미분방정식의 두 개의 고유 근들을 확인하며, F₂가 1(unity)보다 작지 않도록 그리고 고유해 의 원하는 주파수를 위하여 회로 매개변수들을 선택하는 단계;

(c) 상기 회로를 구성하는 단계;

(d) 상기 대역통과 필터에 전기 신호를 공급하는 단계; 및

(e) 상기 대역통과 필터로부터 출력 신호를 추출하는 단계. 이 방법은 상기 대역통과 필터의 주파수 응답 특성을 바꾸기 위한 저항 요소를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이에 대응하여 출력 신호를 변화시킬 수 있다.

루프의 옴 손실을 보상하기 위하여 능동 부품들을 이용하는 것은 루프의 Q값을 개선할 수 있다. 과잉 보상은 루프의 자기 활성화를 가져오며, 인턱터의 저항 및 캐패시터의 저항은 더 이상 공진 루프의 Q값에 중요한 효과가 있지 않을 것이라는 사실을 이해할 수 있을 것이다. 이론적인 분석과 실험 결과들 모두 이 결론이 옳다는 것을 증명한다. 이론적 분석에서 보인 바와 같이, 공진 루프에 능동 부품들을 삽입한 결과는 루프의 공진 주파수가 더 이상 캐패시터 값만에 의해 결정되는 것이 아니라 루프 안의 다른 요소들에 의해서도 영향을 받음을 보여준다. 루프 내에서 다른 요소들의 매개변수를 조절함으로써, 인덕턴스와 캐패시턴스 값들을 변화시키지 않고 이차 비동차 방정식 해들의 주파수를 바꿀 수 있다. 몇몇 다른 공진 주파수들은 동일한 인덕터와 캐패시터 쌍에 연결된 몇몇 다른 루프들을 이용함으로써 얻을 수 있다. 따라서, 동일한 L 과 C의 쌍을 이용함으로써, 능동 LC 대역통과 필터는 형태인자(S (BW_0.1/BW_0.7))를 줄이고, 전압이득을 높이며, 수신장치의 선택성을 향상시키기 위하여 듀얼 공진 및 다중 공진이 가능하다.

기술적인 관점에서, 실험 결과들은 상기 이론적인 분석을 지지한다. 도 3을 더 참조하면, 예시된 주파수 응답 곡선은 상업적으로 입수가능한 얇은 에나멜을 입힌 구리선 한 가닥으로 만들어진 보통의 중공 인덕터와 직렬로 연결된 보통의 테릴렌 캐패시터를 이용하여 765kHz의 주 주파수에서 듀얼 공진을 보여준다. 이는 도 1의 회로에서 인덕터(15, 대략 43μH의 인덕턴스(L))와 캐패시터(16, 대략 1nF의 캐패시턴스(C))으로서 포함되었고, 제1 및 제2증폭기들 (12, 19)는 전계효과 트랜지스터(FET)들이다.

상술한 실험에서, 입력은 0.95mV이고 출력은 2776mV이었다. 따라서, 전압 증폭률은 2922, 즉, 전압이득이 69dB이다. 측정된 대역폭은 -3dB에서 BW₀ _.7= 12kHz이고, -20dB에서 BW₀ _.1= 117kHz이다. 루프는 Q=232의 품질 인자와 S=9.7의 형태 인자를 갖는데, 이는 수동 L 및 C 쌍으로 이루어진 단일 튜닝 루프로는 달성하기가 매우 어렵다. 주파수 응답 곡선의 둥근 꼭대기를 보면, 단일 튜닝의 주파수 응답 곡선이 뾰족한 꼭대기를 가지므로, 단일 튜닝과의 차이점은 명백하다. 실험 데이터는 이러한 듀얼 튜닝 루프의 품질 인자, 즉 루프의 Q값이 루프의 형태 인자를 증가시킬 수 있으므로 너무 높지 않은 것이 바람직 하다는 것을 보여준다. 이는 본 발명의 능동 LC 대역통과 필터에서, 인덕터와 캐패시터 자체는 더 이상 루프의 Q값을 결정짓는 인자가 아니기 때문이다. 수동 LC 필터와 달리, 캐패시터와 인덕터 자체의 저항과 LC 루프에서 직렬로 연결된 저항이 더 이상 루프 이득을 결정하는 유일한 인자가 아니다. 또한, 실험 데이터는 루프의 형태 인자를 높이기 때문에 루프의 Q값이 너무 낮아서도 안 된다는 것을 보여준다. 변하지 않고 유지되는 LC 값들로 인해, 여러 가지 방식으로 공진 루프의 Q값을 쉽게 바꾸는 것이 가능하다. 실험에서 보인 바와 같이, Q값이 갑작스럽게 높아져 공진 주파수가 1MHz로 조절된다면, 첫 번째 단계에서 전압 증폭률은 73dB이상일 수 있지만, 형태 인자는 10을 초과한다. 사실상, 단지 하나의 LC 쌍이 본 발명에 따른 다중 공진 시스템을 제공한다. 나아가, 이렇게 만들어진 다중 공진의 능동 LC 대역통과 필터는 73dB 보다 큰 전압 증폭률을 가질 수 있다.

상기 방정식(3)에 보인 바와 같이, 출력전압은 동차 방정식의 고유 주파수에 반비례하고, 입력 주파수가 증가할 때 가볍게 감소한다. 그런데, 한편으로는, 높은 출력전압은 ω₀(ω-ω₀)이 매우 작을지라도 유용하다. 반면, K₁의 값을 조정하고 튜닝 루프의 수를 증가시켜 출력전압을 높일 수 있으므로, 매우 높은 주파수에서도 큰 출력전압을 얻을 수 있다. 여기서, 제1증폭기(12)에서 하나 이상의 다른 능동 요소를 대체 및/또는 전기 증폭 분야의 당업자에게 알려진 바와 같이 증폭기의 이득-변화 전위차계와 같이 포함된 요소를 조정함으로써 K₁의 값을 바꿀 수 있다.

수동 싱글-튜닝 LC 공진 루프들에 대한 과거 실험들은 루프의 Q값이 높을수록 대역폭은 좁아지고 이어서 증폭률은 커진다는 것을 보여준다. 하지만, 고주파에서 작동할 때, 수동 LC 대역통과 필터는 작동 주파수가 높아질 때 공진 루프의 손실도 증가하기 때문에, 매우 높은 Q값을 가질 수 없을 것이다. 반대로, 본 발명의 능동 LC 대역통과 필터는 공진 루프의 에너지 손실을 보상하는 능동 부품들로 인하여 차별되는 특징이 있으며, 보상의 레벨이 조절가능한 루프의 매개변수들에 의해 결정된다. 이러한 방식으로, 루프의 손실은 줄어들고, 고주파에서 작동할지라도 매우 높은 이득을 얻을 수 있다. 물론, 공진 루프의 Q값을 향상시키는 것은 단일 목적어서는 안 된다. 루프의 Q값, 통과 대역폭, 전압증폭률, 및 형태 인자를 포함하는 모든 매개변수들을 고려해야만 한다. 이러한 매개변수들이 시스템의 최적 이용을 위하여 균형을 이루는 것은 중요하다.

L과 C의 단일 쌍을 이용하는 듀얼-공진 능동 대역통과 필터에서, 두 개의 공진 루프는 결합요소들로서 동일한 쌍의 인덕터와 캐패시터를 사용한다. 따라서, 결합은 단단하고, 공진 곡선은 단봉형(unimodal)이다. 상술한 실험 데이터는 싱글-공진 수동 LC필터에 비해, 능동 LC 필터가 매우 높은 성능, 높은 전압이득 및 작은 형태 인자를 갖는다.

본 발명의 능동 LC 필터는 동일한 쌍의 인덕터와 캐패시터를 이용할 때, 다중 공진 루프를 가질 수 있고, 이들 각각은 대응하는 주파수로 튜닝할 수 있으며,이 주파수들은 서로 다를 수 있다. 따라서, 멀티-채널 튜닝, 즉, 동일한 쌍의 캐패시터와 인덕터에 기초한 다중 튜닝을 가질 수 있다. 이는 종래의 수동 LC 공진 회로들로는 달성할 수 없는 것이다.

가능한 응용:

공진 증폭 유닛은 신호처리 시스템의 기본 부분이다. 본 발명의 능동 LC 대역통과 필터는 삽입된 능동 부품들을 가짐으로써, 공진 루프의 품질이 공진 주파수가 증가할 때 더 이상 낮아지지 않는다. 따라서, 본 발명의 능동 대역통과 필터 증폭 유닛은 기계적 진동과 같은 매우 낮은 주파수에서부터 가청 주파수 내지 무선 주파수까지 범위의 다양한 주파수 대역들에 널리 적용된다. 예를 들어, 실시간 분석을 위한 기계적 진동 스펙트럼에서 다양한 센서에 이용될 수 있고, 수중탐사 적용을 위한 초음파 응용 시스템에 이용될 수 있다. 또한, 중파, 단파 및 초단파 신호들을 수신하는 무선수신 시스템들에 이용될 수 있고, TV 수신 어플리케이션뿐만 아니라 이동 통신 수신 시스템에 이용될 수도 있다. 능동 LC 대역통과 필터는 다른 주파수들의 입력신호들을 위한 선택적 전압 이득을 갖고, 이 이득은 공진 주파수에서 최대에 도달한다. 상기 실험결과들로부터 보인 바와 같이, 증폭률은 결과로 나온 종 모양의 주파수 응답 곡선의 양측에서 빠르게 감소한다. 능동 대역통과 필터들의 스펙트럼 증폭은 일반적으로 같지 않고 가중된다. 공진 주파수에서, 증폭의 가중치는 최대이고, 증폭률 또한 최대이다. 유용한 측정 결과는 능동 LC 듀얼 튜닝 시스템의 전압증폭률은 60dB보다 클 수 있다는 것을 보여준다. 공진의 경우에, 공진 곡선의 형태 인자는 6-12 또는 그보다 작을 수도 있다. 이러한 공진 시스템에서 동일한 쌍의 L과 C가 공진 요소들로써 공유됨에 따라, 상기 두 개의 공진 루프들은 매우 단단히 결합하고, 주파수 곡선도 둥근 꼭대기와 단봉형이다. 이는 유선 또는 무선 수신 시스템들에서 원래(종래의) LC 대역통과 입력 유닛들의 직접적인 교체가 선택된 주파수의 입력신호의 가중된 증폭을 높은 증폭률로 실행하도록 한다. 그러면, 저항들 또는 능동 부품들의 네트워크가 주파수 스펙트럼에서 필터로부터 출력된 신호를 동일한 가중률로 압축하고, 압축된 신호를 주파수 변환을 위한 변환 단계로 보내도록 이용된다. 능동 LC 대역통과 필터 유닛으로부터 출력된 신호의 범위는 매우 넓고, 이 거대한 신호는 트랜지스터 주파수 변환 단계로 바로 공급될 수가 없다. 트랜지스터 주파수 단계로 공급되는 신호가 너무 크다면, 주파수 변환이 적당히 완료될 수 없는 것은 잘 알려져 있다. 이는 아날로그 체배기(multiplier)가 이용되지만 비용이 많이 증가할 곳에서는 적용할 수 없다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 수신 시스템의 다음의 슈퍼헤테로다인 수신 설계는 변하지 않는다. 능동 부품들의 감쇄저항 또는 감쇄기의 네트워크는 각 개별적인 주파수에 대해 입력 신호들의 균등하게 가중된 감쇄를 제공하므로, 공진 곡선의 양측에서 신호는 극적으로 감소하고, 이로 인해 공진 루프의 형태 인자가 줄어든다. 따라서, 본 시스템은 수신 시스템의 매우 향상된 감도와 선택성을 제공하고, 노이즈 간섭을 줄이며, 출력신호의 신호대 잡음비를 개선한다.

본 발명의 능동 LC 필터로 만들어진 공진 유닛이 슈퍼헤테로다인 수신 시스템의 입력유닛에서 원래의 수동 LC 공진 유닛을 대체 하는데 직접 이용될 수 있음은 분명하다. 이 단순한 교체가 슈퍼헤테로다인 수신 시스템의 원래 레이아웃을 변경하지 않고도 수신 시스템의 신호대 잡음비 뿐만 아니라 수신 감도 및 선택성을 매우 향상시킬 수 있다. 수신 시스템의 수신 감도는 시스템의 신호대 잡음비에만 의존하며, 이는 전단에서 수신 시스템의 성능에 의해 주로 결정된다. 첫 단의 증폭유닛 이후에 이어지는 단들에서의 증폭들은 첫 단 유닛의 신호대 잡음비의 향상에 많은 영향을 주지 못한다. 이 간단한 수정이 슈퍼헤테로다인 수신 시스템의 수신 성능을 극적으로 향상시킬 것이다. 물론, 다른 종류의 무선 통신 이동전화들도 또한 능동 LC 공진기를 수신감도를 매우 높이고, 네트워크 스테이션들 간의 거리를 좁히고, 네트워크 스테이션들의 수를 줄이기 위하여 안테나의 뒤에 직접적으로 연결될 고주파 증폭유닛으로 이용할 수 있다. 이들 모두는 최선의 결과가 가장 쉽게 이루어지는 가장 단순하고, 간편하며 직접적인 응용들이다.

당연히, 현존하는 듀얼 튜닝으로, 캐패시턴스 또는 상호 인덕턴스가 능동 싱글 튜닝 또는 능동 듀얼 또는 두 쌍의 인덕터들 및 캐패시터들로 만들어진 멀티 튜닝의 두 개의 독립적인 대역통과 필터 유닛들의 공진 루프들을 결합하여 상기 둘 사이의 결합 정도를 줄일 수 있으므로, 평평한 꼭대기(임계 결합) 또는 쌍봉(헐렁한 결합)의 공진 곡선이 얻어질 수 있다. 이는 나아가 형태 인자를 줄이고 전압이득을 높인다. 현재의 실험 결과들에 따르면, 이 시스템은 수동 듀얼 튜닝 시스템 보다 매우 높은 성능을 갖는다. 이러한 능동 대역통과 필터들로 만들어진 중간 주파수 증폭기의 이용은 현재 이용중인 전형적인 중간 주파수 증폭기 보다 매우 높은 전압이득을 제공한다. 이는 아마도 유선 및 무선 수신 시스템들의 성능 개선에 대한 미래의 방향이다.

이차 미분 방정식의 일차 도함수 전의 계수를 변경하여, 안정적인 해와 진동하는 해 사이의 전환이 쉽고 빠르게 이루어질 수 있다. 실험 결과들은 이 이론적 결과를 지지한다. 이는 유리하게 싱글타입의 회로에서 증폭 및 진동을 모두 제공하는 회로이다.

본 발명이 특정 바람직한 견해를 참고로 상당히 상세하게 설명되었지만, 다른 의견들 또한 가능하다. 따라서, 청구항의 진의 또는 범위가 반드시 여기에 포함된 바람직한 견해에 한정되어서는 안 된다.

Claims

(a) 공진을 위해 캐패시터에 연결된 인덕터인 LC 쌍;

(b) 복수의 능동 증폭기들;

(c) 적어도 하나의 공진 회로를 형성하기 위해 상기 LC 쌍과 합동으로 연결된 상기 증폭기들; 및

(d) 상기 필터의 인덕턴스 또는 캐패시턴스를 바꾸지 않고 상기 필터의 이득, 공진 주파수 및/또는 형태 인자를 변경하기 위해 상기 복수의 증폭기들 중 하나에 의해 각각 공급받는 복수의 조절가능한 저항 요소들을 포함하는 능동 LC 대역통과 필터.
제1항에 있어서, 상기 LC 쌍의 옴 손실 및 고주파 방사로부터의 공진 에너지 손실은 상기 능동 증폭기들에 의해 보상되는 능동 LC 대역통과 필터.
제1항에 있어서, 상기 조절가능한 저항 요소들 중 적어도 하나는 전위차계를 포함하는 능동 LC 대역통과 필터.
제1항에 있어서, 상기 복수의 증폭기들 중 하나와 상기 복수의 조절가능한 저항 요소들 중 대응하는 하나 사이에서 직렬로 연결된 전류 제한 저항을 더 포함하는 능동 LC 대역통과 필터.
제1항에 있어서, 상기 증폭기들이 오직 하나의 LC 쌍을 이용하여 복수의 별도의 공진 회로들을 형성하는 능동 LC 대역통과 필터.
제5항에 있어서, 상기 별도의 공진 회로들은 다른 소정의 독립적 주파수들에서 공진할 수 있는 능동 LC 대역통과 필터.
제6항에 있어서, 상기 다른 주파수들은 상기 LC 쌍에서 추가되고, 상기 필터는 다음 단 회로에 공급하기 위해 상기 LC 쌍에 연결된 연산 증폭기를 포함하는 능동 LC 대역통과 필터.
제5항에 있어서, 상기 복수의 공진 회로들은 단일 피크의 주파수 응답곡선을 형성하기 위해 가깝게 이격된 주파수들에서 공진이 가능한 능동 LC 대역통과 필터.
제5항에 있어서, 상기 통과 대역은 광대역 통신 수신유닛에 이용하기 적합한 능동 LC 대역통과 필터.
제5항에 있어서, 상기 통과 대역은 다중의 서브채널들을 갖는 확산 스펙트럼의 통신 수신유닛에 이용하기 적합한 능동 LC 대역통과 필터.
제1항에 있어서, 상기 LC 쌍이 직렬로 연결된 능동 LC 대역통과 필터.
제1항에 있어서, 상기 LC 쌍이 병렬로 연결된 능동 LC 대역통과 필터.
제1항에 있어서, 싱글 공진, 더블 공진, 및 멀티 공진이 가능한 능동 LC 대역통과 필터.
제1항에 있어서, 상기 필터의 작동 주파수와 함께 증가하는 회로 출력 전압 증폭을 갖는 능동 LC 대역통과 필터.
제1항에 있어서, 적어도 2000의 전압이득(G), 적어도 200의 품질인자(Q), 및 10 이하의 형태인자(S)를 갖는 능동 LC 대역통과 필터.
제1항의 상기 대역통과 필터를 포함하는 수신시스템.
(a) 공진을 위해 캐패시터에 연결된 인덕터인 LC 쌍;

(b) 복수의 능동 증폭기들;

(c) 적어도 하나의 공진 회로를 형성하기 위해 상기 LC 쌍과 합동으로 연결된 상기 증폭기들; 및

(d) 상기 필터의 인덕턴스 또는 캐패시턴스를 바꾸지 않고 상기 필터의 공진 주파수를 변경하기 위한 수단을 포함하는 능동 LC 대역통과 필터.
제17항에 있어서, 상기 LC 쌍의 옴 손실 및 고주파 방사로부터의 공진 에너지 손실은 능동 증폭기들에 의해 보상되는 능동 LC 대역통과 필터.
제17항에 있어서, 상기 변경을 위한 수단은 전위차계를 포함하는 능동 LC 대역통과 필터.
제17항에 있어서, 상기 능동 증폭기들 중 적어도 하나는 능동 회로 요소를 포함하고, 상기 변경을 위한 수단은 그 대신에 연결된 다른 능동 회로 요소를 포함하는 능동 LC 대역통과 필터.
(a) (i) 공진을 위해 캐패시터에 연결된 인덕터인 LC 쌍;

(ii) 복수의 능동 증폭기들; 및

(iii) 적어도 하나의 저항 요소를 포함하는 적어도 하나의 공진 루프를 형성하기 위해 상기 LC 쌍과 합동으로 연결된 상기 증폭기들을 포함하는 능동 LC 대역통과 필터를 제공하는 단계;

(b) 상기 대역통과 필터에 상기 전기 신호를 공급하는 단계;

(c) 상기 대역통과 필터로부터 출력 신호를 추출하는 단계;

(d) 상기 대역통과 필터의 주파수 응답 특성을 바꾸기 위하여 상기 저항요소를 조절함으로써, 이에 대응하여 상기 출력 신호가 바뀌는 단계들을 포함하는 전기 신호를 처리하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 전기 신호는 주파수 대역 내에서 복수의 주파수 채널을 갖는 무선 신호이고, 조절은 상기 채널들 중 특정한 하나를 선택하기에 효과적인 전기 신호를 처리하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 대역통과 필터는 제1작동 주파수에서 사용 가능하고, 상기 방법은 다른 작동 주파수에서 대역통과 필터를 작동시키기 위한 캐패시터를 바꾸는 단계를 더 포함하는 전기 신호를 처리하는 방법.
(a) (i) 주 공진 주파수에서 공진을 위해 캐패시터에 연결된 인덕터인 LC 쌍;

(ii) 복수의 능동 증폭기들; 및

(iii) 적어도 하나의 저항 요소를 포함하는 적어도 하나의 공진 루프를 형성하기 위해 상기 LC 쌍과 합동으로 연결된 상기 증폭기들을 포함하는 능동 LC 대역통과 필터를 위한 회로 구성을 정의하는 단계;

(b) 상기 공진 루프에 각각에 대해,

(i) 상기 대역통과 필터를 서술하는 상수 계수 선형 비동차 상 미분방정식의 고유 방정식을 형성하고;

(ii) 의 형태로 상기 미분방정식의 두 개의 고유 근들을 확인하며;

(iii) F₂가 1(unity)보다 작지 않도록 그리고 고유해 의 원하는 주파수를 위하여 회로 매개변수들을 선택하는 단계;

(c) 상기 회로를 구성하는 단계;

(d) 상기 대역통과 필터에 상기 전기 신호를 공급하는 단계;

(e) 상기 대역통과 필터로부터 출력 신호를 추출하는 단계들을 포함하는 전기 신호를 처리하는 방법.
제24항에 있어서, 상기 대역통과 필터의 주파수 응답 특성을 바꾸기 위하여 상기 저항요소를 조절함으로써, 이에 대응하여 상기 출력 신호가 바뀌는 단계를 더 포함하는 전기 신호를 처리하는 방법.
제25항에 있어서, 상기 전기 신호는 주파수 대역 내에서 복수의 주파수 채널을 갖는 무선 신호이고, 조절은 상기 채널들 중 특정한 하나를 선택하기에 효과적인 전기 신호를 처리하는 방법.