WO2021093520A1

WO2021093520A1 - 带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器

Info

Publication number: WO2021093520A1
Application number: PCT/CN2020/121866
Authority: WO
Inventors: 徐挺; 雷红军
Original assignee: 苏州华芯微电子股份有限公司
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2021-05-20
Also published as: CN110708037B; CN110708037A

Abstract

本发明揭示了一种带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器，所述跨阻镜像滤波器包括若干四阶低通跨阻滤波器，每个四阶低通跨阻滤波器包括I路中的第一二阶低通跨阻滤波器及与Q路中的第二二阶低通跨阻滤波器；所述第一二阶低通跨阻滤波器包括第一运算放大器、第二运算放大器，所述第二二阶低通跨阻滤波器包括第三运算放大器、第四运算放大器，两队二阶低通跨阻滤波器中的积分环节交叉相连。本发明的跨阻镜像滤波器具有方便高效的带宽、增益及中心频率的调节能力，带宽、增益及中心频率三个参数只和各自的一个电阻或电容有关，三个参数之间调节互不干扰，使用方便；且该滤波器通带平滑，阻带抑制好，拓展性高。

Description

带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器。

背景技术

随着当今通讯技术的发展及智能终端的普及，无线射频技术的我们生活中得到了广泛的应用，上到庞大的5G通讯网络，小到车辆遥控器，都需要借助无线技术进行信息的传输。大量不同的设备常常在同时同地工作，为了使各个设备不会相互干扰，每个设备都要工作在各自的频段。但是频率的资源是有限的，开放给民用的频段更是只有很少的一部分，为了充分利用好有限的频带资源，这就需要设备的无线模块具有优秀的频谱特性，并且最好能支持多模多频技术，使得设备能自由调节以避开频率的冲突。

现代集成电路的发展使得绝大部分无线功能模块都能集成与芯片之中，滤波器在集成电路中有着广泛的作用。在无线通讯中，一个优秀的滤波器，能够极大的抑制组带频率，降低系统相邻频带的干扰；并且在多模多频的芯片中，可变带宽、增益也是芯片滤波器的必要功能。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器，所述跨阻镜像滤波器包括若干四阶低通跨阻滤波器，每个四阶低通跨阻滤波器包括I路中的第一二阶低通跨阻滤波器及与Q路中的第二二阶低通跨阻滤波器；所述第一二阶低通跨阻滤波器包括第一运算放大器、第二运算放大器，所述第二二阶低通跨阻滤波器包括第三运算放大器、第四运算放大器，第一运算放大器的输出端与第三运算放大器的输入端、第二运算放大器的输出端与第四运算放大器的输入端、第三运算放大器的输出端与第一运算放大器的输入端、第四运算放大器的输出端与第二运算放大器的输入端之间连接有若干第四电阻R4。

一实施例中，所述跨阻镜像滤波器中：

所述第一二阶低通跨阻滤波器包括第一运算放大器、第二运算放大器、与第一运算放大器输入端相连的第三电阻R3、分别连接于第一运算放大器输出端和第二运算放大器输入端之间以及第一运算放大器输入端和第二运算放大器之间的第一电阻R1、分别连接于第一运算放大器输入端和输出端、第二运算放大器输入端和输出端之间的电容C、及连接于第一运算放大器输入端和输出端之间的第二电阻R2；

所述第二二阶低通跨阻滤波器包括第三运算放大器、第四运算放大器、与第三运算放大器输入端相连的第三电阻R3、分别连接于第三运算放大器输出端和第四运算放大器输入端之间以及第三运算放大器输入端和第四运算放大器之间的第一电阻R1、分别连接于第三运算放大器输入端和输出端、第四运算放大器输入端和输出端之间的电容C、及连接于第三运算放大器输入端和输出端之间的第二电阻R2。

一实施例中，所述第一电阻R1、第二电阻R2为固定电阻，第三电阻R3、第四电阻R4为可调电阻，电容C为可调电容。

一实施例中，所述第一二阶低通跨阻滤波器或第二二阶低通跨阻滤波器的增益K，带宽ω ₀，中心频率ω _c分别为：

一实施例中，所述第一二阶低通跨阻滤波器或第二二阶低通跨阻滤波器的传递函数为：

一实施例中，所述I路的输入信号Xi+、Xi-分别与第一运算放大器的正输入端和负输入端相连，第一运算放大器的正输出端和负输出端分别与第二运算放大器的正输入端和负输入端相连；Q路的输入信号Xq+、Xq-分别与第三运算放大器的正输入端和负输入端相连，第三运算放大器的正输出端和负输出端分别与第四运算放大器的正输入端和负输入端相连。

一实施例中，所述第一运算放大器的正输出端和第三运算放大器的正输入端、第一运算放大器的负输出端和第三运算放大器的负输入端、第三运算放大器的正输出端和第一运算放大器的负输入端、第三运算放大器的负输出端和第一运算放大器的正输入端之间分别连接有第四电阻R4；所述第二运算放大器的正输出端和第四运算放大器的正输入端、第二运算放大器的负输出端和第四运算放大器的负输入端、第四运算放大器的正输出端和第二运算放大器的负输入端、第四运算放大器的负输出端和第二运算放大器的正输入端之间分别连接有第四电阻R4。

一实施例中，所述输入信号Xi+与第一运算放大器的正输入端、输入信号Xi-与第一运算放大器的负输入端、输入信号Xq+与第三运算放大器的正输入端、输入信号Xq-与第三运算放大器的负输入端之间分别连接有第三电阻R3；

所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器的正输出端与对应的负输入端、及负输出端与对应的正输入端之间分别连接有电容C；

所述第一运算放大器、第三运算放大器的正输出端与对应的负输入端、及负输出端与对应的正输入端之间分别连接有第二电阻R2；

所述第一运算放大器的正输出端和负输出端与第二运算放大器的正输入端和负输入端、第三运算放大器的正输出端和负输出端与第四运算放大器的正输入端和负输入端之间分别连接有第一电阻R1，第二运算放大器的正输出端和负输出端与第一运算放大器的负输入端和正输入端、第四运算放大器的正输出端和负输出端与第三运算放大器的负输入端和正输入端之间分别连接有第一电阻R1。

一实施例中，所述跨阻镜像滤波器包括若干级联设置的四阶低通跨阻滤波器，不同四阶低通跨阻滤波器中第二电阻R2的阻值不同。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的跨阻镜像滤波器具有方便高效的带宽、增益及中心频率的调节能力，带宽、增益及中心频率三个参数只和各自的一个电阻或电容有关，三个参数之间调节互不干扰，使用方便；且该滤波器通带平滑，阻带抑制好，拓展性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中二阶低通跨阻滤波器的电路图；

图2为图1中二阶低通跨阻滤波器的信号流程图；

图3a为现有技术中低通滤波器的积分环节电路图；图3b为低通滤波器的镜像抑制电路图；

图4a为现有技术中滤波器的幅频曲线图，图4b、4c分别为本发明中输入信号为RF信号和镜像信号时滤波器的幅频曲线图；

图5为本发明一具体实施例中跨阻镜像滤波器的电路图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图5所示，本发明公开了一种带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器，跨阻镜像滤波器包括若干四阶低通跨阻滤波器(图5中虚线框内电路)，每个四阶低通跨阻滤波器包括I路中的第一二阶低通跨阻滤波器(图5中上方点划线框内电路)及与Q路中的第二二阶低通跨阻滤波器(图5中下方点划线框内电路)，二阶低通跨阻滤波器则是由两个积分器和两个反馈电阻构成。

具体地，第一二阶低通跨阻滤波器包括第一运算放大器、第二运算放大器、与第一运算放大器输入端相连的第三电阻R3、分别连接于第一运算放大器输出端和第二运算放大器输入端之间以及第一运算放大器输入端和第二运算放大器之间的第一电阻R1、分别连接于第一运算放大器输入端和输出端、第二运算放大器输入端和输出端之间的电容C、及连接于第一运算放大器输入端和输出端之间的第二电阻R2；

第二二阶低通跨阻滤波器包括第三运算放大器、第四运算放大器、与第三运算放大器输入端相连的第三电阻R3、分别连接于第三运算放大器输出端和第四运算放大器输入端之间以及第三运算放大器输入端和第四运算放大器之间的第一电阻R1、分别连接于第三运算放大器输入端和输出端、第四运算放大器输入端和输出端之间的电容C、及连接于第三运算放大器输入端和输出端之间的第二电阻R2。

另外，第一运算放大器的输出端与第三运算放大器的输入端、第二运算放大器的输出端与第四运算放大器的输入端、第三运算放大器的输出端与第一运算放大器的输入端、第四运算放大器的输出端与第二运算放大器的输入端之间连接有若干第四电阻R4。

具体地，本发明一具体实施例中：

I路的输入信号Xi+、Xi-分别与第一运算放大器的正输入端和负输入端相连，第一运算放大器的正输出端和负输出端分别与第二运算放大器的正输入端和负输入端相连；Q路的输入信号Xq+、Xq-分别与第三运算放大器的正输入端和负输入端相连，第三运算放大器的正输出端和负输出端分别与第四运算放大器的正输入端和负输入端相连。

第一运算放大器的正输出端和第三运算放大器的正输入端、第一运算放大器的负输出端和第三运算放大器的负输入端、第三运算放大器的正输出端和第一运算放大器的负输入端、第三运算放大器的负输出端和第一运算放大器的正输入端之间分别连接有第四电阻R4；第二运算放大器的正输出端和第四运算放大器的正输入端、第二运算放大器的负输出端和第四运算放大器的负输入端、第四运算放大器的正输出端和第二运算放大器的负输入端、第四运算放大器的负输出端和第二运算放大器的正输入端之间分别连接有第四电阻R4；

输入信号Xi+与第一运算放大器的正输入端、输入信号Xi-与第一运算放大器的负输入端、输入信号Xq+与第三运算放大器的正输入端、输入信号Xq-与第三运算放大器的负输入端之间分别连接有第三电阻R3；

第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器的正输出端与对应的负输入端、及负输出端与对应的正输入端之间分别连接有电容C；

第一运算放大器、第三运算放大器的正输出端与对应的负输入端、及负输出端与对应的正输入端之间分别连接有第二电阻R2；

第一运算放大器的正输出端和负输出端与第二运算放大器的正输入端和负输入端、第三运算放大器的正输出端和负输出端与第四运算放大器的正输入端和负输入端之间分别连接有第一电阻R1，第二运算放大器的正输出端和负输出端与第一运算放大器的负输入端和正输入端、第四运算放大器的正输出端和负输出端与第三运算放大器的负输入端和正输入端之间分别连接有第一电阻R1。

本发明中的第一电阻R1、第二电阻R2为固定电阻，第三电阻R3、第四电阻R4为可调电阻，电容C为可调电容。

二阶低通跨阻滤波器中输入、第一级积分，第二级积分、输出按顺序相连。积分器中电容均为可调电容C，第一级积分器的电阻为可调电阻R3，第二级积分器电阻为固定电阻R1，还有两个反馈，作为乘法与加法环节。第一级积分器运放正端输出另通过固定电阻R2接本运放负端，等效于将第一级积分输出放大R3/R2倍后与输入相加；第二级积分器的运放负端通过R1接第一级积分运放负端，等效于将第二级输出放大-R3/R1倍后与输入相加。

两个四阶低通跨阻滤波器分为IQ两路，I路中的四个积分器运放的正端输出通过R4与Q路中相对应的积分器运放负端输入相连，Q路中四个积分器的负端输出通过R4与I路中相对应的积分器运放负端输入相连，从而时间镜像滤波的功能。当IQ两路输入幅值相同的信号，且Q路信号领先I路90°时，整体滤波器呈现出带通特性；当Q路信号落后I路90°时，IQ信号都会被抑制。

第一二阶低通跨阻滤波器或第二二阶低通跨阻滤波器的增益K，带宽ω ₀，中心频率ω _c分别为：

第一二阶低通跨阻滤波器或第二二阶低通跨阻滤波器的传递函数为：

本实施例中跨阻镜像滤波器包括若干级联设置的四阶低通跨阻滤波器，不同四阶低通跨阻滤波器中第二电阻R2的阻值不同，如本实施例中右方四阶低通跨阻滤波器中采用第五电阻R5进行替代。

在集成电路设计领域，巴特沃斯滤波器因其最好的通频带平坦度，常用于各类模拟及数模混合集成电路中；且通过提高滤波器阶数，可以获得不错的带外抑制能力。本发明以一个四阶巴特沃斯低通滤波器为基础逐步构建，以下分步介绍设计过程。

本发明中的四阶低通跨阻滤波器由两个双二阶低通跨阻滤波器级联而成，传递函数如下：

式中K为滤波器增益，ω为3dB带宽，Q ₁和Q ₂为品质因数，其值可由查表获得。单个二阶低通跨阻滤波器对应采用的滤波器电路如图1，RC参数即按图1 中所示，以流程图的方式简单计算该滤波器的带宽ω与增益K。

图2即图1电路的信号流程图，据图2可得方程：

化简可得：

分子分母同除

得：

令

上式可化为：

将s替代为jω，则传递函数可写成：

对比上述传递函数公式可知，滤波器的增益为K，带宽为ω ₀。这就是需要的低通滤波器，下面就是要将该滤波器转化为镜像滤波器。

由一般资料可知，所需的信号(通常叫RF信号)与镜像信号在输入镜像滤波器之前，会分别与两个正交的本振信号混频，得到I、Q两路相位差不同的中频信号X _i，X _q。如RF信号混频后X _i相位比X _q小90°，则镜像信号混频后X _i相位比X _q大90°，经镜像滤波器后前者的X _i X _q将被保留，后者的X _i X _q将被抑制。

镜像滤波器主要是将原低通滤波器的积分环节加以改造，原滤波器中的积分环节如图3a所示，其传递函数计算方法一般是以运放负端节点电流建立KCL方程：

化简可得：

在镜像滤波器中，I、Q两路有完全相同的两个低通滤波器，两路的输入输出如图3b方式相连，对于I路的运放负端，增加了一路Y _q来的电流，对两个运放负端电流建立KCL方程：

对于RF信号，X _i相位比X _q小90°，因而X _q＝jX _i，代入(4)式并乘j后两式相加：

上式中X _i可消去，运算后易得Y _q＝jY _i，输出相位同样是I路比Q路小90°，代入(3)式可得：

化简可得：

令

上式可化为：

对比原积分环节的传递函数式(2)，只是在ω上减去一个ω _c，相当于在波特图上将幅频曲线往右移了ω _c。

回到本发明所用的二阶低通滤波器，只需将两对低通滤波器中的积分环节如图3b中交叉相连，就相当于将信号流程图图2中的积分器

替换为

计算方法与之前低通完全一致，最终得到的传递函数为：

其中，

参图4a、4b所示，在波特图上，将原低通滤波器的幅频曲线往右移ω _c，得到以ω _c为中心，带宽为2ω ₀的带通滤波器，带内增益为K。

如果输入的不是RF信号，而是镜像信号，X _q＝-jX _i，得到的传递函数为：

参图4a、4c所示，K，ω _c，ω _c数值同上，相当于整体曲线往左移，任意频率的信号都会被抑制。

回到式(6)中，R ₃、R ₄、C仅与增益K、带宽ω ₀、中心频率ω _c有关，可通过单独修调改R ₃变滤波器增益K，单独修调C改变滤波器带宽，最后修调R ₄改变滤波器中心频率。所以将图中R ₃、R ₄、C改为可修调结构，修调选用普通结构如图即可。

差分结构的运放能够抑制共模噪声，更广泛的应用于各类滤波器中，将图1中所有运放都改为差分结构，并将两个二阶滤波器级联即图5所示的最终电路。两个滤波器除R2需调节极点略有不同之外，其余参数完全相同。

本发明的跨阻镜像滤波器通带平滑，阻带抑制好，最主要的优点在于具有方便高效的带宽、增益及中心频率的调节能力：电路精巧的设计，使其带宽、增益及中心频率三个参数只和各自的一个电阻或电容有关，三个参数之间调节互不干扰，使用方便；调节的电阻电容由电阻电容阵列组成，通过简单的开关控制，可实现几倍乃至几十倍的变化，使带宽、增益及中心频率具有几十倍可变的超大的调节能力；参数多由电阻电容相对的比例决定，只需控制好设计中器件的匹配，最终滤波器的主要参数都具有较高的设计精度。

另外，本发明中使用的是四阶滤波，如有实际需求，可只用二阶或增加到五阶、六阶等，具有很高的拓展性。

本发明应用于集成电路中时，受电阻尺寸和运放带宽的限制，一般可用于信号频率在100K～100MHz之间的电路。其强大的带宽增益调节能力，决定了它适用于很多模拟及混合集成电路。

上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

一种带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器，其特征在于，所述跨阻镜像滤波器包括若干四阶低通跨阻滤波器，每个四阶低通跨阻滤波器包括I路中的第一二阶低通跨阻滤波器及与Q路中的第二二阶低通跨阻滤波器；所述第一二阶低通跨阻滤波器包括第一运算放大器、第二运算放大器，所述第二二阶低通跨阻滤波器包括第三运算放大器、第四运算放大器，第一运算放大器的输出端与第三运算放大器的输入端、第二运算放大器的输出端与第四运算放大器的输入端、第三运算放大器的输出端与第一运算放大器的输入端、第四运算放大器的输出端与第二运算放大器的输入端之间连接有若干第四电阻R4。
根据权利要求1所述的带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器，其特征在于，所述跨阻镜像滤波器中：

所述第一二阶低通跨阻滤波器包括第一运算放大器、第二运算放大器、与第一运算放大器输入端相连的第三电阻R3、分别连接于第一运算放大器输出端和第二运算放大器输入端之间以及第一运算放大器输入端和第二运算放大器之间的第一电阻R1、分别连接于第一运算放大器输入端和输出端、第二运算放大器输入端和输出端之间的电容C、及连接于第一运算放大器输入端和输出端之间的第二电阻R2；

所述第二二阶低通跨阻滤波器包括第三运算放大器、第四运算放大器、与第三运算放大器输入端相连的第三电阻R3、分别连接于第三运算放大器输出端和第四运算放大器输入端之间以及第三运算放大器输入端和第四运算放大器之间的第一电阻R1、分别连接于第三运算放大器输入端和输出端、第四运算放大器输入端和输出端之间的电容C、及连接于第三运算放大器输入端和输出端之间的第二电阻R2。
根据权利要求2所述的带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器，其特征在于，所述第一电阻R1、第二电阻R2为固定电阻，第三电阻R3、第四电阻R4为可调电阻，电容C为可调电容。
根据权利要求3所述的带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器，其特征在于，所述第一二阶低通跨阻滤波器或第二二阶低通跨阻滤波器的增益K，带宽ω ₀，中心频率ω _c分别为：
根据权利要求4所述的带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器，其特征在于，所述第一二阶低通跨阻滤波器或第二二阶低通跨阻滤波器的传递函数为：
根据权利要求2所述的带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器，其特征在于，所述I路的输入信号Xi+、Xi-分别与第一运算放大器的正输入端和负输入端相连，第一运算放大器的正输出端和负输出端分别与第二运算放大器的正输入端和负输入端相连；Q路的输入信号Xq+、Xq-分别与第三运算放大器的正输入端和负输入端相连，第三运算放大器的正输出端和负输出端分别与第四运算放大器的正输入端和负输入端相连。
根据权利要求6所述的带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器，其特征在于，所述第一运算放大器的正输出端和第三运算放大器的正输入端、第一运算放大器的负输出端和第三运算放大器的负输入端、第三运算放大器的正输出端和第一运算放大器的负输入端、第三运算放大器的负输出端和第一运算放大器的正输入端之间分别连接有第四电阻R4；所述第二运算放大器的正输出端和第四运算放大器的正输入端、第二运算放大器的负输出端和第四运算放大器的负输入端、第四运算放大器的正输出端和第二运算放大器的负输入端、第四运算放大器的负输出端和第二运算放大器的正输入端之间分别连接有第四电阻R4。
根据权利要求6所述的带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器，其特征在于，所述输入信号Xi+与第一运算放大器的正输入端、输入信号Xi-与第一运算放大器的负输入端、输入信号Xq+与第三运算放大器的正输入端、输入信号Xq-与第三运算放大器的负输入端之间分别连接有第三电阻R3；

所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器的正输出端与对应的负输入端、及负输出端与对应的正输入端之间分别连接有电容C；

所述第一运算放大器、第三运算放大器的正输出端与对应的负输入端、及负输出端与对应的正输入端之间分别连接有第二电阻R2；

所述第一运算放大器的正输出端和负输出端与第二运算放大器的正输入端和负输入端、第三运算放大器的正输出端和负输出端与第四运算放大器的正输入端和负输入端之间分别连接有第一电阻R1，第二运算放大器的正输出端和负输出端与第一运算放大器的负输入端和正输入端、第四运算放大器的正输出端和负输出端与第三运算放大器的负输入端和正输入端之间分别连接有第一电阻R1。
根据权利要求2所述的带宽、增益、频率可调的跨阻镜像滤波器，其特征在于，所述跨阻镜像滤波器包括若干级联设置的四阶低通跨阻滤波器，不同四阶低通跨阻滤波器中第二电阻R2的阻值不同。