专利名称：模拟滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种模拟滤波器，本发明特别涉及到需要高精度和精密制作的在片(on-chip)IF滤波器。本发明所考虑的模拟滤波器可以是仅仅使用线圈和电容等无源部件的无源滤波器。然而，本发明的模拟滤波器也可以是用回转器替换电感的有源模拟滤波器(回转器-C或gm-C滤波器)。
背景技术：
图1表示一种常规滤波器电路的典型结构。滤波器电路包括至少一个滤波器级FSTi，并且可以级联多个滤波器级FST1，...FSTi...FSTI。典型的滤波器由一个源S馈给，并且终结于终结阻抗T。基本上，如果每个滤波器级FSTi为滤波器传递函数加上一极，滤波器传递函数的阶数就是I。众所周知，模拟滤波器的滤波器传递函数是由在复合平面内具有多个零点和极点的阶数I的多项式来表示的。然而，当理论设计的滤波器传递函数被实际应用于采用诸如电容和电感(线圈)等真实部件的多级滤波器时，寄生效应会使滤波器传递函数发生畸变，并且会造成不希望的模拟滤波器性能。
这种寄生效应是产生内部节点的结果，这些节点不属于理论设计的滤波器传递函数(滤波器拓扑学)。另外，在网络变换形成纯电阻节点时会产生额外的内部节点。也就是说，为了使滤波器具有希望的特性，数学变换可以改变传递函数的零点/极点结构，并且能由此产生不同的特性。然而，特别是在纯电阻节点的情况下，任何寄生电容都会在滤波器传递函数中增加不希望的极点和/或零点。
因此，使用的部件必须具有极为精确的值，或者是可以采用谐振器(滤波器)部件的自动调谐电路来减少寄生的影响，特别是那些用现有的希望部件不能补偿的影响。这种自动调谐例如是可以用回转器-C或gm-C滤波器来实现。
因此，始终希望能设计出这样一种滤波器，其部件值的改变和/或寄生效应不会在真实的传递函数中产生原来没有的额外的节点，以免造成不稳定或不同的滤波器性能。
现有技术的说明模拟滤波器的设计在实践中是很先进的，有各种技术手段能够实现预定的希望滤波器传递函数。典型的设计是从包括至少一个滤波器级FST1的基本的低通原型滤波器电路开始。图2a表示这种滤波器级的一个例子。电容C1被连接在滤波器级FST1的地GND和输入端IN1之间，电容C5被连接在滤波器级FST1的地GND和输出端OUT1之间。另外还设有一个终结电阻R5，并且将一个电流源I和一个电阻R1构成的源S提供给滤波器级FST1的输入。
在滤波器级FST1中存在一个由电容C3形成一个电容网络，并且其连接在地GND，以及一个阻抗网络，例如是将星形连接的电感L2，L3，L4构成的一个电感网络，其连接在电容C3与输入和输出端IN1，OUT1之间。尽管电感网络L1，L2，L3是始终存在的，也有除去了电容网络的滤波器电路，也就是说，电容C3仅仅是对地的连线。
如图3a所示，可以提供各自具有图2a所示基本结构的多个滤波器级FST1，FST2，FST3。滤波器级FST1，FST2，FST3是级联的，各自的电感L41，L22；L42，L23串联连接。当然图3a的电路也可以缩减成图3b的滤波器，将线圈L41，L22；L42，L23合并成一个单个电感L’，L″形成图3b的滤波器电路。采用这种级联的滤波器级就能实现预定阶数的滤波器电路。
从图2a所示的一个滤波器级的基本滤波器设计开始，近来有人建议用一种手段将其构造变换成没有单寄生(会增加新的不希望极点或零点)的接地的谐振器组。对图2a的滤波器级FST1采取典型的带通变换能形成图2b所示的典型的常规带通原型变换。基本地，图2c表示用来实现图2b的一种典型的回转器，其中的线圈被图4a(参见下文)所示的回转器代替了。图2c基本上是图4b中用来实现图2a的回转器的带通变换形式。
发明人研究了这种将结构变换成接地回转器组的带通变换，发现这种所变换的结构的滤波器传递函数更加稳定，因为它没有上述的单寄生。
然而，发明人还发现，如果对图2a的结构采用包括图2c所示的回转器的带通变换，连接电感L2，L3和L4的节点P就会形成纯电阻节点，仍然会造成滤波器的不希望形态，因为在实践中实现的滤波器传递函数偏离了理论设计的滤波器传递函数。
如果对图4a，4b所示的采用回转器结构的有源滤波器电路所实现的滤波器电路电感L2，L3，L4采用带通变换，就能获得纯电阻节点。在对图4b进行带通变换之后，在图2c的带通变换的回转器电路中能出现不希望的纯电阻节点。
然而，即使是避免回转器并且确实不利用回转器实现线圈，在带通变换之后，发明人仍在图2b的滤波器电路中发现了不希望的单寄生，例如是对地或对气体电路部件的寄生电容。作为带通变换的结果，这种单寄生相当于在回转器带通线圈的情况下有问题的额外纯电阻节点。这一点的真实性与星形阻抗网络是怎样实现的，也就是只有线圈或只有电容或者是线圈和电容，是无关的。无论图2a中的电容C3(或者是图2b，2c，3a，3b，4b中对应的元件)存在与否，或者是是否采用直接对地连接也都没有关系。
一种有源滤波器电路可从例如日本专利JP08196642的摘要获知。其中，对于寄生电容的改变，可以获得一稳定频率特性，并且能在一级构造中用一个互导放大器调节一个Q值。此处的稳定频率特性是利用额外的调谐电路获得的。
另外，US5,192,884描述了一种具有差动式电压控制源的有源滤波器。上述文献没有公开任何类型的变换会造成额外的纯电阻节点。
发明概述如上所述，为了避免寄生效应，在采用诸如带通变换等常规的网络理论技术来设计模拟滤波器时，发明人业已发现在滤波器传递函数中会造成单寄生(在图2b所示的无回转器型带通变换的滤波器中)或者是额外的电阻节点(在图2c所示的回转器型带通变换的滤波器中)。
为此，本发明的目的是提供一种具有上述的一或多个滤波器级的模拟滤波器，其中在滤波器传递函数中不会造成单寄生或额外的纯电阻节点。
解决方案这一目的是用具有至少一个滤波器级的模拟滤波器来实现的，所述滤波器级具有一个输入端，一个输出端和连接在上述输入和输出端与地之间的一个阻抗网络，上述阻抗网络具有按照三角形构造布置的三个阻抗元件，使三角形构造的第一节点连接到输入端，三角形构造的第二节点连接到输出端，而第三节点连接到地。
优选地，在上述第三节点与地之间插入另一个网络。
优选地，上述阻抗网络包括采取三角形构造的三个电感或三个电容或者是电感/电容的混合体。
优选地，上述另一个网络包括一个电容或一个电感，或者是并联或串联的电容-电感网络。
按照本发明的模拟滤波器没有额外的纯电阻节点，因为三个阻抗元件的三角形构造能确保所有电感器端子都连接到电容上。这样就不会在滤波器传递函数中造成不希望的极点/零点。
阻抗网络的电感可以用线圈或成对的回转器来实现。
以下要参照附图解释本发明的实施例。然而还应该认识到本发明并非仅限于所述的实施例，还可以实现各种各样的修改和变更。特别是，本发明包括了在权利要求中分别要求的和/或在说明书中单独描述的各种特征组合而成的实施例。
附图简介图1表示具有多个滤波器级FSTi的一种模拟滤波器IF的基本构造；图2a表示具有单一滤波器级FST1的一种典型的常规低通原型滤波器；图2b表示图2a的一种典型的常规带通原型变换；图2c表示用回转器实现图2b的电路的一种典型例；图3a，3b表示一种多级滤波器的构造，其中的各滤波器级具有图2a所示的基本结构；图4a，4b表示在图2a中采用回转器替换线圈的一种常规模拟滤波器的构造；图5表示按照本发明的滤波器电路的基本构造；图6表示按照图5的模拟滤波器的一个实施例；图7a，7b表示用于多级滤波器的包括一种三角形构造的电路；以及图8a，8b表示一种有源滤波器，其中用回转器替换了图6中的电感。
发明的详细说明图5表示按照本发明的模拟滤波器的原理框图，其中仅使用了一个滤波器级FSTi。然而，如果将本发明应用于一个多级滤波器电路中的各个滤波器级，以下的解释仍然适用。
模拟滤波器具有一个输入端INi，一个输出端OUTi，和连接到地GND以及输入INi和输出OUTi的一个阻抗网络INET。如上所述，可选地在阻抗网络INET与地GND之间插入另一个网络CNET(用虚线表示)，也就是在INET与GND直接没有对地的直接连线的情况下。另一个网络CNET可以是电容网络，而阻抗网络可以是纯电感网络。然而，与是否INET由电感和/或电容构成无关，重要的问题是阻抗要采取一种星形互连。
另外，第一电容C1可以连接在输入端INi和地GND之间，而第二电容C5可以连接在输出端OUTi和地GND之间。电阻R1和R5作为源和终结阻抗。所有部件C1，C5，R1，R2根据本发明的原理都是可选的。
作为一个实例，假设图5所示的低通原型滤波器具有由电感网络构成的阻抗网络INET，包括星形连接的电感L2，L3，L4，并且还有由电容网络即电容C3构成的另一个网络CNET，按照本发明-代替采用带通变换-用一种星形-三角形-变换形成图6所示的阻抗(电感)网络INET’的结构。按照本发明的星形-三角形变换可以应用于任何星形阻抗网络INET，也就是阻抗L1，L2，L3本身可以由电感和/或电容的并联和/或串联连接构成的阻抗网络来组成。
还应该能够看出，图6中用虚线表示的电容仅仅是一种选择，如果用对地的直接连接代替该电容，本发明仍然是适用的。
另外，在由星形连接的一般阻抗(即仅仅是电感和/或电容)构成INET网络的一般情况下，三角形-构造La，Lb，Lc的阻抗当然也是一般阻抗，也就是电感和/或电容。也就是说，原始网络INET的所有阻抗L1，L2，L3可以是阻抗网络本身，因此，变换的阻抗网络INET’的阻抗La，Lb，Lc一般可是阻抗网络。
在电力工程中普遍采用星形-三角形变换，例如是在电动机中将定子线圈的星形连接变换成定子线圈的三角形构造，这是本领域的技术人员所熟知的。如图6所示，星形-三角形变换导致一种构造，其中三个电感或者是一般情况下的阻抗元件La，Lb，Lc被布置成三角形构造，使三角形构造的第一节点N1i连接到输入端INi，三角形构造的第二节点N2i连接到输出端OUTi，而第三节点N3i连接到电容网络CNET，该电容网络CNET仍然可以如图2a所示由一个电容C3构成，或者是直接连接到地(如果省掉电容C3)。
如上所述，第一节点N1i连接到电容C1，第二节点N2i连接到电容C5，而第三节点N3i连接到电容C3或电容网络CNET或者是直接连接到地，这取决于滤波器电路的类型。
由于星形-三角形变换，阻抗(例如是电感)La，Lb，Lc可以获得以下的值La=L2+L3+L2*L3L4----(1a)]]>Lb=L2+L4+L2*L4L3----(1b)]]>Lc=L3+L4+L3*L4L2----(1c)]]>如上所述，如果阻抗L1，L2，L3都是电感，变换的阻抗当然也就是电感。如果它们是电容，La，Lb，Lc就是电容，而如果它们是线圈和/或电容的混合体，阻抗La，Lb，Lc也会是线圈和/或电容的混合体。
因此，本发明没有具体限制在任何特定的阻抗网络INET，INET’(只要INET是星形构造，而INET’是三角形构造)，并且另一个网络是可选的。无论在任何情况下，本发明的星形-三角形变换都能消除(回转器构造的)寄生节点和(在电感不是由回转器实现的情况下)单寄生，这样就能消除滤波器传递函数的不稳定问题。
仅有滤波器系数分散(coefficient spread)和大小会随着这种变换而增加，因为阻抗La，Lb，Lc的值会由于如公式(1)中所示这种变换而明显地增大。
星形-三角形变换还可以应用于图7a或7b所示的多级模拟滤波器。比较图7和图3，图3a，3b中的所有星形连接都被线圈的三角形构造代替了。这样就使多级滤波器也能具备本发明的优点。
如果用诸如回转器那样的有源部件代替例如是图6的滤波器电路中的各个电感元件，如图8a，8b中所示的有源滤波器也能从本发明的星形-三角形变换中得益。因此，也可以构造成回转器-C或gm-C有源滤波器，其中，通过对原型滤波器的星形-三角形变换消除单寄生节点。
工业实用性本发明可以应用于具有线圈和/或电容的星形连接的任何类型的模拟滤波器，并且不仅限于用电感实现阻抗网络并用回转器代替电容的有源滤波器。任何类型的具有星形阻抗网络INET的滤波器电路无论有没有另一个CNET都能从本发明的星形-三角形变换中得益。
另外，本发明还可以有与本文所述不同的体现方式，本领域的技术人员根据以上的说明和权利要求书显然还能对本发明作出各种各样的修改和变更。特别是，本发明可以包括在说明书权利要求中已经分别描述的各种特征。
权利要求书中的标号仅仅是用于清楚的目的而不是要限制权利要求的范围。
权利要求
1.一种模拟滤波器(IF)，包括至少一个滤波器级(FSTi)，所述滤波器级具有一个输入端(INi)，一个输出端(OUTi)和连接在所述输入和输出端(INi，OUTi)与(GND)地之间的一个阻抗网络(INET’)，其特征在于所述阻抗网络(INET’)按照三角形构造布置有三个阻抗元件(La，Lb，Lc，G2，G3，G4)，使三角形构造的第一节点(N1i)连接到输入端(INi)，三角形构造的第二节点(N2i)连接到输出端(OUTi)，而第三节点(N3i)连接到地(GND)。
2.按照权利要求1的模拟滤波器(IF)，其特征是在所述第三节点(N3i)与地(GND)之间插入另一个网络(CNET)。
3.按照权利要求1的模拟滤波器(IF)，其特征是所述阻抗网络(INET’)包括采取三角形构造的三个电感(La，Lb，Lc)或三个电容或者是电感/电容的混合体。
4.按照权利要求3或2的模拟滤波器(IF)，其特征是所述另一个网络(CNET)包括一个电容或一个电感，或者是并联或串联的电容-电感网络。
5.按照权利要求1的模拟滤波器(IF)，其特征是一个滤波器级(FSTi)和连接在所述输入端(IN1)与地(GND)地之间的输入电容(C1)以及连接在所述输出端(OUT1)与地(GND)地之间的输出电容(C5)。
6.按照权利要求3的模拟滤波器(IF)，其特征是所述电感元件是线圈(L2，L4，L3)。
7.按照权利要求3或6的模拟滤波器(IF)，其特征是所述电感元件是分别由成对的回转器(G1，G2，G3)构成的。
8.按照权利要求4的模拟滤波器(IF)，其特征是所述电容网络(CNET)包括至少一个电容(C3)。
9.按照权利要求1的模拟滤波器(IF)，其特征是所述模拟滤波器是一种回转器-C或gm-C滤波器。
10.按照权利要求1的模拟滤波器(IF)，其特征是所述模拟滤波器是带通、低通、高通、带阻和全通滤波器，或者是所述滤波器的组合。
全文摘要
本发明涉及到一种模拟滤波器(IF),包括的至少一个滤波器级(FSTi),所述滤波器级(FSTi)具有一个输入端(INi),一个输出端(OUTi),和连接在所述输入和输出端(INi,OUTi)与地(GND)之间的一个阻抗网络(INET’),所述阻抗网络(INET’)按照三角形构造布置有三个阻抗元件(La,Lb,Lc,G2,G3,G4),使三角形构造的第一节点(N1i)连接到输入端(INi),三角形构造的第二节点(N2i)连接到输出端(OUTi),而第三节点(N3i)连接到地(GND)。最好在所述第三节点(N3i)与地(GND)之间插入一个电容网络(CNET)。在使用回转器替换电感时,避免了采用星－三角变换在滤波器传递函数中的寄生节点,特别是纯电阻节点,因为各个电感连接节点(N1i,N2i,N3i)分别连接到一个电容元件(C1,CENT,C5)上。
文档编号H03H11/08GK1369135SQ00811283
公开日2002年9月11日 申请日期2000年7月10日 优先权日1999年8月3日
发明者S·马蒂松 申请人:艾利森电话股份有限公司