一种低通滤波器的制造方法
一种低通滤波器的制造方法
【专利摘要】一种低通滤波器，该滤波器提供了一个非常灵活的滤波器参数的选择，如截止频率、直流增益和Q因子，通过为单一的集成电路选择合适的电阻值，与其他标准的低通电路的配置相比，其具有非常低的电容、电容率和有源电路。
【专利说明】一种低通滤波器
【技术领域】
[0001]本发明通常涉及一种连续时间模拟的集成电路滤波器。更具体地，本发明提供了一种完全可调谐的最小的有源电路的二阶低通滤波器。
【背景技术】
[0002]模拟滤波器对于大多数电子电路的工作是必不可少的，并常常用来从噪声中分离信号。一般情况下，一个模拟滤波器是一个电网络，相对于自由传输一个或多个频带内的信号而言，改变了振幅与/或相位特性并衰减了其他频率的信号。
[0003]滤波器根据频带分为五种基本类型:全通，带通，陷波，低通和高通。一个全通滤波器对不同频率处的信号的振幅没有影响，它的功能是在不影响信号振幅的情况下简单地改变信号的相位。其他四种类型的滤波器自由地传输或通过落在一个相对窄的频带范围内的信号并衰减该频段以外的信号。一个滤波器通过的频率范围被称为滤波器的通带，不需要的信号衰减的频率范围被称为滤波器的阻带。一个带通滤波器有两个阻带，一个在通带上面，一个在通带的下面，而陷波滤波器具有有效地相反的功能，具有两个通带，一个在阻带的上面，一个阻带的下面。低通和高通滤波器都有一个通带和阻带，低通滤波器通过所有低频信号直到一些指定的频率，称为截止频率，衰减高频信号，且高通滤波器拒绝低于截止频率的低频信号并通过该频率以上的高频信号。
[0004]每当必须从信号中移除高频分量时，低通滤波器被广泛地应用在许多不同的应用。例子通常涉及某些形式的噪声抑制，如在宽带通信、音响系统和卫星图像。低通滤波器的设计一般用作其他滤波器设计的基础，高通或带通滤波器往往只是从低通滤波器的设计中简单的变换。
[0005]一个理想的低通滤波器的设计将在其通带中展现出完全平坦的响应并在其阻带中展现出无限的衰减，以及从通带到阻带的快速转换。然而，在实践中，理想的低通滤波器只能近似地达到。实现理想的滤波性能往往涉及滤波元件的仔细选择和调谐。增加滤波器的阶数可以提高振幅响应特性，这直接关系到滤波器中的元件数量，因而关系到其成本、其物理尺寸和设计的复杂性。更高阶的滤波器的主要优点是:它比类似的低阶滤波器从通带到阻带具有一个更陡峭的过渡。一般情况下，二阶滤波器被认为是最简单，可以很容易地级联，形成更高阶的滤波器。用来描述一个滤波器性能的另一个参数是该滤波器的“Q”或Q因子。Q因子表示在截止频率附近区域的振幅响应的锐度和该频率附近频带的宽度。当Q为高电平时，振幅响应积聚在截止频率(窄的宽度)相对应的峰值周围，并且当Q为低电平时，振幅响应是平坦的并慢慢变细到阻带。一个值为0.707的Q导致最大平坦的响应。低通滤波器通常为满足给定的截止频率而设计并实现所期望的Q、成本和复杂性。
[0006]传统的模拟低通滤波器的实现包括电阻器、电容器和电感器的网络。因为缺乏放大元件，这些滤波器通常称作无源滤波器，其表示滤波器不能提供信号增益。此外，这些滤波器可以是复杂、耗时的，且设计昂贵，由于难以调整电感器来提供所需的精度。
[0007]集成电路(IC)运算放大器(运放)的近期可用性使设计没有电感器的低通滤波器成为可能，从而减少了与这些元件有关的问题。这些滤波器被称为有源滤波器，因为其使用了放大元件且通常比无源滤波器更容易设计。此外，有源滤波器可以实现任意增益。
[0008]有几种已知的用于设计低通滤波器的有源滤波器配置。其中使用最广泛的一种是信号反相多重反馈(MFB)电路，设计一个二阶低通滤波器。MFB电路使用一个运算放大器和两个电容器来实现一个二阶滤波器且容易设计。然而，作为一个集成电路，MFB2nd阶低通滤波器是非常有限的并且有几个缺点。
[0009]第一，实现的直流增益和Q因子是非常受限的，一旦运算放大器和电容器集成，从最初的设计大约只增加25%。这将导致滤波器组件困难的可调谐性，因为截止频率、直流增益和Q因子的灵活性。第二，为了实现确定的Q因子为Q>1，电容比可能是相当大的，使电容器难以匹配一个良好的准确度。最后，MFB电路所要求的总电容相当高，这会导致更高的制造成本以及更大范围的管芯面积。
[0010]鉴于设计一个二阶MFB低通滤波器的上述缺点，以最小的有源电路提供一种可调谐的二阶低通滤波器将是可取的。
[0011]提供一种二阶低通滤波器，与二阶MFB低通滤波器相比，其具有较低的电容值和电容比，这也是可取的。
[0012]提供一种二阶低通滤波器，其中滤波器的参数由三个电阻器定义且专门用于有源电路的面积远小于其他完全可编程的低通电路配置，这仍是可取的。
[0013]提供一种二阶低通滤波器，可以容易级联形成更高阶的滤波器，这也将是可取的。
【发明内容】
[0014]鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供一种可调谐的最小有源电路的二阶低通滤波器。
[0015]本发明的另一个目的是提供一种二阶低通滤波器，其与二阶MFB低通滤波器相比具有较低的电容和电容比。
[0016]本发明的再一个目的是提供一种二阶低通滤波器，其中滤波器的参数由三个电阻器定义且专门用于有源电路的面积远小于其他完全可编程的低通电路配置。
[0017]本发明还有一个目的是提供一种二阶低通滤波器，可以容易级联形成更高阶的滤波器。
[0018]本发明的技术解决方案:
本发明的这些目的和其它目的是通过提供一种可调谐的最小有源电路的二阶低通滤波器来实现。该滤波器的设计通过为一个单一的集成电路选择合适的电阻值，使滤波器的参数如截止频率、直流增益和Q因子能够有一个非常灵活的选择。
[0019]在一个优选的实施方案中，本发明涉及在二阶MFB低通滤波器的电路结构中插入一个正反馈回路。正反馈回路优选用一个反相增益放大器来实现装入有源电路。与正反馈一起，该集成电路成为一个完全可编程的二阶低通滤波器的构件，它提供了一个非常灵活的滤波器参数选择。
[0020]有利地是，本发明比MFB低通电路，需要比较低的电容和电容比，以及比其他的完全可编程的低通电路配置更小的有源电路面积，包括Tow-Thomas和状态可变滤波器。
[0021]此外，本发明使得二阶滤波器可以很容易地级联形成更高阶的滤波器。[0022]对比专利文献:CN201732856U低通滤波器 201020217663.6，CN202178740U 低通滤波器 201120300213.8。
[0023]【专利附图】
【附图说明】:
下面将更详尽的描述本发明的上述目的和优点，采取相应的【专利附图】
【附图说明】，各元件的参考符号都在图中标明。
图1是现有技术的二阶MFB低通滤波器的原理框图和电路图；
图2是一个根据本发明的原理构造的二阶低通滤波器的一个优选实施例的原理框图和电路图；
图3是一个根据本发明的原理构造的二阶低通滤波器的另一实施例的原理框图和电路图；
图4是一个通过级联图2的二阶低通滤波器来构造的四阶低通滤波器的原理框图和电路图；
图5是一个由图3的二阶低通滤波器以阻带陷波构造的三阶低通滤波器的原理框图和电路图。
[0024]【具体实施方式】:
本发明提供了一个完全可调谐的最小有源电路的二阶低通滤波器，其可以很容易地级联形成更高阶的滤波器。二阶低通滤波器最好由二阶MFB低通滤波器电路构造，其通过在运算放大器的输出端和先前连接到MFB配置中接地的电容器之间插入一个正反馈环路。反馈回路使集成电路成为一个完全可编程的二阶低通滤波器构件，它提供了一个非常灵活的滤波器参数的选择，如截止频率、直流增益和Q因子，都可以选择合适的电阻值。
[0025]参照图1，描述了现有技术的二阶MFB低通滤波器的原理框图和电路图。滤波电路10，它实现了一个二阶低通滤波器，包括:运算放大器11，电容器C1 (12)和(:2 (13)，电阻器R1 (14), R2 (15)和& (16)。电路10还包括一个接收电信号的输入端Kto,电信号包含直流分量、高频交流分量和可能的低频交流分量，以及一个输出端，其直接连到运算放大器11的输出端。
[0026]二阶低通滤波随电路10的传递函数由下式表示:
【权利要求】
1.一种低通滤波器，其特征是:一个低通滤波器电路，它具有一个用于接收一个模拟输入信号匕的输入端并具有一个用于产生一个滤波的模拟输出信号Vtjut的输出端，所述滤波电路的增益由Vrat与Vjn的比值定义，它的振幅和相位取决于频率W，滤波器电路耦合在输入和输出之间，从而提供振幅，所以作为频率函数的振幅包括一个通过低频率的通带和一个阻止高频率的阻带，以及过渡区域之间的一个截止频率K，滤波电路使增益符合一个二阶频变函数表示为:
2.根据权利要求1所述的一种低通滤波器，其特征是:所述直流增益^、截止频率&和Q因子Q符合下面的公式
3.根据权利要求1所述的一种低通滤波器，其特征是:一个低通滤波器电路，它具有一个用于接收一个模拟输入信号匕的输入端并具有一个用于产生一个滤波的模拟输出信号Vout的输出端，所述滤波电路的增益由Vout与Vjn的比值定义，它的振幅和相位取决于频率W，滤波器电路耦合在输入和输出之间，从而提供振幅，所以作为频率函数的振幅包括一个通过低频率的通带和一个阻止高频率的阻带，以及过渡区域之间的一个截止频率I，滤波电路使增益符合一个二阶频变函数表示为
4.根据权利要求3所述的一种低通滤波器，其特征是:所述差分放大器，第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器是集成的；所述低通滤波器电路是一个单片集成电路；所述第一和第三电阻器具有相同的电阻值，第二和第四电阻具有相同的电阻值，以及第五和第六电阻器具有相同的电阻值；所述第一电容器和第二电容器具有相同的电容值，且第三电容器和第四电容器具有相同的电容值。
5.根据权利要求3所述的一种低通滤波器，其特征是:所述直流增益％、截止频率Wtj和Q因子Q符合下面的公式
6.根据权利要求3所述的一种低通滤波器，其特征是:所述低通滤波器电路可以以串联方式级联，形成更高阶的滤波器；所述低通滤波器连接了一个第二电路，第二电路包括:一个差动放大器，它具有一个负输入端和一个正输入端，以及一个负输出端和一个正的输出端；第一电阻连接在差分放大器的负输入端和低通滤波器的差分放大器的正输出端之间；第二电阻连接在差分放大器的正输入端和低通滤波器的差分放大器的负输出端之间；第三电阻器之间连接在差分放大器的负输入端和正输出端之间；第四电阻器连接在差分放大器的正输入端和负输出端之间；第一电容器连接在差分放大器的负输入端和正输出端之间；第二电容器连接在差分放大器的正输入端和负输出端之间；第三电容器连接在差分放大器的负输入端和低通滤波器的第一电阻器之间；第四电容器连接在差分放大器的正输入端和低通滤波器的第三电阻器之间。
7.根据权利要求6所述的一种低通滤波器，其特征是:所述低通滤波器电路和第二电路形成一个三阶带有阻带陷波的低通滤波器电路。
8.根据权利要求6所述的一种低通滤波器，其特征是:所述三阶低通滤波器电路是一个单片集成电路。
【文档编号】H03H7/01GK103618515SQ201310596192
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】不公告发明人 申请人:苏州贝克微电子有限公司
【专利摘要】一种低通滤波器，该滤波器提供了一个非常灵活的滤波器参数的选择，如截止频率、直流增益和Q因子，通过为单一的集成电路选择合适的电阻值，与其他标准的低通电路的配置相比，其具有非常低的电容、电容率和有源电路。
【专利说明】一种低通滤波器
【技术领域】
[0001]本发明通常涉及一种连续时间模拟的集成电路滤波器。更具体地，本发明提供了一种完全可调谐的最小的有源电路的二阶低通滤波器。
【背景技术】
[0002]模拟滤波器对于大多数电子电路的工作是必不可少的，并常常用来从噪声中分离信号。一般情况下，一个模拟滤波器是一个电网络，相对于自由传输一个或多个频带内的信号而言，改变了振幅与/或相位特性并衰减了其他频率的信号。
[0003]滤波器根据频带分为五种基本类型:全通，带通，陷波，低通和高通。一个全通滤波器对不同频率处的信号的振幅没有影响，它的功能是在不影响信号振幅的情况下简单地改变信号的相位。其他四种类型的滤波器自由地传输或通过落在一个相对窄的频带范围内的信号并衰减该频段以外的信号。一个滤波器通过的频率范围被称为滤波器的通带，不需要的信号衰减的频率范围被称为滤波器的阻带。一个带通滤波器有两个阻带，一个在通带上面，一个在通带的下面，而陷波滤波器具有有效地相反的功能，具有两个通带，一个在阻带的上面，一个阻带的下面。低通和高通滤波器都有一个通带和阻带，低通滤波器通过所有低频信号直到一些指定的频率，称为截止频率，衰减高频信号，且高通滤波器拒绝低于截止频率的低频信号并通过该频率以上的高频信号。
[0004]每当必须从信号中移除高频分量时，低通滤波器被广泛地应用在许多不同的应用。例子通常涉及某些形式的噪声抑制，如在宽带通信、音响系统和卫星图像。低通滤波器的设计一般用作其他滤波器设计的基础，高通或带通滤波器往往只是从低通滤波器的设计中简单的变换。
[0005]一个理想的低通滤波器的设计将在其通带中展现出完全平坦的响应并在其阻带中展现出无限的衰减，以及从通带到阻带的快速转换。然而，在实践中，理想的低通滤波器只能近似地达到。实现理想的滤波性能往往涉及滤波元件的仔细选择和调谐。增加滤波器的阶数可以提高振幅响应特性，这直接关系到滤波器中的元件数量，因而关系到其成本、其物理尺寸和设计的复杂性。更高阶的滤波器的主要优点是:它比类似的低阶滤波器从通带到阻带具有一个更陡峭的过渡。一般情况下，二阶滤波器被认为是最简单，可以很容易地级联，形成更高阶的滤波器。用来描述一个滤波器性能的另一个参数是该滤波器的“Q”或Q因子。Q因子表示在截止频率附近区域的振幅响应的锐度和该频率附近频带的宽度。当Q为高电平时，振幅响应积聚在截止频率(窄的宽度)相对应的峰值周围，并且当Q为低电平时，振幅响应是平坦的并慢慢变细到阻带。一个值为0.707的Q导致最大平坦的响应。低通滤波器通常为满足给定的截止频率而设计并实现所期望的Q、成本和复杂性。
[0006]传统的模拟低通滤波器的实现包括电阻器、电容器和电感器的网络。因为缺乏放大元件，这些滤波器通常称作无源滤波器，其表示滤波器不能提供信号增益。此外，这些滤波器可以是复杂、耗时的，且设计昂贵，由于难以调整电感器来提供所需的精度。
[0007]集成电路(IC)运算放大器(运放)的近期可用性使设计没有电感器的低通滤波器成为可能，从而减少了与这些元件有关的问题。这些滤波器被称为有源滤波器，因为其使用了放大元件且通常比无源滤波器更容易设计。此外，有源滤波器可以实现任意增益。
[0008]有几种已知的用于设计低通滤波器的有源滤波器配置。其中使用最广泛的一种是信号反相多重反馈(MFB)电路，设计一个二阶低通滤波器。MFB电路使用一个运算放大器和两个电容器来实现一个二阶滤波器且容易设计。然而，作为一个集成电路，MFB2nd阶低通滤波器是非常有限的并且有几个缺点。
[0009]第一，实现的直流增益和Q因子是非常受限的，一旦运算放大器和电容器集成，从最初的设计大约只增加25%。这将导致滤波器组件困难的可调谐性，因为截止频率、直流增益和Q因子的灵活性。第二，为了实现确定的Q因子为Q>1，电容比可能是相当大的，使电容器难以匹配一个良好的准确度。最后，MFB电路所要求的总电容相当高，这会导致更高的制造成本以及更大范围的管芯面积。
[0010]鉴于设计一个二阶MFB低通滤波器的上述缺点，以最小的有源电路提供一种可调谐的二阶低通滤波器将是可取的。
[0011]提供一种二阶低通滤波器，与二阶MFB低通滤波器相比，其具有较低的电容值和电容比，这也是可取的。
[0012]提供一种二阶低通滤波器，其中滤波器的参数由三个电阻器定义且专门用于有源电路的面积远小于其他完全可编程的低通电路配置，这仍是可取的。
[0013]提供一种二阶低通滤波器，可以容易级联形成更高阶的滤波器，这也将是可取的。
【发明内容】
[0014]鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供一种可调谐的最小有源电路的二阶低通滤波器。
[0015]本发明的另一个目的是提供一种二阶低通滤波器，其与二阶MFB低通滤波器相比具有较低的电容和电容比。
[0016]本发明的再一个目的是提供一种二阶低通滤波器，其中滤波器的参数由三个电阻器定义且专门用于有源电路的面积远小于其他完全可编程的低通电路配置。
[0017]本发明还有一个目的是提供一种二阶低通滤波器，可以容易级联形成更高阶的滤波器。
[0018]本发明的技术解决方案:
本发明的这些目的和其它目的是通过提供一种可调谐的最小有源电路的二阶低通滤波器来实现。该滤波器的设计通过为一个单一的集成电路选择合适的电阻值，使滤波器的参数如截止频率、直流增益和Q因子能够有一个非常灵活的选择。
[0019]在一个优选的实施方案中，本发明涉及在二阶MFB低通滤波器的电路结构中插入一个正反馈回路。正反馈回路优选用一个反相增益放大器来实现装入有源电路。与正反馈一起，该集成电路成为一个完全可编程的二阶低通滤波器的构件，它提供了一个非常灵活的滤波器参数选择。
[0020]有利地是，本发明比MFB低通电路，需要比较低的电容和电容比，以及比其他的完全可编程的低通电路配置更小的有源电路面积，包括Tow-Thomas和状态可变滤波器。
[0021]此外，本发明使得二阶滤波器可以很容易地级联形成更高阶的滤波器。[0022]对比专利文献:CN201732856U低通滤波器 201020217663.6，CN202178740U 低通滤波器 201120300213.8。
[0023]【专利附图】
【附图说明】:
下面将更详尽的描述本发明的上述目的和优点，采取相应的【专利附图】
【附图说明】，各元件的参考符号都在图中标明。
图1是现有技术的二阶MFB低通滤波器的原理框图和电路图；
图2是一个根据本发明的原理构造的二阶低通滤波器的一个优选实施例的原理框图和电路图；
图3是一个根据本发明的原理构造的二阶低通滤波器的另一实施例的原理框图和电路图；
图4是一个通过级联图2的二阶低通滤波器来构造的四阶低通滤波器的原理框图和电路图；
图5是一个由图3的二阶低通滤波器以阻带陷波构造的三阶低通滤波器的原理框图和电路图。
[0024]【具体实施方式】:
本发明提供了一个完全可调谐的最小有源电路的二阶低通滤波器，其可以很容易地级联形成更高阶的滤波器。二阶低通滤波器最好由二阶MFB低通滤波器电路构造，其通过在运算放大器的输出端和先前连接到MFB配置中接地的电容器之间插入一个正反馈环路。反馈回路使集成电路成为一个完全可编程的二阶低通滤波器构件，它提供了一个非常灵活的滤波器参数的选择，如截止频率、直流增益和Q因子，都可以选择合适的电阻值。
[0025]参照图1，描述了现有技术的二阶MFB低通滤波器的原理框图和电路图。滤波电路10，它实现了一个二阶低通滤波器，包括:运算放大器11，电容器C1 (12)和(:2 (13)，电阻器R1 (14), R2 (15)和& (16)。电路10还包括一个接收电信号的输入端Kto,电信号包含直流分量、高频交流分量和可能的低频交流分量，以及一个输出端，其直接连到运算放大器11的输出端。
[0026]二阶低通滤波随电路10的传递函数由下式表示:
【权利要求】
1.一种低通滤波器，其特征是:一个低通滤波器电路，它具有一个用于接收一个模拟输入信号匕的输入端并具有一个用于产生一个滤波的模拟输出信号Vtjut的输出端，所述滤波电路的增益由Vrat与Vjn的比值定义，它的振幅和相位取决于频率W，滤波器电路耦合在输入和输出之间，从而提供振幅，所以作为频率函数的振幅包括一个通过低频率的通带和一个阻止高频率的阻带，以及过渡区域之间的一个截止频率K，滤波电路使增益符合一个二阶频变函数表示为:
2.根据权利要求1所述的一种低通滤波器，其特征是:所述直流增益^、截止频率&和Q因子Q符合下面的公式
3.根据权利要求1所述的一种低通滤波器，其特征是:一个低通滤波器电路，它具有一个用于接收一个模拟输入信号匕的输入端并具有一个用于产生一个滤波的模拟输出信号Vout的输出端，所述滤波电路的增益由Vout与Vjn的比值定义，它的振幅和相位取决于频率W，滤波器电路耦合在输入和输出之间，从而提供振幅，所以作为频率函数的振幅包括一个通过低频率的通带和一个阻止高频率的阻带，以及过渡区域之间的一个截止频率I，滤波电路使增益符合一个二阶频变函数表示为
4.根据权利要求3所述的一种低通滤波器，其特征是:所述差分放大器，第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器是集成的；所述低通滤波器电路是一个单片集成电路；所述第一和第三电阻器具有相同的电阻值，第二和第四电阻具有相同的电阻值，以及第五和第六电阻器具有相同的电阻值；所述第一电容器和第二电容器具有相同的电容值，且第三电容器和第四电容器具有相同的电容值。
5.根据权利要求3所述的一种低通滤波器，其特征是:所述直流增益％、截止频率Wtj和Q因子Q符合下面的公式
6.根据权利要求3所述的一种低通滤波器，其特征是:所述低通滤波器电路可以以串联方式级联，形成更高阶的滤波器；所述低通滤波器连接了一个第二电路，第二电路包括:一个差动放大器，它具有一个负输入端和一个正输入端，以及一个负输出端和一个正的输出端；第一电阻连接在差分放大器的负输入端和低通滤波器的差分放大器的正输出端之间；第二电阻连接在差分放大器的正输入端和低通滤波器的差分放大器的负输出端之间；第三电阻器之间连接在差分放大器的负输入端和正输出端之间；第四电阻器连接在差分放大器的正输入端和负输出端之间；第一电容器连接在差分放大器的负输入端和正输出端之间；第二电容器连接在差分放大器的正输入端和负输出端之间；第三电容器连接在差分放大器的负输入端和低通滤波器的第一电阻器之间；第四电容器连接在差分放大器的正输入端和低通滤波器的第三电阻器之间。
7.根据权利要求6所述的一种低通滤波器，其特征是:所述低通滤波器电路和第二电路形成一个三阶带有阻带陷波的低通滤波器电路。
8.根据权利要求6所述的一种低通滤波器，其特征是:所述三阶低通滤波器电路是一个单片集成电路。
【文档编号】H03H7/01GK103618515SQ201310596192
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】不公告发明人 申请人:苏州贝克微电子有限公司
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