一种滤波器及其品质因数补偿方法与流程

本发明涉及电子信息领域，特别涉及一种滤波器及其品质因数补偿方法。

背景技术：

滤波器在RF接收机芯片中很重要。其主要功能是滤除带外干扰以及抑制镜像信号，在低中频接收机中，常常使用中频复数滤波器来同时实现滤波和镜像抑制。然而，现有的中频复数滤波器，中心频率比较高，带宽比较大，此时，运算放大器有限的增益带宽积会引起滤波特性偏离其理想状态，使品质因数Q值变大。品质因数Q值变大会导致截止频率和带宽下降，在截止频率附近会出现比较高的增益上冲，破坏通带平坦度，如图3所示。如果通过提高运算放大器的增益带宽积会消耗大量功耗，代价比较高。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种滤波器及其品质因数补偿方法。本发明通过对滤波器的品质因数Q值进行补偿，使滤波器的运算放大器性能不佳时能够保持相对理想的滤波特性，避免了滤波器的频率特性曲线在截止频率附近出现比较高的增益上冲，破坏通带平坦度的情况；因此本技术方案不仅对滤波器的Q值进行了补偿，同时还无需提高运算放大器的增益带宽积，省掉电阻的面积，降低了功耗的消耗，结构简单，可控性强。

本发明中的一种滤波器，包括第一滤波电路、第二滤波电路、第三滤波电路、输入电路和输出电路；所述第一滤波电路和第二滤波电路相互串联，所述第三滤波电路与第一滤波电路和第二滤波电路相互并联；所述输入电路分别与所述第一滤波电路和第三滤波电路连接，所述输出电路分别与所述第二滤波电路和第三滤波电路连接。

上述方案中，所述第一滤波电路包括运算放大器OP1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电容C1；

所述运算放大器OP1、电容C1、电阻R2和电阻R3之间相互并联；所述电容C1、电阻R2和电阻R3的一端与所述输入电路连接，所述电容C1、电阻R2的另一端与所述电阻R4连接；

所述电阻R4与所述运算放大器OP1的输出端连接，所述运算放大器OP1的反向输入端与所述输入电路连接，所述运算放大器OP1的正向输入端接入共模电压。

上述方案中，所述第一滤波电路还包括倒向放大器D1，所述倒向放大器D1的输入端与所述电阻R3连接，所述倒相放大器D1的输出端与所述电阻R4连接。

上述方案中，所述第二滤波电路包括运算放大器OP2、电阻R5、电容C2和缓冲放大器H1；所述运算放大器OP2、电阻R5和电容C2相互并联连接；

所述电阻R5和电容C2的一端与所述电阻R4连接，所述电容C2的另一端与所述缓冲放大器H1的输入端连接；

所述运算放大器OP2的正向输入端接入共模电压，所述运算放大器OP2的反向输入端与所述电阻R4连接，所述运算放大器OP2的输出端与所述缓冲放大器H1的输入端连接。

上述方案中，所述第二滤波电路还包括倒向放大器D2，倒向放大器D2的输入端与所述电阻R5连接，所述倒向放大器D2的输出端与所述缓冲放大器H1的输入端连接。

上述方案中，所述第三滤波电路包括相互并联连接的电容C3和电阻R6，所述电容C3和电阻R6的一端与所述输入电路、电阻R3、电阻R2、电容C1和运算放大器OP1的反向输入端连接，所述电容C3和电阻R6的另一端与所述输出电路和缓冲放大器的输出端H1连接。

上述方案中，所述输入端包括输入端子Z1和电阻R1，所述输入端子与所述电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端与所述运算放大器OP1的反向输入端、电容C1、电阻R2和电阻R3连接。

上述方案中，所述输出端包括输出端子Z2，所述输出端子Z1分别与缓冲放大器H1的输出端、电容C3、电阻R6连接。

一种滤波器的品质因数补偿方法，包括以下步骤：

S1.将电阻R6、电阻R2、电阻R4和电容C2和缓冲放大器H1设定成为第一回路，输入端子Z1接收电信号Vin并经所述第一回路一个周期后，将在A点产生滞后电信号Vin 90°相位的第一信号，使所述第一环路中的电容C2对所述电阻R6、电阻R2或电阻R4进行放电并发生衰减；

S2.将电阻R6、电容C1、电阻R4和电容C2和缓冲放大器H1设定成为第二回路，所述电信号Vin经所述第二回路一个周期后，将在A点产生滞后电信号Vin 180°相位的第二信号；

S3.将电容C3、电阻R2、电阻R4、电容C2和缓冲放大器H1设定成为第三回路；所述电信号Vin经所述第三回路一个周期后后，将在A点产生滞后电信号Vin 180°相位的第三信号；

S4.将电容C3、电容C1、电阻R4和电容C2和缓冲放大器H1设定成为第四回路，所述电信号Vin并经所述第四回路一个周期后后，将在A点产生滞后电信号Vin 270°相位的第四信号，使所述第四环路中的电容C1、电容C2和电容C3对所述电阻R4进行放电并发生衰减；

S5.所述第二信号和第三信号由于相对于电信号Vin滞后180°的相位，因此，所述第二信号和第三信号可分别在第二环路和第三环路中产生震荡；

S6.将所述电阻R6、电容C1和运算放大器OP1设定为积分器，将所述电容C3、电阻R2和运算放大器OP1设定为微分器，电信号Vin分别经积分器和微分器将在B点产生抵消，降低滤波器中存储的最大能量，以降低滤波器的品质因数。

上述方案中，在所述步骤S6中，还包括以下步骤：

S61.电信号Vin经所述第二环路的电容C1、电阻R4和电容C2和缓冲放大器H1后，将在C点形成电信号E1，电信号E1再次经所述积分器后，将在B点产生振荡信号V1；

S62.电信号Vin经所述第三环路的电阻R2、电阻R4、电容C2和缓冲放大器H1后，将在C点形成电信号E2，电信号E2再次经所述微分器后，将在B点产生振荡信号V2；

S63.振荡信号V1满足公式：V1＝((-1/(R6*C1))∫E1dt；

振荡信号V2满足公式：V2＝-i*R2＝-(R2*C3)dE1/dt；

使所述振荡信号V1与振荡信号V2的方向相反；

S64.滤波器的品质因数Q满足公式：

其中，Q为品质因数，

Eosc为电路中存储的最大能量，

Econs电路在一周期内消耗的总能量；

所述振荡信号V1和振荡信号V2在B点产生抵消，降低滤波器中存储的最大能量，以降低所述滤波器的品质因数。

本发明的优点和有益效果在于：本发明提供一种滤波器及其品质因数补偿方法。本发明通过对滤波器的品质因数Q值进行补偿，使滤波器的运算放大器性能不佳时能够保持相对理想的滤波特性，因此本技术方案不仅对滤波器的Q值进行了补偿，同时还无需提高运算放大器的增益带宽积，省掉电阻的面积，降低了功耗的消耗，结构简单，可控性强。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种滤波器的结构示意图；

图2为本发明一种滤波器经滤波器的品质因数补偿方法降低品质因数后，滤波器的频率特性曲线；

图3为背景技术中所述滤波器的频率特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1-图2所示，本发明是一种滤波器，包括第一滤波电路、第二滤波电路、第三滤波电路、输入电路和输出电路；所述第一滤波电路和第二滤波电路相互串联，所述第三滤波电路与第一滤波电路和第二滤波电路相互并联；所述输入电路分别与所述第一滤波电路和第三滤波电路连接，所述输出电路分别与所述第二滤波电路和第三滤波电路连接。

上述技术方案的工作原理是：输入电路接收电信号Vin，并使电信号Vin依次经过第一滤波电路、第二滤波电路和第三滤波电路，以降低滤波器中存储的最大能量，并降低品质因数品质因数，再传送至输出电路，使输出电路输出电信号Vout。

具体的，所述第一滤波电路包括运算放大器OP1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电容C1；

所述运算放大器OP1、电容C1、电阻R2和电阻R3之间相互并联；所述电容C1、电阻R2和电阻R3的一端与所述输入电路连接，所述电容C1、电阻R2的另一端与所述电阻R4连接；

所述电阻R4与所述运算放大器OP1的输出端连接，所述运算放大器OP1的反向输入端与所述输入电路连接，所述运算放大器OP1的正向输入端接入共模电压；其中，共模电压约为电信号Vin电压的二分之一左右。

进一步的，所述第一滤波电路还包括倒向放大器D1，所述倒向放大器D1的输入端与所述电阻R3连接，所述倒相放大器D1的输出端与所述电阻R4连接。

其中，倒向放大器D1作为一个等效电路，由IQ两路的电阻等效而成，用于产生一个复数量。

具体的，所述第二滤波电路包括运算放大器OP2、电阻R5、电容C2和缓冲放大器H1；所述运算放大器OP2、电阻R5和电容C2相互并联连接；

所述电阻R5和电容C2的一端与所述电阻R4连接，所述电容C2的另一端与所述缓冲放大器H1的输入端连接；

所述运算放大器OP2的正向输入端接入共模电压，所述运算放大器OP2的反向输入端与所述电阻R4连接，所述运算放大器OP2的输出端与所述缓冲放大器H1的输入端连接；其中，共模电压约为电信号Vin电压的二分之一左右。

进一步的，所述第二滤波电路还包括倒向放大器D2，倒向放大器D2的输入端与所述电阻R5连接，所述倒向放大器D2的输出端与所述缓冲放大器H1的输入端连接。

其中，倒向放大器D2作为一个等效电路，由IQ两路的电阻等效而成，用于产生一个复数量。

具体的，所述第三滤波电路包括相互并联连接的电容C3和电阻R6，所述电容C3和电阻R6的一端与所述输入电路、电阻R3、电阻R2、电容C1和运算放大器OP1的反向输入端连接，所述电容C3和电阻R6的另一端与所述输出电路和缓冲放大器的输出端H1连接。

具体的，所述输入端包括输入端子Z1和电阻R1，所述输入端子与所述电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端与所述运算放大器OP1的反向输入端、电容C1、电阻R2和电阻R3连接。

具体的，所述输出端包括输出端子Z2，所述输出端子Z1分别与缓冲放大器H1的输出端、电容C3、电阻R6连接。

一种滤波器的品质因数补偿方法，包括以下步骤：

S1.将电阻R6、电阻R2、电阻R4和电容C2和缓冲放大器H1设定成为第一回路，输入端子Z1接收电信号Vin并经所述第一回路一个周期后，将在A点产生滞后电信号Vin 90°相位的第一信号，使所述第一环路中的电容C2对所述电阻R6、电阻R2或电阻R4进行放电并发生衰减；

S2.将电阻R6、电容C1、电阻R4和电容C2和缓冲放大器H1设定成为第二回路，所述电信号Vin经所述第二回路一个周期后，将在A点产生滞后电信号Vin 180°相位的第二信号；

S3.将电容C3、电阻R2、电阻R4、电容C2和缓冲放大器H1设定成为第三回路；所述电信号Vin经所述第三回路一个周期后后，将在A点产生滞后电信号Vin 180°相位的第三信号；

S4.将电容C3、电容C1、电阻R4和电容C2和缓冲放大器H1设定成为第四回路，所述电信号Vin并经所述第四回路一个周期后后，将在A点产生滞后电信号Vin 270°相位的第四信号，使所述第四环路中的电容C1、电容C2和电容C3对所述电阻R4进行放电并发生衰减；

S5.所述第二信号和第三信号由于相对于电信号Vin滞后180°的相位，因此，所述第二信号和第三信号可分别在第二环路和第三环路中产生震荡；

S6.将所述电阻R6、电容C1和运算放大器OP1设定为积分器，将所述电容C3、电阻R2和运算放大器OP1设定为微分器，电信号Vin分别经积分器和微分器将在B点产生抵消，降低滤波器中存储的最大能量，以降低滤波器的品质因数。

进一步的，在所述步骤S6中，还包括以下步骤：

S61.电信号Vin经所述第二环路的电容C1、电阻R4和电容C2和缓冲放大器H1后，将在C点形成电信号E1，电信号E1再次经所述积分器后，将在B点产生振荡信号V1；

S62.电信号Vin经所述第三环路的电阻R2、电阻R4、电容C2和缓冲放大器H1后，将在C点形成电信号E2，电信号E2再次经所述微分器后，将在B点产生振荡信号V2；

S63.振荡信号V1满足公式：V1＝((-1/(R6*C1))∫E1dt；

振荡信号V2满足公式：V2＝-i*R2＝-(R2*C3)dE1/dt；

使所述振荡信号V1与振荡信号V2的方向相反；

S64.滤波器的品质因数Q满足公式：

其中，Q为品质因数，

Eosc为电路中存储的最大能量，

Econs电路在一周期内消耗的总能量；

所述振荡信号V1和振荡信号V2在B点产生抵消，降低滤波器中存储的最大能量，以降低所述滤波器的品质因数；其中振荡信号V1和振荡信号V2在B点产生抵消，降低滤波器中存储的最大能量，降低品质因数品质因数，避免了滤波器的频率特性曲线在截止频率附近出现比较高的增益上冲，破坏通带平坦度的情况。

进一步的，对上述一种滤波器及其品质因数补偿方法进行验证：

滤波器从输入端子Z1接收电信号Vin，并从输出端子Z2输出电信号-Vout，

因此，电信号-Vout的相位满足下列公式：

其中，wp是运放的主极点，WGBW是运算放大器OP1的增益带宽积，由此可以判断品质因数Q与相位成反比，并且电信号-Vout具有额外的滞后相位-2wp/WGBW；

利用滤波器的品质因数补偿方法对滤波器进行品质因数补偿，滤波器的输出端子Z2输出的电信号-Vout获得了补偿相位其中满足下列公式，

因此避免了滤波器的频率特性曲线在截止频率附近出现比较高的增益上冲，破坏通带平坦度的情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。