专利名称：主动式多相滤波器以及信号产生方法
技术领域：
本发明是有关于一种多相滤波器(polyphase filter),且特别是有关于一种主动 式多相滤波器缓冲电路的方法与装置。
背景技术：
多相滤波器接收N相或多相输入信号并且产生N相输出信号。 一种特殊类 型的多相滤波器"正交滤波器"(quadratiire filter)是一种大家所熟知的四相位多相 滤波器。大体来说，正交滤波器的输入包括彼此等值的四个信号电压。四个信 号电压共同组成具有在既定方向旋转卯度的相位角时个别信号向量互相接替的 一个信号向量群组。多相信号的频率根据逆时针或顺时针旋转而可以为正或负。 一般来说，通常会将0度或180度的信号向量标示为+I与-I信号，并且将90度 或270度的信号向量标示为+jQ与-jQ信号。
多相滤波器广泛的使用于高频时钟脉冲数据路径，以产生正交信号以及提 升的时钟脉冲信号的镜像抑制(imagerejection)。最初，许多的多相滤波器设计是 通过LC滤波器的组合而达成。随着集成电路的普及以及将电感整合至集成电路 中的难度，现今通常将RC滤波器的组合使用于多相滤波器中。大部分的多相滤 波器为被动式电路。被动式电路的特性是其能量损失(energy loss)通常与级数成 正比。因此，使用在被动多相滤波器的输出端的额外的缓冲器通常会增加成本 以及电路设计的复杂度。
图1为显示传统单级(singlestage)多相滤波器10的示意图。单级多相滤波器 10包括复数个被动电容与电阻。输入信号Iin' 102耦接至电容C4 104的正端以及 电阻R3 106的一侧。输出信号I。ut' 108耦接至电阻R3 106的另一侧以及电容C3 110的负端。输入信号Qin+ 112耦接至电容C3 110的正端以及电阻R2 114的一
侧。输出信号Q。ut+ 116耦接至电阻R2 114的另一侧以及电容C2 118的负端。输 入信号Iin+ 120耦接至电容C2 118的正端以及电阻R1 122的一侧。输出信号I。ut+ 124耦接至电阻R1 122的另一侧以及电容C1 126的负端。输出信号Q。u「 128耦 接至电阻R4 130的一侧以及电容C4 104的负端。输入信号Qin' 132耦接至电容 Cl 126的正端以及电阻R4 130的另一侧。单级多相滤波器10包括输入信号I^ 102， Iin+ 120， Q; 132以及Qin+ 112。单级多相滤波器10的输出信号包括W 108， I。ut+ 124， Q。ut—128以及Q。ut+ 116。具有四个输入端以及四个输出端的滤波器通常 叫做正交滤波器。由于单级多相滤波器10包括复数个被动元件，因此会使输出 端的信号衰减。此外，当增加更多级时，滤波器的能量损失与增加至滤波器的 级数成正比。
克服多相滤波器的被动特性的方法包括使用运算放大器以提供主动RC滤 波器。多相滤波器与运算放大器的结合可以在滤波器的输出端提供增益。此外， 介于主动RC滤波器的输入端与输出端之间的反馈回路用以降低对集成电路中 元件变异的敏感度。然而，以运算放大器为基础的多相滤波器主要的缺点为有 限的频宽会将操作限制为低频操作。
随着超过1千兆赫(GHz)的高频信号的出现，以运算放大器为基础的多相滤 波器将不具有频率响应。毫无疑问地，在高频应用系统中的电路设计限制使用 被动多相滤波器设计。即使被动多相滤波器设计会使信号严重的衰减并且需要 具有较大增益的额外的缓冲器，电路设计人员增加额外的元件来补偿被动多相 滤波器设计所引起的信号衰减。
因此，需要一种可结合被动多相滤波器与主动RC滤波器的优点的方法与装 置。经过改善的多相滤波器包括下列特征，例如容易透过现有的集成电路工艺 制造，可操作于千兆赫的范围，以及做为一种具有增益的主动电路，以降低缓 冲的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种适用于主动多相滤波器的方法与装置。主动多 相滤波器以串联差动放大器以及设置于串联差动放大器的接脚之间的RC装置 为基础。因此，本发明实施例揭露一种主动多相滤波器。多相滤波器包括第一 串联差动放大器组以及第二串联差动放大器组。第一串联差动放大器组被设定 为用以接收第一差动信号，第一串联差动放大器具有第一电阻，耦接于第一串 联差动放大器的电流接脚之间，以及第二串联差动放大器具有第一电容，耦接 于第二串联差动放大器的电流接脚之间。第二串联差动放大器组被设定为用以 接收第二差动信号，第三串联差动放大器具有第二电阻，耦接于第三串联差动 放大器的电流接脚之间，以及第四串联差动放大器具有第二电容，耦接在第四 串联差动放大器的电流接脚之间。第二串联差动放大器组被设定为用以根据第 一差动信号产生第一差动输出信号，且第一串联差动放大器组被设定为用以根 据第二差动信号产生第二差动输出信号。
根据本发明另一实施例，第一电阻与第二电阻大体相同，且第一电容与第 二电容大体相同。使电阻与电容一致将可以最佳化多相滤波器的操作。
根据本发明另一实施例，第一串联差动放大器包括耦接至供应电压的第一 负载电阻对。
根据本发明另一实施例，第三串联差动放大器包括耦接至供应电压的第二 负载电阻对。
根据本发明另一实施例，第一负载电阻对与第二负载电阻对大体相同。具 有大体相同的负载电阻可以简化电路的制造并且使多相滤波器的操作最佳化。
根据本发明另一实施例，每个串联差动放大器包括具有实质相同特性的复 数个晶体管。
根据本发明另一实施例，晶体管包括具有相同跨导的MOS装置。
根据本发明另一实施例，晶体管包括具有相同低频跨导(gm)特性的双极 接面装置。串联差动放大器中的晶体管可以于多相滤波器的输出端产生增益。 在输出端产生增益可以避免对于缓冲电路的需求，如此一来便可以简化电路的
设计并且降低成本。
图1所示为传统多相滤波器的示意图。
图2所示为显示根据非理想向量产生正交信号的示意图。
图3所示为显示根据本发明实施例所述之主动多相滤波器的电路图。
具体实施例方式
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出
较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下 实施例
本发明提供一种适用于主动多相滤波器的方法与装置。 一般来说，主动多 相滤波器包括具有相位操作的高速放大器。高速放大器包括差动对，其输入信 号透过电容而通过具有相位偏移为90度的负载。再者，高速放大器的输出提供 具有较大增益的缓冲特性。由于高速放大器使用差动对，放大器将其功能维持 于高频操作。
在本发明说明书以及权利要求书中多相滤波器与正交滤波器这两种措辞可 以交替使用。正交滤波器是多相滤波器的特例。本领域技术人员都了解本发明 实施例所述的正交滤波器适用于多相滤波器。因此，正交滤波器适用于多相滤 波器应用系统。
正交滤波器应用系统根据非理想向量而产生正交信号。当非理想向量输入 信号Ii/， Iin'， Qi。+以及Qh;输入正交滤波器时，滤波器会产生输出信号I。ut+， 1。u卩，
Q。/以及Q。ut'。具有相对相位为0度或180度的信号为I-信号或是同相(in-phase) 信号，而具有相对相位为90度或270度的信号为Q-信号或是正交相位 (quadrature-phase)信号。输出信号I。ut+， U。 Q喊+以及Q。ut-通常又叫做过滤向量， 并且代表具有相同振幅且与输入信号具有90度的相位差的差动正交信号。考虑任何正交信号的I向量与Q向量的差动信号，每个向量可以被分解为两个向量，
对于I向量而言会被分解为L与I2，而对于Q向量而言会被分解为与Q2。以
数学的观点而言，可以对具有相同振幅且完全正交的(h，Q,)与(l2，Q2)向量对执行
分解，其中I!领先Q,90度且Q2领先l2 90度。在许多电路应用系统中仅需要一 个次向量(sub-vector)。依照惯例，h通常会领先Q,。因此，将期望向量组(I,，QQ 对未期望向量组(I2，Q2)的振幅比(magnitude ratio)定义为镜像抑制比(image rejection ratio, IRR)。本发明的正交滤波器通过对两个向量组提供不同的增益而 改善输入正交信号的IRR。
图2显示多相滤波器应用系统的示意图。旋转非理想向量输出信号并且计 算其总和以产生正交信号I'-I+jQ与Q'-Q-jI。在新的向量组中，I'向量领先Q， 向量90度。I，的振幅与Q，的振幅相同。镜像抑制在理想上是无限的。然而，在 实际应用中，可达成的镜像抑制量受到电路元件中的不一致以及执行90度旋转 操作的精确度的限制。
图3显示根据本发明实施例所述的正交滤波器电路300，包括具有相位操作 的高速放大器。串联差动放大器T1 302、 T2 304以及T8 316、 T7 314分别接收 输入信号Iin+ 303以及Iin' 305。串联差动放大器T5 310、 T6 312以及T4 308、 T6 306分别接收输入信号Qin+ 309以及Qin' 307。电阻Ri 318耦接于差动放大器 Tl 302与T2 304的电流接脚(current leg)之间，特别是介于Tl 302的射极(emitter) 与T2 304的射极之间。电阻Rq 320耦接于差动放大器T5 310与T6 312的电流 接脚之间，特别是介于T5 310的射极与T6 312的射极之间。电容Ci 324耦接于 差动放大器T3 306与T4 308的电流接脚之间，特别是介于T3 306的射极与T4 308的射极之间。电容Cq 326耦接于差动放大器T7 314与T8 316的电流接脚之 间，特别是介于T7 314的射极与T8 316的射极之间。
负载电阻Zu 328的一端耦接至Vsupply 329,另一端耦接至Tl 302的集极 (collector)与T3 306的集极。T3 306的集极节点也提供输出信号I。ut_ 314。负载 电阻ZL2 330的一端耦接至Vsupply 329，另一端耦接至T2 304的集极与T4 308的
集极。T4 308的集极节点也提供输出信号I。ut+ 343。负载电阻Zu 332的一端耦 接至Vsu^y329，另一端耦接至T5 310的集极与T7 314的集极。T7 314的集极 节点也提供输出信号Q。ut—349。负载电阻ZL4 334的一端耦接至Vsuppty329，另一 端耦接至T6 312的集极与T8 316的集极。T8 316的集极节点也提供输出信号 Q。ut+351。电流源Ibl Ib8提供大体相同的电流。电流源Ibl 336与Ib2 338分别 耦接至Tl 302与T2 304的射极。电流源Ib3 340与Ib4 342分别耦接至T3 306 与T4 308的射极。电流源Ib5 344与Ib6 346分别耦接至T5 310与T6 312的射 极。电流源Ib7 348与Ib8 350分别耦接至T7 314与T8 316的射极。
参照串联差动放大器Tl 302与T2 304，由于R; 318设置于差动放大器的接 脚之间，因此输入信号通过负载ZL1 328与负载ZL2 330而与Ci 324具有90度的 相位偏移。同样的，在串联差动放大器T5 310与T6 312中，由于Rq 320设置 于差动放大器的接脚之间，因此输入信号通过负载332与负载Zl4 334而与 Cq 326具有90度的相位偏移。串联差动放大器包括主动装置Tl 302至T8 316。 当串联放大器的输入端接收到输入信号时，正交滤波器电路300的输出端会产 生增益。
尽管在正交滤波器电路300中以双极(bipolar)晶体管作为主动装置，然而本 领域的技术人员都了解可通过金属氧化物半导体(MOS:metal oxide silicon)或其 它类似的晶体管取代双极(bipolar)晶体管。晶体管具有类似的特性，包括适用于 正交滤波器电路300的理想操作的类似的跨导(tmnsconductance)。
当以双极接面晶体管作为主动装置时，在相对低操作频率下的操作可以下 列等式表示
<formula>formula see original document page 11</formula>
令所有的偏压电流Ibl~Ib8都相同，且R产Rq，C产Cq，>^^'=1。假设
<formula>formula see original document page 12</formula>
因此
同样的，可以推导出正交输出信号
镜像抑制
<formula>formula see original document page 12</formula>
在"=叫时，如果没有装置不一致、g一.《》l以及"够低时，IR为无限大。事
实上，这会因素将会造成能由电路所得到镜像抑制的上限。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何 本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰， 因此本发明的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。
权利要求
1.一种主动式多相滤波器，其特征在于，包括第一与第二串联差动放大器，被定义为用以接收第一与第二差动信号，上述第一串联差动放大器具有耦接于上述第一串联差动放大器的电流接脚之间的第一电阻，且上述第二串联差动放大器具有耦接于上述第二串联差动放大器的电流接脚之间的第一电容；以及第三与第四串联差动放大器，被定义为用以接收上述第一与第二差动信号，上述第三串联差动放大器具有耦接于上述第三串联差动放大器的电流接脚之间的第二电阻，且上述第四串联差动放大器具有耦接于上述第四串联差动放大器的电流接脚之间的第二电容；其中上述第一与第二串联差动放大器被设定为用以根据上述第一与第二差动信号而提供第一差动输出信号，且上述第三与第四串连差动放大器被设定为用以根据上述第一与第二差动信号而提供第二差动输出信号。
2. 如权利要求1所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述第一电阻大体 与上述第二电阻相同，且上述第一电容大体与上述第二电容相同。
3. 如权利要求1所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述第一串联差动 放大器包括耦接至供应电压的第一负载电阻对。
4. 如权利要求3所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述第三串联差动 放大器包括耦接至供应电压的第二负载电阻对。
5. 如权利要求1所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述第一差动信号包括输入信号Ii/与IirT，且上述第二差动信号包括Qin+与QirT。
6. 如权利要求1所述的主动式多相滤波器，其特征在于，每个上述串联差动 放大器包括具有实质相同电流的电流源对。
7. 如权利要求1所述的主动式多相滤波器，其特征在于，每个上述串联差动 放大器包括具有实质相同特性的复数个晶体管。
8. 如权利要求7所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述晶体管包括具有相同跨导的金属氧化物半导体装置。
9. 如权利要求7所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述晶体管包括具 有实质相同gm特性的双极接面装置。
10. —种信号产生方法，其特征在于，用以根据复数非理想向量信号产生正 交信号，包括使用具有移相器的复数差动对处理上述非理想向量信号，上述移相器耦接 于上述差动对的每个电流接脚之间；以及使用上述差动对的至少两个来产生上述正交信号。
11. 如权利要求10所述的信号产生方法，其特征在于，上述移相器包括电阻 或电容。
12. 如权利要求11所述的信号产生方法，其特征在于，每个上述差动对的至少两个包括电容。
13. 如权利要求11所述的信号产生方法，其特征在于，每个上述差动对的至少两个包括电阻。
14. 一种主动式多相滤波器，其特征在于，包括第一电阻，具有第一端以及第二端，上述第一电阻的第一端耦接至供应电压，上述第一电阻的第二端耦接至第一晶体管的第一端；上述第一晶体管的第二端被设定为用以接收第一输入信号，且上述第一晶 体管的第三端耦接至第一电流源；第二电阻，具有第一端以及第二端，上述第二电阻的第一端耦接至上述供应电压，上述第二电阻的第二端，耦接至第二晶体管的第一端；上述第二晶体管的第二端被设定为用以接收第二输入信号，且上述第二晶体管的第三端耦接至第二电流源；第三电阻，耦接于上述第一电流源与第二电流源之间；第三晶体管，具有第一端，第二端以及第三端，上述第三晶体管的第一端 耦接至上述第一晶体管的第一端，上述第三晶体管的第二端被设定为用以接收第三输入信号，上述第三晶体管的第三端耦接至第三电流源；第四晶体管，具有第一端，第二端以及第三端，上述第四晶体管的第一端 耦接至上述第二晶体管的第一端，上述第四晶体管的第二端被设定为用以接收第四输入信号，上述第四晶体管的第三端耦接至第四电流源； 第一电容，耦接于上述第三电流源与第四电流源之间；第四电阻，具有第一端以及第二端，上述第四电阻的第一端耦接至上述供 应电压，上述第四电阻的第二端耦接至第五晶体管的第一端；上述第五晶体管的第二端被设定为用以接收上述第四输入信号，且上述第 五晶体管的第三端系耦接至第五电流源；第五电阻，具有第一端以及第二端，上述第五电阻的第一端耦接至上述供 应电压，上述第五电阻的第二端耦接至第六晶体管的第一端；上述第六晶体管的第二端被设定为用以接收上述第三输入信号，且上述第 六晶体管的第三端耦接至第六电流源；第六电阻，耦接于上述第五电流源与第六电流源之间；第七晶体管，具有第一端，第二端以及第三端，上述第七晶体管的第一端 耦接至上述第五晶体管的第一端，上述第七晶体管的第二端被设定为用以接收 上述第二输入信号，以及上述第七晶体管的第三端耦接至第七电流源；第八晶体管，具有第一端，第二端以及第三端，上述第八晶体管的第一端 耦接至上述第六晶体管的第一端，上述第八晶体管的第二端被设定为用以接收 上述第一输入信号，上述第八晶体管的第三端耦接至第八电流源；以及第二电容，耦接于上述第七电流源与第八电流源之间。
15. 如权利要求14所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述第一电阻大 体与上述第二电阻相同，且上述第一电容大体与上述第二电容相同。
16. 如权利要求14所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述晶体管大体 为双极接面晶体管。
17. 如权利要求14所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述晶体管大体为金氧半晶体管。
18. 如权利要求14所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻实质相同。
19. 如权利要求14所述的主动式多相滤波器，其特征在于，上述第一电流源、 第二电流源、第五电流源以及第六电流源具有实质相同的电流。
20. 如权利要求14所述的主动式多相滤波器，其特征在于，每个上述晶体管 具有实质相同的特性。
全文摘要
一种多相滤波器以及信号产生方法。第一与第二串联差动放大器被定义为用以接收第一与第二差动信号，第一串联差动放大器具有耦接于第一串联差动放大器之电流接脚之间的第一电阻，且第二串联差动放大器具有耦接于第二串联差动放大器之电流接脚之间的第一电容；第三与第四串联差动放大器被定义为用以接收第一与第二差动信号，第三串联差动放大器具有耦接于第三串联差动放大器之电流接脚之间的第二电阻，且第四串联差动放大器具有耦接于第四串联差动放大器之电流接脚之间的第二电容；第一与第二串联差动放大器被设定为根据第一与第二差动信号而提供第一差动输出信号，且第三与第四串连差动放大器被设定为根据第一与第二差动信号而提供第二差动输出信号。
文档编号H03H11/00GK101111996SQ200680003769
公开日2008年1月23日 申请日期2006年8月22日 优先权日2005年8月22日
发明者曹堪宇, 李虹宇, 范一平, 赵介元 申请人:联发科技股份有限公司