一种多维可重构的滤波器的制作方法

本发明涉及电子领域，涉及一种多维可重构的滤波器，特别是一种模式、阶数、带宽及功耗多维可重构的滤波器，用于实现全方位可重构的基带滤波器。

背景技术：

目前常用的滤波器包括低通、高通、带通滤波器，滤波器的形式固定，不可配置或可配置功能较弱。

模拟芯片中的滤波结构针对不同波形及应用场景，需要具备灵活可变的结构以及多模可配置的属性。且滤波器可配置项目较多，要想涵盖几乎所有可配置项目，需要运用到相对复杂的电路结构，牺牲较大功耗，如果不能做到功耗合理，再复杂细致的配置模式都是徒劳。

如何设置一种模式、阶数、带宽及功耗均可灵活配置的通用滤波器，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明针对上述不足和缺点，提出了一种多维可重构的滤波器，一方面，在一种结构中集成了模式、阶数、带宽和中心频率可调的多种功能；另一方面，在集成多种功能基础上，利用阶数选择、积分器阵列化及添加辅助跨导补偿电路的方式，根据具体应用场景需求，有效降低整体结构功耗。

本发明采用如下技术方案：

提供一种多维可重构的滤波器，包括i路通道、q路通道以及交叉耦合路径；

i路通道对i路差分信号进行低通滤波，滤波阶数可配置；

q路通道对q路差分信号进行低通滤波，滤波阶数可配置；

交叉耦合路径连接i路通道和q路通道组成带通滤波器，并对带通滤波器进行频谱搬移。

优选的，i路通道和q路通道分别包括多个低通模块，根据所需的滤波阶数选择信号经过的低通模块。

优选的，所述低通模块均为一阶低通滤波模块。

优选的，所述低通模块包括若干个一阶低通滤波模块和二阶低通滤波模块。

优选的，低通模块为采用运放阵列组成的有源低通滤波器，运放阵列包括多个并联设置的运放，运放是否工作可配置。

优选的，根据所需的信号精度，进行仿真，获取所需的滤波阶数k，i路通道和q路通道分别选择低通模块串联连接实现k接滤波。

优选的，根据增益的要求和功耗选择有源低通滤波器并联数量。

优选的，交叉耦合路径包括四个可调电阻，第一、第二可调电阻一端选择性地连接到i路通道第一级有源低通滤波器的正输出端或负输出端，第一可调电阻另一端连接到q路通道第一级有源低通滤波器的负输入端，第二可调电阻另一端连接到q路通道第一级有源低通滤波器的正输入端；第三可调电阻的一端连接到i路通道第一级有源低通滤波器的正输入端，第四可调电阻的一端连接到i路通道第一级有源低通滤波器的负输入端，第三、第四可调电阻另一端选择性地连接到q路通道第一级有源低通滤波器的正输出端或负输出端。

优选的，i路通道和q路通道的中间级有源低通滤波器的级联方式为，前一级有源低通滤波器的正、负输出端分别能够连接后一级有源低通滤波器的负、正输入端；前一级有源低通滤波器的正、负输入端分别能够连接后一级有源低通滤波器的负、正输出端。

优选的，第一级有源低通滤波器与第二级有源低通滤波器直接相连，其他级的有源低通滤波器通过开关控制级联。

优选的，末级有源低通滤波器的正、负输入端连接上一级有源低通滤波器的负、正输出端，末级有源低通滤波器的正、负输出端输出滤波后的差分信号。

优选的，每个有源低通滤波器包括一个运放阵列，其正输入端与负输出端之间连接并联设置的可调电阻和电容，其负输入端与正输出端之间连接并联设置的可调电阻和电容。

优选的，两个级联的有源低通滤波器之间连接一个电流补偿跨导器gm。

为解决上述技术问题，并达到上述优点，本发明的技术方案如下：

(1)本发明的滤波器具备带宽可调功能，滤波器电路的响应由输入电阻及反馈电路决定，为节省电路面积，可固定反馈电容值，对输入电阻及反馈电阻进行阵列调节，以改变滤波器带宽，当然也可以将反馈电容作为可调因子，与电阻同时进行调节，以扩大带宽可调范围。

(2)本发明的滤波器具备功耗可调功能，一方面在于整体电路结构阶数可调，在满足应用需求的情况下选择最小阶数可有效减小功耗；第二方面在于每一阶积分器电路由n个积分器阵列并联而成，根据输入信号要求，选取满足信号对积分器电路增益带宽积要求的阵列个数；第三方面在积分器增益带宽积略显不足的情况下，输入端存在小幅交流电压并经过有限跨导放大后在输出端产生交流电流，辅助跨导器补偿技术方法原理是通过监测滤波器中每一级积分器输入，使用快速高线性度的前馈跨导器代替积分器单元提供输出电流，使得其差分输入端回到近似虚地的状态，从而减小对积分器增益带宽积的需求，在此基础上减少积分器阵列中打开的基本单元数量就可以降低滤波器的整体功耗。

附图说明

图1为本发明可进行3/5阶可重构滤波器结构示意图；

图2为本发明可进行n阶可重构滤波器结构示意图；

图3为本发明中积分器ota阵列结构图；

图4为本发明中辅助跨导补偿技术原理图。

具体实施方式

在下文中，参照附图来更充分地描述本发明的实施例。附图中示出了本发明的实施例，然而，本发明的实施例可以以许多不同的形式来实施，而不应该仅解释为限于在此列出的实施例。相反，下述示例性实施例，可以使得本公开是彻底的，并且将本发明的范围充分传达给本领域技术人员，将省略对已知的功能和结构的详细描述以避免模糊实施例的主体问题。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1为本发明一种模式、阶数、带宽及功耗多维可重构的滤波器结构图(以五阶电路为例，如图电路可实现3/5阶数可调)。

参考图1，本发明一种模式、阶数、带宽及功耗多维可重构的滤波器包括i路通道、q路通道和交叉耦合路径，所述i路通道和q路通道通过开关控制实现阶数、带宽及功耗的选择，两路通道之间通过交叉耦合路径实现低通或复带通频谱搬移选择。本发明针对差分正交信号的两路正交信号分别输出i路通道和q路通道进行处理。对于差分非正交信号可以进行正交化处理后转化为差分正交信号后再采用本发明的滤波器进行处理；或者仅适用i路通道或q路通道重的一路输入差分非正交信号，对其进行低通滤波。因此本发明具备两种模式，一种为对差分非正交信号的带通滤波；另一种为对差分非正交信号的低通滤波。

i路通道包括i路输入、i路第一级到第五级电路，q路通道包括q路输入、q路第一级到第五级电路；交叉耦合路径在每一级电路中结构相同，包括四个可变电阻及四路单刀双掷开关。

交叉耦合路径上的可变电阻rcn_1两端分别与所述qn输入端和所述i路第一级两路输出通过单刀双掷开关连接；交叉耦合路径上的可变电阻rcn_2两端分别与所述qp输入端和所述i路第一级两路输出通过单刀双掷开关sw1连接；交叉耦合路径上的可变电阻rcn_3两端分别与所述ip输入端和所述q路第一级两路输出通过单刀双掷开关连接；交叉耦合路径上的可变电阻rcn_4两端分别与所述in输入端和所述q路第一级两路输出通过单刀双掷开关连接。

i路输入包括in和ip端口，输入电路部分包括第一级和第二级电路，插入部分包括第三级和第四级电路，输出部分为第五级电路。

i路第一部分电路包括可变电阻irin_1、irip_1、irn、irp、irn_1、irp_1、irin_2、irip_2、irn_2和irp_2，电容icn_1、icp_1、icn_2和icp_2，第一级积分器及电流补偿跨导器gm。

电阻irin_1的两端分别与i路输入端in和第一级积分器的反向输入端连接；电阻irip_1的两端分别与i路输入端ip和第一级积分器的正向输入端连接；电阻irn的两端分别和所述第一级积分器的反向输入端和正向输出端连接；电阻irp的两端分别和所述第一级积分器的正向输入端和反向输出端连接；电阻irn_1的一端连接第一级积分器的反向输入端，另一端与第二级电路的正向输出端连接；电阻irp_1的一端连接第一级积分器的正向输入端，另一端与第二级电路的反向输出端连接；电阻irin_2的两端分别与第一级电路的反向输出端和第二级电路的反向输入端连接；电阻irip_1的两端分别与第一级电路的正向输出端和第二级电路的正向输入端连接；电阻irn_2的一端连接第二级积分器的反向输入端，另一端通过开关分别与第三级和第五级的正向输出端连接；电阻irp_2的一端连接第二级积分器的正向输入端，另一端通过开关分别与第三级和第五级的反向输出端连接。

电容icn_1的两端分别和第一级积分器反向输入端和正向输出端连接；电容icp_1的两端分别和第一级积分器正向输入端和反向输出端连接；电容icn_2的两端分别和第二级积分器反向输入端和正向输出端连接，且正向输出端通过开关与第三级和第五级的积分器正向输入端相连的电阻连接；电容icp_2的两端分别和第二级积分器正向输入端和反向输出端连接，且反向输出端通过开关与第三级和第五级的积分器反向输入端相连的电阻连接。

每一级电流补偿跨导器的输出端都与本级积分器输出端相连接，输入端与本级积分器的输入端通过输入电阻irin(p)_n相互连接。

i路第二部分电路包括可变电阻irin_3、irip_3、irn_3、irp_3、irin_4、irip_4、irn_4和irp_4，电容icn_3、icp_3、icn_4和icp_4，第一级积分器及电流补偿跨导器gm。

电阻irin_3的一端通过开关与第二级积分器的反向输出端连接，另一端与第三级积分器的反向输入端连接；电阻irip_3的一端通过开关与第二级积分器的正向输出端连接，另一端与第三级积分器的正向输入端连接；电阻irn_3的一端连接第三级积分器的反向输入端，另一端与第四级电路的正向输出端连接；电阻irp_3的一端连接第三级积分器的正向输入端，另一端与第四级电路的反向输出端连接；电阻irin_4的两端分别与第三级电路的反向输出端和第四级电路的反向输入端连接；电阻irip_4的两端分别与第三级电路的正向输出端和第四级电路的正向输入端连接；电阻irn_4的一端连接第四级积分器的反向输入端，另一端通过开关与第五级的正向输出端连接；电阻irp_2的一端连接第四级积分器的正向输入端，另一端通过开关与第五级的反向输出端连接。

电容icn_3的两端分别和第三级积分器反向输入端和正向输出端连接；电容icp_3的两端分别和第三级积分器正向输入端和反向输出端连接；电容icn_4的两端分别和第四级积分器反向输入端和正向输出端连接，且正向输出端通过开关与第五级的积分器正向输入端相连的电阻连接；电容icp_4的两端分别和第四级积分器正向输入端和反向输出端连接，且反向输出端通过开关与第五级的积分器反向输入端相连的电阻连接。

每一级电流补偿跨导器的输出端都与本级积分器输出端相连接，输入端与本级积分器的输入端通过输入电阻irin(p)_n相互连接。

i路第三部分电路为输出级，包括ioutn和ioutp端口，可变电阻irin_5、irip_5、irno和irpo，电容icn_5和icp_5，第五级积分器及电流补偿跨导器gm。

电阻irin_5的一端通过开关与第四级积分器的反向输出端连接，另一端与第五级积分器的反向输入端连接；电阻irip_5的一端通过开关与第四级积分器的正向输出端连接，另一端与第五级积分器的正向输入端连接；电阻irno的两端分别与第五级积分器的反向输入端和正向输出端连接；电阻irpo的两端分别与第五级积分器的正向输入端和反向输出端连接。

电容icn_5的两端分别和第五级积分器反向输入端和正向输出端连接；电容icp_5的两端分别和第五级积分器正向输入端和反向输出端连接；第五级积分器正向输出端与ioutn端口连接，第五级积分器反向输出端与ioutp端口连接。

每一级电流补偿跨导器的输出端都与本级积分器输出端相连接，输入端与本级积分器的输入端通过输入电阻irin(p)_n相互连接。

q路输入包括qn和qp端口，输入电路部分包括第一级和第二级电路，插入部分包括第三级和第四级电路，输出部分为第五级电路。

q路第一部分电路包括可变电阻qrin_1、qrip_1、qrn、qrp、qrn_1、qrp_1、qrin_2、qrip_2、qrn_2和qrp_2，电容qcn_1、qcp_1、qcn_2和qcp_2，第一级积分器及电流补偿跨导器gm。

电阻qrin_1的两端分别与q路输入端qn和第一级积分器的反向输入端连接；电阻qrip_1的两端分别与q路输入端qp和第一级积分器的正向输入端连接；电阻qrn的两端分别和所述第一级积分器的反向输入端和正向输出端连接；电阻qrp的两端分别和所述第一级积分器的正向输入端和反向输出端连接；电阻qrn_1的一端连接第一级积分器的反向输入端，另一端与第二级电路的正向输出端连接；电阻qrp_1的一端连接第一级积分器的正向输入端，另一端与第二级电路的反向输出端连接；电阻qrin_2的两端分别与第一级电路的反向输出端和第二级电路的反向输入端连接；电阻qrip_1的两端分别与第一级电路的正向输出端和第二级电路的正向输入端连接；电阻qrn_2的一端连接第二级积分器的反向输入端，另一端通过开关分别与第三级和第五级的正向输出端连接；电阻qrp_2的一端连接第二级积分器的正向输入端，另一端通过开关分别与第三级和第五级的反向输出端连接。

电容qcn_1的两端分别和第一级积分器反向输入端和正向输出端连接；电容qcp_1的两端分别和第一级积分器正向输入端和反向输出端连接；电容qcn_2的两端分别和第二级积分器反向输入端和正向输出端连接，且正向输出端通过开关与第三级和第五级的积分器正向输入端相连的电阻连接；电容qcp_2的两端分别和第二级积分器正向输入端和反向输出端连接，且反向输出端通过开关与第三级和第五级的积分器反向输入端相连的电阻连接。

每一级电流补偿跨导器的输出端都与本级积分器输出端相连接，输入端与本级积分器的输入端通过输入电阻qrin(p)_n相互连接。

q路第二部分电路包括可变电阻qrin_3、qrip_3、qrn_3、qrp_3、qrin_4、qrip_4、qrn_4和qrp_4，电容qcn_3、qcp_3、qcn_4和qcp_4，第一级积分器及电流补偿跨导器gm。

电阻qrin_3的一端通过开关与第二级积分器的反向输出端连接，另一端与第三级积分器的反向输入端连接；电阻qrip_3的一端通过开关与第二级积分器的正向输出端连接，另一端与第三级积分器的正向输入端连接；电阻qrn_3的一端连接第三级积分器的反向输入端，另一端与第四级电路的正向输出端连接；电阻qrp_3的一端连接第三级积分器的正向输入端，另一端与第四级电路的反向输出端连接；电阻qrin_4的两端分别与第三级电路的反向输出端和第四级电路的反向输入端连接；电阻qrip_4的两端分别与第三级电路的正向输出端和第四级电路的正向输入端连接；电阻qrn_4的一端连接第四级积分器的反向输入端，另一端通过开关与第五级的正向输出端连接；电阻qrp_2的一端连接第四级积分器的正向输入端，另一端通过开关与第五级的反向输出端连接。

电容qcn_3的两端分别和第三级积分器反向输入端和正向输出端连接；电容qcp_3的两端分别和第三级积分器正向输入端和反向输出端连接；电容qcn_4的两端分别和第四级积分器反向输入端和正向输出端连接，且正向输出端通过开关与第五级的积分器正向输入端相连的电阻连接；电容qcp_4的两端分别和第四级积分器正向输入端和反向输出端连接，且反向输出端通过开关与第五级的积分器反向输入端相连的电阻连接。

每一级电流补偿跨导器的输出端都与本级积分器输出端相连接，输入端与本级积分器的输入端通过输入电阻qrin(p)_n相互连接。

q路第三部分电路为输出级，包括qoutn和qoutp端口，可变电阻qrin_5、qrip_5、qrno和qrpo，电容qcn_5和qcp_5，第五级积分器及电流补偿跨导器gm。

电阻qrin_5的一端通过开关与第四级积分器的反向输出端连接，另一端与第五级积分器的反向输入端连接；电阻qrip_5的一端通过开关与第四级积分器的正向输出端连接，另一端与第五级积分器的正向输入端连接；电阻qrno的两端分别与第五级积分器的反向输入端和正向输出端连接；电阻qrpo的两端分别与第五级积分器的正向输入端和反向输出端连接。

电容qcn_5的两端分别和第五级积分器反向输入端和正向输出端连接；电容qcp_5的两端分别和第五级积分器正向输入端和反向输出端连接；第五级积分器正向输出端与qoutn端口连接，第五级积分器反向输出端与qoutp端口连接。

每一级电流补偿跨导器的输出端都与本级积分器输出端相连接，输入端与本级积分器的输入端通过输入电阻qrin(p)_n相互连接。

i路及q路每一级积分器构成的低通滤波器设置的截止频率均相同。滤波的阶数越多滤波效果越好，但功耗也越大，因此根据仿真结果确定阶数。

如图3，i路及q路每一级积分器由n个小积分阵列并联组成，每个积分器由开关en_n控制是否开启工作。并联的运放数量越多，功耗越大，但产生的增益也越大，实际使用时，根据增益的要求和功耗选择积分器的数量。

滤波器具备低通和复带通切换能力，通过断开交叉耦合路径上的sw1开关，可以使滤波器工作在低通模式；通过控制单刀双掷开关sw1，在交叉耦合通路正相连接时通频带将平移到正频率，在交叉耦合通路反相连接时通频带将平移到负频率(如图1连接)，交叉耦合的可变电阻阻值决定复带通滤波器平移的中心频率；相同配置下低通滤波器带宽为复带通滤波器的一半。

滤波器具备阶数可调的功能，由图1所示3/5阶可调电路，其阶数由sw_choice开关决定，当第二级电路的sw_choice开关选择与第三级电路相连接同时第四级电路开关与第五级连接，此时为五阶电路模式；当第二级电路的sw_choice开关直接与第五级电路连接，相当于旁路了第三级和第四级电路，此时为三阶电路模式。

滤波器具备带宽可调功能，滤波器电路的响应由输入电阻及反馈电路决定，为节省电路面积，可固定反馈电容值，对输入电阻及反馈电阻进行阵列调节，以改变滤波器带宽，当然也可以将反馈电容作为可调因子，与电阻同时进行调节，以扩大带宽可调范围。

参见图2为n阶连续可调的滤波器，每一级均为单阶滤波，通过sw_choice的选择确定连接的阶数。

滤波器具备阶数可调的功能，阶数由sw_choice组合开关决定，当电路中需要增加一级电路，只需要将所增加的第c级的上一级电路与第c级的连接线即is(c-1)u、is(c-1)d、is(c-1)+、is(c-1)-上的控制开关开启；反之如果总体滤波器电路需要减小某一阶电路，只需要将于此阶电路连接的开关断开并直接连接到最后一级即可。此结构阶数灵活，可根据应用环境需要确定总阶数，且其可以旁路的阶数也可以根据实际需要确定，以五阶电路为例，如果其中每一阶电路都可以单独接入，即级联方式为1/1/1/1/1，那么此五阶电路可以实现1/2/3/4/5五种阶数选择，如果级联方式为1/1/2/1，那么此五阶电路可以实现1/2/4/5四种阶数选择，如果级联方式为1/2/1/1，那么此五阶电路可以实现1/3/4/5四种阶数选择，如果级联方式为1/3/1，那么此五阶电路可以实现1/4/5三种阶数选择，五阶电路可以根据不同的级联方式组成多种阶数模式。

为了减少控制开关的使用，可以如图1那样设置若干双阶滤波器，根据滤波阶数进行选择。

滤波器具备功耗可调功能，一方面在于整体电路结构阶数可调，在满足应用需求的情况下选择最小阶数可有效减小功耗；第二方面在于每一阶积分器电路由n个积分器阵列并联而成，如图3，根据输入信号要求，选取满足信号对积分器电路增益带宽积要求的阵列个数；第三方面在积分器增益带宽积略显不足的情况下，输入端存在小幅交流电压并经过有限跨导放大后在输出端产生交流电流，辅助跨导器补偿技术方法原理是通过监测滤波器中每一级积分器输入，使用快速高线性度的前馈跨导器代替积分器单元提供输出电流，使得其差分输入端回到近似虚地的状态，从而减小对积分器增益带宽积的需求，在此基础上减少积分器阵列中打开的基本单元数量就可以降低滤波器的整体功耗。

图3为本发明中积分器ota阵列结构图；参考图3，滤波器中的每一级积分器由ota阵列组成，当处理信号频率较高时打开较多数量的ota以实现较大的增益带宽积；而信号频率较低时减少ota工作的数量以降低功耗，单级ota以二进制阵列的形式组件。需要说明的是，以五阶低通滤波器为例，需要五个上述ota阵列，其中前两阶与最后两阶开启的ota数量始终关于第三节对称，例如打开数目23332表示第一阶和第五阶打开两个ota，第二阶和第四阶打开三个，第三阶打开三个；三阶低通滤波器将关闭第三、四阶积分器，因此如果打开数目为121，代表第一阶和第五阶打开一个ota，第二阶打开两个ota。复带通滤波器需要iq两路低通滤波器进行交叉耦合构成得到，两路配置方式对称。

图4为本发明中辅助跨导补偿技术原理图

参考图4，理想情况下，ota的差分输入两端在工作过程中等效为虚地，没有交流电压摆幅，但考虑到ota自身有限的低频增益和高频带宽，在ota增益带宽积不足的情况下，此节点存在小幅交流电压并经过有限跨导放大后在输出端产生交流电流。辅助跨导器补偿技术方法原理是通过监测滤波器中每一级积分器输入，使用快速高线性度的前馈跨导器代替ota单元提供输出电流，使得其差分输入端回到近似虚地的状态，从而减小对ota增益带宽积的需求。再次基础上减少ota阵列中打开的基本单元数量就可以降低滤波器的整体功耗。需要补偿的电流由辅助跨导器提供，其数值应当正跟踪输入电阻数值，并保持在各种工艺拐角温度下都近似相等。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。