一种跨阻型集成带通滤波器设计方法

摘要

一种跨阻型集成带通滤波器设计方法，包括以下步骤：（1）用信号流图法推导跨阻型无源LC带通滤波器，得到LC滤波器的信号流图；（2）用反相积分器实现信号流图，得到基于反相积分器的全极点跨阻带通滤波器；（3）进一步用全差分积分器替代反相积分器，得到跨阻型全差分有源RC带通滤波电路。使用此方法设计的跨阻滤波器，可直接与输出为电流的传感器或D/A转换器等器件相连，避免了电流‑电压的转换。

权利要求

1.一种跨阻型集成带通滤波器设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：第1、用信号流图法推导跨阻型无源LC带通滤波器，得到该无源LC带通滤波器的信号流图；

第1.1、首先根据带通滤波器的技术指标获得全极点跨LC带通滤波器原型，并对电路各元件参数及支路电压和支路电流进行标注；

第1.2、接下来，根据KCL、KVL和VCR，写出各支路电压和支路电流变量间的关系式，对电感列写电流方程，对电容列写电压方程，得到关系式如下：其中，I1、I2、I3、I4分别表示各支路电流，V1、V2、V3表示各支路节点电压，L1、L2、L3分别为支路电感，C1、C2、C3分别为支路电容，Iin为输入电流，Io为输出电流，RL为负载电阻，Rs为电流源并联电阻，变量S为复数，可由时域信号经拉普拉斯变换获得，又称“复频域”；

第1.3、将式(1)用信号流图表示，信号流图中，上节点都是电流形式，下节点都是电压形式，为了便于采用反相积分器实现该信号流图，使输入输出信号均为电压，将该信号流图中所有电流变量乘以一个比例电阻R变成电压形式；

第2、用反相积分器实现信号流图，得到基于反相积分器的全极点跨阻带通滤波器；

第2.1、根据上述第1.3步中的信号流图，得出变换后支路电压和支路电流的关系为其中，V1'，V2'，V3'，V4'，Vo分别为原信号流图电流元素变换后的电压值，位于信号流图上节点处；

第2.2、化简

令R＝RS＝RL＝1Ω，从而V0＝V1，V‘4 ＝V3，则式(2)可进一步简化为式(3)、(4)、(5)用反相积分器实现；

第2.3、将上述第2.2步中的3个公式进行综合，得到基于反相积分器的全极点跨阻带通滤波器；

第3、进一步用全差分积分器替代反相积分器，得到跨阻型全差分有源RC带通滤波电路。

说明书

一种跨阻型集成带通滤波器设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于电子信息工程领域，涉及一种跨阻型集成带通滤波器设计方法。

背景技术

[0002] 滤波器是除了放大器以外使用最广泛的模拟电路元件，是构成滤波电路的核心元件。通信技术和多媒体技术的迅速发展对信号处理提出了越来越高的要求。而滤波器作为信号处理的关键元件，其性能的优劣直接影响到整体集成电路的性能。传统的滤波器都是采用电压输入-电压输出的形式，当它和电流形式的元件相连时需要在中间接入电流-电压转换器，增加了电路的元件数量和功耗。跨阻滤波器作为一种新型滤波器，其输入为电流信号，输出为电压信号，可直接与输出为电流的传感器或D/A转换器等相连，避免了电流-电压的转换，降低了硬件的总体复杂度。跨阻滤波器因其输入阻抗小，低噪声，且可线性提高混频器的电压摆幅，得到了很多研究者的关注。

[0003] 传统的集成有源滤波器设计往往以传递函数为出发点，分别用双二次节和一阶环节实现，然后再对其进行级联得到。众所周知，级联设计法具有设计简单，调试方便等优点，但其缺点是响应对元件变化敏感度高。反馈设计具有级联结构的模块式特点，又能提供比级联结构优越的敏感度特性，但这种电路结构比较复杂，调节困难，使其应用受到一定限制。双端接载的无源LC梯形网络具有响应对元件变化敏感度低的特点，且电路结构简单，调试方便，适用于设计对组件精度和稳定性要求荷刻的有源滤波器。

发明内容

[0004] 本发明目的是解决现有技术中的跨阻型集成带通滤波器设计对元件变化敏感度高、设计过程复杂等问题，提供一种跨阻型集成带通滤波器设计方法。该方法得到的滤波器是一种新的滤波器实现形式，且具有敏感度低、动态范围大等优点。

[0005] 本发明采用的技术方案如下：

[0006] 一种跨阻型集成带通滤波器设计方法，该方法包括以下步骤：

[0007] 第1、用信号流图法推导跨阻型无源LC带通滤波器，得到该无源LC带通滤波器的信号流图；

[0008] 第1.1、首先根据带通滤波器的技术指标获得全极点跨LC带通滤波器原型，并对电路各元件参数及支路电压和支路电流进行标注。

[0009] 第1.2、接下来，根据KCL、KVL和VCR，写出各支路电压和支路电流变量间的关系式，对电感列写电流方程，对电容列写电压方程，得到关系式如下：

[0010]

[0011] 其中，I1、I2、I3、I4分别表示各支路电流，V1、V2、V3表示各支路节点电压，L1、L2、L3分别为支路电感，C1、C2、C3分别为支路电容，Iin为输入电流，Io为输出电流，RL为负载电阻。

[0012] 第1.3、将式(1)用信号流图表示，信号流图中，上节点都是电流形式，下节点都是电压形式，为了便于采用反相积分器实现该信号流图，使输入输出信号均为电压，将该信号流图中所有电流变量乘以一个比例电阻R变成电压形式。

[0013] 第2、用反相积分器实现信号流图，得到基于反相积分器的全极点跨阻带通滤波器；

[0014] 第2.1、根据上述第1.3步中的信号流图，得出变换后支路电压和支路电流的关系为

[0015]

[0016] 其中，V1'，V2'，V3'，V4'，Vo分别为原信号流图电流元素变换后的电压值，位于信号流图上节点处。

[0017] 第2.2、化简

[0018] 令R＝RS＝RL＝1Ω，从而V0＝V1，V‘4 ＝V3，则上式可进一步简化为

[0019]

[0020]

[0021]

[0022] 式(3)、(4)、(5)用反相积分器实现并用附图表示；

[0023] 第2.3、将上述第2.2步中的3个附图进行综合，得到基于反相积分器的全极点跨阻带通滤波器；

[0024] 第3、进一步用全差分积分器替代反相积分器，得到跨阻型全差分有源RC带通滤波电路。

[0025] 本发明的优点和积极效果：

[0026] 1、本发明基于双端负载的LC滤波电流，得到的集成滤波器具有响应对元件敏感度低的特点。

[0027] 2、本发明提供了一种新的滤波器实现方法，即跨阻集成带通滤波器，采用电流输入-电压输出的形式，为滤波电路提供了稳定的电流，适于实现低电压、低功耗和大动态范围滤波器。

附图说明

[0028] 图1全极点跨阻六阶LC带通滤波器原型。

[0029] 图2全极点带通LC滤波器原型信号流图。

[0030] 图3变换后的信号流图。

[0031] 图4式(3)用反相积分器实现。

[0032] 图5式(4)用反相积分器实现。

[0033] 图6式(5)用反相积分器实现。

[0034] 图7基于反相积分器的全极点跨阻带通滤波电路。

[0035] 图8全差分有源跨阻带通滤波器。

[0036] 图9跨阻低通LC滤波电路。

[0037] 图10低通到带通的转换。

[0038] 图11跨阻带通LC滤波器原型电路。

[0039] 图12六阶跨阻带通有源RC滤波器。

[0040] 图13六阶跨阻带通滤波器幅频特性。

[0041] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

具体实施方式

[0042] 本发明提供的跨阻型集成带通滤波器设计方法，包括以下步骤：

[0043] (1)用信号流图法推导跨阻型无源LC带通滤波器，得到LC滤波器的信号流图；

[0044] (2)用反相积分器实现信号流图，得到基于反相积分器的全极点跨阻带通滤波器；

[0045] (3)进一步用全差分积分器替代反相积分器，得到跨阻型全差分有源RC带通滤波电路。具体如下：

[0046] 所述步骤(1)中，首先根据带通滤波器的技术指标获得全极点跨LC带通滤波器原型，并对电路各元件参数及支路电压和支路电流进行标注。如图1所示。

[0047] 接下来，根据KCL、KVL和VCR，写出各支路电压和支路电流变量间的关系式，对电感列写电流方程，对电容列写电压方程，得到关系式如下：

[0048]

[0049] 其中，I1、I2、I3、I4分别表示各支路电流，V1、V2、V3表示各支路节点电压，L1、L2、L3分别为支路电感，C1、C2、C3分别为支路电容，Iin为输入电流，Io为输出电流，RL为负载电阻。

[0050] 将式(1)用信号流图表示，如图2所示。

[0051] 信号流图中，上节点都是电流形式，这意味着积分器的输入输出总是一个是电流，一个是电压。可以通过将信号流图中所有电流变量乘以一个比例电阻R变成电压形式，变换后的信号流图为图3所示。

[0052] 所述步骤(2)中，用反相积分器实现信号流图，得到基于反相积分器的全极点跨阻带通滤波器，其具体步骤如下：

[0053] 根据上述信号流图，得出变换后支路电压和支路电流的关系为

[0054]

[0055] 其中，V1'，V2'，V3'，V4'，Vo分别为原信号流图电流元素变换后的电压值，位于信号流图上节点处。

[0056] 令R＝RS＝RL＝1Ω，从而V0＝V1，V‘4 ＝V3，则上式可进一步简化为

[0057]

[0058]

[0059]

[0060] 式(3)用反相积分器实现，表示如图4所示。

[0061] 式(4)用反相积分器实现，表示如图5所示。

[0062] 式(5)用反相积分器实现，表示如图6所示。

[0063] 将上述3个图进行综合，得到基于反相积分器的全极点跨阻带通滤波器，如图7所示。

[0064] 所述步骤(3)中，用全差分积分器替代反相积分器，得到跨阻型全差分有源RC带通滤波电路，如图8所示。

[0065] 实施例1

[0066] 本发明的一个具体实施例是采用信号流图法来设计一个跨阻型带通滤波器，其技术指标为：

[0067] 下通带截止频率：f1＝0.67MHz，上通带截止频率：fu＝1.5MHz；

[0068] 阻带下限截止频率：fs1＝0.4MHz，阻带上限截止频率：fsu＝2.5MHz；

[0069] 通带允许的最大衰减：Amax＝1dB，阻带允许的最小衰减：Amin＝20dB；

[0070] RS＝RL＝10KΩ。

[0071] 经频率转换，可得到低通滤波器的幅频特性。

[0072] 利用式ωLP＝1， 可计算得低通滤波器的归一化技术指标为：

[0073] 通带截止频率fp＝1Hz,通带允许的最大衰减：Amax＝1dB，

[0074] 阻带截止频率：fs＝2.53Hz，阻带允许的最小衰减：Amin＝20dB；

[0075] 双端接载RS＝RL＝1Ω。

[0076] 选择Chebyshev逼近，计算低通滤波器阶数N,

[0077]

[0078] 可以计算出n＝2.32，向上取N＝3。在取整的过程中会产生一定的差值，这里是N-n，也是造成Chebyshev滤波器低频通带部分波动的原因。为了减小通带波动，这里用 替代Amax，即将得到的阶数N代入式(6)中，用来求解

[0079]

[0080] 由式(7)计算出 取

[0081] 图9为所得的跨阻低通LC滤波电路。

[0082] 进行低通LC电路到带通LC电路的参数变换，其变换关系如图10，其中B代表通带带宽，ω0代表通带的中心频率。

[0083] 通过上述转换，可以得到跨阻带通滤波器的LC电路原型，如图11所示。

[0084] 利用前面介绍的方法对图11电路进行全极点跨阻带通滤波器的信号流图推导，最后得到六阶跨阻带通有源RC滤波器电路图，如图12所示。

[0085] 图中所有电阻阻值都是1Ω，电容值C1＝C2＝235.385nF，C3＝C4＝107.612nF，C5＝C6＝114.615nF，C7＝C8＝221.004nF，C9＝C10＝235.385nF，C11＝C12＝107.612nF。

[0086] 对图8中的参数进行反归一化，令km＝10000，则

[0087]

[0088] 根据式(8)，得到反归一化后的电路参数Rs＝RL＝10kΩ,C1＝C2＝23.54pF，C3＝C4＝10.76pF，C5＝C6＝11.46pF，C7＝C8＝22.1pF，C9＝C10＝23.54pF，C11＝C12＝10.76pF。

[0089] 这里的全差分积分器采用LMH6551模型。对图12建立网表，并利用Hspice进行仿真，得到仿真结果如图13所示。

[0090] 从仿真结果可以看出，用此方法设计的有源滤波器满足技术指标要求，滤波性能良好，既保留了一般有源滤波器所具有的优点，还具有无源滤波器对元件参数灵敏度低的特点。

[0091] 综合上述仿真结果及分析表明，采用本发明设计的集成有源跨阻型带通滤波器具有以下几方面的优点：1.设计是以双端接载的无源LC梯形电路为基础的，对表征LC梯形内部行为的数学方程进行模拟，具有无源LC梯形滤波器的低灵敏度特性；2.实现了跨阻滤波器这种新的滤波器形式，采用电流输入-电压输出的形式，为滤波电路提供了稳定的电流；3.创建了集成全极点跨阻带通滤波器的网表，并利用电路仿真软件Hspice实现了仿真。仿真结果证明了设计的有效性和可行性。