[发明专利]一种低通滤波器

说明书

技术领域

 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

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。

    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。

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。

    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。

    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。

    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。

    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，MFB2^nd阶低通滤波器是非常有限的并且有几个缺点。

    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。

    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。

    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。

    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。

    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