一种高Q值、宽调谐范围开关电容滤波器的制作方法

一种高q值、宽调谐范围开关电容滤波器
技术领域
1.本发明涉及集成电路设计领域，尤其是指一种高q值、宽调谐范围开关电容滤波器。


背景技术：

2.滤波器通常工作在不同的频带，需要对不同频率范围的信号进行衰减，因此其中心频率必须是可调的。这一需求极大地促进了开关电容滤波器的发展，时钟可调开关电容滤波器在仪表测量、医疗仪器、数据或信息处理等许多领域都有广泛的应用前景。目前现有的设计大多都是通过修改内部元件值的方法实现可调谐性，但是这种方法对于高阶滤波器而言，改变多个元件的值会使电路复杂性成倍增加，同时也会降低电路精度。
3.传统开关电容的q值高，但是对电阻阻值的依赖性较高，并且需要额外的电阻，会引入噪声、寄生电容，并且会极大地限制调谐范围及精度。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明的一种高q值、宽调谐范围开关电容滤波器，所述的电容滤波器内部包括片上电阻、输入求和运算放大器，还包括积分器ⅰ、积分器ⅱ，其中的积分器ⅱ的输出端为滤波器的总输出，所述的片上电阻内设有若干电阻，且均与输入求和运算放大器的反向输入端之间相连，另外输入求和运算放大器与积分器ⅰ、积分器ⅱ之间依次串联，形成二阶开关电容滤波器结构；同时积分器ⅰ、积分器ⅱ内均设有运算放大器，运算放大器与输入求和运算放大器采用相同结构型号。
5.在本发明的一个实施例中，所述的电容滤波器通过选择不同输入输出端口级联可以实现不同阶数的高通、低通、带通等不同的滤波功能相应。
6.在本发明的一个实施例中，所述的积分器ⅰ、积分器ⅱ为使得电路匹配性更高、降低设计复杂度，采用相同结构。
7.在本发明的一个实施例中，所述的积分器ⅰ还内置设有开关电容网络，且开关电容网络包括有采样电容ⅰ、采样电容ⅱ，同时采样电容ⅰ、采样电容ⅱ之间并联组成双通道结构，提高了采样速率，拓宽了调谐范围，其中端口sa1可以与运算放大器反相输入端相连接，sa2可以与滤波器输出端相连接构成反馈，使得f0与q不仅仅依赖于而是依赖于降低了对电阻阻值的依赖性。
8.在本发明的一个实施例中，所述的积分器ⅱ中也包括开关电容网络，等效替代积分器的电阻，将滤波器时间常数由电阻电容乘积形式变为电容比值形式，大幅提高滤波精度，还包括与积分器ⅰ相同的积分电容、运算放大器结构。
9.在本发明的一个实施例中，所述的电容滤波器在确定外接电阻值的情况下，时钟频率与滤波器的中心频率比值就为一个常数m，即f
clk
＝m f0，这样通过改变外接时钟频率，就可以简单的实现滤波器的中心频率可调。中心频率f0与q表达式为：
[0010][0011]
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明所述的高q值、宽调谐范围开关电容滤波器。由于滤波器需要实现不同频段的滤波响应，所以滤波器的中心频率可调范围一定要更宽，本发明采用了双开关电容进行信号采样，降低了q值大小对外接电阻阻值的依赖性，提高了调谐与q值精度，降低整体噪声，还拓宽了调谐范围，实现更多频段的滤波响应。在不改变增益幅值的条件下，实现对滤波器系统的q值精度、调谐范围与精度以及整体噪声等的综合优化。
附图说明
[0012]
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0013]
图1位传统二阶状态变量滤波器结构图；
[0014]
图2为传统二阶开关电容滤波器结构图；
[0015]
图3为本发明提出的高q值、宽调谐范围二阶开关电容滤波器结构示意图；
[0016]
图4为本发明提出的高q值、宽调谐范围二阶开关电容滤波器结构的优化连接模式的结构图。
具体实施方式
[0017]
如图1所示，为传统二阶状态变量滤波器结构，其中，电阻101为片上电阻，可以通过调节阻值来调节q值以及中心频率f0大小。但是电阻会引入噪声、寄生电容，且要调节阻值大小很困难，时间常数τ＝r5c2，易随工艺波动且中心频率f0及q值精度很低，所以对该结构进行了改进。
[0018]
图2为传统二阶开关电容滤波器结构，该结构采用开关电容代替积分器电阻，实现了近似连续时间滤波，时间常数τ＝c2/c1，可以通过改变时钟频率进行中心频率的调节，越高的频段需要越高的时钟频率，也就需要更短的充放电时间，但是单电容采样速度极大地限制了中心频率可调谐范围，其中心频率与q值表达式为：
[0019][0020]
可见，q值依赖于电阻的比值，工艺波动对q值精度影响很大，所以需要做出改进。
[0021]
图3为本发明提出的高q值、宽调谐范围二阶开关电容滤波器结构，在传统二阶开关电容滤波器结构的基础上，采用两个开关电容结构，极大地提高了采样速率，扩大了输入频率范围，不仅如此，降低了q值对电阻阻值的依赖性，提高了q值精度。其中心频率与q值表达式为：
[0022]
[0023]
但是，在这种情况下，该滤波器系统已经不能近似为连续时间滤波器。
[0024]
为提高电路匹配性、降低设计复杂度，改进优化的电路如图4所示，所述的电容滤波器300内部包括片上电阻301、输入求和运算放大器302，还包括积分器ⅰ310、积分器ⅱ320，其中的积分器ⅱ320的输出端为滤波器的总输出，所述的片上电阻301内设有若干电阻，且均与输入求和运算放大器302的反向输入端之间相连，另外输入求和运算放大器302与积分器ⅰ310、积分器ⅱ320之间依次串联，形成二阶开关电容滤波器结构；同时积分器ⅰ310、积分器ⅱ320内均设有运算放大器315，运算放大器315与输入求和运算放大器302采用相同结构型号
[0025]
积分器ⅰ310与积分器ⅱ320采用相同结构。开关电容网络311包括采样电容ⅰ313、采样电容ⅱ314，提高了采样速率，拓宽了调谐范围，其中端口sa1可以与运算放大器315反相输入端相连接，sa2可以与滤波器输出端相连接构成反馈，使得f0与q不仅仅依赖于而是依赖于降低了对电阻阻值的依赖性。连接后的电路见图4。在这种连接方式下，f0与q表达式为：
[0026][0027]
可以看出，随着r3阻值增大，q值也会变大，当时，若r2＝r1，r3＝16r4，此时q为无穷。所以，期望q值越高，需要选择更小的r3。
[0028]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。


技术特征：
1.一种高q值、宽调谐范围开关电容滤波器，其特征在于，所述的电容滤波器(300)内部包括片上电阻(301)、输入求和运算放大器(302)，还包括积分器ⅰ(310)、积分器ⅱ(320)，其中的积分器ⅱ(320)的输出端为滤波器的总输出，所述的片上电阻(301)内设有若干电阻，且均与输入求和运算放大器(302)的反向输入端之间相连，另外输入求和运算放大器(302)与积分器ⅰ(310)、积分器ⅱ(320)之间依次串联，形成二阶开关电容滤波器结构；同时积分器ⅰ(310)、积分器ⅱ(320)内均设有运算放大器(315)，运算放大器(315)与输入求和运算放大器(302)采用相同结构型号。2.根据权利要求1所述的开关电容滤波器，其特征在于：所述的电容滤波器(300)通过选择不同输入输出端口级联可以实现不同阶数的高通、低通、带通的不同滤波功能相应。3.根据权利要求1所述的开关电容滤波器，其特征在于：所述的积分器ⅰ(310)还内置设有开关电容网络(311)，且开关电容网络(311)包括有采样电容ⅰ(313)、采样电容ⅱ(314)，同时采样电容ⅰ(313)、采样电容ⅱ(314)之间并联组成双通道结构。4.根据权利要求1所述的开关电容滤波器，其特征在于：所述的积分器ⅱ(320)中也包括开关电容网络(311)，等效替代积分器的电阻，将滤波器时间常数由电阻电容乘积形式变为电容比值形式，还包括与积分器ⅰ(310)相同的积分电容(312)、运算放大器(315)结构。5.根据权利要求1所述的开关电容滤波器，其特征在于：所述的电容滤波器(300)在确定外接电阻值的情况下，时钟频率与滤波器的中心频率比值就为一个常数m，即f
clk
＝m f0。

技术总结
本发明涉及一种高Q值、宽调谐范围开关电容滤波器，所述的电容滤波器内部包括片上电阻、输入求和运算放大器，还包括积分器Ⅰ、积分器Ⅱ，其中的积分器Ⅱ的输出端为滤波器的总输出，所述的片上电阻内设有若干电阻，且均与输入求和运算放大器的反向输入端之间相连，另外输入求和运算放大器与积分器Ⅰ、积分器Ⅱ之间依次串联，形成二阶开关电容滤波器结构。本发明采用了双开关电容进行信号采样，降低了Q值大小对外接电阻阻值的依赖性，提高了调谐与Q值精度，降低整体噪声，还拓宽了调谐范围，实现更多频段的滤波响应。在不改变增益幅值的条件下，实现对滤波器系统的Q值精度、调谐范围与精度以及整体噪声等的综合优化。度以及整体噪声等的综合优化。度以及整体噪声等的综合优化。


技术研发人员：徐凯英 张淑慧 袁振中
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十八研究所
技术研发日：2022.06.24
技术公布日：2022/9/2