專利名稱：帶有衰減極值的有源隔離積分低通濾波器的制作方法
相關(guān)申請本申請要求2000年1月3日提交的、序列號為60/174,201的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，該申請的整個文本在這里以參考的形式并入本申請。
發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域本發(fā)明涉及濾波器，其特別涉及帶有衰減極值的低通濾波器。
背景技術(shù)：
盡管大多數(shù)關(guān)于無源電阻一電容型帶阻濾波器、頻阻網(wǎng)絡(luò)(FRN)、或者陷波濾波器的文獻(xiàn)都集中在橋式全T濾波器，但是另一種無源RC濾波器克服了橋式全T濾波器的某些缺陷。該濾波器就是圖1所示的隔離積分器的帶阻濾波器。
這種隔離積分帶阻濾波器具有幾個橋式全T濾波器所不具備的獨特性能。在結(jié)構(gòu)形式上，隔離積分帶阻濾波器采用的電容器的電容值相同。這可使制造商采用同批生產(chǎn)的電容，并只需分出一類電容而不是多種電容。此外，所用電容可以是相對比較便易的NPO陶瓷型電容。
濾波器自身的凈電容在有源濾波器的設(shè)計中是用來方便低通濾波器的構(gòu)造的。盡管電壓電源和開路負(fù)載的衰減是對稱的，但是設(shè)計的目的是使電壓電源和負(fù)載具有限定的阻抗。然而，在實際工作中，可能主要是低通的通頻波帶。
此外，隔離積分帶阻濾波器的頻率可通過一個可變電阻的微調(diào)在兩個方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。除了只使用一個電阻的優(yōu)點之外，電阻本身還可實施激光微調(diào)或研磨調(diào)節(jié)，這些方法在加工過程中可用于電阻上的屏蔽介質(zhì)。使調(diào)諧電阻接地還能降低調(diào)諧過程的雜波干擾。
該濾波器的另一個特征在于其能夠根據(jù)實際的元件參數(shù)在兆赫頻率上產(chǎn)生很深的凹陷。即使在通常的元件誤差范圍內(nèi)，也能保持很深的凹陷或極值。然而，只有在精確的理想值上才能獲得深度無限的凹陷。最后，如果需要可以層疊多個隔離積分帶阻濾波器從而使系統(tǒng)的部分響應(yīng)產(chǎn)生多個凹陷。
關(guān)于電阻電容陷波濾波器的其它信息可參見Ralph Glasgal在1969年10月的EEE第70-74頁發(fā)表的“Tunable RC Null Networks”。這里其以參考的形式并入本申請。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是在有源低通濾波器的設(shè)計中引入隔離積分帶阻濾波器。該隔離積分帶阻濾波器可包括在多種不同的低通濾波器中如Sallen&Key濾波器、多反饋濾波器以及狀態(tài)可變型濾波器。將隔離積分帶阻濾波器引入有源低通濾波器的結(jié)構(gòu)中可以形成一些現(xiàn)有技術(shù)中至今還不知道的、新的濾波器。
本發(fā)明提供一種有源低通濾波器系統(tǒng)，其包括一個輸入端，其從一個信號發(fā)生器接收一個信號；一個低通濾波電路；一個輸出端子；以及至少一個頻阻網(wǎng)絡(luò)，其與低通濾波電路相連。系統(tǒng)中的這個低通濾波電路具有一個包括頻阻網(wǎng)絡(luò)的電阻前向信號流路。在一實施例中，頻阻網(wǎng)絡(luò)是一種隔離積分帶阻濾波器。
本發(fā)明還提供一種用來驅(qū)動負(fù)載的功率放大系統(tǒng)。該功率放大系統(tǒng)包括一個輸入端，其從一個信號發(fā)生器接收一個信號；一個與負(fù)載相連的輸出端子；一個用來形成波譜的脈寬調(diào)制電路；一個誤差放大器和調(diào)制器，其與脈寬調(diào)制電路的一個輸入相連；一個解調(diào)濾波器，其與脈寬調(diào)制電路的一個輸出相連；以及一個反饋控制回路，其與脈寬調(diào)制電路相連并包括一個有源低通濾波器，該有源低通濾波器具有一個反饋解調(diào)濾波器和一個隔離積分頻阻網(wǎng)絡(luò)。在一個實施例中，隔離積分頻阻網(wǎng)絡(luò)是一種隔離積分帶阻濾波器。


結(jié)合附圖并參考本發(fā)明實施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的上述及其它特征以及實現(xiàn)這些特征的方法將更加清楚，本發(fā)明本身也會變得更容易理解。其中圖1為隔離積分帶阻濾波器的示意圖；圖2(a)為包括本發(fā)明的隔離積分帶阻濾波器的二階低通Sallen和Key濾波器的示意圖；圖2(b)為包括二個隔離積分器的帶阻濾波器的二階低通Sallen和Key濾波器的示意圖；圖2(c)為包括二個隔離積分器的帶阻濾波器的三階低通Sallen和Key濾波器的示意圖；圖3為圖2(c)中濾波器振幅特性曲線的預(yù)測圖；圖4(a)為包括二個嵌入式隔離積分帶阻濾波器的多反饋低通濾波器的示意圖；圖4(b)為包括二個隔離積分帶阻濾波器的狀態(tài)可變低通濾波器的示意圖；圖5為帶有一個本發(fā)明反饋濾波器的脈寬調(diào)制放大器的示意圖。
具體實施例方式
為了更好地理解本發(fā)明的原理，現(xiàn)在來參見附圖所示的實施例并進(jìn)行說明。然而，其并非是用來限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。對本發(fā)明所涉及領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，對這里所示設(shè)備、所述方法以及本發(fā)明原理的應(yīng)用進(jìn)行任易地變化、改進(jìn)和擴(kuò)展都是正常的。
本發(fā)明的一個目的是在有源低通濾波器的設(shè)計中引入(圖1)隔離積分帶阻濾波器20。該隔離積分帶阻濾波器可包括在多種不同的低通濾波器中，如Sallen&Key濾波器、多反饋濾波器以及狀態(tài)可變型濾波器，這將在下面詳細(xì)介紹。
參見圖1，圖1所示為傳統(tǒng)的隔離積分帶阻濾波器20。該隔離積分帶阻濾波器20采用等值電容C，這種電容可以是價格較便宜的NPO陶瓷電容。除了采用等值電容外，其中的電阻R也具有相同的值，當(dāng)然這里有一個例外，即調(diào)諧電阻R/12，其在使用中接地，并在調(diào)諧過程中用來防止雜波干擾。如圖1所示，電阻R/12是可變的，然而所示的值卻是R/12。通常來講，隔離積分帶阻濾波器20中電阻R的值與電阻R/12的值的比為12比1時為最差的，但其仍在屏蔽范圍內(nèi)。因此，為了簡化起見，該值表示為R/12。
現(xiàn)在參見圖2，圖2中所示為本發(fā)明的三個實施例，其中的隔離積分帶阻濾波器20放在了Sallen和Key有源低通濾波器的電阻支路中。關(guān)于Sallen和Key濾波器的其它信息可參見R.P.Sallen和E.L.Key在1955年三月出版的IRE Tranction Circuit Theory中第51-62頁的“APractical Method of Designing RC Active Filters”。這里其以參考的形式并入本申請。盡管隔離積分帶阻濾波器20是放在Sallen和Key濾波器的電阻支路中，但起初的Sallen和Key濾波器的輸入或輸出端子中并不要求其它的串聯(lián)電阻，除非是需要一個無限極值。
圖2所示本發(fā)明的三個實施例都采用增益K為正的放大器。該正增益的一種最簡單的實施形式是采用整數(shù)增益或一，這樣就不必在電壓反饋運(yùn)算放大器中使用增益設(shè)定電阻。然而，大于1的增益可使電容的篩選更為容易，電路更為穩(wěn)定。
現(xiàn)在回到圖2中的特定形式。圖2(a)說的是本發(fā)明的第一實施例，該實施例中的隔離積分帶阻濾波器20被并在了Sallen&Key濾波器中，從而形成新的濾波器22。這是一種二階系統(tǒng)，但其只能產(chǎn)生一個有限的頻率衰減極值。與基本的Sallen&Key濾波器相比，我們會注意到這里是用隔離積分帶阻濾波器20取代了最初的部分電阻支路。這里我們還應(yīng)該注意到電阻Rg、R5和R8以及電容C3和C5并非是隔離積分帶阻濾波器20的一部分，并且也不必是相同的一個值。使用中，電阻R5或R8可以是零，然而如果這兩個電阻都是零的話，那么只會形成一個無限極值。該極值是一個有用的結(jié)果，盡管通常并非是所需的結(jié)果。電阻R7與圖1中的電阻R/12對應(yīng)，是一個可變電阻，其數(shù)值范圍可以很寬，并且所有這些值都是電阻R6的一小部分。
圖2(b)是本發(fā)明的第二實施例，其中隔離積分帶阻濾波器20并在了Sallen&Key濾波器中并形成新的濾波器24。與第一實施例類似，第二實施例也是一個二階系統(tǒng)，然而圖2(b)的實施例會產(chǎn)生兩個有限的頻率衰減極值。我們應(yīng)該注意到這里的兩個隔離積分帶阻濾波器20并在了一個基本的Sallen&Key濾波器中。如上所述，R5或R8可以是零；然而如果兩個電阻都是零的話，那么不會形成無限的第二極值。這一點對R4和Rg也是一樣的。可變電阻R7與圖2(a)所述的相同。電阻R3也是一個可變電阻，其數(shù)值范圍是電阻R2的一小部分。
現(xiàn)在參見圖2(c)。圖2(c)描述的是濾波器26，其中所示有一個三階低通Sallen&Key濾波器，其包括隔離積分帶阻濾波器20中。由于這是一個三階系統(tǒng)，因此可以想到在系統(tǒng)的響應(yīng)曲線中會產(chǎn)生三個無限的極值。為了使三個極值為無限極值，電阻R1和R4不能同時為零，因為Rg永遠(yuǎn)都不為零。實際上，電阻R1和R4中的一個或另一個可以是零，但如果想要有三個極值就不能同時為零。否則，第三個實施例的結(jié)構(gòu)與第二實施例的結(jié)構(gòu)就非常相似，并適用同樣的限制條件和特征。
盡管所描述的實施例僅涉及二階和三階系統(tǒng)，但也可以是更高階的系統(tǒng)，只要對更高階的Sallen&Key濾波器的電阻支路中的隔離積分帶阻濾波器20進(jìn)行替換即可。然而，我們應(yīng)該注意隨著低通Sallen&Key濾波器階數(shù)的增加，只要截斷速率合適，所有可能存在的無限極值都越來越不重要。
圖3為圖2(c)中三階低通Sallen&Key濾波器26振幅特性曲線的預(yù)測(Bode)圖，其中的振幅以分貝(dB)為單位。該圖顯示在濾波器26中引入隔離積分帶阻濾波器20會產(chǎn)生凹陷。我們應(yīng)當(dāng)清楚該預(yù)測圖中所用的數(shù)值不僅反映了本發(fā)明的操作參數(shù)，還反映了多種可能情況中的一種情況。采用下面的部件值可形成圖3所描述的振幅特性曲線K＝1Rg＝2.71KΩR1＝R4＝R8＝0ΩR2＝1.24KΩR3＝104ΩR5＝R6＝2.49KΩR7＝208C1＝C2＝C3＝C4＝C5＝220pf這里應(yīng)該注意R1等于R4，或者兩者都等于零，這樣該系統(tǒng)就如圖2(c)三階系統(tǒng)中描述的那樣，只會出現(xiàn)兩個極值。這兩個衰減極值分別在500KHz和1MHz處。還有一點需要注意的是500KHz和1MHz是250KHz倍頻N＝2轉(zhuǎn)換器的脈動波譜點，或者是250KHz轉(zhuǎn)換器的諧振點。
還有一項需要注意的是本發(fā)明的衰減量。特別是450KHz以上的頻率都出現(xiàn)了70dB以上的衰減。一旦頻率達(dá)到100KHz，振幅響應(yīng)曲線就會從100KHz的20dB快速衰減到450KHz的70dB。與之相對的是頻率從1KHz到100KHz，其衰減只有20dB。
現(xiàn)在參見圖4，在圖4的多反饋型和狀態(tài)可變型濾波器中，可在它們的前饋電阻支路中嵌入隔離積分帶阻濾波器20。在這些濾波器使用隔離積分帶阻濾波器20就構(gòu)成了本發(fā)明的其它實施例。
圖4(a)所示為本發(fā)明的第四個實施例或濾波器28，其中的多反饋濾波器具有一對隔離積分帶阻濾波器20，其使系統(tǒng)形成兩個極值或凹陷。根據(jù)多反饋濾波器階數(shù)的不同，本發(fā)明的實施例可在DC條件下進(jìn)行反相，從而改變其可能的應(yīng)用。然而，根據(jù)現(xiàn)在的公知技術(shù)，加入反相器還必須解決反相所帶來的問題。
圖4(b)是本發(fā)明的第五個實施例，其中的狀態(tài)可變?yōu)V波器包括隔離積分帶阻濾波器20從而形成濾波器30。狀態(tài)可變?yōu)V波器在配置上很容易帶有三個前饋電阻支路，每一個支路都支撐一個頻阻網(wǎng)絡(luò)。然而，從本發(fā)明的實施例可以看出一般的狀態(tài)可變?yōu)V波器更多地是帶有兩個前饋電阻支路，如圖4(b)所示，其中每個支路中都帶有一個隔離積分帶阻濾波器20。所形成的濾波器30如多反饋型濾波器一樣可產(chǎn)生兩個凹陷。再有，像多反饋型濾波器一樣，反相問題會影響這種濾波器的使用，引入反相器的同時必須克服這些反相問題。
如果頻阻網(wǎng)絡(luò)如隔離積分帶阻濾波器布置在高增益放大器旁邊的反饋通路中，結(jié)構(gòu)就會形成一個帶通網(wǎng)絡(luò)或頻率校正網(wǎng)絡(luò)(FEN)。這種變化在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
現(xiàn)在來參見圖5，圖5所示為本發(fā)明另一實施例的方塊圖，其中的隔離積分帶阻濾波器20構(gòu)成反饋解調(diào)濾波器44的一個部分。本實施例解決了從固定頻率開關(guān)放大器的反饋信號去除脈寬調(diào)制(PWM)波譜的問題。為了將PWM波譜從反饋信號中去除，高性能放大器需要兩個衰減極值或凹陷。在附圖5中，功率放大器40包括PWM功率級42，其由誤差放大調(diào)制級43驅(qū)動并產(chǎn)生PWM脈動波譜；反饋解調(diào)濾波器44，其用來在反饋信號進(jìn)入濾波器46之前從中去掉PWM脈動波譜。反饋解調(diào)濾波器44至少包括一個隔離積分帶阻濾波器20。輸出解調(diào)濾波器47與負(fù)載45相連。
盡管本發(fā)明是以實施例的形式進(jìn)行的描述，但本發(fā)明還可在其公開的范圍內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步的修改。因此本申請采用其基本原理來覆蓋本發(fā)明的各種變化、用途或改進(jìn)。此外，本申請還在于覆蓋那些能夠從這里公開的內(nèi)容以及本發(fā)明所屬領(lǐng)域公知或慣用手段導(dǎo)出的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種有源低通濾波器系統(tǒng)，其包括一個低通濾波電路(22，24，26，28，30)，其包括一個前向信號電阻流路；以及一個隔離積分帶阻濾波器(20)，其與低通濾波電路(22，24，26，28，30)的前向信號流路相連。
2.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中的帶阻濾波器(20)包括一個用來調(diào)諧帶阻濾波器的電阻(R3，R7)。
3.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中的低通濾波電路是一種Sallen&Key濾波器(22，24，26)。
4.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中的低通濾波電路是一種多反饋濾波器(28)。
5.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中的低通濾波電路是一種狀態(tài)可變?yōu)V波器(30)。
6.一種用來驅(qū)動負(fù)載的功率放大系統(tǒng)(40)，其包括一個用來產(chǎn)生脈動波譜的脈寬調(diào)制電路(42)；一個與所述脈寬調(diào)制電路(42)相連的反饋控制回路，其包括一個有源低通濾波器(44，46)，所述低通濾波器包括一個反饋解調(diào)濾波器(44)和一個隔離積分頻阻網(wǎng)絡(luò)(20)。
7.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中的頻阻網(wǎng)絡(luò)(20)是一種隔離積分帶阻濾波器，其包括一個對帶阻濾波器進(jìn)行調(diào)諧的電阻(R3，R7)。
8.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括一個與脈寬調(diào)制電路(42)的輸入相連的誤差放大調(diào)制電路(43)；以及連在脈寬調(diào)制電路(42)和負(fù)載之間的一個解調(diào)濾波器(47)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種有源低通濾波器系統(tǒng)，其包括一個低通濾波電路(22，24，26，28，30)；以及至少一個與低通濾波電路相連的頻阻網(wǎng)絡(luò)(20)。頻阻網(wǎng)絡(luò)(20)包括在低通濾波器的電阻前向信號流路中。本發(fā)明還提供了一種用來驅(qū)動負(fù)載(45)的功率放大系統(tǒng)(40)。該功率放大系統(tǒng)(40)包括一個用來產(chǎn)生脈動波譜的脈寬調(diào)制電路(42)；以及一個串聯(lián)的解調(diào)濾波器(47)；以及一個與所述脈寬調(diào)制電路(42)相連的反饋控制回路，其包括一個有源低通濾波器(44，46)，所述低通濾波器包括一個反饋解調(diào)濾波器(44)和一個隔離積分頻阻網(wǎng)絡(luò)(20)。
文檔編號H03H11/12GK1415136SQ00818114
公開日2003年4月30日 申請日期2000年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月3日
發(fā)明者G·R·斯坦利 申請人:皇冠音頻公司