[发明专利]双二阶有源RC滤波电路及其补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及滤波器技术。

背景技术

双二阶单元是有源RC滤波器的基本组成模块。低通型双二阶单元具有以下传递函数的电路，

T(s)=Hω02s2+s(ω0Q)+ω02]]>    （公式1）

其中：中心频率为ω0，品质因数为Q,直流增益为H。

滤波器是常用的电子元件，滤波器基于频率大小对信号的幅度或相位进行处理。数学上预先对滤波器的纹波特性和相位特性进行条件约束，可得到诸如：巴特沃斯滤波器，切比雪夫滤波器，贝塞儿滤波器，椭圆滤波器等多种滤波器类型。高阶大带宽滤波器会常见于通讯设备的通道选择滤波器。高阶滤波器可由多个双二阶单元级联实现。以双二阶单元级联而成的高阶大带宽滤波器中至少包含一个高Q，高中心频率的双二阶单元。

Sallen-Key和多路反馈结构二阶单元电路是基于单个运算放大器（下文简称运放）实现的，要产生高Q，高中心频率的双二阶单元电路很困难。基于两个或两个以上运放的双二阶单元电路包括Thomas-Tow，Akerberg-Mossberg等形式，利用它们产生高Q高中心频率电路相对容易。Thomas-Tow类型双二阶单元电路（图1）因其所具有的独特的参数可正交调整性，得到了广泛的应用。所谓的参数可正交调整性指，中心频率ω0，品质因数Q,直流增益H，可分别通过调整图1中R3，R4,R2,R1实现，互不干扰。

Thomas-Tow类型双二阶单元电路由一个有损积分器和一个无损积分器相互耦合而成。其性能的限制因素在于积分器的损耗。积分器的损耗表现为:由实际运放电路构成的积分器，与理想积分器相比，会有更大的输出相位落后，和更低的高频增益。引起相位落后的原因主要原因是运放的有限增益带宽积(B)；其次有运放的有限输出阻抗。

对构成Thomas-Tow类型双二阶单元电路的运放的增益带宽积经验公式是

B≥Q×ω₀×10    （公式2）

当运放的增益带宽积下降，双二阶单元电路实际Q值将增大，实际中心频率ω0将减小，这个现象被称为Q值增强效应（图2）。Q值增强效应使滤波器整体纹波增大，滤波器性能参数对工艺参数/电压/温度的变化更敏感。文献【Khorramabadi H,Gray P.High-frequency CMOS continuous time filters.IEEE J Solid-State Circuits,1984,19(6):939】还提出一个带有Q值超过5的双二阶单元的切比雪夫滤波器，其中的运放的增益带宽积需高于滤波器截至频率的70倍，这样才可保证滤波器通带纹波低于0.6dB。

构成高Q，高中心频率的双二阶单元的运放需消耗较大功耗才能满足公式2规定的增益带宽积的要求。这在强调低功耗的产品中是很大的问题。

要突破公式2的要求，使用低增益带宽积运放构建双二阶单元，通常，可采用这些解决方法：预失真；无源补偿；有源补偿。

预失真方法是，预先计入Q值增强效应造成的Q值和中心频率的变化量，设计一个Q值较小，中心频率较大的双二阶单元。使用这种方法运放增益带宽积要求降低，功耗可下降，但无法应付随工艺参数/电压/温度变化带来的运放增益带宽积的变化。

无源补偿旨在通过加入无源器件补偿积分器的相位落后，添加无源器件引入一定量的超前相位量，缺点是无源器件工艺变化大，超前相位量的可控性较差，当工艺参数/电压/温度变化带来的运放增益带宽积的变化时，容易出现补偿不足或过量的问题。