[发明专利]具有经由铁电负电容实现的虚拟电感器的滤波器

说明书

一种滤波器(300)包括电路(330)，该电路(330)包括电阻器(301)、正电容器(303)和经由包括铁电层的负电容器(302)的虚拟电感器。该滤波器还包括接受电路两端的输入电压的输入端子(310)以及传送取自电阻器、正电容器或正电容器和负电容器的串联连接两端的输出电压的输出端子(320)以分别实现高通、低通或谐振特性。

技术领域

本发明总体上涉及信号处理，更具体地，涉及从信号的混合频率中选择性地过滤一个频率或频率范围的滤波器。

背景技术

通常可取的是具有能够从电路中的不同频率的混合中选择性地过滤一个频率或频率范围的电路。被设计为执行这种频率选择的电路被称为滤波器电路，或简称为滤波器。滤波器用于大量实际应用中。

例如，对滤波器电路的常见需求是在高性能立体声系统中，其中为了最佳音质和功率效率，需要放大或抑制特定范围的音频频率。例如，均衡器允许调节多个频率范围的振幅以适合听众的品味和听音区域的声学性质。相比之下，分频网络阻止特定范围的频率到达扬声器。均衡器和分频网络二者均是被设计为实现特定频率的过滤的滤波器的示例。

滤波器电路的另一实际应用是在电源电路中的非正弦电压波形的“调节”中。一些电子装置对电源电压中的谐波的存在敏感，因此为了正确操作需要功率调节。如果失真的正弦波电压的行为类似于添加到基频的一系列谐波波形，则应该可构造仅允许基本波形频率通过而阻挡所有(高频)谐波的滤波器电路。

频率选择或滤波器电路仅向输出传递期望频率范围(称为通带)内的那些输入信号。该频率范围之外(称为阻带)的信号的振幅减小(最好减小至零)。通常，在这些电路中，输入电流和输出电流保持为较小的值，因此，在频域中，电流传递函数是不如电压传递函数重要的参数。

图1示出传统1阶无源低通滤波器100，其包括串联连接的电阻器101和电容器102以使得它们可接受相同的电流。输入端子110连接在整个电路两端，而输出端子120连接在正电容器两端。滤波器100实现简单，但在截止频率附近及之外不提供大于0dB的增益和/或值超过20dB/decade的快速功率滚降(roll off)。

图2A示出一阶无源低通滤波器100的示例增益对频率曲线200。这里，增益被定义为20log(H(f))，其中，H(f)＝V_out(f)/V_in(f)。无源滤波器在通带210中的增益值为0dB或略小于该值。截止频率230被定义为使得该点处的增益为-3dB。功率滚降220(即，超出截止频率的阻带中的增益曲线200的斜率)为-20dB/decade。1阶低通滤波器在截止频率附近及之外无法提供大于0dB的增益和值超过-20dB/decade的功率滚降。为了在无源低通滤波器中实现更高的功率滚降，两个这种低通滤波器必须级联以使其成为二阶低通滤波器。另外，为了具有高于0dB的增益，需要具有类似晶体管、运算放大器的有源元件的有源滤波器。

图2B示出通过将两个一阶无源低通滤波器100级联而形成的2阶无源低通滤波器的示例性增益对频率曲线205。增益被定义为20log(H(f))，其中，H(f)＝V_out(f)/V_in(f)，并且通带215中的增益值始终为0dB或略小于该值。截止频率235被定义为使得该点处的增益为-3dB。功率滚降(即，超出截止频率225的阻带中的增益曲线的斜率)为-40dB/decade。要注意的是，在2阶滤波器中功率滚降已显著改进。然而，增益仍为0dB或更小。另外，级联2阶无源低通滤波器需要复制一阶无源低通滤波器的电子组件。

另一类型的滤波器是基于电阻器(R)、电感器(L)和电容器(C)的组合实现的RLC滤波器。RLC滤波器也称为无源滤波器，因为它们不依赖于外部电源和/或它们不包含诸如晶体管的有源组件。RLC滤波器可被配置为形成为特定频带提供高增益的谐振电路。