帶有衰減極值的有源隔離積分低通濾波器的製作方法
2023-10-31 02:10:57 3
專利名稱：帶有衰減極值的有源隔離積分低通濾波器的製作方法
相關申請本申請要求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先權，該申請的整個文本在這裡以參考的形式併入本申請。
發明
背景技術：
領域本發明涉及濾波器，其特別涉及帶有衰減極值的低通濾波器。
背景技術：
儘管大多數關於無源電阻一電容型帶阻濾波器、頻阻網絡(FRN)、或者陷波濾波器的文獻都集中在橋式全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。在結構形式上，隔離積分帶阻濾波器採用的電容器的電容值相同。這可使製造商採用同批生產的電容，並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。
濾波器自身的淨電容在有源濾波器的設計中是用來方便低通濾波器的構造的。儘管電壓電源和開路負載的衰減是對稱的，但是設計的目的是使電壓電源和負載具有限定的阻抗。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在兩個方向進行調節。除了只使用一個電阻的優點之外，電阻本身還可實施雷射微調或研磨調節，這些方法在加工過程中可用於電阻上的屏蔽介質。使調諧電阻接地還能降低調諧過程的雜波幹擾。
該濾波器的另一個特徵在於其能夠根據實際的元件參數在兆赫頻率上產生很深的凹陷。即使在通常的元件誤差範圍內，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。最後，如果需要可以層疊多個隔離積分帶阻濾波器從而使系統的部分響應產生多個凹陷。
關於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頁發表的「Tunable RC Null Networks」。這裡其以參考的形式併入本申請。
發明內容
本發明的一個目的是在有源低通濾波器的設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SallenKey濾波器、多反饋濾波器以及狀態可變型濾波器。將隔離積分帶阻濾波器引入有源低通濾波器的結構中可以形成一些現有技術中至今還不知道的、新的濾波器。
本發明提供一種有源低通濾波器系統，其包括一個輸入端，其從一個信號發生器接收一個信號；一個低通濾波電路；一個輸出端子；以及至少一個頻阻網絡，其與低通濾波電路相連。系統中的這個低通濾波電路具有一個包括頻阻網絡的電阻前向信號流路。在一實施例中，頻阻網絡是一種隔離積分帶阻濾波器。
本發明還提供一種用來驅動負載的功率放大系統。該功率放大系統包括一個輸入端，其從一個信號發生器接收一個信號；一個與負載相連的輸出端子；一個用來形成波譜的脈寬調製電路；一個誤差放大器和調製器，其與脈寬調製電路的一個輸入相連；一個解調濾波器，其與脈寬調製電路的一個輸出相連；以及一個反饋控制迴路，其與脈寬調製電路相連並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濾波器和一個隔離積分頻阻網絡。在一個實施例中，隔離積分頻阻網絡是一種隔離積分帶阻濾波器。
結合附圖並參考本發明實施例的詳細說明，本發明的上述及其它特徵以及實現這些特徵的方法將更加清楚，本發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可變低通濾波器的示意圖；圖5為帶有一個本發明反饋濾波器的脈寬調製放大器的示意圖。
具體實施例方式
為了更好地理解本發明的原理，現在來參見附圖所示的實施例並進行說明。然而，其並非是用來限定本發明的保護範圍。對本發明所涉及領域普通技術人員來說，對這裡所示設備、所述方法以及本發明原理的應用進行任易地變化、改進和擴展都是正常的。
本發明的一個目的是在有源低通濾波器的設計中引入(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SallenKey濾波器、多反饋濾波器以及狀態可變型濾波器，這將在下面詳細介紹。
參見圖1，圖1所示為傳統的隔離積分帶阻濾波器20。該隔離積分帶阻濾波器20採用等值電容C，這種電容可以是價格較便宜的NPO陶瓷電容。除了採用等值電容外，其中的電阻R也具有相同的值，當然這裡有一個例外，即調諧電阻R/12，其在使用中接地，並在調諧過程中用來防止雜波幹擾。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，但其仍在屏蔽範圍內。因此，為了簡化起見，該值表示為R/12。
現在參見圖2，圖2中所示為本發明的三個實施例，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。關於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」。這裡其以參考的形式併入本申請。儘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並不要求其它的串聯電阻，除非是需要一個無限極值。
圖2所示本發明的三個實施例都採用增益K為正的放大器。該正增益的一種最簡單的實施形式是採用整數增益或一，這樣就不必在電壓反饋運算放大器中使用增益設定電阻。然而，大於1的增益可使電容的篩選更為容易，電路更為穩定。
現在回到圖2中的特定形式。圖2(a)說的是本發明的第一實施例，該實施例中的隔離積分帶阻濾波器20被並在了SallenKey濾波器中，從而形成新的濾波器22。這是一種二階系統，但其只能產生一個有限的頻率衰減極值。與基本的SallenKey濾波器相比，我們會注意到這裡是用隔離積分帶阻濾波器20取代了最初的部分電阻支路。這裡我們還應該注意到電阻Rg、R5和R8以及電容C3和C5並非是隔離積分帶阻濾波器20的一部分，並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，那麼只會形成一個無限極值。該極值是一個有用的結果，儘管通常並非是所需的結果。電阻R7與圖1中的電阻R/12對應，是一個可變電阻，其數值範圍可以很寬，並且所有這些值都是電阻R6的一小部分。
圖2(b)是本發明的第二實施例，其中隔離積分帶阻濾波器20並在了SallenKey濾波器中並形成新的濾波器24。與第一實施例類似，第二實施例也是一個二階系統，然而圖2(b)的實施例會產生兩個有限的頻率衰減極值。我們應該注意到這裡的兩個隔離積分帶阻濾波器20並在了一個基本的SallenKey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，那麼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，其數值範圍是電阻R2的一小部分。
現在參見圖2(c)。圖2(c)描述的是濾波器26，其中所示有一個三階低通SallenKey濾波器，其包括隔離積分帶阻濾波器20中。由於這是一個三階系統，因此可以想到在系統的響應曲線中會產生三個無限的極值。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，第三個實施例的結構與第二實施例的結構就非常相似，並適用同樣的限制條件和特徵。
儘管所描述的實施例僅涉及二階和三階系統，但也可以是更高階的系統，只要對更高階的SallenKey濾波器的電阻支路中的隔離積分帶阻濾波器20進行替換即可。然而，我們應該注意隨著低通SallenKey濾波器階數的增加，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SallenKey濾波器26振幅特性曲線的預測(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會產生凹陷。我們應當清楚該預測圖中所用的數值不僅反映了本發明的操作參數，還反映了多種可能情況中的一種情況。採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這裡應該注意R1等於R4，或者兩者都等於零，這樣該系統就如圖2(c)三階系統中描述的那樣，只會出現兩個極值。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轉換器的脈動波譜點，或者是250KHz轉換器的諧振點。
還有一項需要注意的是本發明的衰減量。特別是450KHz以上的頻率都出現了70dB以上的衰減。一旦頻率達到100KHz，振幅響應曲線就會從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。
現在參見圖4，在圖4的多反饋型和狀態可變型濾波器中，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就構成了本發明的其它實施例。
圖4(a)所示為本發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，其使系統形成兩個極值或凹陷。根據多反饋濾波器階數的不同，本發明的實施例可在DC條件下進行反相，從而改變其可能的應用。然而，根據現在的公知技術，加入反相器還必須解決反相所帶來的問題。
圖4(b)是本發明的第五個實施例，其中的狀態可變濾波器包括隔離積分帶阻濾波器20從而形成濾波器30。狀態可變濾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絡。然而，從本發明的實施例可以看出一般的狀態可變濾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。
如果頻阻網絡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，結構就會形成一個帶通網絡或頻率校正網絡(FEN)。這種變化在本發明的保護範圍之內。
現在來參見圖5，圖5所示為本發明另一實施例的方塊圖，其中的隔離積分帶阻濾波器20構成反饋解調濾波器44的一個部分。本實施例解決了從固定頻率開關放大器的反饋信號去除脈寬調製(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，其由誤差放大調製級43驅動並產生PWM脈動波譜；反饋解調濾波器44，其用來在反饋信號進入濾波器46之前從中去掉PWM脈動波譜。反饋解調濾波器44至少包括一個隔離積分帶阻濾波器20。輸出解調濾波器47與負載45相連。
儘管本發明是以實施例的形式進行的描述，但本發明還可在其公開的範圍內進行進一步的修改。因此本申請採用其基本原理來覆蓋本發明的各種變化、用途或改進。此外，本申請還在於覆蓋那些能夠從這裡公開的內容以及本發明所屬領域公知或慣用手段導出的內容。
權利要求
1.一種有源低通濾波器系統，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.如權利要求1的系統，其中的帶阻濾波器(20)包括一個用來調諧帶阻濾波器的電阻(R3，R7)。
3.如權利要求1的系統，其中的低通濾波電路是一種SallenKey濾波器(22，24，26)。
4.如權利要求1的系統，其中的低通濾波電路是一種多反饋濾波器(28)。
5.如權利要求1的系統，其中的低通濾波電路是一種狀態可變濾波器(30)。
6.一種用來驅動負載的功率放大系統(40)，其包括一個用來產生脈動波譜的脈寬調製電路(42)；一個與所述脈寬調製電路(42)相連的反饋控制迴路，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濾波器(44)和一個隔離積分頻阻網絡(20)。
7.如權利要求6的系統，其中的頻阻網絡(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行調諧的電阻(R3，R7)。
8.如權利要求6的系統，其進一步包括一個與脈寬調製電路(42)的輸入相連的誤差放大調製電路(43)；以及連在脈寬調製電路(42)和負載之間的一個解調濾波器(47)。
全文摘要
本發明提供了一種有源低通濾波器系統，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絡(20)。頻阻網絡(20)包括在低通濾波器的電阻前向信號流路中。本發明還提供了一種用來驅動負載(45)的功率放大系統(40)。該功率放大系統(40)包括一個用來產生脈動波譜的脈寬調製電路(42)；以及一個串聯的解調濾波器(47)；以及一個與所述脈寬調製電路(42)相連的反饋控制迴路，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濾波器(44)和一個隔離積分頻阻網絡(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 優先權日2000年1月3日
發明者G·R·斯坦利 申請人:皇冠音頻公司