本發(fā)明涉及利用非理想放大器的積分器、利用該積分器的濾波器以及積分方法。

背景技術(shù)：

目前，iot(internetofthings：物聯(lián)網(wǎng))備受矚目，而用于iot的設(shè)備需要具備僅利用紐扣電池也可工作數(shù)月以上的超低功耗(ultralowpowerconsumption)特性。因此，iot收發(fā)器的所有構(gòu)成模塊都需要設(shè)計(jì)成電流消耗極低。作為iot接收器的主要構(gòu)成模塊之一的濾波器可濾除接收信號中的不希望出現(xiàn)的信號，能夠使iot良好地接收低耗電所需的信號。

通常，這種用途的濾波器使用由運(yùn)算放大器、電阻和電容器構(gòu)成的有源rc濾波器。這是因?yàn)?，這種濾波器具有良好的線性和低噪聲特性，容易設(shè)計(jì)成高性能接收器。在現(xiàn)有技術(shù)中，作為在這種濾波器中利用的運(yùn)算放大器，主要使用了兩級運(yùn)算放大器(twostageopamp)或者前饋補(bǔ)償型運(yùn)算放大器(feed-forwardcompensatedopamp)。兩級運(yùn)算放大器具有高增益、適當(dāng)帶寬的特性，前饋補(bǔ)償型運(yùn)算放大器具有適當(dāng)?shù)脑鲆?、寬帶款特性。但是，這種運(yùn)算放大器通常電流消耗較大，因此不符合超低功耗要求。為了滿足超低功耗特性，需要使用單極運(yùn)算放大器(singlestageopamp)，但是單極運(yùn)算放大器與上述兩種放大器相比，增益低且?guī)捯舱?。因此，利用單極運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的濾波器其性能會變差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明鑒于以上情況而完成，其目的在于，提供一種即便使用非理想運(yùn)算放大器也能夠保持與使用理想運(yùn)算放大器時相同的特性的積分器以及利用該積分器的濾波器。

本發(fā)明提供一種積分器，包括：放大器，具有接收第一輸入信號的反相輸入端、接收第二輸入信號的非反相輸入端、第一輸出端和第二輸出端；第一輸入器件，連接在所述第一輸入信號與所述反相輸入端之間；第二輸入器件，連接在所述第二輸入信號與所述非反相輸入端之間；第一反饋電路，連接在所述反相輸入端與所述第一輸出端之間，包括串聯(lián)連接的第一電阻器和第一電容器；第二反饋電路，連接在所述反相輸入端與所述第二輸出端之間，包括第二電阻器；第三反饋電阻，連接在所述非反相輸入端與所述第二輸出端之間，包括串聯(lián)連接的第三電阻器和第二電容器；和第四反饋電路，連接在所述非反相輸入端與所述第二輸出端之間，包括第四電阻器。

本發(fā)明還提供一種積分方法，包括：放大器的反相輸入端經(jīng)由第一輸入器件輸入第一輸入信號，非反相輸入端經(jīng)由第二輸入器件輸入第二輸入信號，經(jīng)由第一反饋電路將所述放大器的第一輸出端的輸出反饋至所述反相輸入端，且經(jīng)由第二反饋電路將所述放大器的第二輸出端的輸出反饋至所述反相輸入端，經(jīng)由第三反饋電路將所述放大器的第二輸出端的輸出反饋至所述非反相輸入端，且經(jīng)由第四反饋電路將所述放大器的第一輸出端的輸出反饋至所述非反相輸入端，其中，所述第一反饋電路包括串聯(lián)連接的第一電阻器和第一電容器，所述第二反饋電路包括第二電阻器，所述第三反饋電阻包括串聯(lián)連接的第三電阻器和第二電容器，第四反饋電路包括第四電阻器。

優(yōu)選地，所述第一電阻器和所述第三電阻器的電阻值與所述電容器的電容、所述放大器的直流增益及半功率點(diǎn)頻率相關(guān)，所述第二電阻器和所述第四電阻器的電阻值與所述輸入器件的電阻值、所述放大器的直流增益相關(guān)。

優(yōu)選地，所述第一輸入器件與所述第二輸入器件的電阻值相等，所述第一電容器和所述第二電容器的電容相等，所述第一電阻器和所述第三電阻器的電阻值相等，且所述第二電阻器和所述第四電阻器的電阻值相等。

本發(fā)明還提供一種濾波器，包括多個上述的積分器，級聯(lián)多個積分器。

根據(jù)本發(fā)明的積分器，能夠補(bǔ)償因非理想放大器引起的有源rc濾波器的性能劣化。為了滿足超低功耗的要求，需減小放大器的電流消耗，因此表現(xiàn)為低增益、低帶寬的放大器的非理想性會越來越嚴(yán)重。但是，通過使用本發(fā)明的積分器，能夠補(bǔ)償放大器的非理想性，因此在超低功耗領(lǐng)域能夠期待更好的效果。另外，本發(fā)明的積分器能夠用于低通濾波器，也可以用于復(fù)數(shù)帶通濾波器。由本發(fā)明的積分器構(gòu)成的濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)良好的增益和帶寬。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明的積分器結(jié)構(gòu)的電路圖。

圖2～圖4是用于說明設(shè)計(jì)本發(fā)明的積分器的過程的電路圖。

圖5是表示本發(fā)明的低通濾波器結(jié)構(gòu)的電路圖。

圖6是表示利用圖5所示的低通濾波器構(gòu)成的復(fù)數(shù)帶通濾波器的頻率響應(yīng)的曲線圖。

具體實(shí)施方式

在以下說明中，特定的結(jié)構(gòu)及說明僅僅是為了更容易理解本發(fā)明而進(jìn)行的說明，本發(fā)明能夠以各種方式實(shí)施，并不限于本說明書記載的方式。另外，在不超出本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)，可對本發(fā)明實(shí)施各種變更、改良等，這些變更、改良均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

此外，在以下說明中使用的“第一”、“第二”等用語可說明具體的構(gòu)成要素，但是這些用語并不限定這些構(gòu)成要素。這些用語僅用于區(qū)分各構(gòu)成要素。

以下，參照附圖來說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

圖1是表示本發(fā)明的優(yōu)選的積分器結(jié)構(gòu)的電路圖。如圖1所示，積分器100是補(bǔ)償型差動積分器，輸入差分信號vin和vip，經(jīng)全差分放大器110放大后分別輸出差分信號vop和von。如圖1所示，積分器100包括反相輸入端側(cè)的輸入電阻器r10、非反相輸入端側(cè)的輸入電阻器r20、放大器110、反饋電路120、130、140、150。其中，反饋電路120連接在反相輸入端與非反相輸出端之間，包括串聯(lián)連接的電阻器rz10和電容器c10，反饋電路140連接在反相輸入端與反相輸出端之間，包括電阻器rf10。反饋電路130連接在非反相輸入端與反相輸出端之間，包括串聯(lián)連接的電阻器rz11和電容器c20，反饋電路150連接在非反相輸入端與非反相輸出端之間，包括電阻器rf11。

將輸入電阻器r10、r20、電阻器rz10、rz11、rf10、rf11的電阻值設(shè)為r10、r20、rz10、rz11、rf10、rf11，將電容器c10和c20的電容設(shè)為c10、c20時，滿足以下的關(guān)系。

其中，r10＝r20，c10＝c20，a0表示放大器110的直流增益，ω0對應(yīng)3db點(diǎn)(即半功率點(diǎn))角頻率。

以下，詳細(xì)說明各反饋電路中的電阻器rz10、rz11、rf10、rf11的電阻值是如何設(shè)定的，即如何確定上述式(1)。

圖2～圖4是用于說明設(shè)計(jì)本發(fā)明的積分器的過程的電路圖。圖2是一種典型的利用非理想運(yùn)算放大器的有源rc濾波器的基本構(gòu)成要素之一的積分器，該積分器10利用了一個非理想運(yùn)算放大器12。如圖2所示，運(yùn)算放大器12具有反相輸入端、非反相輸入端和一個輸出端，反相輸入端經(jīng)由電阻器r輸入電壓vi，非反相輸入端被接地，反饋元件是電容器c，設(shè)電阻器r的電阻值為r，電容器c的電容是c。假設(shè)該非理想運(yùn)算放大器12的直流增益為a0，3db點(diǎn)角頻率為ω0，運(yùn)算放大器12的傳遞函數(shù)為其中s＝j(luò)ω，則積分器10的傳遞函數(shù)可用下述式(2)來表示。

其中s＝j(luò)ω，以下相同。

根據(jù)上述式(2)可知，該積分器10在直流(即ω＝0)下增益是a0。如果是理想的運(yùn)算放大器，即a0→∞、ω0→∞，則可作為-1/(src)的理想積分器來工作。式(2)經(jīng)整理后，可變成下述式(3)。

如果運(yùn)算放大器的直流增益a0足夠大，且單位增益頻率a0ω0足夠大，則可將式(3)簡化為下述式(4)。

由于在有效頻帶內(nèi)，滿足|s/a0ω0|＜＜1的關(guān)系，因此通過泰勒級數(shù)近似法，可將式(4)簡化為下述式(5)。

根據(jù)上述式(5)，在圖3中表示了利用理想運(yùn)算放大器12′構(gòu)成非理想積分器10′的狀態(tài)，即，假設(shè)圖2中的運(yùn)算放大器的直流增益a0→∞、3db點(diǎn)角頻率ω0→∞。在圖3中，反饋電路20由串聯(lián)連接的電容器c和電阻rz構(gòu)成，反饋電路30由電阻rf構(gòu)成。假設(shè)電阻rz的電阻值為rz、電阻rf的電阻值為rf，則下述關(guān)系成立。

由此可知，電阻rz和電阻rf是非理想運(yùn)算放大器引起的。在實(shí)際生產(chǎn)中所使用的運(yùn)算放大器不可能是理想的，因此若想利用這種實(shí)際的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)一個理想積分器的性能，需要對上述的因非理想運(yùn)算放大器引起的電阻rz和電阻rf進(jìn)行補(bǔ)償，此時需要將電阻rf的輸出端連接到反相輸出端上，在圖4中示出了這種連接狀態(tài)(反相輸出端-v0)。

在實(shí)際應(yīng)用中，反相輸出-v0可利用單端輸出的放大器實(shí)現(xiàn)，也可以利用全差分放大器實(shí)現(xiàn)。通常，在模擬電路中，為了屏蔽共模噪聲會使用差分電路，因此在本實(shí)施方式中優(yōu)選使用全差分放大器。但是本發(fā)明并不限于此，也可以根據(jù)用戶的需要，選擇單端輸出的放大器來實(shí)現(xiàn)反相輸出。

通過全差分放大器實(shí)現(xiàn)反相輸出的結(jié)構(gòu)如圖1所示，即本發(fā)明的積分器。在圖1中，電阻器rz10和rz11對應(yīng)于圖4中的電阻rz，電阻器rf10和rf11對應(yīng)于圖4中的電阻rf。另外，由于輸入差分信號，因此反相輸入、非反相輸出與非反相輸入、反相輸出的結(jié)構(gòu)對稱，即反饋電路130、150的結(jié)構(gòu)與反饋電路120、140相同。這種結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償型差動積分器可利用于所有形式的有源rc濾波器。

圖5是表示本發(fā)明的濾波器結(jié)構(gòu)的電路圖，該濾波器級聯(lián)了三個如上所述的積分器，構(gòu)成了三階巴特沃茲低通濾波器。如圖5所示，為了補(bǔ)償非理想放大器引起的性能劣化，在每個積分器中均使用了與圖1中的反饋電路(120、130、140、150)相對應(yīng)的反饋電路。也就是說，在每個積分器中，為了補(bǔ)償非理想放大器引起的特性劣化，均使用了與圖4中的rz、rf對應(yīng)的電阻器(rz1～rz6、rf1～rf6)進(jìn)行了反饋控制。

在圖5中，第一階濾波器中的rz1、rz2、rf1、rf2與輸入電阻器r1、r2、電容器c1、c2以及第一放大器101的直流增益及3db點(diǎn)頻率之間的關(guān)系滿足上述式(1)。同樣地，第二階濾波器中的rz3、rz4、rf3、rf4與電阻器r5、r6、電容器c3、c4以及第二放大器102的直流增益及3db點(diǎn)頻率之間的關(guān)系滿足上述式(1)；第三階濾波器中的rz5、rz6、rf5、rf6與電阻器r9、r10、電容器c5、c6以及第三放大器103的直流增益及3db點(diǎn)頻率之間的關(guān)系也滿足上述式(1)。在圖5中，電阻器r1～r14的大小可根據(jù)用戶要求的濾波器的性能來任意設(shè)定。另外，在圖5中均使用了全差分放大器，但是也可以利用單端輸出的放大器實(shí)現(xiàn)差分輸出。并且，在圖5中僅示出了三階低通濾波器的情況，根據(jù)用戶的需求，可以級聯(lián)兩個或四個以上本發(fā)明的積分器。

如果在低通濾波器的傳遞函數(shù)中，將s替換成s-jωc(s＝j(luò)ω，ωc：復(fù)數(shù)帶通濾波器(complexband-passfilter)的中心角頻率)，則可變換成復(fù)數(shù)帶通濾波器。通過這種頻率變換，頻率響應(yīng)從低通濾波器的通帶側(cè)漂移到更高頻率側(cè)，因此如果濾波器由非理想放大器構(gòu)成，則因放大器的非理想特性引起的性能劣化會變得更大。但是，如果使用本發(fā)明的積分器構(gòu)成濾波器，即便是從低通濾波器變成了復(fù)數(shù)帶通濾波器，也能夠?qū)崿F(xiàn)良好的增益和頻率響應(yīng)特性。

圖6表示利用圖5所示的三階巴特沃茲低通濾波器實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)帶通濾波器時的頻率響應(yīng)的仿真結(jié)果，仿真條件是：各單級放大器的3db帶寬為1.2mhz、直流增益為18db。

另外，在圖6中，為了進(jìn)行比較，還同時示出了與圖4中的rz、rf對應(yīng)的電阻器rz1～rz6、rf1～rf6的使用與否的頻率響應(yīng)以及理想放大器下的頻率響應(yīng)曲線。具體是，在圖6中，曲線0表示理想放大器下的頻率響應(yīng)，曲線1表示使用了電阻器rz1～rz6但未使用rf1～rf6時的頻率響應(yīng)，曲線2表示電阻器rz1～rz6和rf1～rf6都不使用時的頻率響應(yīng)，曲線3表示電阻器rz1～rz6和rf1～rf6都使用時的頻率響應(yīng)(即使用了多個本發(fā)明的圖1所示結(jié)構(gòu)的積分器)，曲線4表示未使用電阻器rz1～rz6但使用了rf1～rf6時的頻率響應(yīng)。

根據(jù)圖6的結(jié)果可知，使用電阻器rz1～rz6和rf1～rf6時，能夠補(bǔ)償由超低功耗的單極放大器構(gòu)成的濾波器的性能劣化，頻率響應(yīng)幾乎接近基于理想放大器的結(jié)果(參照曲線0和3)。

以上詳細(xì)說明了本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但是本發(fā)明并不限于以上的說明，在本發(fā)明的技術(shù)思想范圍內(nèi)進(jìn)行的變更、改進(jìn)等均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。