滤波器的制作方法

本发明涉及滤波器，诸如高通或低通滤波器，通常用于无线电频率系统，最特别地涉及用于排除无线lan及以下频率的滤波器。

背景技术：

1、高通滤波器通常用于rf无线电前端，以排除进一步处理中不需要的频率，例如去除带外干扰。随着无线通信设备数量的不断增加和有限的频谱资源，干扰是一个问题。因此，为了最佳的操作和共存，更重要的是要大量排除那些不感兴趣的频谱区域。

2、一个特别感兴趣的领域是uwb光谱。可用频谱因地区而异，例如，在美国，传输可能使用3.1至10.6ghz频段。在欧洲，传输可能使用6到8.5ghz频段。需要注意的是，为了使用这些频谱，拒绝ieee802.11无线lan频率(2.4ghz和5ghz)变得非常重要。

3、对于大批量生产物美价廉的产品来说，硬件成本也是一个非常重要的因素。

4、无源滤波器(rl，lc，rlc)采用高q因子无功组件，以优化性能指标，诸如插入损耗(低)，通带到阻带过渡(快)和群延迟(平)。然而，质量最好的组件(具有最高的q值)通常制造成本很高。例如，要提高电感器/线圈的q值，就需要更粗的导线/金属(具有更低的固有电阻)。在集成电路中，这意味着在制造过程中沉积较厚的金属层(例如具有高导电性的cu/al)，这是一个耗时的过程，因此价格昂贵。同样，高q值电容器使用mim(金属-绝缘体-金属)技术，并且比更便宜的mom(金属-氧化物-金属)组件要昂贵得多。因此，高质量的无源滤波器通常需要昂贵的组件来实现低插入损耗、快速通带到阻带过渡以及高带内和/或带外抑制。

5、快速频率过渡在uwb应用中非常重要，因为这类应用需要尽可能多地使用可用频谱。如果滤波器的通带到阻带的滚降不那么突然，那么位于通带下端的高抑制陷波将侵蚀可用频谱。然后必须在阻带上端的高抑制与通带下端的低抑制之间进行权衡。具有更快频率过渡的高q滤波器可以实现两者的最佳效果。

6、增加无源滤波器轮廓锐度的其他解决方案包括采用高阶滤波器(即增加无功组件的数量)。然而，附加的组件通常需要更大的模具面积，这反过来又增加了成本，很可能导致更高的插入损耗。

技术实现思路

1、根据本发明的一个方面，提供了一种滤波电路，包括：用于将信号从输入传送到输出的信号路径；信号路径包括第一无功组件；信号路径上的第一节点；第一串联谐振电路，至少包括串联的第二无功组件与第三无功组件，第一串联谐振电路连接在第一节点与地之间；有源电路；有源电路包括电压控制电流源(vccs)，被布置为取决于信号路径上感测(或测量)的电压改变通过第二无功组件的电流。

2、第一串联谐振电路(也称为串联单调谐滤波器)形成单谐波陷阱，其陷波频率由其无功组件的组件值定义。典型的串联谐振电路由串联连接在一起的电感组件(电抗xl)和电容组件(电抗xc)形成。在谐振频率处，两个组件的电抗抵消(即xc-xl＝0)，并且串联谐振电路形成短路，将信号沉到地，从而从沿信号路径传递的信号中去除(或显著减少)该频率分量。正交放置的第一串联谐振电路本质上是将不需要的信号从信号路径中剔除，而不影响允许沿信号路径畅通无阻地通过的所需信号。

3、使用串联谐振电路从信号路径中消除信号是有利的，因为串联谐振电路不构成信号路径的一部分。只有干扰信号被移除。对于串联谐振电路，电路阻抗最小，并且谐振时完全电阻。此外，在谐振时，电容器上的电压(vc)等于电感器上的电压(vl)，但反相，并且电路电流最大。谐振以下，电路是电容性的(xc>xl)，并且谐振以上，电路为电感的(xl>xc)。

4、串联谐振电路的使用意味着整个电路具有较低的插入损耗。相比之下，用于在特定谐振频率下阻塞信号的并联谐振电路(例如与电容器并联的电感器)需要在信号路径上排成一条线，并且因此，虽然它们在要拒绝的频率(干扰)处为信号提供高(理想情况下为无限)阻抗，但它们也在要通过的频率处为信号提供有限阻抗。

5、串联谐振电路的有效性取决于它以其谐振频率从信号路径汲取电流的强度。高q无功组件可以在一定程度上提高串联谐振电路的效率，但这些组件通常都很昂贵。例如，如上所述，高q电容器可以使用金属-绝缘体-金属工艺而不是较便宜的金属-氧化物-金属工艺制造。高q电感器通常需要用更厚的金属制成，因此，当作为片上电路的一部分制造时，需要更厚、更昂贵的金属层(例如cu/al)。无论是否使用高q组件，均采用有源电路改变串联谐振电路的谐振频率处从信号路径汲取的电流量，使整体电路能够实现对信号路径更高程度的信号抑制，并且从而加深谐振电路形成的陷波。

6、沿着信号路径接收和传递的信号可以简单地视为期望信号(滤波器应通过的信号)和干扰信号(滤波器应拒绝的信号)。在实际应用中，这些中的每个可以包括多个频率分量或频带，但为了简单起见，下面我们将考虑单频干扰(例如无线lan频率之一)。

7、有源电路是有源的，因为它连续地汲取功率(恒定的dc电流汲取)，而滤波器的其他无功组件是无源组件，只是对接收到的信号进行整形。有源电路作为电压控制的电流源，其感测信号路径上的电压，并使用此感测的电压改变通过串联谐振电路的无功组件中的至少一个汲取的电流。信号路径上的电压包含期望信号和干扰(或不需要的信号)。在理想的实现中，期望信号将沿整个信号路径具有相同的振幅，而干扰信号的幅度将随着它沿信号路径通过而降低。信号路径上有源电路在其处感测电压的点优选地被选择为使得在该点处仍存在可用量的干扰信号。由于串联谐振电路被设计成在干扰的频率下操作(谐振)，并且由于有源电路的驱动(感测电压)包括可用量的干扰信号，通过与通过串联谐振电路分流到地的信号同相地增加或减少通过串联谐振电路的电流汲取，有源电路将改变通过串联谐振电路的电流。

8、信号(rf加干扰)在输出处被感测。如果干扰分量的振幅高于所需的sir(信干扰比)，则有源电路(电压控制电流源)沿信号路径测量电压，并对串联谐振电路施加电流，以减少所述干扰分量。信号在节点/终端处被感测，这样有源设备表现为线性的、电压依赖的电流源，实现最小功耗。

9、在这方面，应该注意到，有源电路感测电压的节点处的信号的相位相对于串联谐振电路分接信号路径的节点处的信号的相位是重要的。有源电路应设计为反相或非反相电路，以考虑其驱动信号相对于其所影响的串联谐振电路的节点的任何相移，从而使有源电路的作用是降低串联谐振电路连接到信号路径的节点处的干扰信号的振幅。

10、如果sir高于所需，则有源电路优选不被启用。如果sir低于特定值，则可以启用有源电路，并且可以根据特定电路选择信号路径上用于驱动有源电路的点。在信号路径的早期(更接近输入，例如天线)将有最强的干扰信号，这将需要具有高线性度的有源电路来处理这种大的不需要的信号。因此，信号在节点/终端处被感测，使有源电路表现为消耗最小功率实现的线性、电压控制的电流源。

11、有源电路可以感测串联谐振电路分接信号路径的上游的信号路径上的电压。这将是前馈信号消除布置。可替代地，有源电路可以感测串联谐振电路分接信号路径的下游的信号路径上的电压。这将是反馈信号消除布置。

12、滤波器可以是任何类型的滤波器，诸如低通滤波器或带通滤波器，但在一些优选实施例中，它是高通滤波器。滤波器的主要频率响应由组成滤波器的其他组件决定。例如，高通滤波器可以由信号路径中的电容器链形成，而低通滤波器可以由信号路径中的电感器链形成。串联谐振电路在串联谐振电路的谐振频率下在滤波器的频率响应中形成陷波。

13、在上述讨论中，提到了与地的连接。值得注意的是，这可以是模拟地(在许多情况下，这是优选的)，但它也可以是虚拟地或浮动地，特别是在正信号和负信号相互抵消的差分电路中。例如，此滤波器的差分实现中的正臂和负臂谐波陷阱(串联谐振电路)将抵消在电路的对称轴处创建虚拟地。

14、第二无功组件可以是串联谐振电路的电容组件。然而，在优选实施例中，第二无功组件是电感组件。第一无功组件为电感组件，第二无功组件优选为电容组件。

15、以前使用有源电路针对无功组件的q增强的努力是基于“负r”或“负gm”原理(gm是跨导)。在这些布置中，来自差分电路的不同臂的输入(即失相输入)被用来以正反馈的方式将电流注入差分电路的不同臂中(即失相输出)。

16、信号路径可包括多个无功组件。滤波器的阶数是由无功组件实现的极数。具有更多无功组件的高阶滤波器改善了该滤波器的传送函数。在无源滤波器中，这些组件可以是电感组件或电容组件。在优选实施例中，第一无功组件是电容组件，即构造高通滤波器。

17、如上所述，有源电路可以感测信号路径上单个点处的电压，在这种情况下，它感测期望信号和干扰信号二者。然而，在优选实施例中，有源电路感测跨信号路径上至少一个无功组件的电压，从而感测沿信号路径的电压差。换句话说，有源电路可以由从一个或多个信号路径无功组件的相对侧获取的输入驱动。因此，有源电路优选地布置为取决于跨第一无功组件感测的电压差改变通过第二无功组件的电流。通过感测跨(至少)第一无功组件的压降，有源电路仅由干扰信号驱动，因为只有干扰信号由于谐波谐振陷波而沿信号路径退化。期望信号沿信号路径基本上不受阻碍地传递，并且不对有源电路所感测的差分电压产生影响。这通过仅以干扰的频率驱动有源电路，进一步提高了有源电路的效率。

18、希望可以使用任何形式的lc滤波器。然而，由于急剧滚降是许多应用的关键(特别是用于uwb无线电应用的无线lan抑制)，电子电路优选地是五阶(或更高阶)滤波器，尽管本发明不局限于特定阶的滤波器。

19、单个串联谐振电路(也称为串联单调谐谐振电路)形成单个谐波陷阱，以单个谐振频率从信号路径中去除(吸收)信号。在一些优选实施例中，电路进一步包括：信号路径上的第二节点；第二串联谐振电路，至少包括串联的第四无功组件与第五无功组件，第二谐振电路连接在第二节点与地之间；以及包括电压控制电流源的有源电路，被布置为取决于在信号路径上感测的电压改变通过第四无功组件的电流。有两个串联谐振电路分别连接到信号路径上的不同节点，形成双谐波陷阱滤波器。两个串联谐振电路可以被布置为在相同或基本上相同的频率下操作以沿信号路径在频率响应中形成深陷波。然而，在其他布置中，两个串联谐振电路可以具有不同的谐振频率，以便在信号路径的频率响应中提供两个陷波。换句话说，如果两个串联谐振电路被设计成基本上相同的谐振频率，那么它们将叠加在一起，形成一个具有更尖锐滚降的更高的抑制陷波。可替代地，两个串联谐振电路可以具有不同的谐振频率，从而使频率响应具有两个陷波。通过在频域内移动两个陷波使其更接近，可以实现高效(更宽)的阻带。两个陷波理想地放置得足够靠近，使得两个陷波之间的频带保持在电路的抑制要求以下(例如，低于滤波器的抑制要求)。

20、第二串联谐振电路的有源电路可以是与第一串联谐振电路相同的有源电路，也可以是不同的(第二)有源电路。用于第二串联谐振电路的有源电路可在与第一有源电路相同的点或在信号路径上的不同点处感测信号路径上的电压。与第一串联谐振电路一样，通过考虑将被第二串联谐振电路拒绝的干扰信号的幅度，并在信号路径上选择幅度在有源电路的线性要求范围内的点，可以选择最合适的点来感测。

21、两个串联谐振电路的地可以是同一个地，或者也可以是不同的地。

22、如上所述(相对于第一串联谐振电路)，第四无功组件优选为电感组件。第五无功组件优选为电容组件。

23、电路进一步可以包括连接在地和第二无功组件与第三无功组件之间的节点之间的可变电容器或电容器组。如果还提供第二谐振电路，则进一步可以在接地和第四无功组件与第五无功组件之间的节点之间连接另一可变电容器或电容器组。可变电容器或电容组允许通过有效地改变连接可变电容器/电容组的相应串联谐振电路的电容来调谐串联谐振电路的谐振频率。这允许对电路进行修整以补偿制造公差和/或针对一个或多个特定应用调整电路的谐振频率(或多个频率)，从而增加电路的通用性。

24、有源电路可包括被布置为通过第一放大元件并因此通过第二无功组件汲取电流的电流源，第一放大元件由第二节点驱动。

25、在双谐波陷阱布置的情况下，通过两个串联谐振电路，有源电路可以同时增强两个串联谐振电路。有源电路可以是差分放大器，包括第一放大元件和第二放大元件，并具有反相输出和非反相输出，其中输出之一用于驱动第一串联谐振电路，并且另一个输出用于驱动第二串联谐振电路。

26、信号路径优选地包括第一节点与所述第二节点之间的至少一个无功组件，从而将第一串联谐振电路与第二串联谐振电路分离。

27、在特别优选的布置中，有源电路可以感测跨第一和第二节点(即跨中间的无功组件)的电压差，并将其差分输出电流应用于第一和第二串联谐振电路，优选在两个串联谐振电路中的每个的电感组件和电容组件的交点处。

28、对于高阶滤波器，信号路径可以进一步包括与第一无功组件串联的第六无功组件和第七无功组件；并且第一节点可以位于第一无功组件和第六无功组件之间，并且第二节点可以位于第六无功组件和第七无功组件之间。此布置将形成五阶滤波器(如果添加更多的元件，则会形成更高阶滤波器)。

29、在上述讨论的双谐波陷阱的情况下，有源电路的电流源进一步布置为通过第二放大元件并因此通过第四无功组件汲取电流，第二放大元件由第一节点驱动。

30、如上所述，有源电路优选地是差分共源放大器。差分共源放大器的第一和第二放大元件可以是fet，每个fet由其相应栅极处的电压驱动，并有相应的电流源(或共电流源)连接到其源。

31、有源电路可应用于单端电路中一个或多个串联谐振电路的无功组件。然而，当应用于差分电路时，这种电路布置是特别有利的，特别是因为对称性在正信号臂和负信号臂之间形成ac地，使得一个臂(例如正臂)的串联谐振电路与另一个臂(例如负臂)的相应串联谐振电路一起工作。

32、因此，根据本发明的另一方面，提供具有第一正臂和第二负臂的差分电路；其中第一正臂为上述电路，并且其中第二负臂为上述电路，并且其中第一正臂的第一串联谐振电路与第二负臂的第一串联谐振电路连接在一起形成ac地。

33、应当理解的是，差分电路的电路臂可以是上面讨论的任何形式，可选地包括上面也描述的任何可选或优选的特性。应当理解的是，每个信号臂(正和负)还包括第二串联谐振电路以形成双谐波陷阱，第二串联谐振电路也连接在一起以形成ac地。

34、在差分电路的情况下，相对信号臂的串联谐振电路各自具有电感组件。虽然这些可以是分开的，单独的电感组件，在优选实施例中，第一正臂通过中心抽头电感器与第二正臂连接，ac地形成在中心抽头电感器的中心抽头处，并且其中中心抽头电感器形成第一正臂和第二负臂的第一串联谐振电路的一部分。使用单个中心抽头电感器提供两个第一串联谐振电路的电感组件，通过允许单个线圈或绕组提供两个电感组件，可以进一步节省面积和相应的成本。值得注意的是，中心抽头电感器可以同样的方式用于第二(或其他)串联谐振电路。中心抽头电感器优选地对称抽头，以便中心抽头电感器的两半具有基本上相同的电感。

35、根据本发明的另一方面，提供了一种滤波信号的方法，包括：将信号沿信号路径通过第一无功组件从输入传递到输出；从信号路径上的第一节点，通过第一串联谐振电路在第一串联谐振电路的谐振频率下将信号短路至地，第一串联谐振电路包括串联的第二无功组件与第三无功组件；以及使用包括电压控制的电流源的有源电路通过第二无功组件汲取电流，有源电路取决于在信号路径上感测的电压改变通过第二无功组件的电流。

36、应该理解的是，上面描述的与电路有关的所有优选特征也可以应用于滤波的方法。