專利名稱：用于實現具有期望的濾波器轉移函數的電子電路的方法
技術領域：
本發明涉及一種包括輸入終端和輸出終端的電子電路，當輸入信號被施加在所述輸入終端之間時，由所述電子電路在所述輸入終端和輸出終端之間實現期望的濾波器轉移函數，并且涉及用于實現所述電子電路的方法。
背景技術：
過去已經大量地描述了用于實現期望的濾波器轉移函數的方法和電子電路。可以認為其中之一是利用如電阻、電容和電感的離散電子元件的、典型的基于元件的濾波器實現，例如Chebychev、Butterworth和其它濾波器技術。在文獻中也已經大量描述了利用可操作放大器和開關電容器技術的有源濾波器方法。
離散濾波器實現的缺點是其使用了集總元件，尤其是集總電感。其體積大且昂貴。盡管過去試圖將所述設備集成在硅上，但這仍然保持體積大而且消耗大量的集成電路區域，特別是當其必須經受高電壓和電流時。
有源濾波器可以作為集成電路的一部分來實現。然而在高電壓和電流操作的濾波器通常不能通過有源濾波器來實現，這是由于其還需要昂貴的高電壓技術。
在公布的PCT專利申請WO 03/061121中描述了另一種用于實現例如用于電話電路的分配器中的濾波器的方法。其中在電話線路上的分配器的低通濾波器，由電感型無源元件實現為在每個傳輸線路上并按照所述線路側串聯的有源元件。這種方法的缺點是在輸入和輸出之間的串聯路徑中的有源元件引起了不期望的串聯電壓降。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種電子電路和用于實現上述已知類型的電子電路的方法，但是其能夠在高電壓操作并且不具有與其關聯的串聯電壓降。
通過根據本發明的方法和電子電路來實現本發明的上述目的。
根據本發明的電子電路包括輸入終端和輸出終端，當輸入信號被施加在所述輸入終端之間時，由所述電子電路在所述輸入終端和輸出終端之間實現期望的濾波器轉移函數，其特征在于，所述電子電路包括具有第一串聯阻抗的至少一個第一無源串聯元件，其第一終端被耦合到所述輸入終端之一，其第二終端被耦合到所述輸出終端之一，所述電子電路還包括在所述輸出終端之間被耦合的有源電路，以及包括具有濾波器轉移函數的濾波器電路，以使獲得所述期望的濾波器轉移函數。
根據本發明的用于實現電子電路的方法，包括選擇至少一個串聯阻抗(Z1)的步驟，該串聯阻抗被串聯設置在所述輸入終端之一和所述輸出終端之一之間，并且該方法還包括實現被設置在所述輸出終端之間并包括濾波器的有源電路的另一個步驟，以使獲得所述電子電路的所述濾波器轉移函數。
這樣，所述濾波器轉移函數幾乎完全通過所述輸出終端之間的有源電路來實現，然而在所述輸入和輸出終端之間的所述串聯路徑僅僅包含至少一個無源元件。所述無源元件可以是簡單的電阻或電感，或二者的組合或任何無源電路，但是其可以被選擇以使僅具有非常小的DC串聯電阻。所述有源電路因而被實現為所述輸出終端之間的并聯電路，并且該有源電路可以被選擇，使得所述至少一個無源串聯元件的串聯阻抗與所述并聯有源電路的組合的整個轉移函數，匹配于所期望的轉移函數。有源電路是指包括例如晶體管的至少一個有源元件的任何電路。一般而言，為了實現任意的濾波器函數F(s)，所述有源并聯電路G由此包括具有濾波器轉移函數H(s)的另一個濾波器。與先前描述的串聯阻抗組合的所述有源電路G形成了所述全部F(s)。
在優選實施例中，在相應的輸入和輸出終端之間的串聯分支包括根據本發明的串聯阻抗，由此根據本發明所述串聯阻抗還可以被制為基本相同。
為了實現所期望的高通濾波器函數，根據本發明，所述有源并聯電路由此必須包括低通濾波器，為了實現所期望的帶通濾波器函數，根據本發明，所述并聯電路還必須包括帶阻(band-reject)濾波器，為了實現所期望的低通濾波器函數，根據本發明，所述有源并聯電路必須包括高通濾波器，以及為了實現所期望的帶阻濾波器函數，根據本發明，所述有源并聯電路必須包括帶通濾波器。貫穿本文，關于所述特定類型的濾波器的定義，我們參考了由A.I.Zverev，J.Wiley和Sons編寫的標準指南手冊“Handbookof Filter Synthesis”ISBN 0471 98680 1。
在特定的實施例中，根據本發明，所期望的低通濾波器函數是電話傳輸線路中分配器電路的低通濾波器部分。在分配器電路中的這種低通濾波器電路的特殊特征是其是雙向的，這意味著這樣的話可以從輸入到輸出終端或從輸出到輸入終端觀察濾波器傳輸，這意味著在這種雙向電路中，輸入和輸出終端在某些方面是可互換的。注意，在一個方向中的轉移函數不需要與在其它方向中的轉移函數相同。
為了實現雙向，根據本發明，需要存在圍繞所述有源電路的至少兩個無源串聯元件。根據本發明，針對平衡的解決方案，可預見至少四個無源串聯元件，其優選地是相同的。
根據本發明，所述有源電路可以被耦合到變壓器的次級繞組，該變壓器的初級繞組在所述輸出終端之間被耦合。這具有這樣的優點依靠所述變壓器比率，所述有源電路可以在低電壓被供電，這使得例如通過先前描述的有源開關電容濾波器技術，或者甚至利用數字濾波器技術或者將所述有源電路與離散元件合成，可以更容易地實現任何有源電路。
根據本發明，所述有源電路經由所述有源電路的輸出終端和輸入終端之間的電容，被耦合到所述輸出終端的至少其中一個。這種配置具有這樣的優點DC電壓或低頻信號在到達所述有源電路之前被所述電容器過濾掉，并且因而特別有利于實現整個低通濾波器函數，其中所述有源電路因此包括高通濾波器。
應當注意到，在權利要求中使用的術語“耦合”不應當被解釋為僅限于直接連接。因此，表達“耦合到設備B的設備A”的范圍不應當限于設備A的輸出被直接連接到設備B的輸入的設備或系統。這意味著在A的輸出和B的輸入之間存在有路徑，所述路徑可以是包括其它設備或元件的路徑。
應當注意到，在權利要求中使用的術語“包括”不應當被解釋為限于其后所列的裝置。因此，表達“包括裝置A和B的設備”的范圍不應當限于僅由元件A和B組成的設備。這意味著僅與本發明相關的所述設備的元件是A和B。
通過參考下面結合附圖的實施例的描述，本發明上述和其它的目的和特征將變得更加明顯，并且將更容易理解本發明本身，其中圖1給出了根據本發明的電子電路的基本方案；圖2概略地描述了例如可用在分配器電路中的整個低通濾波器的雙向實現；圖3a-3c概略地描述了用于實現根據本發明的電子電路結構的特定實施例的方法；圖4給出了根據本發明的包括變壓器的電子電路的實施例；以及圖5描述了根據本發明的包括額外電容器的電子電路的實施例。
具體實施例方式
本發明涉及用于實現或設計具有特定期望的濾波器特性F(s)的電子電路F的方法，以及所述電子電路本身的結構。圖1中示出了基本原理示意圖，其中，必須在輸出端口OUT1與OUT2和輸入端口IN1與IN2之間實現具有期望的濾波器特性的雙端口系統，例如低通濾波器。如果所述特定濾波器的特性由其拉普拉斯變換F(s)表示，則存在以下關系
Vout1(s)-Vout2(s)＝F(s)[Vin1(s)-Vin2(s)](1)Vout1是輸出終端OUT1的電壓Vout2是輸出終端OUT2的電壓Vin1是輸入終端IN1的電壓Vin2是輸入終端IN2的電壓以及S是拉普拉斯變量過去已經描述了用于實現這種濾波器的各種方法，或者基于集總的離散元件，或者基于有源或甚至數字濾波器。根據本發明的方法基于圖1所示的原理，也就是在所述輸入和輸出之間的一個或兩個串聯路徑中設置無源元件，并且在所述輸出之間的并聯路徑中設置有源電路G。所述有源電路G包括濾波器H，使得通過所述實現可以獲得全部期望的濾波器特性F(s)。
在圖1中，所述無源串聯元件分別標注為Z1和Z10，但是在實施例中僅存在兩個串聯阻抗之一。所述并聯有源電路G包括濾波器框H，具有轉移函數H(s)，其中G在所述終端OUT1與OUT2之間被耦合。
可以數學上說明，并在隨后的段落中將給出例子，對于期望的整個低通系統濾波器特性F(s)，所述并聯有源電路G必須包括高通濾波器。簡單而言，為了實現期望的帶通濾波器函數F(s)，所述并聯電路必須包括帶阻濾波器函數H(s)；為了實現期望的低通濾波器函數，所述有源并聯電路必須包括高通濾波器，以及為了實現期望的帶阻濾波器函數，所述有源并聯電路必須包括帶通濾波器函數。在這方面，還將注意，包括在所述有源電路G中的所述濾波器H的濾波器特性H(s)不是與期望的整個濾波器轉移函數F(s)完全相反的特性，這根據隨后段落中的例子將變得清楚。
所述無源串聯阻抗元件Z1、Z10可以包括例如電阻、電感或電容的一個元件，或者包括幾個元件的串聯連接。所述串聯連接的全部串聯阻抗分別表示為Z1、Z10。
在優選的實施例中，在OUTI與IN1之間的路徑中的串聯阻抗必須匹配于在OUT2與IN2之間的路徑中的串聯阻抗。平衡的解決方案因而需要Z1等于Z10。如果Z1與Z10不同，則所述解決方案是不平衡的。
用于設計濾波器的方法特別注重所述應用，其中，所述濾波器必須經受高電流和電壓。這是例如在電話電路的分配器電路的低通濾波器部分中的情況。所述電路在已經提及的公布的PCT專利申請WO 03/061121中被大量地討論，因此本文不再重復其功能。分配器中的所述低通濾波器的另一個需求是所述低通濾波器特性必須是雙向的，這意味著在從輸入到輸出的方向中，以及在從輸出到輸入的方向中，將觀察濾波器特性。兩個所觀察的濾波器特性可以是相同的，但這不是強制性的。
在圖2a至圖2c上，在整個系統傳輸框中用雙向箭頭標注了所述雙向性，這意味著在兩個方向中看到低通濾波器特性。圖2a描述了在左上和右下分支中具有串聯元件的第一雙向實施例。圖2b示出了在左下和右上分支中具有串聯元件的第二雙向實施例。圖2c示出了在輸入端和輸出端之間的串聯分支中包括第三和第四串聯阻抗的實施例，其增加主要是用于平衡的目的。這樣，它們都是基本上相互相等的。
盡管在圖2a-2c中所描述的例子作為低通濾波器而示出，如在先前段落中所描述的原理也應用于實現任何類型的雙向濾波器。
對于分配器電路，所述串聯無源元件可以包括簡單的電阻、集總的電感或電容，以及上述所有的組合。
在圖3a至3c中詳細地示出了用于進一步實現低通函數的實施例的例子。圖3a描述了根據期望的整個轉移函數F(s)重新計算有源電路G的濾波器部分H(s)的一般原理。在圖3所示的例子中，所述有源電路G由濾波器H組成，該濾波器后隨標注為gm的有源跨導電路。然而用于實現所述有源電路G的其它實施例是可能的。
對于F的整個轉移函數表示為F(s)＝Vout/Vin＝1/(1+gm*Z*H(s))(2)對于期望的F(s)，例如期望的低通函數，可以計算相應的H(s)H(s)＝(1-F(s))/gm*Z*F(s) (3)
一旦數學上已知H(s)，其必須利用已知技術被合成。
通常通過首先選擇特定和簡單可實現的H(s)，考慮已經提及的原理來使用迭代方法，然后進一步計算所述結果F(s)。
這在圖3b的例子1中示出，其中為了獲得低通濾波器特性F1(s)，選擇了簡單的高通濾波器函數H1(s)，其由電容C和電阻R2組成。
按照低通濾波器函數的定義對于頻率大于截止頻率ω0，H1(s)近似為1。
因而對于所述高頻，等式(2)將導致F1(s)＝Vout/Vin＝1/(1+gm*Z)(4)因此對于比ω0大的高頻，F1作為阻抗分壓器，具有高衰減的gm*Z是很大的。
按照低通濾波器的定義對于頻率比截止頻率ω0低，H1(s)＝0。
對于所述低頻，等式(2)導致F1(s)＝Vout/Vin＝1 (5)表示F1的通帶。
在中頻處F1(s)將示出從通帶到停止頻帶轉移的轉移區域，具有有關高通濾波器H1的階數(order)的斜率。
對于在圖3b中描述的特定實施例，其中，Z1由簡單的電阻R1組成，并且所述低通濾波器H1是具有轉移函數H1(s)＝s/(ω0+s)的一階低通濾波器，其中ω0＝1/(R2*C)，所獲得的整個轉移函數F1(s)因而是F1(s)＝Vout/Vin＝(1+s/ω0)/(1+s(1+gm*R1)/ω0) (6)對于低頻(s＝0)Vout/Vin＝1，表示通帶對于高頻(s＝∞)Vout/Vin＝1/1+gm*R1，表示具有1/gm與R的阻抗電壓分壓器，因而對應于停止頻帶衰減。
因此F1(s)在ωp＝/ω0(1+gm*R1)具有極點并且在ωz＝ω0具有零點，并且轉移區域對應于ωp和ωz之間的一階斜率，如在圖3b中可以看到的。
在例子2中，圖3c所描述的另一個高通函數H2(s)被選擇為
H2(s)＝s2/(a+b*s+s2)(7)具有二階高通濾波器的特性。
因而按照等式(2)得到的F2(s)具有下面的轉移函數F2(s)＝Vout/Vin＝(a+b*s+s2)/(a+b*s+(1+gm*R)s2) (8)對于低頻(s＝0)，F2(s)＝Vout/Vin＝1，表示F2的通帶。
對于高頻(s＝∞)，F2(s)＝Vout/Vin＝1/(1+gm*R)，表示具有1/gm與R的阻抗電壓分壓器，因而對應于F2的停止頻帶衰減。
位于因子(1+gm*R)位置的F2(s)的極點低于所述零點。
F2(s)的零點位于與所述高通濾波器H2(s)的極點相同的位置。
因而在極點和零點之間出現了二階斜率。
在圖3c中示出了特定的情況，其中，所述濾波器H2(s)的兩個極點重合。因此在H2(s)的伯德圖(Bode plot)中僅在ω0示出了一個極點。所述極點對應于F2(s)的單個零點，并且附圖中指出了在F2(s)的極點與零點之間的其它關系以及ω0。
在本發明的其它實施例中，例如圖4所示的電路F20，所述并聯有源電路G20可以經由變壓器T的次級繞組被耦合到所述輸出終端，該變壓器T的初級繞組在所述輸出終端之間被耦合。這具有所述有源電路在低電壓仍然可以被供電的優點。在分配器內使用的所述結構由于變壓器的電感繞組甚至具有更多的優點。
在其它實施例中，例如圖5所示的F30，所述有源電路G30經由一個或多個串聯電容器而被耦合。在圖5中示出了兩個串聯電容器C1和C2，但是僅給出了僅僅有C1的實施例，其位于所述輸出終端OUT1、OUT2之一與所述有源電路G30之間。這種配置對于低通分配器具有特殊的優點，其中，包括所述高通濾波器的并聯電路G30還從DC和低頻(高電壓)信號被屏蔽。
盡管說明了例子，本發明不結合任何特定的濾波器實現，而是通常可用于任何類型的濾波器。因此也可以利用先前描述的原理來實現低通、高通、帶通濾波器的任意組合。
雖然上面已經結合特定裝置描述了本發明的原理，但是應當清楚地理解，如同所附權利要求中定義的那樣，僅通過例子的方式進行了描述，并不作為本發明范圍的限制。
權利要求
1.一種包括輸入終端(IN1，IN2)和輸出終端(OUT1，OUT2)的電子電路，當輸入信號被施加在所述輸入終端(IN1，IN2)之間時，由所述電子電路在所述輸入終端和輸出終端之間實現期望的濾波器轉移函數(F(s))，其特征在于，所述電子電路(F)包括具有第一串聯阻抗的至少一個第一無源串聯元件(Z1)，其第一終端被耦合到所述輸入終端之一(IN1)，其第二終端被耦合到所述輸出終端之一(OUT1)，所述電子電路還包括在所述輸出終端(OUT1，OUT2)之間被耦合的有源電路(G)，以及包括具有濾波器轉移函數(H(s))的濾波器電路(H)，以使獲得所述期望的濾波器轉移函數(F(s))。
2.根據權利要求1的電子電路(F)，還包括具有第二串聯阻抗的至少一個第二無源元件(Z10)，其第一終端被耦合到另一個所述輸入終端(IN2)，其第二終端被耦合到另一個所述輸出終端(OUT2)。
3.根據權利要求1的電子電路(F)，其中，所述第一串聯阻抗(Z1)具有與所述第二串聯阻抗(Z10)基本相同的值。
4.根據權利要求1至3之一的電子電路(F)，其中，對于是高通濾波器轉移函數的所述電子電路(F)的所述期望的濾波器轉移函數(F(s))，所述有源電路(G)包括具有低通濾波器轉移函數的濾波器(H)。
5.根據權利要求1至3之一的電子電路(F)，其中，對于是帶通濾波器轉移函數的所述電子電路(F)的所述期望的濾波器轉移函數，所述有源電路(G)包括具有帶阻濾波器轉移函數的濾波器(H)。
6.根據權利要求1至3之一的電子電路(F)，其中，對于是低通濾波器轉移函數的所述電子電路(F)的所述期望的濾波器轉移函數(F(s))，所述有源電路(G)包括具有高通濾波器轉移函數(H(s))的濾波器(H)。
7.根據權利要求1至3之一的電子電路(F)，其中，對于是帶阻濾波器轉移函數的所述電子電路(F)的所述期望的濾波器轉移函數，所述有源電路(G)包括具有帶通濾波器轉移函數(H(s))的濾波器(H)。
8.根據權利要求6的電子電路，其中，所述電子電路是包括在電話線路所使用的分配器電路中的低通濾波器的一部分。
9.根據權利要求1至8之一的電子電路(F1；F1′)，其中，所述電子電路還在從輸出終端到輸入終端的另一個方向中實現附加的濾波器轉移函數，由此還包括至少一個附加的無源串聯元件(Z2)，以使所述第一無源串聯元件(Z1)在輸入終端(IN1)與所述有源電路(G1；G1′)的第一終端之間被耦合，并且第二無源串聯元件(Z2)在所述有源電路的第二終端與輸出終端(OUT2)之間被耦合。
10.根據權利要求8的電子電路(F1″)，包括至少兩個附加的無源串聯元件(Z3，Z4)，第一個(Z3)在所述另一個輸入終端(IN2)與所述有源電路的所述第二終端之間被串聯耦合，第二個(Z4)在所述有源電路的所述第一終端與所述另一個輸出終端(OUT1)之間被串聯耦合。
11.根據權利要求1至10之一的電子電路(F20)，其中，所述有源電路(G20)被耦合到變壓器(T)的次級繞組，該變壓器的初級繞組在所述輸出終端(OUT1，OUT2)之間被耦合。
12.根據權利要求1至10之一的電子電路(F30)，其中，所述有源電路(G30)經由在所述有源電路(G30)和所述輸出終端(OUT1)之一之間的至少一個串聯電容器(C)，在所述輸出終端之間被耦合。
13.用于實現電子電路(F)的方法，所述電子電路具有在輸入終端和輸出終端之間的期望的濾波器轉移函數F(s)))，所述方法包括選擇至少一個串聯阻抗(Z1)的步驟，該串聯阻抗被串聯設置在所述輸入終端之一(IN1)和所述輸出終端之一(OUT1)之間，并且該方法還包括實現被設置在所述輸出終端之間并包括濾波器(H)的有源電路(G)的另一個步驟，以使獲得所述電子電路的所述濾波器轉移函數(F(s))。
全文摘要
包括輸入終端(IN1，IN2)和輸出終端(OUT1，OUT2)的電子電路(F)，當輸入信號被施加在所述輸入終端(IN1，IN2)之間時，由所述電子電路在所述輸入終端和輸出終端之間實現期望的濾波器轉移函數，其特征在于，所述電子電路(F)包括具有第一串聯阻抗的至少一個第一無源串聯元件(Z1)，其第一終端被耦合到所述輸入終端(IN1)之一，其第二終端被耦合到所述輸出終端(OUT1)之一，所述電子電路還包括在所述輸出終端(OUT1，OUT2)之間被耦合的有源電路(G)，并且包括具有濾波器轉移函數(H(s))的濾波器電路(H)，以使獲得所述期望的濾波器轉移函數(F(s))。
文檔編號H03H11/00GK1719728SQ20051008062
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月4日 優先權日2004年7月9日
發明者E·D·J·穆恩斯, J－M·V·勒杜特 申請人:阿爾卡特公司