法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-07-04
授权
授权
2015-03-11
实质审查的生效 IPC(主分类):H03H17/02 申请日:20141014
实质审查的生效
2015-02-04
公开
公开
技术领域
本发明涉及一种开关电流高斯低通滤波器,属于信号处理技术 领域。
背景技术
由于具有最小时频宽积,高斯滤波器已广泛应用于通信系统、 图像处理、计算机视觉等领域。高斯滤波器主要分为高斯低通滤波 器、高斯带通滤波器和高斯高通滤波器。其中,高斯带通和高通滤 波器可由高斯低通滤波器经过频率变换得到,因此高斯低通滤波器 的设计成为人们关注的焦点。目前,高斯低通滤波器的实现电路主 要分为数字型和模拟型两类。由于需要模数转换器,数字高斯低通 滤波器具有功耗高的缺点。相比之下,模拟高斯低通滤波器的功率 效率更高,更适合高频通信、生物医学信号处理等低功耗应用领域。
就实现技术而言,已有模拟高斯低通滤波器主要采用连续时间 电路实现,如集成运放-RC电路。然而,连续时间模拟滤波器的时间 常数由特征参数的绝对值决定,因此集成精度较差,需要复杂的片 上调谐电路以精确实现预定的截止频率。为克服上述不足,已有文 献提出模拟高斯低通滤波器的开关电流电路实现方法(A fully-programmable analog VLSI for Gaussian function generator using switched-current circuit.International Conference on Wavelet Analysis and Pattern Recognition,2007: 756-760)。开关电流滤波器的时间常数取决于MOS管(MOS管是金 属(metal)—氧化物(oxid)—半导体(semiconductor)场效应晶体 管,或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体)的宽长比之比, 可高精度集成,且可通过调节时钟频率对截止频率进行调谐。该方 法采用中心极限定理获得高斯函数的有理逼近分式,并采用开关电 流积分器的级联结构综合实现。虽然可行性得到实例验证,但该实 现方法仍存在诸多缺点。在高斯函数的有理分式逼近方面,逼近分 式中参数τ的求解公式不够准确,导致逼近分式的逼近精度并没有 随着阶数n的增大而显著增加。在滤波器结构的实现方面,级联结 构对元件参数值具有较高的灵敏度,导致滤波器的实际频响特性不 够理想。
发明内容
为了克服已有开关电流高斯低通滤波器存在的技术问题,本发 明提供一种新的开关电流高斯低通滤波器。本发明解决其技术问题 所采用的技术方案是:包括顺次级联的电流镜电路(CM)、数个第一 开关电流双线性积分器(BI1)和第二开关电流双线性积分器(BI2)。
进一步地,所述电流镜电路包括第一MOS管、第二MOS管、第 三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第一输入端、第一正向输出 端和第一反向输出端;所述第二MOS管的第一端连接所述第一MOS 管的第一端和第二端,并连接所述第一输入端;所述第二MOS管的 第二端连接所述第一反向输出端;所述第二MOS管的第一端连接所 述第三MOS管的第一端;所述第三MOS管的第二端连接所述第四MOS 管的第一端和第二端;所述第四MOS管的第一端连接所述第五MOS 管的第一端;所述第五MOS管的第二端连接所述第一正向输出端。
进一步地,所述第一开关电流双线性积分器包括第六MOS管、 第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS 管、第十二MOS管、第二正向输入端、第二反向输入端、第二正向 输出端、第二反向输出端和第一反馈输出端;所述第六MOS管的第 二端连接所述第七MOS管的第二端;所述第六MOS管的第一端和第 二端由第二时钟控制的开关相连,所述第七MOS管的第一端和第二 端由第一时钟控制的开关相连;所述第六MOS管的第二端和第二正 向输入端由第二时钟控制的开关相连,所述第六MOS管的第二端和 第二反向输入端由第一时钟控制的开关相连;所述第七MOS管的第 一端连接所述第八MOS管的第一端;所述第八MOS管的第二端连接 所述第二正向输出端,所述第八MOS管的第一端连接所述第九MOS 管的第一端;所述第九MOS管的第二端连接所述第十MOS管的第二 端和第一端,所述第十MOS管的第一端连接所述第十一MOS管的第 一端;所述第十一MOS管的第二端连接所述第二反向输出端,所述 第十一MOS管的第一端连接所述第十二MOS管的第一端;所述第十 二MOS管的第二端连接所述第一反馈输出端。
进一步地,所述第二开关电流双线性积分器包括第十三MOS管、 第十四MOS管、第十五MOS管、第十六MOS管、第十七MOS管、第 十八MOS管、第三正向输入端、第三反向输入端、第三正向输出端 和第二反馈输出端;所述第十三MOS管的第二端连接所述第十四MOS 管的第二端;所述第十三MOS管的第一端和第二端由第二时钟控制 的开关相连,所述第十四MOS管的第一端和第二端由第一时钟控制 的开关相连;所述第十三MOS管的第二端和第三正向输入端由第二 时钟控制的开关相连,所述第十三MOS管的第二端和第三反向输入 端由第一时钟控制的开关相连;所述第十四MOS管的第一端连接所 述第十五MOS管的第一端;所述第十五MOS管的第二端连接所述第 三正向输出端,所述第十五MOS管的第一端连接所述第十六MOS管 的第一端;所述第十六MOS管的第二端连接所述第十七MOS管的第 二端和第一端,所述第十七MOS管的第一端连接所述第十八MOS管 的第一端;所述第十八MOS管的第二端连接所述第二反馈输出端。
进一步地,所述开关电流高斯低通滤波器是通过如下方式来确 定传递函数,其特征在于,
根据中心极限定理,采用n个一阶低通滤波器的幅频响应函数 的乘积逼近实现高斯低通滤波器的幅频响应函数Hg(s),
式(1)中的τ通过式(2)求取,
将式(1)的分母展开,得到Hg(s)的有理逼近分式,且具有以 下形式:
利用双线性变换将式(3)离散化,得到传递函数:
式(4)中,Ts为采样周期。
一种开关电流高斯低通滤波器的设计方法,利用中心极限定理 求取高斯低通滤波器的传递函数,并采用具有多条负反馈支路的开 关电流双线性积分器级联结构综合实现。
进一步地,所述的利用中心极限定理求取高斯低通滤波器的传 递函数的具体步骤如下:
高斯低通滤波器的幅频响应函数可表示为其中σ 是与高斯滤波器带宽有关的常数。根据中心极限定理,采用n个一 阶低通滤波器的幅频响应函数的乘积逼近实现Hg(s),
式(1)中,τ由参数σ和n求取,
将式(1)的分母展开,得到高斯低通滤波器的幅频响应函数Hg(s) 的有理逼近分式,且具有以下一般形式:
利用双线性变换将式(3)离散化,得到开关电流高 斯低通滤波器的传递函数:
式(4)中,Ts为采样周期。
进一步地,开关电流高斯低通滤波器包括顺次级联的电流镜电 路、数个第一开关电流双线性积分器和第二开关电流双线性积分器。
进一步地,所述电流镜电路的输入端与外部输入信号相连,所 述第二开关电流双线性积分器的正向输出端的输出信号作为高斯低 通滤波器的输出信号。
进一步地,所述第一开关电流双线性积分器和所述第二开关电 流双线性积分器的反馈输出端的输出电流均反馈至电流镜电路的输 入端,与外部输入信号相连。
本发明的益处为:利用具有多条负反馈支路的开关电流积分器 级联结构构造滤波器,从而有效降低滤波器的灵敏度,使得电路的 实际频响特性与理想频响特性较为接近;采用标准数字CMOS工艺实 现,具有动态范围大、逼近精度高、设计过程简单、无需模数转换 器、适于低电压低功耗大规模集成等优点,可应用于高频通信、生 物医学信号处理等领域。
附图说明
图1是本发明开关电流高斯低通滤波器的实现电路示意图;
图2-1是本发明开关电流高斯低通滤波器的电流镜电路示意图;
图2-2是本发明开关电流高斯低通滤波器的电流镜电路的简化 电路符号示意图;
图3-1是本发明开关电流高斯低通滤波器的第一开关电流双线 性积分器的实现电路示意图;
图3-2是本发明开关电流高斯低通滤波器的第一开关电流双线 性积分器的简化电路符号示意图;
图4-1是本发明开关电流高斯低通滤波器的第二开关电流双线 性积分器的实现电路示意图;
图4-2是本发明开关电流高斯低通滤波器的第二开关电流双线 性积分器的简化电路符号示意图;
图5是本发明开关电流高斯低通滤波器的开关电流双线性积分 器的时钟波形示意图;
图6是本发明理想高斯函数和有理逼近函数的幅频响应对比图。
具体实施方式
当结合附图考虑时,通过参照下面的详细描述,能够更完整更 好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点,但此处所说明 的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本 发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明 的不当限定,如图其中:
显然,本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变 化属于本发明的保护范围。
实施例1:如图1至图5所示,本实施例提供一种开关电流高斯 低通滤波器,包括顺次级联的电流镜电路7、第一开关电流双线性积 分器1、第一开关电流双线性积分器2、第一开关电流双线性积分器 3、第一开关电流双线性积分器4、第一开关电流双线性积分器5和 第二开关电流双线性积分器6。
如图2-1和图2-2所示,电流镜电路包括第一MOS管M1、第二 MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第一输入 端i1、第一反向输出端和第一正向输出端;第二MOS管M2的第 一端连接第一MOS管M1的第一端和第二端,并连接第一输入端i1; 第二MOS管M2的第二端连接第一反向输出端;所述第二MOS管M2的第一端连接所述第三MOS管M3的第一端;所述第三MOS管M3的第 二端连接所述第四MOS管M4的第一端和第二端;所述第四MOS管M4的第一端连接所述第五MOS管M5的第一端;所述第五MOS管M5的第 二端连接所述第一正向输出端。
如图3-1和图3-2所示,第一开关电流双线性积分器包括第六 MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十MOS 管M10、第十一MOS管M11、第十二MOS管M12、第二正向输入端、 第二反向输入端、第二正向输出端、第二反向输出端和第一 反馈输出端;所述第六MOS管M6的第二端连接所述第七MOS管M7的第二端;所述第六MOS管M6的第一端和第二端由第二时钟控制的 开关相连,所述第七MOS管M7的第一端和第二端由第一时钟控制的 开关相连;所述第六MOS管M6的第二端和第二正向输入端由第二 时钟控制的开关相连,所述第六MOS管M6的第二端和第二反向输入 端由第一时钟控制的开关相连;所述第七MOS管M7的第一端连接 所述第八MOS管M8的第一端;所述第八MOS管M8的第二端连接所述 第二正向输出端,所述第八MOS管M8的第一端连接所述第九MOS 管M9的第一端;所述第九MOS管M9的第二端连接所述第十MOS管M10 的第二端和第一端,所述第十MOS管M10的第一端连接所述第十一MOS 管M11的第一端;所述第十一MOS管M11的第二端连接所述第二反向输 出端,所述第十一MOS管M11的第一端连接所述第十二MOS管M12的第一端;所述第十二MOS管M12的第二端连接所述第一反馈输出端
如图4-1和图4-2所示,第二开关电流双线性积分器包括第十 三MOS管M13、第十四MOS管M14、第十五MOS管M15、第十六MOS管 M16、第十七MOS管M17、第十八MOS管M18、第三正向输入端、第三 反向输入端、第三正向输出端和第二反馈输出端;所述第十 三MOS管M13的第二端连接所述第十四MOS管M14的第二端;所述第十 三MOS管M13的第一端和第二端由第二时钟控制的开关相连,所述第 十四MOS管M14的第一端和第二端由第一时钟控制的开关相连;所述 第十三MOS管M13的第二端和第三正向输入端由第二时钟控制的开 关相连,所述第十三MOS管M13的第二端和第三反向输入端由第一 时钟控制的开关相连;所述第十四MOS管M14的第一端连接所述第十 五MOS管M15的第一端;所述第十五MOS管M15的第二端连接所述第三 正向输出端,所述第十五MOS管M15的第一端连接所述第十六MOS 管M16的第一端;所述第十六MOS管M16的第二端连接所述第十七MOS 管M17的第二端和第一端,所述第十七MOS管M17的第一端连接所述第 十八MOS管M18的第一端;所述第十八MOS管M18的第二端连接所述第 二反馈输出端。
开关电流高斯低通滤波器是通过如下方式来确定传递函数,根 据中心极限定理,采用n个一阶低通滤波器的幅频响应函数的乘积 逼近实现Hg(s),
式(1)中的τ通过式(2)求取,
将式(1)的分母展开,得到高斯低通滤波器的幅频响应函数Hg(s) 的有理逼近分式,且具有以下形式:
利用双线性变换将式(3)离散化,得到传递函数:
式(4)中,Ts为采样周期。
一种开关电流高斯低通滤波器的设计方法,利用中心极限定理 求取高斯低通滤波器的传递函数,并采用具有多条负反馈支路的开 关电流双线性积分器级联结构综合实现。
利用中心极限定理求取高斯低通滤波器的传递函数的具体步骤 如下:
高斯低通滤波器的幅频响应函数可表示为其中σ 是与高斯滤波器带宽有关的常数。根据中心极限定理,采用n个一 阶低通滤波器的幅频响应函数的乘积逼近实现Hg(s),
式(1)中,τ由参数σ和n求取,
将式(1)的分母展开,得到高斯低通滤波器的幅频响应函数Hg(s) 的有理逼近分式,且具有以下一般形式:
利用双线性变换将式(3)离散化,得到开关电流高 斯低通滤波器的传递函数:
式(4)中,Ts为采样周期。
在优选方案中,式(4)的实现电路包括顺次级联的电流镜电路 7、第一开关电流双线性积分器1、第一开关电流双线性积分器2、 第一开关电流双线性积分器3、第一开关电流双线性积分器4、第一 开关电流双线性积分器5和第二开关电流双线性积分器6。
在优选方案中,电流镜电路7的输入端与外部输入信号相连, 第二开关电流双线性积分器6的正向输出端的输出信号作为高斯低 通滤波器的输出信号。
在优选方案中,第一开关电流双线性积分器1、第一开关电流双 线性积分器2、第一开关电流双线性积分器3、第一开关电流双线性 积分器4、第一开关电流双线性积分器5和第二开关电流双线性积 分器6的反馈输出端的输出电流都反馈至电流镜电路7的输入端, 与外部输入信号相连。
本实施例的技术效果:利用具有多条负反馈支路的开关电流积 分器级联结构构造滤波器,从而有效降低滤波器的灵敏度,使得电 路的实际频响特性与理想频响特性较为接近。
在优选方案中,如图2-1所示,第一MOS管M1和第二MOS管M2构成一级电流镜电路,实现对输入电流i1的等幅反向复制,得到反 向输出电流第一MOS管M1、第三MOS管M3、第四MOS管M4和第 五MOS管M5构成两级电流镜电路,实现对输入电流i1的两次等幅反 向复制,得到正向输出电流
在优选方案中,如图2-2所示,输出电流与输入电流满足以下 关系:
在优选方案中,如图3-1所示,和为两相非重叠时钟(时 钟波形如图5所示),J为电流源,第六MOS管M6和第七MOS管M7构成积分器的核心,和分别为正向和反向输入电流且 和分别为正向和反向输出电流且为反馈 输出电流。MOS管下方标注的系数表示各MOS管的沟道宽长比。其中, 第六MOS管M6和第七MOS管M7的沟道宽长比相等,且作为参照标准 的单位尺度,在下方标注的系数均为1;第八MOS管M8和第十一MOS 管M11的沟道宽长比均为第六MOS管M6的a倍,可实现图1中积分器 输出电流的a倍放大;第九MOS管M9、第十MOS管M10和第十二MOS 管M12组成电流镜电路并对积分器的输出电流进行反向复制,且第十 二MOS管M12的沟道宽长比为第六MOS管M6的d倍,可实现图1中积 分器输出电流的d倍放大。
在优选方案中,如图3-2所示,输出电流与输入电流满足以下 关系:
在优选方案中,如图4-1所示,和为两相非重叠时钟,J 为电流源,第十三MOS管M13和第十四MOS管M14构成积分器的核心, 和分别为正向和反向输入电流且为正向输出电 流,为反馈输出电流。MOS管下方标注的系数表示各MOS管的沟道 宽长比。其中,第十三MOS管M13和第十四MOS管M14的沟道宽长比相 等,且作为参照标准的单位尺度,在下方标注的系数均为1;第十五 MOS管M15的沟道宽长比为第十三MOS管M13的e倍,可实现图1中积 分器输出电流的e倍放大;第十六MOS管M16、第十七MOS管M17和第 十八MOS管M18组成电流镜电路并对积分器的输出电流进行反向复 制,且第十八MOS管M18的沟道宽长比为第十三MOS管M13的f倍,可 实现图1中积分器输出电流的f倍放大。
在优选方案中,如图4-2所示,输出电流与输入电流满足以下 关系:
在优选方案中,如图1所示,BI11的输入端设置有电流镜电路 CM7,可将输入信号进行等幅反向复制,从而实现BI11所需的正向和 反向输入信号;BI1x的反馈输出电流(x=1,2,3,4,5)和BI26的反 馈输出电流均反馈至电流镜CM7的输入端与Iin相连,从而实现每 个开关电流双线性积分器的输出与Iin相减;BI26为最后一个级联的 双线性积分器,其输出电流作为滤波器的输出。
在优选方案中,假定高斯幅频响应函数为(即σ=1), 则开关电流高斯低通滤波器设计的首要任务即是采用有理分式逼近 实现
由中心极限定理可知,可由式(1)逼近实现,其中参数 如图6所示,n在不同取值时的有理逼近分式的幅频 响应。可见,随着n的增大,式(1)的逼近精度不断增高。然而, n越大,高斯低通滤波器的实现电路越复杂,体积和功耗就越大,应 根据应用要求综合考虑。这里以n=6为例,具体说明开关电流高斯 低通滤波器的设计步骤。
n=6时,的有理逼近分式可由式(1)和(2)求得,即
将式(10)的分母展开,得到高斯幅频响应函数的6阶有理逼近 分式,即
开关电流滤波器属于采样数据系统,不能直接综合连续域传递 函数,因此需利用双线性变换将式(11)离散化。由式 (4)可得,开关电流高斯低通滤波器的6阶离散域传递函数为:
上式中,Ts为采样周期。
在优选方案中,通过设置图1中e6、f6、ax和dx(x=1,2,3,4,5) 的值,可实现式(12)所示的开关电流高斯低通滤波器。例如,设 置时钟频率fs=100MHz,e6=4.8966、f6=4.8966、ax和dx的值如表1 所示,可实现截止频率fo=10MHz的高斯低通滤波器。
表1截止频率为10MHz的6阶开关电流高斯低通滤波器的参数值
本实施例的技术效果为:采用标准数字CMOS工艺实现,具有动 态范围大、逼近精度高、电路灵敏度低、设计过程简单、无需模数 转换器、适于低电压低功耗大规模集成等优点,可应用于高频通信、 生物医学信号处理等领域。
以上仅是本发明的一个优选实施例,所述具体实施方式只是用 于帮助理解本发明的核心思想。应当指出,对于本技术领域的技术 人员而言,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若 干改进和修饰,这些改进和修饰也属于本发明权利要求的保护范围。
机译: 减少计算的滤波方法,以及其中使用该滤波方法的高斯低通滤波器和调制器
机译: 减少计算的滤波方法,高斯低通滤波器和使用该滤波方法的调制器
机译: 雷达信号非高斯噪声有源非线性低通滤波器-具有带微分器,限幅器,积分器和匹配输出级的电平比较器