一種開關(guān)電流高斯低通濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種開關(guān)電流高斯低通濾波器，利用中心極限定理求取高斯低通濾波器的傳遞函數(shù)，并采用具有多條負(fù)反饋支路的開關(guān)電流雙線性積分器級聯(lián)結(jié)構(gòu)綜合實現(xiàn)；包括順次級聯(lián)的電流鏡電路、數(shù)個第一開關(guān)電流雙線性積分器和第二開關(guān)電流雙線性積分器；本發(fā)明的益處為：利用具有多條負(fù)反饋支路的開關(guān)電流積分器級聯(lián)結(jié)構(gòu)構(gòu)造濾波器，從而有效降低濾波器的靈敏度，使得電路的實際頻響特性與理想頻響特性較為接近；具有動態(tài)范圍大、逼近精度高、設(shè)計過程簡單、無需模數(shù)轉(zhuǎn)換器、適于低電壓低功耗大規(guī)模集成等優(yōu)點。
【專利說明】一種開關(guān)電流高斯低通濾波器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種開關(guān)電流高斯低通濾波器，屬于信號處理【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 由于具有最小時頻寬積，高斯濾波器已廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、圖像處理、計算機(jī)視 覺等領(lǐng)域。高斯濾波器主要分為高斯低通濾波器、高斯帶通濾波器和高斯高通濾波器。其 中，高斯帶通和高通濾波器可由高斯低通濾波器經(jīng)過頻率變換得到，因此高斯低通濾波器 的設(shè)計成為人們關(guān)注的焦點。目前，高斯低通濾波器的實現(xiàn)電路主要分為數(shù)字型和模擬型 兩類。由于需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)字高斯低通濾波器具有功耗高的缺點。相比之下，模擬高斯 低通濾波器的功率效率更高，更適合高頻通信、生物醫(yī)學(xué)信號處理等低功耗應(yīng)用領(lǐng)域。
[0003] 就實現(xiàn)技術(shù)而言，已有模擬高斯低通濾波器主要采用連續(xù)時間電路實現(xiàn)， 如集成運放-RC電路。然而，連續(xù)時間模擬濾波器的時間常數(shù)由特征參數(shù)的絕對 值決定，因此集成精度較差，需要復(fù)雜的片上調(diào)諧電路以精確實現(xiàn)預(yù)定的截止頻 率。為克服上述不足，已有文獻(xiàn)提出模擬高斯低通濾波器的開關(guān)電流電路實現(xiàn)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)。開關(guān)電流濾波器的時間常數(shù)取決于MOS管（M0S 管是金屬（metal) -氧化物（oxid) -半導(dǎo)體（semiconductor)場效應(yīng)晶體管，或者稱是金 屬一絕緣體（insulator)-半導(dǎo)體）的寬長比之比，可高精度集成，且可通過調(diào)節(jié)時鐘頻率 對截止頻率進(jìn)行調(diào)諧。該方法采用中心極限定理獲得高斯函數(shù)的有理逼近分式，并采用開 關(guān)電流積分器的級聯(lián)結(jié)構(gòu)綜合實現(xiàn)。雖然可行性得到實例驗證，但該實現(xiàn)方法仍存在諸多 缺點。在高斯函數(shù)的有理分式逼近方面，逼近分式中參數(shù)τ的求解公式不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致逼 近分式的逼近精度并沒有隨著階數(shù)η的增大而顯著增加。在濾波器結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方面，級聯(lián) 結(jié)構(gòu)對元件參數(shù)值具有較高的靈敏度，導(dǎo)致濾波器的實際頻響特性不夠理想。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服已有開關(guān)電流高斯低通濾波器存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種新的開 關(guān)電流高斯低通濾波器。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：包括順次級聯(lián)的 電流鏡電路（CM)、數(shù)個第一開關(guān)電流雙線性積分器（BIl)和第二開關(guān)電流雙線性積分器 (BI2)。
[0005] 進(jìn)一步地，所述電流鏡電路包括第一 MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、 第五MOS管、第一輸入端、第一正向輸出端和第一反向輸出端；所述第二MOS管的第一端連 接所述第一 MOS管的第一端和第二端，并連接所述第一輸入端；所述第二MOS管的第二端連 接所述第一反向輸出端；所述第二MOS管的第一端連接所述第三MOS管的第一端；所述第 三MOS管的第二端連接所述第四MOS管的第一端和第二端；所述第四MOS管的第一端連接 所述第五MOS管的第一端；所述第五MOS管的第二端連接所述第一正向輸出端。
[0006] 進(jìn)一步地，所述第一開關(guān)電流雙線性積分器包括第六MOS管、第七M(jìn)OS管、第八MOS 管、第九MOS管、第十MOS管、第^ MOS管、第十二MOS管、第二正向輸入端、第二反向輸入 端、第二正向輸出端、第二反向輸出端和第一反饋輸出端；所述第六MOS管的第二端連接所 述第七M(jìn)OS管的第二端；所述第六MOS管的第一端和第二端由第二時鐘控制的開關(guān)相連，所 述第七M(jìn)OS管的第一端和第二端由第一時鐘控制的開關(guān)相連；所述第六MOS管的第二端和 第二正向輸入端由第二時鐘控制的開關(guān)相連，所述第六MOS管的第二端和第二反向輸入端 由第一時鐘控制的開關(guān)相連；所述第七M(jìn)OS管的第一端連接所述第八MOS管的第一端；所 述第八MOS管的第二端連接所述第二正向輸出端，所述第八MOS管的第一端連接所述第九 MOS管的第一端；所述第九MOS管的第二端連接所述第十MOS管的第二端和第一端，所述第 十MOS管的第一端連接所述第十一 MOS管的第一端；所述第十一 MOS管的第二端連接所述 第二反向輸出端，所述第十一 MOS管的第一端連接所述第十二MOS管的第一端；所述第十二 MOS管的第二端連接所述第一反饋輸出端。
[0007] 進(jìn)一步地，所述第二開關(guān)電流雙線性積分器包括第十三MOS管、第十四MOS管、第 十五MOS管、第十六MOS管、第十七M(jìn)OS管、第十八MOS管、第三正向輸入端、第三反向輸入 端、第三正向輸出端和第二反饋輸出端；所述第十三MOS管的第二端連接所述第十四MOS管 的第二端；所述第十三MOS管的第一端和第二端由第二時鐘控制的開關(guān)相連，所述第十四 MOS管的第一端和第二端由第一時鐘控制的開關(guān)相連；所述第十三MOS管的第二端和第三 正向輸入端由第二時鐘控制的開關(guān)相連，所述第十三MOS管的第二端和第三反向輸入端由 第一時鐘控制的開關(guān)相連；所述第十四MOS管的第一端連接所述第十五MOS管的第一端； 所述第十五MOS管的第二端連接所述第三正向輸出端，所述第十五MOS管的第一端連接所 述第十六MOS管的第一端；所述第十六MOS管的第二端連接所述第十七M(jìn)OS管的第二端和 第一端，所述第十七M(jìn)OS管的第一端連接所述第十八MOS管的第一端；所述第十八MOS管的 第二端連接所述第二反饋輸出端。
[0008] 進(jìn)一步地，所述開關(guān)電流高斯低通濾波器是通過如下方式來確定傳遞函數(shù)，其特 征在于，
[0009] 根據(jù)中心極限定理，采用η個一階低通濾波器的幅頻響應(yīng)函數(shù)的乘積逼近實現(xiàn)高 斯低通濾波器的幅頻響應(yīng)函數(shù)H g (s)，

【權(quán)利要求】
1. 一種開關(guān)電流高斯低通濾波器，其特征在于， 包括順次級聯(lián)的電流鏡電路、數(shù)個第一開關(guān)電流雙線性積分器和第二開關(guān)電流雙線性 積分器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電流高斯低通濾波器，其特征在于， 所述電流鏡電路包括第一 MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、 第一輸入端、第一正向輸出端和第一反向輸出端； 所述第二MOS管的第一端連接所述第一 MOS管的第一端和第二端，并連接所述第一輸 入端； 所述第二MOS管的第二端連接所述第一反向輸出端； 所述第二MOS管的第一端連接所述第三MOS管的第一端； 所述第三MOS管的第二端連接所述第四MOS管的第一端和第二端； 所述第四MOS管的第一端連接所述第五MOS管的第一端； 所述第五MOS管的第二端連接所述第一正向輸出端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)電流高斯低通濾波器，其特征在于， 所述第一開關(guān)電流雙線性積分器包括第六MOS管、第七M(jìn)OS管、第八MOS管、第九MOS 管、第十MOS管、第^ MOS管、第十二MOS管、第二正向輸入端、第二反向輸入端、第二正向 輸出端、第二反向輸出端和第一反饋輸出端； 所述第六MOS管的第二端連接所述第七M(jìn)OS管的第二端； 所述第六MOS管的第一端和第二端由第二時鐘控制的開關(guān)相連，所述第七M(jìn)OS管的第 一端和第二端由第一時鐘控制的開關(guān)相連； 所述第六MOS管的第二端和第二正向輸入端由第二時鐘控制的開關(guān)相連，所述第六 MOS管的第二端和第二反向輸入端由第一時鐘控制的開關(guān)相連； 所述第七M(jìn)OS管的第一端連接所述第八MOS管的第一端； 所述第八MOS管的第二端連接所述第二正向輸出端，所述第八MOS管的第一端連接所 述第九MOS管的第一端； 所述第九MOS管的第二端連接所述第十MOS管的第二端和第一端，所述第十MOS管的 第一端連接所述第十一 MOS管的第一端； 所述第十一 MOS管的第二端連接所述第二反向輸出端，所述第十一 MOS管的第一端連 接所述第十二MOS管的第一端； 所述第十二MOS管的第二端連接所述第一反饋輸出端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的開關(guān)電流高斯低通濾波器，其特征在于， 所述第二開關(guān)電流雙線性積分器包括第十三MOS管、第十四MOS管、第十五MOS管、第 十六MOS管、第十七M(jìn)OS管、第十八MOS管、第三正向輸入端、第三反向輸入端、第三正向輸 出端和第二反饋輸出端； 所述第十三MOS管的第二端連接所述第十四MOS管的第二端； 所述第十三MOS管的第一端和第二端由第二時鐘控制的開關(guān)相連，所述第十四MOS管 的第一端和第二端由第一時鐘控制的開關(guān)相連； 所述第十三MOS管的第二端和第三正向輸入端由第二時鐘控制的開關(guān)相連，所述第 十三MOS管的第二端和第三反向輸入端由第一時鐘控制的開關(guān)相連； 所述第十四MOS管的第一端連接所述第十五MOS管的第一端； 所述第十五MOS管的第二端連接所述第三正向輸出端，所述第十五MOS管的第一端連 接所述第十六MOS管的第一端； 所述第十六MOS管的第二端連接所述第十七M(jìn)OS管的第二端和第一端，所述第十七M(jìn)OS 管的第一端連接所述第十八MOS管的第一端； 所述第十八MOS管的第二端連接所述第二反饋輸出端。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項中所述的開關(guān)電流高斯低通濾波器，所述開關(guān)電流高斯 低通濾波器是通過如下方式來確定傳遞函數(shù)，其特征在于， 根據(jù)中心極限定理，采用n個一階低通濾波器的幅頻響應(yīng)函數(shù)的乘積逼近實現(xiàn)高斯低 通濾波器的幅頻響應(yīng)函數(shù)Hg (s)，
式（4)中，Ts為采樣周期。
6. -種開關(guān)電流高斯低通濾波器的設(shè)計方法，其特征在于：利用中心極限定理求取高 斯低通濾波器的傳遞函數(shù)，并采用具有多條負(fù)反饋支路的開關(guān)電流雙線性積分器級聯(lián)結(jié)構(gòu) 綜合實現(xiàn)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)電流高斯低通濾波器的設(shè)計方法，其特征在于：所述的 利用中心極限定理求取高斯低通濾波器的傳遞函數(shù)的具體步驟如下： 高斯低通濾波器的幅頻響應(yīng)函數(shù)可表示為Zfg〇：) = e//f72,其中。是與高斯濾波器帶 寬有關(guān)的常數(shù)。根據(jù)中心極限定理，采用n個一階低通濾波器的幅頻響應(yīng)函數(shù)的乘積逼近 實現(xiàn)Hg (s)，
式⑴中，T由參數(shù)O和11求取，
將式（1)的分母展開，得到高斯低通濾波器的幅頻響應(yīng)函數(shù)Hg(S)的有理逼近分式，且 具有以下一般形式：
式（4)中，Ts為采樣周期。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)電流高斯低通濾波器的設(shè)計方法，其特征在于： 包括順次級聯(lián)的電流鏡電路、數(shù)個第一開關(guān)電流雙線性積分器和第二開關(guān)電流雙線性 積分器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的開關(guān)電流高斯低通濾波器的設(shè)計方法，其特征在于： 所述電流鏡電路的輸入端與外部輸入信號相連，所述第二開關(guān)電流雙線性積分器的正 向輸出端的輸出信號作為高斯低通濾波器的輸出信號。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)電流高斯低通濾波器的設(shè)計方法，其特征在于： 所述第一開關(guān)電流雙線性積分器和所述第二開關(guān)電流雙線性積分器的反饋輸出端的 輸出電流均反饋至電流鏡電路的輸入端，與外部輸入信號相連。
【文檔編號】H03H17/02GK104333347SQ201410542569
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】趙文山 申請人:北京交通大學(xué)