一種開(kāi)關(guān)電流高斯低通濾波器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種開(kāi)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(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)性積分器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)綜合實(shí)現(xiàn)；包括順次級(jí)聯(lián)的電流鏡電路、數(shù)個(gè)第一開(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)性積分器和第二開(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)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(kāi)關(guān)電流積分器級(jí)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(shí)際頻響特性與理想頻響特性較為接近；具有動(dòng)態(tài)范圍大、逼近精度高、設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單、無(wú)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(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種開(kāi)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(kāi)關(guān)電流高斯低通濾波器，屬于信號(hào)處理【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 由于具有最小時(shí)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(jì)算機(jī)視 覺(jué)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(guò)頻率變換得到，因此高斯低通濾波器 的設(shè)計(jì)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，高斯低通濾波器的實(shí)現(xiàn)電路主要分為數(shù)字型和模擬型 兩類(lèi)。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(diǎn)。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(hào)處理等低功耗應(yīng)用領(lǐng)域。
[0003] 就實(shí)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(shí)間電路實(shí)現(xiàn)， 如集成運(yùn)放-RC電路。然而，連續(xù)時(shí)間模擬濾波器的時(shí)間常數(shù)由特征參數(shù)的絕對(duì) 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(shí)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(kāi)關(guān)電流電路實(shí)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(kāi)關(guān)電流濾波器的時(shí)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(chǎng)效應(yīng)晶體管，或者稱(chēng)是金 屬一絕緣體（insulator)-半導(dǎo)體）的寬長(zhǎng)比之比，可高精度集成，且可通過(guò)調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率 對(duì)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(kāi) 關(guān)電流積分器的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)綜合實(shí)現(xiàn)。雖然可行性得到實(shí)例驗(yàn)證，但該實(shí)現(xiàn)方法仍存在諸多 缺點(diǎn)。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(méi)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(shí)現(xiàn)方面，級(jí)聯(lián) 結(jié)構(gòu)對(duì)元件參數(shù)值具有較高的靈敏度，導(dǎo)致濾波器的實(shí)際頻響特性不夠理想。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服已有開(kāi)關(guān)電流高斯低通濾波器存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種新的開(kāi) 關(guān)電流高斯低通濾波器。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：包括順次級(jí)聯(lián)的 電流鏡電路（CM)、數(shù)個(gè)第一開(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)性積分器（BIl)和第二開(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)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(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)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(shí)鐘控制的開(kāi)關(guān)相連，所 述第七M(jìn)OS管的第一端和第二端由第一時(shí)鐘控制的開(kāi)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(shí)鐘控制的開(kāi)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(shí)鐘控制的開(kāi)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(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)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(shí)鐘控制的開(kāi)關(guān)相連，所述第十四 MOS管的第一端和第二端由第一時(shí)鐘控制的開(kāi)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(shí)鐘控制的開(kāi)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(shí)鐘控制的開(kāi)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(kāi)關(guān)電流高斯低通濾波器是通過(guò)如下方式來(lái)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(gè)一階低通濾波器的幅頻響應(yīng)函數(shù)的乘積逼近實(shí)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(kāi)關(guān)電流高斯低通濾波器，其特征在于， 包括順次級(jí)聯(lián)的電流鏡電路、數(shù)個(gè)第一開(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)性積分器和第二開(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)性 積分器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)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(kāi)關(guān)電流高斯低通濾波器，其特征在于， 所述第一開(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)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(shí)鐘控制的開(kāi)關(guān)相連，所述第七M(jìn)OS管的第 一端和第二端由第一時(shí)鐘控制的開(kāi)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(shí)鐘控制的開(kāi)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(shí)鐘控制的開(kāi)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(kāi)關(guān)電流高斯低通濾波器，其特征在于， 所述第二開(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)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(shí)鐘控制的開(kāi)關(guān)相連，所述第十四MOS管 的第一端和第二端由第一時(shí)鐘控制的開(kāi)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(shí)鐘控制的開(kāi)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(shí)鐘控制的開(kāi)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(xiàng)中所述的開(kāi)關(guān)電流高斯低通濾波器，所述開(kāi)關(guān)電流高斯 低通濾波器是通過(guò)如下方式來(lái)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(gè)一階低通濾波器的幅頻響應(yīng)函數(shù)的乘積逼近實(shí)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(kāi)關(guān)電流高斯低通濾波器的設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)性積分器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu) 綜合實(shí)現(xiàn)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的開(kāi)關(guān)電流高斯低通濾波器的設(shè)計(jì)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(gè)一階低通濾波器的幅頻響應(yīng)函數(shù)的乘積逼近 實(shí)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(kāi)，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(kāi)關(guān)電流高斯低通濾波器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于： 包括順次級(jí)聯(lián)的電流鏡電路、數(shù)個(gè)第一開(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)性積分器和第二開(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)性 積分器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的開(kāi)關(guān)電流高斯低通濾波器的設(shè)計(jì)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(hào)相連，所述第二開(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)性積分器的正 向輸出端的輸出信號(hào)作為高斯低通濾波器的輸出信號(hào)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的開(kāi)關(guān)電流高斯低通濾波器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于： 所述第一開(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)性積分器和所述第二開(kāi)關(guān)電流雙線(xiàn)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(hào)相連。
【文檔編號(hào)】H03H17/02GK104333347SQ201410542569
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京交通大學(xué)