滤波装置及滤波方法与流程

本发明涉及电路设计技术领域，尤其涉及一种滤波装置及滤波方法。

背景技术：

在ic(integratedcircuit，集成电路)设计中，必须在有限的区域内设计包含数以百计的电路模块的电路。rc(resistor-capacitor，电阻电容)lpf(low-passfilter，低通滤波器)是最常见的用来滤除不期望的噪声的滤波器，但是在更先进的ic技术中，电阻器花费更大的面积。因此，本领域需要一种滤波技术，能够降低滤波器(如基于rc的滤波器)的面积，同时也能够有效地滤除不期望的噪声。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种滤波装置及滤波方法，能够有效地限制其所消耗的面积，同时能够有效地滤除不期望的噪声。

本发明实施例提供了一种滤波装置，包括：低通滤波器，用于接收预滤波信号，并对该预滤波信号进行滤波以产生该滤波装置的输出信号；噪声估计电路，用于根据该输出信号和该预滤波信号，产生估计的噪声信号；以及第一组合电路，用于从该滤波装置的输入信号中减去该估计的噪声信号以产生该预滤波信号。

其中，该噪声估计电路包括：第二组合电路，用于从该预滤波信号中减去该输出信号以产生该估计的噪声信号。

其中，该噪声估计电路包括：放大电路，用于放大该输出信号以产生放大了的输出信号；以及第二组合电路，用于从该预滤波信号中减去该放大了的输出信号以产生该估计的噪声信号。

其中，该噪声估计电路包括：放大电路，用于放大该预滤波信号以产生放大了的预滤波信号；以及第二组合电路，用于从该放大了的预滤波信号中减去该输出信号以产生该噪声估计信号。

其中，该噪声估计电路包括：第一放大电路，用于放大该输出信号以产生该放大了的输出信号；第二放大电路，用于放大该预滤波信号以产生放大了的预滤波信号；以及第二组合电路，用于从该放大了的预滤波信号中减去该放大了的输出信号以产生该估计的噪声信号。

其中，该第二放大电路的增益减去该第一放大电路的增益所得的差大于﹣1。

其中，该输入信号，该预滤波信号以及该输出信号为电流信号。

其中，该第一组合电路包括：互连节点，用于接收该估计的噪声信号以及该预滤波信号，其中该输入信号从该互连节点排出。

其中，该第二组合电路包括：互连节点，用于接收该放大了的预滤波信号，其中该放大了的输出信号和该估计的噪声信号从该互连节点排出。

其中，该输入信号，该预滤波信号以及该输出信号为电压信号。

本发明提供了一种滤波装置，包括：低通滤波器，用于从互连节点接收预滤波信号，并对该预滤波信号进行滤波以产生该滤波装置的输出信号；反馈电路，用于接收该输出信号以产生反馈信号；以及电阻电路，耦接在该滤波装置的输入信号和该反馈信号之间，以在该互连节点产生该预滤波信号；其中，该输入信号，该预滤波信号以及该输出信号为电压信号。

其中，该电阻电路包括：第一电阻器，一端耦接至该互连节点，另一端耦接该输入信号；以及第二电阻器，一端耦接该互连节点，另一端耦接该反馈信号。

其中，进一步包括：缓冲器，耦接在该输入信号与该第一电阻器之间。

其中，该反馈电路包括：反馈缓冲器，用于根据该输出信号产生该反馈信号。

其中，该低通滤波器包括：电阻器，耦接在该输出信号与该互连节点之间；以及电容器，耦接在该输出信号和参考电压之间。

本发明提供了一种滤波方法，包括：对预滤波信号执行低通滤波操作以产生输出信号；根据该输出信号和该预滤波信号，得到估计的噪声信号；以及从输入信号中减去该估计的噪声信号以产生该预滤波信号。

其中，所述根据该输出信号和该预滤波信号，得到估计的噪声信号，包括：使用第一增益放大该输出信号以得到放大了的输出信号；使用第二增益放大该预滤波信号以产生放大了的预滤波信号；以及从该放大了的预滤波信号中减去该放大了的输出信号以产生该估计的噪声信号。

其中，该第二增益减去该第一增益的差大于﹣1。

其中，该输入信号，该预滤波信号以及该输出信号为电流信号。

本发明实施例提供了一种滤波方法，包括：从互连节点接收预滤波信号，并对该预滤波信号进行滤波以产生输出信号；根据该输出信号，产生反馈信号；以及使用耦接在该输入信号和该反馈信号之间的电阻电路来在该互连节点产生该预滤波信号；其中，该输入信号，该预滤波信号以及该输出信号为电压信号。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例的滤波装置采用前向反馈技术，以在输入信号流入电路时从输入信号中减去噪声，从而有效地降低噪声和限制滤波装置的面积。

附图说明

图1是根据本发明实施例的滤波装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的滤波装置(主要示出了噪声估计电路)的结构示意图；

图3是根据图1和2所示的滤波装置所实现的滤波装置的电路图；

图4是图2所示的滤波装置的简化电路；

图5是图3所示的滤波装置的简化电路；

图6是图4所示的滤波装置的简化电路；

图7是根据图6所示的滤波装置所实现的滤波装置的电路图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本申请说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”、“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包括(含)但不限定于”。另外，“耦接”一词在此为包括任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接至该第二装置，或透过其它装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

图1是根据本发明实施例的滤波装置100的结构示意图。该滤波装置100可以为前馈式(feed-forward)滤波装置。如图1所示，该滤波装置100包括：lpf(low-passfilter，低通滤波器)101，噪声估计电路102和组合电路(combiningcircuit)103，其中lpf101接收预滤波(pre-filtering)信号spre并对其进行滤波以产生输出信号sout；该噪声估计电路102根据该输出信号sout和该预滤波信号spre产生估计的噪声信号snoise；以及该组合电路103从输入信号sin中减去该估计的噪声信号snoise以产生该预滤波信号spre。需要注意的是，此处示出的该预滤波信号spre，该输出信号sout和该输入信号sin可以为电压信号(如，vpre，vout和vin)或电流信号(如，ipre，iout及iin)。当输入信号sin流入电路时，通过从输入信号sin中减去噪声估计电路102所产生的该估计的噪声信号snoise，可以显著地降低噪声。

图2是滤波装置100的实施例的结构示意图，其示意了噪声估计电路102的结构。如图2所示，该噪声估计电路102可以使用放大电路201和202以及组合电路203来实现。该放大电路201的增益为β1，同时该放大电路202的增益为β2。该放大电路201用来放大输出信号sout以产生放大了的输出信号samp.out，其中samp.out＝β1*sout。该放大电路202用于放大预滤波信号spre以产生放大了的预滤波信号samp.pre，其中samp.pre＝β2*spre。该组合电路203用来从放大了的预滤波信号samp.pre中减去放大了的输出信号samp.out以产生如图2中所示的估计的噪声信号snoise。需要注意的是，图2所示的噪声估计电路102的配置仅是出于说明的目的，而不是对本发明的限制。在一个实施例中，放大电路201和202均可以由单位增益缓冲器(unity-gainbuffer)替代。在另一实施例中，放大电路201和202为可选的元件。例如，仅使用放大电路201，而预滤波信号spre则直接注入组合电路203，并且组合电路203从预滤波信号spre中减去放大了的输出信号samp.out，其中预滤波信号spre由组合电路203接收。对于另一示例，仅使用放大电路202，而输出信号sout直接注入组合电路203，并且组合电路203可以从放大了的预滤波信号samp.pre中减去输出信号sout，其中输出信号sout由组合电路203接收。对于进一步的示例，均不使用放大电路201和202，则组合电路203从预滤波信号spre中减去输出信号sout，其中输出信号sout和预滤波信号spre均由组合电路203接收。

在自未经滤波的预滤波信号spre(或者放大了的预滤波信号samp.pre)中减去由lpf101滤波了的输出信号sout(或者放大了的输出信号samp.out)之后，可以提取出估计的噪声信号snoise。

图3是根据图1和2中所示的滤波装置所实现的滤波装置300的电路图。在图3的实施例中，预滤波信号spre，输出信号sout，估计的噪声信号snoise以及输入信号sin均为电流信号，即图3所标记的预滤波信号ipre，输出信号iout，估计的噪声信号inoise以及输入信号iin。如图3所示，该滤波装置300主要由多个电流镜组成，该多个电流镜包含晶体管mp1，mp2，mp3，mp4，mn1和mn2，其中mp1，mp2，mp3和mp4为pmos(p-channelmetaloxidesemiconductor，p沟道金属氧化物半导体)晶体管，mn1和mn2为nmos(n-channelmetaloxidesemiconductor，n沟道金属氧化物半导体)晶体管。在本实施例中，滤波装置300包括：lpf301，噪声估计电路302和组合电路303，其中lpf301为由电阻器r1和电容器c1组成的无源rc(电阻-电容)滤波器；该噪声估计电路302由晶体管mp3、晶体管mn1和由节点n2所实现的组合电路302_1组成，其中，节点n2用来排出(draining)和接收电流；以及组合电路303由节点n1来实现。如在图2的实施例中所述，噪声估计电路302中的晶体管mp3被当作放大电路202，用来根据其沟道宽度或长度，放大由晶体管mp2产生的电流信号ipre。晶体管mp3的沟道宽度可以被配置为是晶体管mp2的沟道宽度的β2倍。这样，当晶体管mp2产生的电流为ipre时，晶体管mp3产生的电流为β2*ipre。lpf301耦接在晶体管mp1和mp2之间。lpf301经由节点n3接收预滤波信号ipre，并对该预滤波信号ipre进行滤波以在节点n4产生滤波了的信号。晶体管mp1接收该滤波了的信号以产生输出信号iout。使用电流镜的功能，晶体管mp4复制输出信号iout的电流并也产生输出信号iout。输出信号iout经由晶体管mp4和mn2的漏极端流动；在一个实施例中，晶体管mp4和mp1的沟道宽度相同，以直接在晶体管mp4的漏极端上镜像电流信号iout。通过配置晶体管mn1的沟道宽度为晶体管mn2的沟道宽度的β1倍，即当晶体管mn2的沟道宽度标记为1时，晶体管mn1的沟道宽度标记为β1，从晶体管mn1的漏极端产生电流β1*iout。请注意，晶体管mp4和mn2的沟道宽度以及晶体管mp4和mn2提供的增益，均应当服从电路设计，并且可以相应地变化。根据基尔霍夫电路定律，估计的噪声信号inoise从组合电路302_1中含有的节点n2流向组合电路303中含有的节点n1，因此根据估计的噪声信号inoise和预滤波信号ipre的电流信号iin从节点n1流出。

以下的说明基尔霍夫电路规律的电流方程可以更清楚地解释图3的实施例。

iin(s)-inoise(s)＝ipre(s)(1)

inoise(s)＝β2*ipre(s)-β1*iout(s)(2)

iout(s)＝h(s)*ipre(s)(3)

其中h(s)为lpf301的转移函数，s表示拉普拉斯转移(laplacetransform)因子。

根据上面的方程(1)～(3)，输出信号iout和输入信号iin之间的关系可以写成如下：

其中，δβ＝β2-β1；ωp是lpf301的-3db频宽。根据方程(4)，滤波装置300的-3db频率ω-3db为：

根据方程(5)，当β1＝β2时，滤波装置300的-3db频率可以减小(1+β2)倍，如此可以有效地降低噪声。需要注意的是，在本实施例中，δβ需要大于-1，否则在滤波装置300中可能发生正反馈。

图4是滤波装置400的实施例的结构示意图，其为图2所示电路的简化电路。再次参考图2，通过将组合电路103和203组合，可以相应地简化滤波装置100。如图4所示，该滤波装置400包括：lpf401，组合电路402以及放大电路403和404，其中放大电路403的增益为1/(1+β2)，同时放大电路404的增益为β1。基于相同的原理，通过将图3所示的组合电路303和302_1组合可以如此简化滤波装置300。

图5是滤波装置500的结构示意图，其为图3所示的电路的简化电路。如图5所示，该滤波装置500主要由含有晶体管mp1′,mp2′,mp3′,mn1′和mn2′的多个电流镜组成，其中晶体管mp1′,mp2′,mp3′为pmos晶体管，而晶体管mn1′和mn2′为nmos晶体管。图3和图5实施例之间的差别在于：根据组合图4中的两个电路的概念，可以将图3中所示的2个晶体管mp2和mp3组合为单个晶体管mp2′。在将晶体管mp2和mp3组合为晶体管mp2′之后，如此滤波装置500包括：由节点n5实现的组合电路501，该节点n5的功能类似/相同于组合电路402的功能，用来组合电流iin和β1*iout。该滤波装置500包括：放大电路502，由晶体管mn1′来实现，其功能类似/相同于放大电路404的功能，用来将输出信号iout放大β1倍。如同在图3的实施例中所描述的，lpf301在节点n4产生滤波了的信号，晶体管mp1′接收该滤波了的信号以产生输出信号iout。使用电流镜的功能，晶体管mp3′复制该输出信号iout的电流，并且也产生输出信号iout。该输出信号iout经由晶体管mp3′和mn2′的漏极端流动。在阅读了上述段落之后，本领域技术人员能够容易地理解图5所示电路的详细操作；因此，出于简洁而省略详细描述。

图3和5所示的实施例由多个电流镜来实现；但是，两种实现均难以应用至对电压信号的滤波。在实际中，对于输入信号sin，预滤波信号spre和输出信号sout为电压信号而非电流信号的情形，条件β1＝β2可以用来简化滤波装置400。

在β1＝β2的条件下，图4所示的滤波装置400可以简化为图6所示的电路600。该滤波装置600包括：lpf601，反馈路径602，组合电路603和604，以及放大电路605。其中，lpf601用于接收预滤波信号spre并对其进行滤波以产生输出信号sout，该输出信号sout通过反馈路径602送至组合电路603和604。组合电路603用于从输入信号sin中减去输出信号sout以产生信号sx。放大电路605用于放大信号sx以产生信号sy，并且组合电路604用来组合信号sy和输出信号sout以产生预滤波信号spre。需要注意的是，在本实施例中，输入信号sin，信号sx和sy，预滤波信号spre和输出信号sout可以为电压信号。以下方程描述了根据图6实施例的预滤波信号spre和输出信号sout之间的关系。

根据方程(6)，可以容易地实现用来对电压信号而非电流信号进行滤波的滤波装置。图7是根据图6所示的滤波装置所实施的滤波装置700的电路图。在图7的实施例中，预滤波信号spre，输出信号sout，以及输入信号sin可以为电压信号，即在图7中标记为预滤波信号vpre，输出信号vout，以及输入信号vin，其中lpf701为无源rc滤波器，包括：电阻器r2和电容器c2；反馈电路702包括：反馈缓冲器712；电阻电路703包括：多个电阻器rx和ry。更具体地，lpf701用来接收预滤流信号vpre并对其进行滤波以产生输出信号vout。在反馈电路702中包含的反馈缓冲器712用来将输出信号vout发送至电阻电路703。电阻器rx和ry串联并且耦接在输出信号vout和输入信号vin之间，并且电阻器rx和ry充当分压器，以对电压进行分压，从而产生图7所示的预滤波信号vpre。以下方程描述了根据图7实施例的输入信号vin和输出信号vout之间的关系。

其中，h(s)为lpf701的转移函数。

根据方程(7)和(8)，可以推理出：

基于方程(9)，滤波装置700的-3db频率可以减少1/(1+β2)倍，从而显著地降低噪声。

在实际中，输入信号vin可能并没有足够的驱动能力；因此，如图7所示，该滤波装置700可以进一步包括：缓冲器704，耦接在输入信号vin和电阻器rx之间，用来增加输入信号vin的驱动能力。

需要注意的是，在图3、5和7的实施例中，lpf301、501和701可以为无源rc滤波器。但是，这仅是出于说明的是目的，而不是对本发明的限制。在其他实施例中，lpf可以由诸如有源lpf等其他电路来实现。

简言之，本发明实施例公开了使用前向反馈技术的滤波装置，以在输入信号流入电路时从输入信号中减去噪声。如此，可以有效地降低噪声而无需增加lpf中包含的电阻器的阻值，并且也可以有效地限制ic中lpf的消耗面积。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。