[發明專利]模擬有限脈沖響應濾波器

有效

• 申請號: 201710686288.6
• 申請日: 2017-08-11
• 公開（公告）號: CN107508575B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 蔡覺平;陳騰騰;辛昕;溫凱琳;馮必先
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H03H17/02
• 分類號: H03H17/02
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 李富元

本發明屬于低功耗集成電路技術領域，特別涉及用于低功耗模擬濾波的FIR濾波器結構。一種模擬有限脈沖響應濾波器，包括wp對相同的兩倍柵壓自舉的采樣保持電路、wp個相同的亞閾值四象限模擬乘法器、2wp個相同的旋轉開關矩陣電路、兩個相同的加法器電路、固定時延的時鐘電路。本發明通過柵壓自舉的采樣保持電路和差分結構提高了線性度，轉化精度相應的提高；本發明采用并行結構的模擬濾波器，提高了處理信號的速度，也提高了精度。

技術領域

本發明屬于低功耗集成電路技術領域，特別涉及用于低功耗模擬濾波的FIR濾波器結構。

背景技術

當噪聲和信號在頻率以及幅度上非常相似時，這會導致信號及其所攜帶的信息被噪聲所覆蓋，接收端接收到的信號品質會非常差，甚至無法辨別出原信號。這給信息的傳播帶來了很大的困難。為了改善這種現象，可以在信號傳遞過程中的某個階段(通常在接收端)加入濾波器。其目的是利用信號和噪聲的不同特性，去除干擾的噪聲，提取信號，實現信號和噪聲的分離。隨著電子技術的不斷發展，在音頻、圖像處理等領域中，對濾波器在功率消耗、成本投入、實時傳輸等方面的標準越來越嚴格。傳統的信道中，模擬信號通過模數轉換器轉換為數字信號，然后通過數字濾波器進行濾波。但數字并行FIR濾波器的功耗很高，因為它使用了大量的數字乘法器和寄存器。而且當需要窄的過渡帶特性時，必須使用高抽頭FIR濾波器，這將消耗更多的功耗和面積。而模擬濾波器的功耗低，且可以直接對信道中的模擬信號進行濾波，然后在通過模數轉換器對信號進行處理。

同時，FIR濾波器在簡單的設計下就可以既具有良好的幅度特性，又擁有良好的線性相位特性。若用x(k)表示激勵函數，h(k)表示數字FIR濾波器的單位脈沖響應，濾波器輸出為y(k)，則一個數字信號經過FIR濾波器后的輸出y(k)可表示為：又因為x(k)和h(k)為因果信號，即零時刻以前其值為零，那么上式可化簡為：由上式可知，數字FIR濾波器對輸入信號只采樣了k+1次，且只需要進行k+1次的卷積。由于M階FIR濾波器的系統函數為該濾波器在原點處有一個M-1重極點，并且極點均在|z|＝1范圍內，所以該濾波器是因果穩定的系統。線性相位和高穩定度的特性使得FIR濾波器被廣泛應用于通訊系統、自動控制、航空航天、機器人、遙感等領域。也就是說FIR濾波器性能的好壞與其相關應用領域的發展緊密相關。所以，無論是從商用、軍工還是學術研究的角度上來說，高品質的FIR濾波器都是非常有必要的。

在此之前的模擬FIR濾波器完全用來處理模擬域中的回波消除，均衡以及干擾以匹配信道。其中延遲線FIR濾波器有兩個重要的缺點。第一，在采樣/保持放大器鏈中，每個單元采樣時，其前面的單元處于保持階段，因此要求對于濾波器的每階電路都需要兩個采樣/保持單元；第二，當信號沿著延遲鏈傳播時，采樣/保持噪聲，偏移和誤差都會積累，隨著階數的提高，誤差的幅度將增大。用有源負載或者全通級的反相器作為延遲線延遲單元的串行FIR濾波器也有兩個問題。第一，延遲精度隨著工藝，溫度和電源的變化而變化，這將影響FIR濾波器的頻率響應；第二，延遲誤差將隨著濾波器級數的增加而增加。另外，之前的模擬FIR濾波器中的乘法器，由多重數模轉換器(MDAC)或者吉爾伯特乘法器構成，因此需要高電壓和高功耗。

由此可見，由于傳統的數字FIR濾波器功耗高且結構復雜，先前設計的模擬FIR濾波器精度差且功耗高，所以很難滿足低功耗的要求，也就難以滿足無線傳感器網絡芯片等低功耗領域的應用。

發明內容

本發明的目的在于克服目前FIR濾波器功耗高且精度差的缺點，提供一種模擬有限脈沖響應濾波器，提高模擬FIR濾波器的精度，并降低模擬FIR濾波器的功耗，以滿足低壓低功耗應用。

為實現上述目的，利用模擬電路可以實現數字電路的功能這一理念，本發明給出模擬有限脈沖響應濾波器。由于所有模擬塊都偏置在亞閾值區域，模擬FIR濾波器的電源電壓設置為0.6V，所以可以降低功耗。同時，本發明采用差分結構，可以抑制環境噪聲，提高線性度。