專利名稱：阻抗特性變換方法及利用其實(shí)現(xiàn)高通濾波器電路的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到高通濾波器電路，特別是涉及到利用阻抗特性變換方法得到高通濾波器電路及其電路實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
在音頻系統(tǒng)中，為了避免因采用半導(dǎo)體或其它有源器件而帶來(lái)的非線性和頻率特性畸變，保證實(shí)現(xiàn)平坦而寬闊的高頻響應(yīng)，通常選用分立元件構(gòu)成的濾波器以滿足直接數(shù)據(jù)流(DSD)對(duì)頻率帶寬的苛刻要求。而在分立元件有源濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，常常會(huì)面臨需要尋找大量的數(shù)值不同、而精度要求十分嚴(yán)格的元件的困難。而采用通用阻抗變換器(GIC，general impedanceconverter)，由于其電路中只有固定電阻和電容，利用若干個(gè)可變數(shù)值電阻即可完成電路設(shè)計(jì)，所以實(shí)現(xiàn)十分方便。
在《電子濾波器設(shè)計(jì)手冊(cè)》(作者B Williams，1986年，電子工業(yè)出版社出版)第111～116頁(yè)和第137～140頁(yè)中公開了一種通用阻抗變換器(GIC)，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。此GIC由2個(gè)放大器A1、A2以及5個(gè)阻抗元件z1、z2、z3、z4和z5構(gòu)成，其中的阻抗元件可以是電容、電感或電阻，其連接方式如下5個(gè)阻抗元件依次串聯(lián)連接；放大器A1的正輸入端連接在元件z1未與元件z2相連的那一端；放大器A1的負(fù)輸入端連接在元件z2與z3之間的節(jié)點(diǎn)處；放大器A1的輸出端連接在元件z3與z4之間的節(jié)點(diǎn)處；放大器A2的正輸入端連接在元件z4與z5之間的節(jié)點(diǎn)處；放大器A2的負(fù)輸入端也連接在元件z2與z3之間的節(jié)點(diǎn)處；放大器A2的輸出端連接在元件z1與z2之間的節(jié)點(diǎn)處。這樣，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)1和驅(qū)動(dòng)點(diǎn)1′之間的阻抗Z可以表示為z=z1·z3·z5z2·z4---(1)]]>圖2所示為利用GIC構(gòu)成電感的電路圖。如圖2所示，若GIC中的元件z4為阻抗值為1/SC的電容(S＝j(luò)ω，為電路的復(fù)頻率；其中，ω為電路頻率，j為復(fù)平面上虛軸的單位)，其余4個(gè)元件z1、z2、z3和z5分別為阻抗值為R1、R2、R3和R5電阻，則此時(shí)的阻抗Z為Z=SC·R1·R3·R5R2---(2)]]>阻抗Z與頻率ω成正比，因此這時(shí)的GIC相當(dāng)于一個(gè)電感。
圖3所示為利用通用阻抗變換器構(gòu)成一種頻變負(fù)阻的電路圖。如圖3所示，若GIC中的元件z1和z3為阻抗值分別為1/SC1和1/SC3的電容，而元件z2、z4和z5分別為阻抗值為R2、R4和R5電阻，則此時(shí)的阻抗Z為Z=R5S2C1·C3·R2·R4=R5ω2C1·C3·R2·R4---(3)]]>阻抗Z正比于-1/ω2，因此這時(shí)的GIC相當(dāng)于一種頻變負(fù)阻(FDNR，frequency-depended negative resistor)，稱為D元件。
接下來(lái)，說(shuō)明1/S變換。其方法是將原電路元件的阻抗乘上1/S，從而得到具有新阻抗特性元件。經(jīng)過(guò)1/S變換后，電路中的電感、電容和電阻則分別變?yōu)榱穗娮琛元件和電容，如表1所示。如果對(duì)電路中全部的電感、電容和電阻都進(jìn)行1/S變換，則此電路的傳遞函數(shù)仍保持不變。
表11/S變換 圖4A所示為一低通濾波器的歸一化電路圖；圖4B所示為對(duì)圖4A的歸一化電路進(jìn)行1/S變換后的電路圖；圖4C所示為利用通用阻抗變換器構(gòu)成圖4B中頻變負(fù)阻的電路圖。
布魯頓(Bruton L T)提出了一種布魯頓變換，是指將每個(gè)阻抗元件乘上一個(gè)不影響轉(zhuǎn)移函數(shù)的比例因子“1/S”，從而轉(zhuǎn)換為一個(gè)新的阻抗元件(參見Network transfer function using the concepts of frequency-dependent negativeresistance，IEEE Trans，Circuit Theory，1969)，用這種方法實(shí)現(xiàn)的高階濾波器比用電感模擬法實(shí)現(xiàn)的高階濾波器所需的有源器件數(shù)目要少。利用D元件直接從歸一化的LC低通濾波器原型得到有源低通濾波器的步驟，主要包括將低通濾波器的電路歸一化，結(jié)果如圖4A所示；對(duì)得到的歸一化電路進(jìn)行1/S變換，得到的電路如圖4B所示；以及利用GIC構(gòu)成1/S變換后電路中的D元件，從而得到低通濾波器的實(shí)現(xiàn)電路，如圖4C所示。
1/S變換在實(shí)現(xiàn)具有低通特性的電路時(shí)具有優(yōu)越性，然而在實(shí)現(xiàn)具有高通特性的電路時(shí)具有局限性，不能達(dá)到較高的指標(biāo)要求。因此，本發(fā)明提供了另一種阻抗特性變換方法，以及利用其得到并在電路上實(shí)現(xiàn)高通濾波器電路的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種阻抗特性變換方法，及采用該方法實(shí)現(xiàn)的高通濾波器電路，以取代一般高通濾波器電路中精度難以滿足要求的電感，從而達(dá)到計(jì)算方便、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、元件易得等優(yōu)點(diǎn)。
因此，為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種對(duì)阻抗元件進(jìn)行阻抗特性變換的方法，將所述阻抗元件的阻抗乘以復(fù)平面上的虛軸單位j與電路頻率ω的乘積，從而得到變換后的阻抗特性。
其中，所述阻抗元件包括電感、電容和電阻，所述電感、電容和電阻的阻抗特性在變換后分別相應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l變負(fù)阻、電阻和電感的阻抗特性。并且，所述頻變負(fù)阻的阻抗為負(fù)數(shù)且與電路復(fù)頻率的平方成正比。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還公開了一種上述方法獲取的頻變負(fù)阻，利用通用阻抗變換器在電路上實(shí)現(xiàn)，其電路又包括五個(gè)阻抗元件，即，第一元件、第二元件、第三元件、第四元件和第五元件，所述五個(gè)阻抗元件依次串聯(lián)連接；第一放大器，其正輸入端連接在所述第一元件未與所述第二元件相連的一端，其負(fù)輸入端連接在所述第二元件與所述第三元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其輸出端連接在所述第三元件與所述第四元件之間的節(jié)點(diǎn)處；以及第二放大器，其正輸入端連接在所述第四元件與所述第五元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其負(fù)輸入端連接在所述第二元件與所述第三元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其輸出端連接在所述第一元件與所述第二元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其中，所述第二元件和第四元件為電容，而所述第一元件、第三元件和第五元件為電阻。
進(jìn)一步的，所述第一放大器和所述第二放大器為運(yùn)算放大器。所述頻變負(fù)阻的阻抗值可以通過(guò)調(diào)節(jié)所述五個(gè)阻抗元件的阻抗值來(lái)調(diào)節(jié)。
在這里，本發(fā)明還公開了一種高通濾波器電路的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟步驟1，對(duì)所述高通濾波器電路進(jìn)行歸一化，得到歸一化電路；步驟2，利用權(quán)利要求1所述的方法，對(duì)所述歸一化電路中的各阻抗元件進(jìn)行阻抗特性變換；以及步驟3，利用通用阻抗變換器在電路上實(shí)現(xiàn)所述步驟2中所形成的頻變負(fù)阻。
其中，所述步驟3中，在電路上實(shí)現(xiàn)的所述步驟2中所形成的頻變負(fù)阻，其電路結(jié)構(gòu)又包括五個(gè)阻抗元件，即，第一元件、第二元件、第三元件、第四元件和第五元件，所述五個(gè)阻抗元件依次串聯(lián)連接；第一放大器，其正輸入端連接在所述第一元件未與所述第二元件相連的一端，其負(fù)輸入端連接在所述第二元件與所述第三元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其輸出端連接在所述第三元件與所述第四元件之間的節(jié)點(diǎn)處；以及第二放大器，其正輸入端連接在所述第四元件與所述第五元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其負(fù)輸入端連接在所述第二元件與所述第三元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其輸出端連接在所述第一元件與所述第二元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其中，所述第二元件和第四元件為電容，而所述第一元件、第三元件和第五元件為電阻。
另外，本發(fā)明還公開了一種高通濾波器電路，所述高通濾波器電路為利用上述高通濾波器電路的實(shí)現(xiàn)方法所述方法所實(shí)現(xiàn)的高通濾波器電路。
進(jìn)一步的，本發(fā)明還公開了一種音頻/超音頻系統(tǒng)，包括信號(hào)輸入端、處理電路以及信號(hào)輸出端，所述處理電路又進(jìn)一步包括解碼模塊、濾波模塊和功率放大模塊，所述濾波模塊中的高通濾波器電路為前面所述的高通濾波器電路。
下面，結(jié)合附圖和本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的目的、構(gòu)造、特征及其功能做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。


圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)的通用阻抗變換器的電路圖；圖2所示為利用通用阻抗變換器構(gòu)成電感的電路圖；圖3所示為利用通用阻抗變換器構(gòu)成一種頻變負(fù)阻的電路圖；
圖4A所示為一低通濾波器的歸一化電路圖；圖4B所示為對(duì)圖4A的歸一化電路進(jìn)行1/S變換后的電路圖；圖4C所示為利用通用阻抗變換器構(gòu)成圖4B中頻變負(fù)阻的電路圖；圖5所示為利用通用阻抗變換器構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的頻變負(fù)阻的電路圖；圖6A所示為一高通濾波器的歸一化電路圖；圖6B所示為對(duì)圖6A的歸一化電路進(jìn)行S變換后的電路圖；圖6C所示為利用通用阻抗變換器構(gòu)成圖6B中頻變負(fù)阻的電路圖；以及圖7所示為利用本發(fā)明的高通濾波器所構(gòu)成的音頻/超音頻系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
在下文中，將結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施方式具體描述通過(guò)S變換實(shí)現(xiàn)的利用GIC構(gòu)成高通濾波器的方法，以及應(yīng)用此方法所構(gòu)成的高通有源濾波電路。
圖5所示為利用通用阻抗變換器構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的頻變負(fù)阻的電路圖。
如圖5所示，其中的元件z2和z4為阻抗值分別為1/SC2和1/SC4的電容，而元件z1、z3和z5分別為阻抗值為R1、R3和R5電阻。則此時(shí)阻抗Z為z＝S2·C2·C4·R1·R3·R5＝-ω2·C2·C4·R1·R3·R5(3)由于阻抗Z正比于-ω2，因此這時(shí)的GIC相當(dāng)于另一種頻變負(fù)阻，稱為M元件。另外，在本實(shí)施方式中，放大器A1和放大器A2可以為各種類型的放大器，尤其以差動(dòng)運(yùn)算放大器為佳。
一種阻抗特性變換方法，即，S變換，其方法是將原電路元件的阻抗乘上S，從而得到具有新阻抗特性元件。經(jīng)過(guò)S變換后，電路中的電感、電容和電阻分別變?yōu)榱薓元件、電阻和電感，如表2所示。如果對(duì)電路中全部的電感、電容和電阻都進(jìn)行S變換，則此電路的傳遞函數(shù)不變。
表2S變換 圖6A所示為一高通濾波器的歸一化電路圖；圖6B所示為對(duì)圖6A的歸一化電路進(jìn)行S變換后的電路圖；圖6C所示為利用通用阻抗變換器構(gòu)成圖6B中頻變負(fù)阻的電路圖。
一高通濾波器的歸一化電路，如圖6A所示，包括交變電源U、三個(gè)電容C11、C12和C13、一個(gè)電阻R14以及一個(gè)電感L15，其中，交變電源U、電容C11、電容C12和電阻R14串聯(lián)成一個(gè)回路，電容C11與電容C12之間的節(jié)點(diǎn)記為A，而交變電源U與電阻R14之間的節(jié)點(diǎn)記為B，電路在節(jié)點(diǎn)B處接地。電容C13和電感L15彼此串聯(lián)連接，且電容C13的另一端連接到節(jié)點(diǎn)A而電感L15的另一端連接到節(jié)點(diǎn)B。電路中，各元件的參數(shù)分別為C11=11.146699F,C12=10.5441274F,C13=10.059460F,]]>R14＝1Ω，L15=11.090168H.]]>接下來(lái)，對(duì)圖6A所示的電路進(jìn)行S變換，即，將電路中各元件的阻抗分別乘上S，從而得到具有新阻抗特性元件。這樣，經(jīng)過(guò)S變換后，電路中的電容C11、C12和C13、電阻R14以及電感L15分別轉(zhuǎn)化為了電阻R11、R12和R13、電感L14以及M元件M15，得到的電路如圖6B所示。其中，各元件的參數(shù)分別為R11＝1.146699Ω，R12＝0.5441274Ω，R13＝0.059460Ω，L14＝1H，M15＝1.090168。
最后，進(jìn)行元件替換，即利用GIC 10構(gòu)成頻變負(fù)阻以替代元件M15，以及利用GIC 20構(gòu)成電感以替代元件L14。在本實(shí)施方式中，GIC 10中的電路元件具體包括阻值為104Ω的電阻z11，電容值為10nF的電容z12，阻值為104Ω的電阻z13，電容值為10nF的電容z14，阻值為9173Ω的電阻z15，以及兩差動(dòng)運(yùn)算放大器A11和A12。GIC 20中的電路元件具體包括阻值為104Ω的電阻z21，阻值為104Ω的電阻z22，阻值為104Ω的電阻z23，電容值為10nF的電容z24，阻值為104Ω的電阻z25，以及兩差動(dòng)運(yùn)算放大器A21和A22。這樣，利用S變換法并使用GIC，取代電路中精度難以滿足要求的電感，實(shí)現(xiàn)了高通濾波器電路，得到的電路如圖6C所示。
在高通濾波器電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，采用S變換法并使用通用阻抗變換器，可以取代電路中精度難以滿足要求的電感，因而具有計(jì)算方便、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、元件易得等優(yōu)點(diǎn)，并且由此得到的濾波器電路可以獲得很好的高通特性曲線，從而可以作為音頻系統(tǒng)或超音頻系統(tǒng)中的濾波器使用。
圖7所示為利用本發(fā)明的高通濾波器所構(gòu)成的音頻/超音頻系統(tǒng)。
如圖7所示，音頻/超音頻系統(tǒng)包括信號(hào)輸入端、處理電路以及信號(hào)輸出端三大部分。其中的信號(hào)輸入端可以包括激光讀取系統(tǒng)、音源文件或無(wú)線接收解調(diào)等。而處理電路又可以進(jìn)一步分為解碼、濾波和功率放大模塊。在其中的濾波模塊中使用了利用本發(fā)明所述的S變換法來(lái)實(shí)現(xiàn)的高通濾波器電路，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，效果及反應(yīng)良好。
雖然如上所述以具體電路的實(shí)現(xiàn)方式為例公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，然而其并非用于限定本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以對(duì)于本發(fā)明做出各種變形和改進(jìn)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍必須通過(guò)本發(fā)明所附的權(quán)利要求及其等同物所限定。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)阻抗元件進(jìn)行阻抗特性變換的方法，其特征在于，將所述阻抗元件的阻抗乘以復(fù)平面上的虛軸單位j與電路頻率ω的乘積，從而得到變換后的阻抗特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述阻抗元件包括電感、電容和電阻，所述電感、電容和電阻的阻抗特性在變換后分別相應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l變負(fù)阻、電阻和電感的阻抗特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述頻變負(fù)阻的阻抗為負(fù)數(shù)且與電路復(fù)頻率的平方成正比。
4.一種利用權(quán)利要求1、2或3所述方法獲取的頻變負(fù)阻，其特征在于，利用通用阻抗變換器在電路上實(shí)現(xiàn)，其電路又包括五個(gè)阻抗元件，即，第一元件、第二元件、第三元件、第四元件和第五元件，所述五個(gè)阻抗元件依次串聯(lián)連接；第一放大器，其正輸入端連接在所述第一元件未與所述第二元件相連的一端，其負(fù)輸入端連接在所述第二元件與所述第三元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其輸出端連接在所述第三元件與所述第四元件之間的節(jié)點(diǎn)處；以及第二放大器，其正輸入端連接在所述第四元件與所述第五元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其負(fù)輸入端連接在所述第二元件與所述第三元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其輸出端連接在所述第一元件與所述第二元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其中，所述第二元件和第四元件為電容，而所述第一元件、第三元件和第五元件為電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的頻變負(fù)阻，其特征在于，所述第一放大器和所述第二放大器為運(yùn)算放大器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的頻變負(fù)阻，其特征在于，所述頻變負(fù)阻的阻抗值可以通過(guò)調(diào)節(jié)所述五個(gè)阻抗元件的阻抗值來(lái)調(diào)節(jié)。
7.一種高通濾波器電路的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1，對(duì)所述高通濾波器電路進(jìn)行歸一化，得到歸一化電路；步驟2，利用權(quán)利要求1所述的方法，對(duì)所述歸一化電路中的各阻抗元件進(jìn)行阻抗特性變換；以及步驟3，利用通用阻抗變換器在電路上實(shí)現(xiàn)所述步驟2中所形成的頻變負(fù)阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟3中，在電路上實(shí)現(xiàn)的所述步驟2中所形成的頻變負(fù)阻，其電路結(jié)構(gòu)包括五個(gè)阻抗元件，即，第一元件、第二元件、第三元件、第四元件和第五元件，所述五個(gè)阻抗元件依次串聯(lián)連接；第一放大器，其正輸入端連接在所述第一元件未與所述第二元件相連的一端，其負(fù)輸入端連接在所述第二元件與所述第三元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其輸出端連接在所述第三元件與所述第四元件之間的節(jié)點(diǎn)處；以及第二放大器，其正輸入端連接在所述第四元件與所述第五元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其負(fù)輸入端連接在所述第二元件與所述第三元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其輸出端連接在所述第一元件與所述第二元件之間的節(jié)點(diǎn)處，其中，所述第二元件和第四元件為電容，而所述第一元件、第三元件和第五元件為電阻。
9.一種高通濾波器電路，其特征在于，所述高通濾波器電路為由權(quán)利要求7或8所述方法所實(shí)現(xiàn)的高通濾波器電路。
10.一種音頻/超音頻系統(tǒng)，包括信號(hào)輸入端、處理電路以及信號(hào)輸出端，所述處理電路又進(jìn)一步包括解碼模塊、濾波模塊和功率放大模塊，其特征在于，所述濾波模塊中的高通濾波器電路為權(quán)利要求9所述的高通濾波器電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對(duì)阻抗元件進(jìn)行阻抗特性變換的方法，為將所述阻抗元件的阻抗乘以復(fù)平面上的虛軸單位j與電路頻率ω的乘積，從而得到變換后的阻抗特性。其中，所述阻抗元件包括電感、電容和電阻，所述電感、電容和電阻的阻抗特性在變換后分別相應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l變負(fù)阻、電阻和電感的阻抗特性。此外，本發(fā)明還公開了一種高通濾波器電路的實(shí)現(xiàn)方法包括以下步驟對(duì)所述高通濾波器電路進(jìn)行歸一化，得到歸一化電路；對(duì)所述歸一化電路的各阻抗元件進(jìn)行阻抗特性變換；以及利用通用阻抗變換器在電路上實(shí)現(xiàn)上一步中形成的頻變負(fù)阻。利用本發(fā)明方法得到的高通濾波器電路具有計(jì)算方便、元件易得等優(yōu)點(diǎn)，并且利用其構(gòu)成的音頻/超音頻系統(tǒng)具有良好的音質(zhì)輸出效果。
文檔編號(hào)H03H7/06GK1787365SQ20051008686
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月11日
發(fā)明者高立, 陳叔遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)