CN101057199A - 基准电压滤波装置及包含此装置的移动电话 - Google Patents

Abstract

一种装置(40)包括电压输入端(49)和电流输入端(48)，所述电压输入端用于施加未滤波电压(V_unfil)，所述电流输入端用于从电流源接收偏置电流(Ib)。所述装置(40)还包括具有第一电流镜(44)和第二电流镜(43)的差分滤波电阻电路，所述差分滤波电阻电路位于公共输出节点和所述电压输入端(49)之间。采用将偏置电流(Ib)镜像到所述第一电流镜(44)的第一镜像电路(42)，以及将电流(Ix)镜像到所述第二电流镜(43)的第二镜像电路(41)。滤波电容器(51)位于所述装置(40)的输出侧，所述滤波电容器一侧连接到所述公共输出节点(50)，而另一侧接地。所述装置(40)在所述公共输出节点(50)处提供滤波输出电压(V_fil)。

Description

基准电压滤波装置及包含此装置的移动电话

技术领域

本发明涉及一种用于提供滤波电压的装置以及使用该装置的移动电话。

背景技术

带隙电压基准用于许多混合信号集成电路中。此带隙电压可表现出干扰。为抑制干扰，通常使用如图1所示的内部电阻器11和外部滤波电容器13。为了上述目的，各个芯片都包括焊盘，以允许具有适当电容的外部滤波电容器13连接到芯片。输出节点14上的电压被滤波，并在此示例中，用作多个缓冲器12的输入信号。

需要进行滤波的另一电路如图2所示。例如，所述电路将电源电压VDD分成其数值的一半，然后用于控制输出级22的最佳工作点。电源电压VDD的分压通过两个电阻器21来实现，其中一个电阻器可用两个CMOS晶体管代替。而且如图2所示，在此电路中，也使用了外部滤波电容器23。

另一电路如图3所述，其中需要对由带隙电压源30提供的电源电压VDD进行滤波。在此电路中，也需要外部电容器33。运用可编程增益级32，对由带隙电压源30提供并经外部电容器33滤波的基准电压进行放大。增益级32的输出可用于与图2所示相同的目的。

这些现有系统是有缺点的。图1到图3的外部元件给各自的芯片增加了焊盘，并给芯片的封装增加了管脚。此外，这些方法增加了印刷板的面积和材料单的成本。如图3所示的电路的缺点在于，必须结合由电池提供的电压的测量结果，通过软件，对增益级32进行编程。这需要简单的程序。如果没有可用的程序，将选择标准设置，所述标准设置无法保证在极端供电电压时的最佳输出级工作点。

以上总结了在技术文献以及相关专利中描述过的技术方法。在美国专利6,657,481中，提出了特定的电流镜电路。所述专利中所公开的电路只包括PMOS晶体管。如果用在滤波器结构中，此类电路的主要缺点在于：所述电路只能给电容器充电。如果干扰存在，这将导致电容器电压上升。美国专利6,657,481并未提供对基准电压进行滤波的解决方案。

因而，普遍需要提供一种实现基准电压的片内滤波的解决方案。另外，存在对于能够用于移动电话的特殊电路的需求，在所述移动电话中，如果移动电话处于发射模式时，由电池供给的供电电压将发生波动。

因此，本发明的一个目的是提供一种改进的供电电压滤波装置，优选地，所述装置无需外部电容器。

本发明的另一个目的是提供一种改进的供电电压滤波装置，应用于包括移动电话在内的电池应用。

发明内容

可以通过这里描述和要求保护的发明减少或消除已知系统的上述缺点。

依照本发明的装置如权利要求1所述。权利要求2到9要求保护各种有利的实施例。在独立权利要求10中要求保护根据本发明的移动电话，并且在权利要求11和12中要求保护有利的实施例。

根据本发明，提供了一种装置，也称为片内滤波装置(on-chip filterapparatus)，包括用于施加未滤波电压的电压输入端和用于接收偏置电流的电流输入端。还采用了包含第一电流镜(如PMOS电流镜)和第二电流镜(如NMOS电流镜)的差分滤波电阻元件。这些电流镜位于公共输出节点和电压输入端之间。设置具有第一镜像电路和第二镜像电路的滤波级。滤波电容器位于所述装置的输出侧，连接在公共输出节点和地之间。所述装置在公共输出节点提供滤波输出电压。

所提出的片内滤波装置可用于需要对带隙基准电压进行滤波(参见图1)的应用场合、需要分压器(参见图2)的应用场合、以及与图3所示类似的应用场合。所述装置可通过除去焊盘和外部电容器来节约成本，但也可以与外部电容器一起使用。

本发明的附加特点和优点将在下面的描述中加以说明，并在描述中显而易见。

附图说明

结合以下附图，并参考下面的描述，对本发明及其更多目的和优点进行更为全面的描述：

图1是示出了传统电压基准电路的示意方框图；

图2是示出了用于提供基准电压的传统电压基准电路的示意方框图，所述基准电压由供电电压(VDD)分压得到；

图3是示出了另一传统电压基准电路的示意方框图，所述电路提供可编程的基准电压；

图4是示出了根据本发明的第一装置的示意方框图；

图5A是示出了根据本发明的第二装置的详细方框图；

图5B是示出了可用于连接根据本发明的第二装置的开关电路；

图6是示出了移动电话中的电池电压和滤波电压的示意图；

图7是示出了在根据本发明的移动电话中时隙定时和采样定时的示意图；

图8是示出了根据本发明的第三装置的示意方框图；

图9是示出了根据本发明的第四装置的示意方框图。

具体实施方式

根据本发明，第一装置40如图4所示。所述装置40包括用于施加未滤波电压V_unfil的电压输入端49和用于接收偏置电流Ib(如从全局电流源)的电流输入端48。采用了包括PMOS电流镜44和NMOS电流镜43的差分滤波电阻元件。所述电流镜43、44位于公共输出节点50和电压输入端49之间。设置具有第一镜像电路42和第二镜像电路41的滤波级。滤波电容器51位于装置40的输出侧。如图4所示，电容器51可以是连接在公共输出节点50和地之间的外部电容器C。所述装置40在公共输出节点处提供滤波输出电压V_fil。但是，在优选实施例中，所述电容器作为所述装置的一部分(例如，参见图6)。在这种情况下，无需外部电容器，或仅需一个很小的外部电容器。

第一镜像电路42通过连接47为第二镜像电路41提供电流，并通过连接46为PMOS电流镜44提供电流。设置PMOS电流镜44和NMOS电流镜43，使得电流能够通过输出节点50流入或者流出电容器51，以对其进行充电或放电。即，对于本装置40，也可以接收从电容器51输出的电流。在这种情况下，电流对电容器进行放电，并流入装置40。由此可知，如果未滤波电压V_unfil升高，则滤波电压V_fil将随之发生适当的变化。

装置40还具有这样的优点：对于变化的未滤波电压V_unfil(可能发生在供电变化或伪瞬态变化(spurious transient)时)，具有较长的稳定时间。即，变化的未滤波电压V_unfil对于输出节点50处的滤波电压V_fil没有或几乎没有影响。

未滤波电压V_unfil可由带隙源提供。偏置电流Ib可由全局电流源提供，所述全局电流源可从采用了所述装置的电路中得到。然而，在装置40内部提供电流源也是可能的。供电电压VDD可由调节源从电池提供，如(VDD＝Vbat)。在优选实施例中，所述供电电压VDD大约为2.7V，未滤波(带隙)电压V_unfil为1.2或1.25V。

与图4所示的实施例相似的实施例的细节如图5A所示。装置60包括电压输入端49，将未滤波电压V_unfil施加于所述电压输入端49。此外，装置60包括用于接收偏置电流Ib的电流输入端48。在本实施例中，存在用于提供偏置电流Ib的电流源58。输出级包括具有PMOS电流镜44和NMOS电流镜43的互补结构的差分滤波电阻元件。电流镜44、43位于公共输出节点50和电压输入端49之间。设置具有第一镜像电路42和第二镜像电路41的滤波级，其中第一镜像电路42将偏置电流Ib镜像到PMOS电流镜44，以及第二镜像电路41将电流Ix镜像到NMOS电流镜43。滤波电容器C1位于装置60的外部。在本实施例中，所述电容器C1为电路的集成部分(片内电容器)，即，无需连接外部电容器的接触焊盘。滤波电容器C1一侧连接到公共输出节点50，另一侧接地。在所述公共输出节点50处提供滤波输出电压V_fil。

如图5A所示，NMOS电流镜42可包括三个NMOS晶体管MN1、MN2以及MN4。第一NMOS晶体管MN1具有栅极宽度W＝40μm和栅极长度L＝2μm。MN2和MN4两个晶体管具有栅极宽度W＝2μm和栅极长度L＝10μm。在这种情况下，镜像比例相当小(大概为1/100)，并且镜像电流Ix大概为Ib/100。由于晶体管MN2和MN4的尺寸相同，流入连接46和47的电流Ix大致相同。

第二电流镜41为PMOS电流镜。本实施例中，第二电流镜41包括两个PMOS晶体管MP0和MP3。两个晶体管的尺寸相同，而且电流镜41通过连接45为电流镜43提供镜像电流Iy，其中Iy≈Ix。

两个电流镜43和44也具有高镜像比例，使得PMOS电流镜44能够通过节点50将非常小的电流Izp馈入电容器C1，以对其进行充电。然而，NMOS电流镜43能够通过节点50接收流出电容器C1的非常小的电流Izn。电流镜43能够对电容器C1进行放电。装置60的两个电路43、44是对称的，并以类似的方式，对未滤波电压V_unfil的上升下降瞬态变化作出反应。两个电流镜43、44中的一个具有传导性，直至输出节点50处的电压V_fil达到V_unfil。在所述情况下，由于没有任何漏极电压(VDS)，则无电流Iz流动。

电压V_unfil的快速(上升和下降)瞬态变化需要持续一段时间直至达到输出电压V_fil，因为瞬态变化必须通过电流镜43、44耦合。电流镜43、44提供了对未滤波电压V_unfil的滤波，因为电流镜43、44和电容器C1的组合具有较长的时间常数(τ＝RC)(如，τ＝40ms到160ms)。由于如图5A所示的串联元件MP2和MN3的非线性特性，装置40和60对大瞬态变化反应快而对小瞬态变化反应较慢。这有利于滤出(小的)不需要的电源(VDD)纹波或噪声。

图4和图5A所示的两个实施例包括第一电流镜44和第二电流镜43的互补结构，其中第一电流镜44为PMOS电流镜，而第二电流镜43为NMOS电流镜。可用双极型晶体管的互补结构代替PMOS和NMOS电流镜。

图6示出了在如GSM移动电话中发生的典型问题。由于电池操作移动电话发射短脉冲串(burst)，在移动电话中的发射机正在发射脉冲串时，电池电压Vbat下降。如图6所示，其中电池电压(电源电压)Vbat在电话发射脉冲串时减小。典型地，GSM电话在长约0.58ms(0.577ms的GSM时隙，以4.615ms的帧速率重复)的时间段内发射脉冲串。在剩余时间中(“安静”部分A)，由于移动电话的其他处理并未给电池带来较大的负担，电池电压Vbat达到标称值。如果对如图6所示意的滤波输出电压V_fil进行分析，这类电源电压波动也是可见的。滤波电压V_fil的变化小得多，但是仍能看到脉冲串发射的影响。

这里描述了本发明的另一改进实施例。所述实施例基于图4和图5A所示的实施例。所述实施例为应用于移动电话的优选实施例，因为该实施例能够减少或避免上述脉冲串发射的影响。脉冲串发射的影响是一种以有规律的时间间隔发生的干扰。在改进的实施例中，使用同步时钟，并且在干扰时间段的“安静”部分A期间，对本发明的滤波器装置进行采样。这是可行的，因为对于移动电话的电路，时隙定时信息是可知的。根据此改进的实施例，在0.58ms时隙以外的时间，对滤波器装置进行采样。

如图7所示，在“安静”部分A期间的时间段74(具有一些余量)可用于采样。曲线72表示GSM电话的时隙定时，曲线73表示采样定时。由于移动电话的电路可分辨何时发射脉冲串(如图7所示，在0.58ms时隙期间)，仅在短采样时间段74(如，144μs的时间段)期间，对未滤波电压V_unfil进行滤波。在剩余时间里，滤波功能关闭，而且电池电压Vbat的波动70对于滤波电压V_fil没有影响。

采样也可通过切换图5所示的一个或多个晶体管来进行。如果在电话发射脉冲串的时间段内，将电流镜43、44关闭，则即使电源电压(Vbat)表现出波动，电容器C1仍将保持输出电压V_fil恒定不变。脉冲串发射结束时，可重新接通电流镜43、44(具有较短的延迟余量)，并继续滤波。例如，可通过开关PMOS晶体管MP2和开关NMOS晶体管MN3来进行切换。图5B所示为一可能的开关电路，所述开关电路可插入在图5A所示的电路中的两个端子K1和K2之间。开关电路为包括PMOS晶体管MP4和NMOS晶体管MN6的互补开关。此开关电路位于输入节点49和两个晶体管MP2、MN3之间。可通过向节点A1施加接近VDD的逻辑信号以及向节点A2施加接近地的逻辑信号来控制所述开关电路。

代替图5B所示的开关电路，可采用晶体管MP3和MN5之间的NMOS开关以及晶体管MP1和MN2之间的PMOS开关。这些开关允许对电流镜41、42进行切换。

由于输出节点50上的负载为非电阻负载，电容器C1能够保持电压V_fil恒定不变。因此，所述负载不会对电容器C1造成显著的放电。由于采样，可得到更长的时间常数τ。可以将τ增加大约30dB。应用于图4和图5的实施例的基准滤波可通过所描述的采样方案得到进一步改进。

需要注意的是，上述参数仅用于举例。本发明也可工作于其他参数。

片内电容器(如图5A所示的电容器C1)可为栅极电容器或金属电容器。

图8中示出了另一个实施例。所述实施例类似于图1的实施例。图8示出了诸如移动电话的混合信号集成电路的一部分的方框图。使用带隙电压基准10。在输出端49处提供的带隙电压可表现出干扰。为抑制干扰，可采用如图5A所示的滤波器装置60。由于相应的电容器为装置60的一部分，无需外部滤波电容器。对输出节点50处的电压进行滤波，并在本示例中作为多个缓冲器12的输入信号。

图9还示出了另一实施例。所述实施例与图2中的实施例类似。图9是另一移动电话的混合信号集成电路的一部分的方框图。所述实施例将电源电压VDD分压为电压值的一半(或其他值)，并且使用该电压来控制输出级22的最佳工作点。电源电压VDD的分压通过两个电阻器21或两个CMOS晶体管来实现。同样如图9所示，也可在所述电路中采用具有片内电容器的滤波器装置60。

根据本发明，为了能够提供干净的(滤波的)输出电压V_fil，需要对带隙噪声和电源噪声进行滤波。根据优选实施例，切换差分滤波电阻电路以在干扰低的时刻进行采样。如果用于移动电话，本发明能够防止电话的模拟音频部分受到干扰的影响。

可以理解的是，在独立实施例的上下文中清晰描述的本发明的多种特征也可在单个实施例中组合提供。相反地，在单个实施例的上下文简要描述的本发明的多种特征也可单独提供或以任意适当的子组合提供。

本发明的优选实施例已在附图和说明中加以说明，虽然使用了特定术语，但是给出的描述仅在普遍以及描述性的意义上使用给定术语，而非限制性的目的。

Claims (12)

1.一种装置(40；60)，包括：

—电压输入端(49)，用于施加未滤波电压(V_unfil)，

—电流输入端(48)，用于从电流源(58)接收偏置电流(Ib)，

—差分滤波电阻电路，包括第一电流镜(44)和第二电流镜(43)的互补结构，所述差分滤波电阻电路位于公共输出节点(50)和所述电压输入端(49)之间，

—滤波级，具有第一镜像电路(42)和第二镜像电路(41)，所述第一镜像电路(42)用于将所述偏置电流(Ib)镜像到所述第一电流镜(44)，第二镜像电路(41)用于将电流(Ix)镜像到所述第二电流镜(43)，

—滤波电容器(C1)，位于所述装置(40；60)的输出侧，所述滤波电容器(51；C1)一侧连接到所述公共输出节点(50)，而另一侧接地，

所述装置(40；60)在所述公共输出节点(50)处提供滤波输出电压(V_fil)。

2.如权利要求1所述的装置(40；60)，其中，所述第一电流镜(44)为PMOS电流镜(44)，而所述第二电流镜(43)为NMOS电流镜(43)。

3.如权利要求2所述的装置(40；60)，其中，所述PMOS电流镜(44)包括第一PMOS晶体管(MP1)和第二PMOS晶体管(MP2)，所述第一和第二PMOS晶体管的栅极共同连接到所述第一镜像电路(42)的第一输出端(46)，所述第一和第二PMOS晶体管的源极共同连接到所述电压输入端(49)，而且所述第一PMOS晶体管(MP1)的漏极也连接到所述第一镜像电路(42)的所述第一输出端(46)，以及所述第二PMOS晶体管(MP2)的漏极连接到所述公共输出节点(50)。

4.如权利要求2或3所述的装置(40；60)，其中，所述NMOS电流镜(43)包括第一NMOS晶体管(MN5)和第二NMOS晶体管(MN3)，所述第一和第二NMOS晶体管的栅极共同连接到所述第二镜像电路(41)的第一输出端(45)，所述第一和第二NMOS晶体管的源极共同连接到所述电压输入端(49)，而且所述第一NMOS晶体管(MN5)的漏极也连接到所述第二镜像电路(41)的所述第一输出端(45)，以及所述第二NMOS晶体管(MN3)的漏极连接到所述公共输出节点(50)。

5.如权利要求4结合权利要求3所述的装置(40；60)，其中，所述第二PMOS晶体管(MP2)和所述第二NMOS晶体管(MN3)中的每一个均用作直通电阻器(pass resistor)。

6.如权利要求1到5之一所述的装置(40；60)，其中，所述互补结构设计成使电流(Izp)流入所述滤波电容器(51；C1)或接收流出所述滤波电容器(51；C1)的电流(Izn)。

7.如权利要求1到6之一所述的装置(40；60)，其中，在所述装置(40；60)的供电电压(VDD；Vbat)由于反复加载而降低的时间段(A)期间，关闭所述装置(40；60)。

8.如权利要求7所述的装置(40；60)，其中，所述切换通过开关PMOS晶体管(MP2)和开关NMOS晶体管(MN3)来进行。

9.如权利要求7所述的装置(40；60)，其中，所述切换通过开关电流镜(41，42)或开关电压输入端(49)来进行。

10.一种移动电话，包括如上述权利要求1到9之一所述的装置(40；60)。

11.如权利要求10所述的移动电话，其中，所述电话包括提供供电电压(VDD，Vbat)的电池，在所述电话反复发射脉冲串的时间段期间，所述供电电压降低。

12.如权利要求11所述的移动电话，其中，在所述时间段期间，关闭所述装置(40；60)。

Images