CN101127515B - 滤波器装置和用于滤波的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种滤波器装置和用于滤波的方法，滤波器装置包括运算放大器和耦接到该运算放大器的输入端和输出端的之间开关电容器电路。根据本发明的滤波器装置可以获得较稳定的环路特性，增加PLL的噪声/抖动性能，并实现环路滤波器的可调谐性。

Description

滤波器装置和用于滤波的方法
技术领域
本发明涉及滤波器装置，尤其涉及模拟滤波器装置。
背景技术
目前的模拟滤波器设计，例如模拟PLL(锁相环路)设计，大多数基于包含R-C元件的连续时间环路滤波器。例如，三阶PLL被广泛选择为在抖动性和稳定性之间，即峰化和振铃之间，达到最佳的折衷，可以采用图2所示的环路滤波器结构。
图2示出了二阶环路滤波器，其包括两个电容器Cs和Cb，以及与电容器Cb串联的电阻器R。此外，提供了运算放大器。例如，图2所示的滤波器结构可以实施为尤其用于例如自偏置PLL结构的有源器件(例如MOSFET)。
因为PLL用于诸如高速CDR，频率合成器，时钟发生器等全部或部分集成的应用，为例如锁相环路结构获得高度独立于过程和温度的环路滤波器结构是很有利的，该锁相环路结构提供几乎恒定的环路特征，其中该环路特征可以是环路带宽，稳定性，抖动性等。
发明内容
根据一方面，本发明提供了一种滤波器装置，其包括运算放大器和耦接在该运算放大器的输入和输出之间的开关电容器电路。
该开关电容器电路可以包括电容器和开关装置，该开关装置例如可以按开关频率进行开关。电容器可能具有依赖于该开关频率的电容值。因为该开关频率至少部分决定了该电容器的电容值，在该开关频率与电容值之间就存在联系。
根据另一方面，该滤波器装置可以包括控制器，其控制开关装置以便获得该开关装置随开关频率的可开关性。该开关装置可以包括一个或多个由例如晶体管组成的开关，根据由例如控制器提供的控制信号这些晶体管可随开关频率设置为导电或不导电状态。
根据另一方面，该开关电容器电路可以包括另一个电容器，其中可以基于下式确定其电容值：
Cr＝Cb/(1.1＊(Cb＊Rcr＊fclk-1))    (1)
其中Cr是该电容器的电容值，Cb是该另一个电容器的电容值，Rcr是所需的阻抗值，其将被开关电容器电路仿真，并且其中fclk表示开关频率。该开关频率优选为：
fclk＞1.5/(Cb＊Rcr)    (2)
根据再一个方面，该开关装置被设置为用于可开关地将该另一个电容器与该电容器并联。
本发明进一步提供了一种包含被设置为模拟电阻器的开关电容器电路的滤波器装置，该开关电容器电路包括电容器和开关装置，其中该电容器的电容值取决于开关频率。例如，如前所述选择该电容值和该开关频率之间的依赖关系以及该开关频率的值。
此外，该电路装置可以包括另一个电容器，其中该开关装置可开关地将该另一个电容器并联到该电容器。
本发明进一步提供了一种用于滤波的装置，其包括用于放大的装置和用于提供开关电容器特性的装置，用于提供开关电容器特性的该装置耦接到用于运算放大的该装置的输入端和输出端之间。
根据一个方面，用于提供开关电容器特性的该装置可以包括电容器和开关装置，该开关装置可随开关频率开关，该电容器的电容值取决于该开关频率。
根据一个方面，用于提供开关电容器特性的该装置可以包括另一个电容器，其中电容值可以取决于开关频率和/或根据上述公式从该另一个电容器的另一个值得到。此外，可以根据上述公式选择该开关频率。
本发明进一步提供了一种用于滤波的装置，其包括用于提供开关电容器特性的装置，该特性用于形成或模拟电阻器功能。用于提供开关电容器特性的该装置还包括电容器和可随开关频率开关的开关装置，其中该电容器的电容值取决于该开关频率。
根据另一方面，用于提供开关电容器特性的该装置可以包括另一个电容器，其中电容值可以取决于该另一电容器的另一电容值和/或根据上述公式取决于开关频率。此外，可以根据上述公式选择该开关频率。
此外，本发明提供了一种用于滤波的方法，其包括使用运算放大器放大信号以获得放大的信号，以及将该放大的信号通过开关电容器电路回馈到该运算放大器的输入端。
该方法可以进一步包括根据包含在该开关电容器电路中的开关装置的开关频率调整包含在该开关电容器电路中的电容器的电容值。
该开关电容器电路可以进一步包括另一个电容器，并且该方法可以包括根据上述公式选择其电容值。该方法可以进一步包括根据上述公式选择该开关频率。
本发明进一步提供了一种用于滤波的方法，其包括使用开关电容器电路组成或模拟电阻器，该开关电容器电路包括电容器和开关装置。该方法可以进一步包括随开关频率开关该开关装置，其中该电容器的电容值取决于该开关频率。
可以根据上述公式选择该电容值和该开关频率。
附图说明
将参考附图描述实施例，其中：
图1示出了该滤波器装置的框图；
图2示出了该滤波器装置的特性。
具体实施方式
图1示出了滤波器装置，其包括运算放大器101，电容器103(Cr)，另一个电容器105(Cb)，以及可选电容器107(Cs)。该滤波器装置进一步包括开关装置109，其包括第一开关111和第二开关113。
开关装置109，电容器103以及另一个电容器105形成了耦接在运算放大器101的输出端和输入端之间的开关电容器电路。例如，开关装置109的第一和第二开关111，113可随频率Fclk同时开关。具体而言，在闭合的状态，电容器103和105并联，其中电容器103的一端耦接到第一开关111和第二开关113之间的节点。另一个电容器105的一端连接到开关111的另一端，在切换后可连接到开关111和113之间的节点。可选电容器107耦接在该运算放大器的输出端和输入端之间。
例如，电容器103的电容值为Cr＝6pF，另一个电容器105的电容值为Cb＝20pF，电容器107的电容值为Cs＝0.25pF。例如，在频率fin＝fclk＝250MHz，fout＝1GHz，fn＝10MHz下设定上述电容值。
该开关电容器电路被配置为模拟电阻性元件，该电阻性元件的电阻值可以由下式计算：
Rcr＝(1.1＊Cr+Cb)/(1.1＊Cr＊Cb＊fclk)    (3)
例如，用上述值计算，Rcr＝800Ω。在这种情况下，Ron约为100Ω。
例如，该滤波器装置可以是二阶PLL环路滤波器(例如，单端型)。
根据本发明，图2所示的被动的，高度依赖于过程的电阻器装置R被开关电容器路径代替。这种概念具有以下优点：
-减少了环路滤波器阻抗对过程的依赖性，从而可以获得较稳定的环路特性；
-由于不使用电阻器，使得可能增加PLL的噪声/抖动性能；以及
-通过用于可选带宽跟踪的开关电容器时钟，实现了环路滤波器的可调谐性。
优选地，在例如图2所示的有源二阶环路滤波器中使用开关电容器电路代替电阻器。该有源环路滤波器优选为全差分滤波器，其能够减小开关噪声对PLL抖动性的影响。产生开关频率fclk(FCLK)的SC时钟源可以是PLL输入时钟，PLL输出时钟，或任何非PLL或PLL相关的时钟。该时钟可以重叠或不重叠。该时钟优选为对称时钟。
这种新颖的开关电容器环路滤波器结构还提供了高度独立于过程和温度的运行，并且例如可以用于调谐或跟踪的目的，保证工作稳定且噪声较低。
根据一个方面，图1所示的电容器105(Cb)两端的电压可以递归地基于下面Ub的公式来计算：
Ub1＝(Cr＊Ur0+Cb＊Ub0)/(Cr+Cb)
Ub0＝0v，Ur0＝Ui    (4)
Ub1＝Cr＊Ui/(Cr+Cb)
RC滤波器跃升反应在t＝0处的斜率根据下式决定斜率从0到Ui的上升：
Src＝Ui/(R＊C)    (5)
导致上升斜率从0变到Ui的SC滤波器的跃升反应在t＝0处的斜率为：
Ssc＝Ub1＊fclk    (6)
令Sb＝Src，得到：
1/(Rcr＊Cb)＝Cr＊fclk/(Cr+Cb)→Rcr＝
(1.1＊Cr+Cb)/(1.1＊Cr＊Cb＊fclk)    (7)
根据本发明，引入校正因子1.1是为了调整电容值以便得到所需的电阻值Rcr。

Claims (9)

1.滤波器装置，包括：
运算放大器，
耦接到该运算放大器的输入端和输出端之间的开关电容器电路，该开关电容器电路包括电容器、另一个电容器和开关装置，该开关装置被设置为用于可开关地将该另一个电容器并联到该电容器，和
第三电容器，其耦接在该运算放大器的输出端和输入端之间，
该开关装置随开关频率开关，该电容器的电容值取决于该开关频率，
该电容器具有电容值Cr，根据下式确定该电容值：
Cr＝Cb/(1.1＊(Cb＊Rcr＊fclk-1))
其中Rcr是由该开关电容器电路模拟的电阻值，fclk是该开关频率，Cb是包含在该开关电容器电路中的该另一个电容器的电容值。
2.权利要求1的滤波器装置，该开关频率根据下式确定：
fclk＞1.5/(Cb＊Rcr)
其中Rcr是由该开关电容器电路模拟的电阻值，Cb是包含在该开关电容器电路中的该另一个电容器的电容值。
3.滤波器装置，包括：
开关电容器电路，其耦接在运算放大器的输入端和输出端之间并被设置为组成电阻器，该开关电容器电路包括电容器、另一个电容器和随开关频率开关的开关装置，该电容器的电容值取决于该开关频率，该开关装置被设置为用于可开关地将该另一个电容器并联到该电容器，
第三电容器，其耦接在运算放大器的输出端和输入端之间，
根据下式确定该电容器的电容值Cr：
Cr＝Cb/(1.1＊(Cb＊Rcr＊fclk-1))
其中Rcr是由该开关电容器电路模拟的电阻值，fclk是该开关频率，Cb是包含在该开关电容器电路中的该另一个电容器的电容值。
4.权利要求3的滤波器装置，该开关频率根据下式确定：
fclk＞1.5/(Cb＊Rcr)
其中Rcr是由该开关电容器电路模拟的电阻值，Cb是包含在该开关电容器电路中的该另一个电容器的电容值。
5.一种用于滤波的装置，包括：
用于使用运算放大器放大信号以获得放大的信号的装置；
用于提供开关电容器特性的装置，包括电容器、另一个电容器和开关装置，该开关装置被设置为用于可开关地将该另一个电容器并联到该电容器；以及
第三电容器，其耦接在该运算放大器的输出端和输入端之间，
该放大的信号通过用于提供开关电容器特性的装置回馈到该运算放大器的输入，
该开关装置随开关频率开关，该电容器的电容值取决于该开关频率，
该电容器的电容值为：
Cr＝Cb/(1.1＊(Cb＊Rcr＊fclk-1))
其中Rcr是由用于提供开关电容器特性的装置模拟的电阻值，fclk是该开关频率，Cb是包含在用于提供开关电容器特性的装置中的该另一个电容器的电容值。
6.权利要求5的用于滤波的装置，该开关频率fclk根据下式确定：
fclk＞1.5/(Cb＊Rcr)
其中Rcr是由用于提供开关电容器特性的装置模拟的电阻值，Cb是包含在用于提供开关电容器特性的装置中的该另一个电容器的电容值。
7.一种用于滤波的方法，包括：
使用运算放大器放大信号，以获得放大的信号；以及
将该放大的信号通过开关电容器电路回馈到该运算放大器的输入，该开关电容器电路包括电容器、另一个电容器和开关装置，该开关装置被设置为用于可开关地将该另一个电容器并联到该电容器，
在该运算放大器的输出端和输入端之间耦接第三电容器，
其中该电容器的电容值取决于开关频率，该方法还包括随开关频率开关该开关装置，
该电容器的电容值为：
Cr＝Cb/(1.1＊(Cb＊Rcr＊fclk-1))
其中Rcr是由该开关电容器电路模拟的电阻值，fclk是该开关频率，Cb是包含在该开关电容器电路中的该另一个电容器的电容值。
8.权利要求7的用于滤波的方法，该开关频率fclk根据下式确定：
fclk＞1.5/(Cb＊Rcr)
其中Rcr是由该开关电容器电路模拟的电阻值，Cb是包含在该开关电容器电路中的该另一个电容器的电容值。
9.用于滤波的方法，其使用开关电容器电路以形成或模拟电阻器的功能，该开关电容器电路耦接在运算放大器的输入端和输出端之间，并且该开关电容器电路包括电容器、另一个电容器和开关装置，该开关装置被设置为用于可开关地将该另一个电容器并联到该电容器，在运算放大器的输出端和输入端之间耦接第三电容器，
其中该电容器的电容值取决于开关频率，该方法还包括随开关频率开关该开关装置，
该电容器的电容值为：
Cr＝Cb/(1.1＊(Cb＊Rcr＊fclk-1))
其中Rcr是由该开关电容器电路模拟的电阻值，fclk是该开关频率，Cb是包含在该开关电容器电路中的该另一个电容器的电容值。
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