CN101420212B - 电阻电容时间常数校准装置 - Google Patents

电阻电容时间常数校准装置 Download PDF

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Abstract

一种包括电阻电容积分电路的校准装置。此种校准装置还包括频宽设定控制器以提供频宽设定码来指示用于该电阻电容积分电路校准的参考频宽，以及耦接至该电阻电容积分电路的电容码产生器，该电容码产生器使用该频宽设定码及该电阻电容积分电路的目前电容值来产生电容码。

Description

电阻电容时间常数校准装置
技术领域
本发明是关于一种电子电路领域中的系统及方法，特别是一种有关于校准电阻电容电路的系统及方法。
背景技术
电阻电容滤波器通常使用在集成电路来控制极点(poles)和零点(zeros)的频率。然而，由于在操作情形中的制造缺陷及变异，电阻电容滤波器的电阻与电容值在传统上有百分之二十五到百分之五十的变异，一个用于承担这些变异的方法是使用一个可变电容阵列，调整电容值以维持电阻电容时间常数的值，并控制极点和零点的频率。
图1显示已知电阻电容校准电路100。电阻电容校准电路100包括了在节点N和接地并联的电阻器100及电容器112。电流源114提供电流IN至节点N，而引起了跨在电阻器110及电容器112的电位降VN。在传统上，电容器112可使用一个功能上是数字对模拟转换器的可变电容来实施。伴随着校准电路100的问题之一在于多重比较可导致电源消耗的增加。此外，校准电路100局限于在固定的频率上来校准该电阻电容电路。
发明内容
依据本发明的技术，揭露一实施范例校准装置。该装置包括电阻电容积分电路；频宽设定电路以提供频宽设定码来显示用于该电阻电容积分电路的校准的参考频宽值；以及电容码产生器，耦接至该电阻电容积分电路，以产生电容码来使用频宽设定码与该电阻电容积分电路目前电容值，而调整该电阻电容积分电路的电容。
依据本发明的技术，又揭露一实施范例装置包括电阻电容积分电路；频宽设定控制器以提供频宽设定码来显示用于该电阻电容积分电路的校准的参考频宽值；以及电容码产生器，耦接并提供正反馈至该电阻电容积分电路，使用频宽设定码与该电阻电容积分电路目前电容值，而调整该电阻电容积分电路的电容。
依据本发明的技术，本发明提出又揭露进一步揭露一实施范例校准装置，该装置包括包括输出端的电阻电容积分电路；控制时钟产生器来产生多个控制时钟；计数器，耦接至控制时钟产生器来计数至少一个该等控制时钟的时钟脉冲；比较器，耦接至该输出端来对参考电压与在该输出端上的电压做比较，并且产生触发事件来触发该计数器来停止计数；数字控制器接收该已计数时钟脉冲并产生频宽设定码；以及电容码产生电路，耦接至该电阻电容积分电路，以产生电容码来使用频宽设定码与该电阻电容积分电路目前电容值而调整该电阻电容积分电路的电容。
依据本发明的技术，再揭露一实施范例用于校准电阻电容积分电路的方法，该方法包括接收频宽设定码来显示用于该电阻电容积分电路校准的参考频宽码；计算该电阻电容电路的目前电容值；以及产生电容码来使用频宽设定码与该电阻电容积分电路的目前电容值来调整该电阻电容积分器的目前电容值。
此外依据本发明的技术，复揭露一实施范例用于校准电阻电容积分电路的方法，该方法包括产生多个控制时钟；计数至少一个该等控制时钟的时钟脉冲；对参考电压与电阻电容积分电路的输出端上的电压做比较；使得计数器停止计数；计算介于频宽设定码与已计数时钟脉冲间的数目的差异；以及根据该差异来调整该电阻电容积分电路的电容。
在此需知上述的充要叙述以及下列的详细叙述仅为例示及释明，而并非用以局限上述的申请专利范围所界定的本发明。
兹配合下列图示、实施例的详细说明及申请专利范围，将上述及本发明的其它目的与优点详述于后。
附图说明
图1显示已知电阻电容校准电路的概要图。
图2显示依据本发明技术的一实施范例，包括电阻电容电路的校准装置的概要图。
图3显示依据本发明技术的一实施范例的电阻电容校准电路操作的时序图。
图4显示依据本发明技术的一实施范例，用于校准电阻电容电路的例示方法的流程图。
图5显示依据本发明技术的一实施范例的积分校准电路的概要图。
图6显示依据本发明技术的一实施范例的校准电路的概要图。
[主要元件标号说明]
100、200、500、600～装置     116～数字逻辑器
120～数位计数器              122、226～比较器
202～电源方块                204、206～端点
208～电阻器                  210～正输入端
212～负输入端                214～运算放大器
216～正输出端                218～负输出端
224～电容码产生器            228～源时钟
230、234～除频器             232～N位计数器
238～减法器                  240～频宽设定控制器
244～截止电路                246～加法器
250～新电容码                300～时序图
400～流程图
402、404、406、408、410、412、414、416、418、420～步骤
501、502～积分电路           602～控制时钟产生器
604～数字控制器              ΔV、VOUT、VREF～电压
C220、C222～电容器
CLKIN、CLKA、CLKB～时钟      R1、R2、R3、R4～电阻
STOP～信号                   SW1、SW2～开关
具体实施方式
在以下叙述中，提出特定的技术及实施例比如流程的特殊次序以及接口和设置，是为了提供对此技术的整体认知来用以解释而并非是限制。技术及实施范例大体上以上下文描述并配合附图，本领域技术人员能更进一步地体会此技术及实施例可使用其它的电路类型来实施。
请详细参考本发明的诸实施例，并一并显示在附图中，在合理位置中，在整体附图中同一参考编号意指相同或相似部分。
图2显示依据本发明技术的一实施范例，用于校准电阻电容电路的校准电路200，可以克服一个或多个前面所提及的已知校准电路的不足之处。请参照图2，电源方块202在端点204与206上设置以提供电压ΔV至包括排列电阻R1-R4的电阻器208。因此，电压提供至运算放大器214的输入端210及212上。如图2所示，运算放大器214包括各自的“正”与“负”的输入端210及212、各自的“正”与“负”的输出端216及218。电容器C220耦接在运算放大器214的输入端210与输出端218之间。如图2所示，电阻R1-R4从电阻电容电路耦接至电容器C220及C222。虽然如图2所示有四个电阻器及两个电容器，但本领域技术人员可领会到更多或更少的电阻器及电容器可关联到校准电路的不同形式。更进一步地，该相关电容或电阻可当作全部电阻器枝等效电阻亦可当作多个电容器的等效电容。例如在本实施例中，电阻器R1与R2可由具有电阻值(R1R2)/(R2-R1)的单一电阻器来取代。
电阻器C220及C222可以使用功能为数字对模拟转换器的电容器阵列来实施。例如，每一电容器C220与C222可以用二进制权重(binary-weighted)电容器或分数权重(fractional-weighted)电容器来实施，或者，数字模拟转换器可耦接至电容器C220及C222来设定该等电容器的电容值。
电容器C220及C222的电容值会根据一个由电容码产生器224所产生的数字电容码来设定，电容器C220及C222接收电容码，并且转换该电容码为模拟电容值，更进一步地，开关SW1并联耦接至C222以及开关SW2并联耦接至C220。当开关SW1及SW2关闭时，在运算放大器214的输出端216与218上的两电压(VOP与VOUT)可位于运算放大器2214的共模点。开启开关SW1及SW2可使得电容器C222及C220放电，并使得VOP充电至运算放大器214的最大正电压输出，并且使得VOUT充电至运算放大器214的最大负电压输出。运算放大器214的VOUT端218耦接至可使用数字或模拟比较器来实施的比较器226，比较器226进一步提供参考电压Vref及执行介于VOUT与VREF之间的比较，虽然在输出端216及218上的VOP与VOUT可位于运算放大器214的共模端，并且VOUT与Vref可通过单端信号来表示，但本领域技术人员当领会在此校准装置200可用差动信号来实施。例如，运算放大器214可放大跨在输入端210及212上输入电压之间的差异，并且提供该放大差异来当做差动信号VOUT，同样地，Vref可以使用差动信号方式提供。
源时钟228提供时钟脉冲CLKin至除频器230以及比较器226，除频器230用2M来降低CLKin的频率而产生计数器时钟脉冲CLKA，其中M是整数用来指示在一CLKA的时钟周期中比较器115所执行的比较次数，CLKA可输入至N位计数器232。其中，N为整数指示用于计算电容器C220及C222的数字电容的位数。N位计数器232计数着输入至N位计数器232的CLKA的时钟脉冲数，CLKA亦可输入至除频器234中，除频器234产生时钟脉冲CLKB，除频器234并用2(N+1)降低CLKA的频率，并且将CLKB提供至比较器226及至开关SW1及SW2。
如以下更进一步所描述，当CLKB为高时，开关SW1及SW2可关闭，并且VOP及VOUT可几乎位于运算放大器214的共模点。然而，当CLKB变成低时，开关SW1及SW2可用CLKB以脉冲打开，并且N位计数器232可启动计数CLKA的时钟脉冲。开启开关SW1及SW2可使得电容器C220及C222放电，因此使得VOUT充电至运算放大器214的最大负电压输出。C220及C222的放电行为依运算放大器214转换率(slew rate)而定，该转换率是根据电容器C220及C222各自电容与运算放大器214的饱和电流。运算放大器214转换率使得放电行为比已知电阻电容校准装置的指数放电行为更为线性与精确。比较器226经由CLKB及CLKIN时钟来比较VOUT与Vref，并且，在CLKA的一个时钟周期期间中，介于VOUT与Vref间所执行的比较数目由CLKIN频率所控制。
当VOUT低于VREF且CLKB为低时，比较器226产生触发事件来触发N位计数器232而停止计数(236)，已计数的时钟脉冲数目由减法器238来撷取，减法器238亦连接至频宽设定控制器214，该频宽设定控制器214输入N位频宽码至减法器238内，该N位频宽码做为参考值来表示该电阻电容电路的校准频宽值。当每次电阻电容电路校准时，频宽设定控制器240提供N位频宽码来表示用于校准的参考值。于是，该电阻电容电路可在不同的频宽上校准。
减法器238计算介于频宽设定码及已计数时钟脉冲间的差异。当差异242为零时，截止电路244从电源消耗的模拟电路移除电源以防止静态电源消耗，并且停止该数字电路时钟来防止动态电源消耗及时钟噪声，当差异为零时，因为差异为零表示该电阻电容时间常数是操作在预定时间常数，可移除该电源，因此，在此不需要校准该电路。然而，当差异不为零时，减法器传送该差异至加法器246，加法器246连接至电容码产生器224，该电容码产生器224输入目前值电容码248至加法器246，目前电容码248表现电容器C220及C222的目前电容值。
为了校准该电阻电容电路，电容码产生器224根据由减法器计算出的差异与目前电容码248相加来产生新值电容码250，电容码250反馈至电容器C220及C222以调整该电阻电容电路的电容值，电容值为可调整的，以至于该电阻电容时间常数可校准至该预定电阻电容时间常数。
此过程可重复来校准在不同频宽的电阻电容电路，亦可校准在不同温度的电阻电容电路，校准装置200根据以下关系来控制用于电阻电容电路的时间常数：
RC∝TCLKANBWC
在此R表示为在该电阻电容电路中的全部电阻的等效电阻，C表示为该电阻电容电路的等效电容，TCLKA表示为该已计数时钟脉冲的时钟周期，以及NBWC表示用于相关时间常数可设定成任意码的N位频宽码。N位频宽法界由频宽设定控制器来输入，因此时间常数根据以上方程序表示成线性关系并且在校准期间提供了一个准确及精确的时间常数。
现在请参考图3，依据本发明一实施范例提出时序图300来显示电阻电容。例如，图3为校准装置200的时序图，如图3所显示，CLKIN具有最高频率2(N+M)、CLKA具有最低频率2(N)、以及CLKB具有最低频率2(-1)。在时间t0时，CLKB、CLKA、及CLKIN为高，并且开关SW1与SW2关闭。在时间t1时CLKB设定为低，开关SW1与SW2由脉冲开启，并且VOUT开始减少，N位计数器232开始计数CLKA脉冲并且计数Q1周期脉冲。在时间t2时，比较器226产生触发事件以触发N位计数器232来停止计数，同时Vref大于VOUT，其余校准如以上图1所描述来执行。进一步地，在时间点t3，开关SW1及SW2关闭，并且CLKB设定为高。CLKB在时间点t4再度设定为低，同时以上的循环可自时间t4至时间t6重复。
图4显示依据本发明技术的一实施范例，用于校准电阻电容电路的方法400的流程图。方法400显示校准装置200的操作，该方法于步骤402中当校准装置自源时钟接收时钟脉冲开始。于步骤404中，计数器时钟脉冲通过将源时钟除频来产生，并且，当在电阻电容中的一个或多个开始放电时，计数该计数时钟脉冲。其次，于步骤406中，判定是否Vref大于VOUT。当Vref判定为大于VOUT时，此过程移动至步骤408。于步骤408中，该计数器触发来停止计数。
于步骤410中，输入表现该电阻电容电路校准所在频宽的频宽设定码。于步骤412中，判定介于频宽设定码与已计数时钟脉冲数目的差异，当介于频宽句柄与已计数时钟脉冲数目差异为零时，电源及时钟自校准装置200的数字及模拟电路系统移除，并且，校准停止(步骤414)。然而，当该差异不为零时，此方法进行到步骤416，在此，通过相加于步骤中所计算出的差异与该电阻电容电路的目前电容值来产生一个新电容码。其次，于步骤418中，该新电容码转换为模拟电容值，同时，电阻电容电路通过设定该电阻电容电路的电容值为已转换的模拟电容值来校准。其次，于步骤420中判定是否通过返回步骤404在不同频宽再校准该电阻电容电路，若该电阻电容电路不需再校准，该校准完成同时该方法结束(步骤422)。
图5显示依据本发明技术一实施范例的用来校准积分电路502的校准装置500。积分电路502通过使用电容码产生器224所产生的新电容码250为根据来调整积分电路502的电容来进行校准，剩余的系统操作与校准装置200的电路系统相似，并且，该校准是根据相关于以上所述图2至图4的步骤来执行。
图6显示依据本发明技术一实施范例的用来校准积分电路502的校准装置600，积分电路502通过使用电容码产生器224所产生的新电容码250为根据来调整积分电路502的电容来进行校准，该校准装置600的时钟操作通过控制时钟产生器602来控制，控制时钟产生器602产生CLKIN、CLKA、以及CLKB来用以时钟驱动在校准装置600内的多种装置。控制时钟产生器602亦可包括多个第二除频器(未图示)与图2所显示的相类似。
校准装置600使用数字控制器604控制部分校准，例如，当VOUT小于Vref且CLKB为低时，比较器226产生触发事件以触发N位计数器232来停止计数236，并且，已计数时钟脉冲的数目通过数字控制器604所撷取，数字控制器604包括多种的数字部件(未图标)包括减法器、加法器、频宽设定控制器、及截止电路，此与图2所显示的相类似，并且在相关于以上所述图2至图4的步骤来执行。在校准装置600中其余电路系统以相似于在校准装置200中的电路系统的方式操作，并且，该校准可根据参考图4所描述的步骤402-422来执行。
虽然本发明已以若干实施范例揭露如上，然其并非竭全尽述且并非用以限定本发明需以精确实施或仅限上述实施例，任何本领域技术人员，在参阅本发明的说明及所揭露的实施例实施方式，当可做些许的更动和润饰。
在参阅本发明的说明及所揭露的实施范例实施方式，本发明的其余未尽实施例对本领域技术人员为易于体现，本发明的说明及实施例仅为例示，因此，本发明的范围和精神当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (28)

1.一种校准装置，包括：
电阻电容积分电路：
频宽设定控制器，用以提供频宽设定码来指示用于电阻电容积分器的校准的参考频宽值；以及
电容码产生器，耦接至该电阻电容积分电路，使用该频宽设定码及该电阻电容积分电路的目前电容值来产生电容码，以调整该电阻电容积分电路的电容。
2.根据权利要求1所述的校准装置，其中该电阻电容积分电路包含多个电阻及多个可变电容器，在校准时间时该电阻电容积分电路的该电容是根据该等可变电容的等效电容。
3.根据权利要求2所述的校准装置，其中该电阻电容积分电路的该电容是通过改变至少一个该等可变电容器的该电容来调整。
4.根据权利要求3所述的校准装置，其中至少一个该等可变电容包含一个以数字模拟转换器作用的二进制权重电容的阵列，且通过转换该电容句柄为模拟电容值来设定至少一个可变电容器的电容。
5.根据权利要求1所述的校准装置，还包括：
控制时钟产生器，用以产生多个控制时钟；
计数器，耦接至该控制时钟产生器，用以计数至少一个该等控制时钟的时钟脉冲；
比较器，耦接至该电阻电容积分电路的输出端，用以将参考电压与在该输出端的电压作比较，并且用来产生触发事件以触发该计数器来停止计数；以及
数字控制器，以接收该计数时钟脉冲及该频宽设定码。
6.根据权利要求5所述的校准装置，其中当该输出端电压低于该参考电压时产生该触发事件。
7.根据权利要求5所述的校准装置，其中该电阻电容积分电路是根据至少一个该等控制时钟的时钟周期与该频宽设定码的乘积来校准，其中该频宽设定码可设定为各自不同的任意码来对应不同的电阻电容时间常数。
8.根据权利要求5所述的校准装置，其中该控制时钟产生器还包括：
第一除频器，用以产生至少一个第一频率的该等控制时钟；以及
第二除频器，用以接收至少一个该等控制时钟并且产生第二频率的第二时钟，该第二频率小于该第一频率，其中该第二除频器提供该第二时钟至该比较器。
9.根据权利要求5所述的校准装置，其中该数字控制器还包括：
减法器电路，用以执行由该频宽设定码减去该已计数的时钟脉冲的数目来计算差异；以及
加法器电路，用以执行将该差异与该电阻电容积分电路的该目前电容值相加，其中该电容值句柄是根据该相加来产生。
10.根据权利要求9所述的校准装置，其中该数字控制器包括截止电路，当该差异为零时，移除该控制时钟产生器、该计数器、该比较器、该电容码产生器、及该数字控制器的电源。
11.一种校准装置，包括：
电阻电容积分电路；
频宽设定控制器，用以提供频宽设定码来指示用于电阻电容积分器的校准的参考频宽值；以及
电容码产生器，耦接以提供反馈至该电阻电容积分电路，使用该频宽设定码及该电阻电容积分电路的目前电容值来调整该电阻电容积分电路的电容。
12.根据权利要求11所述的校准装置，其中该反馈包括通过该电容码产生器所产生的电容码。
13.根据权利要求12所述的校准装置，其中该电阻电容积分电路包含多个电阻及多个可变电容器，在校准时间时该电阻电容积分电路的该电容是根据该等可变电容的等效电容。
14.根据权利要求13所述的校准装置，其中该电阻电容积分电路的该电容是通过改变至少一个该等可变电容器的该电容来调整。
15.根据权利要求14所述的校准装置，其中至少一个该等可变电容包含一个以数字模拟转换器作用的二进制权重电容的阵列，以通过转换该电容句柄为模拟电容值来设定至少一个可变电容器的电容。
16.根据权利要求12所述的校准装置，还包括：
控制时钟产生器，用以产生多个控制时钟；
计数器，耦接至该控制时钟产生器，用以计数至少一个该等控制时钟的时钟脉冲；
比较器，耦接至该电阻电容积分电路的输出端，用以将参考电压与在该输出端的电压作比较，并且用来产生触发事件以触发该计数器来停止计数，其中该触发事件是当该输出端电压低于该参考电压时产生；以及
数字控制器，以接收该计数时钟脉冲及该频宽设定码。
17.根据权利要求16所述的校准装置，其中该电阻电容积分电路是根据至少一个该等控制时钟的时钟周期与该频宽设定码的乘积来校准，其中该频宽设定码可设定为各自不同的任意码来对应不同的电阻电容时间常数。
18.根据权利要求16所述的校准装置，其中该数字控制器还包括：
减法器电路，用以执行从该频宽设定码减去该已计数的时钟脉冲的数目来计算差异；以及
加法器电路，用以执行将该差异与该电阻电容积分电路的该目前电容值相加，其中该电容值句柄是根据该相加来产生。
19.根据权利要求18所述的校准装置，其中该数字控制器还包括截止电路，当该差异为零时，移除该控制时钟产生器、该计数器、该比较器、该电容码产生器、及该数字控制器的电源。
20.一种校准装置，包括：
电阻电容积分电路，包括输出端；
控制时钟产生器，用以产生多个控制时钟；
计数器，耦接至该控制时钟产生器，用以计数至少一个该等控制时钟的时钟脉冲；
比较器，耦接至该电阻电容积分电路的输出端，用以将参考电压与在该输出端的电压作比较，并且用来产生触发事件以触发该计数器来停止计数；
数字控制器，以接收该计数时钟脉冲及频宽设定码；以及
电容码产生器，耦接至该电阻电容积分电路，使用该频宽设定码及该电阻电容积分电路的目前电容值来产生电容码以调整该电阻电容积分电路的电容。
21.根据权利要求20所述的校准装置，其中该数字控制器还包括：
减法器电路，用以执行从该频宽设定码减去该已计数的时钟脉冲的数目来计算差异；以及
加法器电路，用以执行将该差异与该电阻电容积分电路的该目前电容值相加，其中该电容值句柄是根据该相加来产生。
22.一种电阻电容积分电路的校准方法，包含：
接收频宽设定码来指示用于电阻电容积分器的校准的参考频宽值；
计算该电阻电容电路的目前电容值；以及
使用该频宽设定码及该电阻电容积分电路的目前电容值来产生电容码以调整该电阻电容积分电路的该目前电容值。
23.根据权利要求22所述的电阻电容积分电路的校准方法，还包含：
产生多个控制时钟；
计数至少一个该等控制时钟的时钟脉冲；
比较参考电压与在该电阻电容积分电路的输出端的电压；
使得该计数器来停止计数；
计算介于该频宽设定码与该已计数时钟脉冲的数目间的差异；以及
根据该差异与该目前电容值的相加来产生该电容码。
24.根据权利要求23所述的电阻电容积分电路的校准方法，还包含当该输出端电压低于该参考电压时产生触发事件使得该计数器停止计数。
25.根据权利要求22所述的电阻电容积分电路的校准方法，还包含改变该频宽设定码并且根据该频宽码来校准该电阻电容积分电路。
26.根据权利要求22所述的电阻电容积分电路的校准方法，还包括：
在该电容码执行数字对模拟转换；以及
根据该转换来调整该电阻电容积分电路的该目前电容值。
27.一种电阻电容积分电路的校准方法，包含：
产生多个控制时钟；
计数该多个控制时钟的时钟脉冲中的至少一个；
比较参考电压与在该电阻电容积分电路的输出端的电压；
根据比较结果产生一触发事件以触发计数器来停止计数；
计算介于频宽设定码与已计数时钟脉冲的数目间的差异；以及
根据该差异来调整该电阻电容积分电路的电容值。
28.根据权利要求27所述的电阻电容积分电路的校准方法，其中该电阻电容积分电路的该电容是通过产生一个根据该电阻电容积分电路的目前电容值与该差异相加的新电容句柄来调整。
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