CN101917176B - 一种滤波器截止频率的自调谐方法和电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成电路设计技术领域，具体为一种滤波器的频率自调谐方法和电路。该自调谐电路包括MLL锁幅环路和PLL锁相环路。本发明通过粗细调节相结合的方法对滤波器截止频率进行校准。首先采用MLL锁幅环路，通过调节数控电容阵列的控制位对滤波器的截止频率进行粗调，此时误差大小为数控电容阵列的LSB；然后利用PLL锁相环路，通过鉴相器和电荷泵产生VTUNE调节压控可变电容的电容值，最后使滤波器的截止频率与参考频率精确匹配。本方法调谐范围很宽，调谐精度很高。由于只是调节电容大小，不会影响滤波器的性能，具有很强的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种滤波器频率的自调谐方法和电路。
背景技术
随着无线通信的发展，越来越多的通信标准如雨后春笋般出现，而电子设备微型化，小型化的发展趋势要求在很小的面积集成更多的功能。因此同时兼容多种模式成为发展趋势。而模拟滤波器是射频无线通信芯片及信号处理芯片的的模拟基带处理部分很重要的一个模块，滤波器的截止频率的变化及对带外信号的抑制决定了整个收发机能否兼容多种模式的通信标准，而且截止频率的精准与否对整个通信系统的比特误码率有着决定作用。而滤波器的截止频率对工艺角极为敏感，在各个工艺角下会有高达30%左右的偏差。而集成电路发展到今天，同时兼容多种标准已经成为发展趋势，这不仅要求滤波器具有很高的调谐精度，还要有很宽的调谐范围。因此，设计一种宽调谐范围高调谐精度的频率调谐模块是非常必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有很宽调谐范围和很高调谐精度的滤波器频率自调谐方法和电路。
本发明提供的滤波器频率自调谐方法，具体内容如下：
在滤波器的一个双二次（biquad）模块中，将电容模块分成用于粗调谐的数控可变电容阵列（DCCA）和用于细调谐的压控可变电容（Varactor）两部分，且两部分并联，见图1。本发明采用粗细调谐相结合的方法，即采用MLL锁幅环路调节数控电容阵列(DCCA)的大小，对截止频率进行粗调谐；然后固定电容阵列（DCCA），通过PLL锁相环路对压控可变电容(Varactor)进行连续调节，对截止频率进行细调谐。
本发明中，所述的MLL锁幅环路，如图2所示，包括：一个与滤波器中积分器完全相同的积分器、2个用于峰值检波的平方电路、一个用于检测直流电平差并且输出0或1信号的比较器、一个5bit可以做加法和减法的计数器和一个5bit锁存器。其中，平方电路检测参考信号和积分器输出信号的幅度，然后通过比较器输出1或0，控制计数器的计数方向。计数器的输出通过锁存器控制DCCA的控制位，调节DCCA的大小，使滤波器的截止频率接近参考信号频率。然后利用锁存器将5bit DCCA控制位锁住。 其中，由运算跨导放大器（OTA）与DCCA组成的积分器与滤波器中的OTA和DCCA完全一致。因此滤波器的截止频率等于积分器的单位增益带宽。在积分器的输入施加一频率为f R的正弦信号，MLL锁幅环路就会强制积分器的 单位增益带宽，使之等于参考信号频率。但这种调谐方法的精度有限，平方电路与比较器都会有直流失调，而直流失调直接会导致调谐精度的下降。而且由于DCCA本身就有量化误差，因此，这种调谐方法会出现最大约7%左右的调谐误差。这就需要细调谐环路对截止频率进一步校准。
本发明中，所述的PLL锁相环路，如图3所示，包括：一个鉴相器、一个电荷泵、一个1阶环路滤波器和一个与滤波器完全相同结构的带通输出双二次（Biquad）结构。其中，双二次（Biquad）中的DCCA的数字控制位为MLL锁幅环路锁定时锁存器（LATCH）锁存的控制位。在输入端施加一频率为f R的正弦信号，则在Biquad输出也为一频率为f R的正弦信号，只有当滤波器的截止频率与参考信号频率相等时，双二次（Biquad）结构输出的信号相位才与参考信号一致。通过鉴相器（PFD）与电荷泵（CP）检测参考信号与双二次（Biquad）输出信号的相位差，然后通过环路滤波器（Loop Filter）滤波后产生直流电压，控制压控可变电容(Varactor)的电容变化。通过对可变电容的微调，来调整滤波器的截止频率。由于在经过MLL锁幅环路的粗调谐后，滤波器的截止频率已经接近参考信号频率，所以在通过PLL锁相环路进行细调谐时，可变电容的大小仅在很小的范围内变化，因此具有很高的精度。
与上述滤波器频率自调谐方法对应，本发明还包括滤波器截止频率自调谐电路。该电路包括MLL锁幅环路（如图2所示）和PLL锁相环路（如图3所示）两部分。这两部分的功能、作用如前所述。
本发明的突出改进方面在于，通过粗细调节相结合的方法，先采用MLL锁幅环路的离散调谐，使调谐误差控制在±LSB以内。然后再通过PLL锁相环路在很小的范围内对可变电容进行模拟调谐，因此具有很高的精度。本发明利用了离散（数字）调谐的宽调谐范围和连续（模拟）调谐的高调谐精度的优点，不仅有很宽调谐范围，而且具有很高的调谐精度。
附图说明
图1 为双二次结构（Biquad）的电路图。
图2 为基于锁幅原理的数字调谐环路框图（MLL锁幅环路）。
图3 为基于PLL环路模拟调谐环路框图（PLL锁相环路）。
图4 为平方电路的原理图。
图5 为比较器的电路图。
图6 为线性化的可变电容结构。
图7 为对截止频率为270MHz的4阶巴特沃斯滤波器做校准后，滤波器的频率响应曲线。
具体实施方式
下面结合电路图具体说明本发明。图1为滤波器中双二次（Biquad）结构图示，其中负载电容由一个5bit的DCCA和一个可变电容并联，且可变电容在正常情况下的容值等于DCCA最小位电容值。Gm1,Gm2,Gm3,Gm4为构成双二次结构的跨导放大器。 当VTUNE从0V到1.2V变化时，可变电容的变化范围略大于DCCA的最小位电容值。粗调谐开始时，将VTUNE的电压偏置到0.6V。然后启动图2所示的数字调谐环路（MLL锁幅环路）。其中，平方电路检测参考信号和积分器输出信号的幅度，然后通过比较器输出1或0，控制计数器的计数方向。计数器的输出通过锁存器控制DCCA的控制位，调节DCCA的大小，使滤波器的截止频率接近参考信号频率。由于数字调谐的精度主要决定于DCCA的位数，5bitDCCA对应的调谐精度大约为4%。当数字调谐结束时，滤波器的截止频率与参考频率大约有±4%。然后利用锁存器将5bitDCCA控制位锁住，并将PLL锁相环路开启，开始对滤波器的截止频率做进一步校正。滤波器负载电容中的可变电容实际连接如图6所示。将可变电容分成3组并联，并且赋予不同的偏压，这样可以使可变电容更线性地随着VTUNE变化。通过PLL锁相环路对滤波器做进一步校正后，滤波器截止频率与参考频率的偏差可以控制在很小的范围内。图7为采用本发明对一4阶270MHz的巴特沃斯型滤波器做校准后，滤波器的频率响应曲线，从图中可以看出，在匹配良好的情况下，滤波器的截止频率269.36MHz，调谐精度为0.24%。
Claims (2)
1.一种滤波器频率的自调谐方法，其特征在于具体步骤如下：
在滤波器的一个双二次结构中，将电容模块分成用于粗调谐的5bit数控可变电容阵列和用于细调谐的压控可变电容两部分，且两部分并联；然后，采用MLL锁幅环路调节电容阵列的大小，对截止频率进行粗调谐；固定电容阵列，再通过PLL锁相环路对压控可变电容进行连续调节，对截止频率进行细调谐；其中：
所述的MLL锁幅环路，包括：一个与滤波器中积分器完全相同的积分器、2个用于峰值检波的平方电路、一个用于检测直流电平差并且输出0或1信号的比较器、一个5bit可以做加法和减法的计数器和一个5bit锁存器；所述平方电路检测参考信号和积分器输出信号的幅度，然后通过比较器输出1或0，控制计数器的计数方向；计数器的输出通过锁存器控制电容阵列的控制位，调节电容阵列的大小，使滤波器的截止频率接近参考信号频率；然后利用锁存器将电容阵列控制位锁住；
所述的PLL锁相环路，包括：一个鉴相器、一个电荷泵、一个1阶环路滤波器和一个与滤波器完全相同结构的带通输出双二次结构；所述PLL锁相环路中双二次结构的可变电容阵列的数字控制位为MLL锁幅环路锁定时锁存器锁存的控制位；通过鉴相器与电荷泵检测参考信号与所述PLL锁相环路中双二次结构输出信号的相位差，然后通过环路滤波器滤波后产生直流电压，控制压控可变电容的电容变化。
2.一种滤波器频率自调谐电路，其特征在于该电路包括MLL锁幅环路PLL锁相环路两部分；在滤波器的双二次结构中，电容模块被分成用于粗调谐的5bit数控可变电容阵列和用于细调谐的压控可变电容两部分，且两部分并联；所述的MLL锁幅环路用于调节电容阵列的大小，对截止频率进行粗调谐；所述的PLL锁相环路用于调节压控可变电容大小，对截止频率进行细调谐；其中：
所述的MLL锁幅环路，包括：一个与滤波器中积分器完全相同的积分器、2个用于峰值检波的平方电路、一个用于检测直流电平差并且输出0或1信号的比较器、一个5bit可以做加法和减法的计数器和一个5bit锁存器；所述平方电路检测参考信号和积分器输出信号的幅度，然后通过比较器输出1或0，控制计数器的计数方向；计数器的输出通过锁存器控制电容阵列的控制位，调节电容阵列的大小，使滤波器的截止频率接近参考信号频率；然后利用锁存器将电容阵列控制位锁住；
所述的PLL锁相环路，包括：一个鉴相器、一个电荷泵、一个1阶环路滤波器和一个与滤波器完全相同结构的带通输出双二次结构；所述PLL锁相环路中双二次结构的可变电容阵列的数字控制位为MLL锁幅环路锁定时锁存器锁存的控制位；通过鉴相器与电荷泵检测参考信号与所述PLL锁相环路中双二次结构输出信号的相位差，然后通过环路滤波器滤波后产生直流电压，控制压控可变电容的电容变化。
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