CN102301591A - 校准集成电路的时间常数的系统和设有此系统的集成电路 - Google Patents

Abstract

用于校准集成电子电路(1)的时间常数R₀C1的系统和方法。可变阻抗滤波器(20)连接到所述集成电子电路(1)的输入，固定频率的模拟输入信号V_in施加到所述滤波器(20)，测量所述滤波器(20)产生的模拟输入信号V_in的衰减，以及调整所述时间常数R₀C1的值和所述可变阻抗滤波器(20)的阻抗值，直到获得与所述集成电子电路(1)的预期衰减一致的衰减为止。

Description

校准集成电路的时间常数的系统和设有此系统的集成电路

技术领域

本发明涉及微电子技术，且更具体地涉及时间常数RC的校准。

本发明还涉及一种集成电路，具体而言，本发明涉及设有用于校准时间常数RC的系统的模/数转换器。

背景技术

用在模拟集成电路中的某些信号处理功能基于时间常数RC的值。通常，通过电阻R和电容C获得模拟滤波器或模数转换器的系数，所述模数转换器比如为连续时间Δ-∑模数转换器。

模拟滤波器的积RC对应于它的截止频率。对于连续时间Δ-∑模数转换器，此时间常数RC与其采样频率有关。在这两种情况下，时间常数RC的精确度很重要。对于截止频率而言，如果将RC的值估算得过高，滤波器截断信号的一部分，如果RC过小，则滤波器不能使信号充分衰减。在Δ-∑调制器的情况下，调制器的性能和稳定性直接取决于RC值的精确度。RC系数获得电流反馈连续时间Δ-∑模数转换器的传递函数。

取决于应用，必须了解的积RC的精确度较高或较低。通常，时间常数RC的值的精确度达+/-5％就足够。

然而，视技术而定，集成电阻的精确度达+/-15％，而集成电容的值至少变化+/-20％。综上所述，时间常数RC的精确度为+/-35％，这对大多数应用而言是不够的。

在现有技术中已了解到有用于校准时间常数的各种不同方案。关于这一点，可以参考文献US 6169446、US 6262603、US 6803813和US 7078961。

这些文献中描述的校准基于：将积RC限定的时间常数的值和例如由石英驱动的时钟表示的已知且准确的时基作比较；或者基于：当同一电流经过电阻R和电容C时，电阻R两端的电压和电容C两端存在的电压的比较。

用于校准时间常数RC的这些方案仅传递直接控制电阻和可变电容的数字字。

而且，它们都对用来构成转换器的硬件元件的内在模拟缺陷敏感，比如对使用的运算放大器或比较器的失调电压敏感。

而且，已知在现有技术中，要使用在接收正弦输入信号的输入端连接到滤波器的电流反馈连续时间Δ-∑模数转换器，以便校准另一电流反馈连续时间Δ-∑模数转换器的时间常数。

然而，使用第二电流反馈连续时间Δ-∑模数转换器在时间和成本方面是昂贵的。

鉴于以上所述，提出了通过对集成电路的时间常数进行精确度提高的测量来避免这些与时间常数的校准有关的大多数缺陷。

发明内容

在一个方面中，根据一种执行方式，提出了一种用于校准集成电子电路的时间常数的方法。

在此方法中，可变阻抗滤波器连接到集成电子电路的输入端，固定频率的模拟输入信号施加到所述滤波器，测量所述滤波器产生的模拟输入信号衰减，以及调整时间常数的值和所述可变阻抗滤波器的阻抗的值，直到获得与所述集成电子电路的预期衰减一致的衰减为止。

优选地，所述时间常数由电阻元件和电容元件形成。

由所述滤波器产生的所述模拟输入信号衰减优选地是通过比较所进行的不具有所述滤波器的功率测量和所进行的具有所述滤波器的功率测量而确定的。

具有所述滤波器和不具有所述滤波器的测量是借助于将所述滤波器连接到所述集成电路的受控滤波器通/断开关而进行选择的。

有利地，所述可变阻抗滤波器可包括第一可变阻抗硬件元件和第二可变阻抗硬件元件，所述第一硬件元件和所述第二硬件元件包括具有固定阻抗的固定硬件元件和在通/断开关的控制下选择性连接到所述固定硬件元件并具有单位阻抗的单位硬件元件的组件。

有利地，所述固定硬件元件和所述单位硬件元件各包括电阻器。

有利地，所述固定硬件元件和所述单位硬件元件各包括电容器。

优选地，所述时间常数的值是通过产生用于操作所述通/断开关的数字控制字调整的，所述字对应于所测量到的衰减和所述集成电子电路的预期衰减之间的偏差。

所产生的每一位数字字控制将单位组件连接到可变阻抗硬件元件的固定硬件元件的通/断开关。因此，通过根据位的值控制通/断开关的闭合或断开，所述单位硬件元件将连接到所述固定硬件元件或者与固定硬件元件分离，因此调整可变阻抗硬件元件的阻抗，且因此调整时间常数的值。

因此，所述数字字的位数和可变阻抗硬件元件的所述单位硬件元件的值有利地是根据所述时间常数的精确度调整的。

根据时间常数所需的精确度，可能调整可变阻抗硬件元件的单位硬件元件的阻抗的值和单位组件的数目。例如，通过利用大量单位组件和单位硬件元件的低阻抗，将提高可变阻抗硬件元件的阻抗值的精确度。

优选地，所述模拟输入信号是方波信号。

时间常数RC的校准通常是通过测量固定且已知的频率的理想正弦信号通过RC滤波器的截止频带后的衰减来进行的，但合成正弦信号很复杂。为了简化所述系统的实施方式，功率测量期间使用的输入信号是以模/数转换器(ADC)的采样频率的等分频率进行门控的方波信号。通过考虑测量方波信号的基波来模拟正弦信号。

有利地，所述集成电子电路(1)是Δ-∑类型的调制器。

在另一方面中，根据一个实施方式中，提出了一种用于测量集成电子电路的时间常数的系统。

所述系统包括可变阻抗滤波器和分析装置，所述可变阻抗滤波器连接到集成电子电路的输入端，所述分析装置能够测量所述滤波器产生的固定频率的模拟输入信号的衰减和调整所述时间常数的值以及所述可变阻抗滤波器的阻抗值，直到获得与所述集成电子电路的预期衰减一致的衰减为止。

优选地，所述集成电路包括形成所述时间常数的电阻元件和电容元件。

所述系统有利地包括使得能够将所述滤波器连接到所述集成电路的输入端的滤波器通/端开关，所述滤波器通/端开关受所述集成电路控制。

有利地，所述可变阻抗滤波器包括第一可变阻抗硬件元件和第二可变阻抗硬件元件，所述第一硬件元件和所述第二硬件元件包括具有固定阻抗的固定硬件元件和在通/断开关的控制下选择性连接到所述固定硬件元件并具有单位阻抗的单位硬件元件的组件。

有利地，所述固定硬件元件和所述单位硬件元件可各包括电阻器。

所述固定硬件元件和所述单位硬件元件还可各包括电容器。

优选地，所述分析装置包括能够产生数字字的装置，所述数字字对应于所测量到的衰减和所述集成电子电路的预期衰减之间的偏差。

有利地，所述集成电子电路包括Δ-∑类型的调制器。

附图说明

阅读对所有非限制性实施方式的详细描述和附图后，用于以提高的精确度校准的方法和系统的其它优点和其它特性将显而易见，其中：

图1示出了Δ-∑类型的模/数转换器的原理图；

图2示出了根据一个实施方式用于校准时间常数的系统的电子线路图；

图3示出了根据一个实施方式的可调电容器的电子结构；

图4示出了根据一个实施方式的可调电阻器的电子结构；以及

图5示出了用于根据一个执行模式来校准时间常数的方法。

具体实施方式

参照图1到图5，将描述用于校准集成电路的时间常数的方法和系统的执行模式。

在所描述的模式中，时间常数由电容器和电阻器形成。而且，根据所描述的方面，集成电路由Δ-∑类型的调制器构成。

图1示出了一阶电流反馈连续时间Δ-∑模/数转换器的原理图。其包括Δ-∑类型的调制器1，Δ-∑类型的调制器1之后是数字抽取滤波器2。

调制器1在此处是对量化噪声进行过采样和整形的模/数转换器。其包括低分辨率(通常为1位)的模/数转换器(ADC)3，模/数转换器(ADC)3位于一负反馈回路中，该负反馈回路包括数/模转换器(DAC)4且其高频附近的量化噪声借助于位于该回路中的函数G(f)被抑制。

数字抽取滤波器2使以下成为可能：抑制偏带量化噪声和在二次抽样之后降低等于奈奎斯特频率的数字化信号的吞吐量，即降低直接连接在后面的数字系统的处理频率。

理论上，正弦信号作为位于调制器1上游的滤波器的输入信号。此正弦信号可以由方波信号实现，方波信号比正弦信号更易于合成。在输入端使用方波信号需要抽取滤波器2消除对衰减测量的精确度不利的谐波。此额外限制使得有必要合成专用于自动校准的数字抽取滤波器。通常，这涉及消除谐波的基本正弦滤波器，其强烈地衰减与谐波频率对应的频率。

这样的Δ-∑调制器1的性能取决于过采样比、ADC/DAC对的位数N和环路滤波器G(f)的阶数。

基于图1描述的原理，图2详细示出了用于校准电阻器R和电容器C的组合所形成的时间常数RC的系统的实施方式。

和图1的示例一样，该系统包括Δ-∑类型的调制器1和抽取滤波器2，Δ-∑类型的调制器1包括模/数转换器(ADC)3和数/模转换器(DAC)4。

调制器1主要包括执行图1的负反馈回路的函数G(f)的积分器10。此积分器10包括运算放大器11和连接在放大器11的反相端和输出端之间的可调积分电容C_i。此反相端还连接到电阻器R₀。放大器11的非反相端接地。

积分器10的运算放大器11的输出连接到转换器ADC 3，转换器ADC 3以采样频率F_s对积分器10的输出进行采样。转换器ADC 3的输出端连接到转换器DAC 4，转换器DAC 4还连接到运算放大器11的反相端。

在此实施方式中，转换器DAC 4由电流发生器构成。

抽取滤波器2接收转换器ADC 3的输出信号作为输入，且根据基于所进行的功率测量的比较而测得的衰减来控制可调积分电容C_i的值。

调制器1的输入端连接到由电阻器R和电容器C构成的可变阻抗滤波器20。可变阻抗滤波器20可以由可变电阻或可变电容器构成。在此实施方式中，电阻器R是固定的，电容器C是可变的，以便与可调积分电容C_i对应。

应当注意到，可变阻抗滤波器20的电阻器R可以是可变化的，调制器1的电阻器R₀也可以是可变化的，因此积分电容C_i可能是不变的。

在此实施方式中，受控的滤波器通/断开关15使得可能将可变电容器C连接到滤波器20且因此选择性地形成滤波器20。因此，集成电路1可能通过控制通/断开关15来控制具有滤波器20的功率测量或不具有滤波器20的功率测量。

抽取滤波器控制与积分电容C_i的值对应的可变电容器C的值，且还根据所需的功率测量类型控制通/断开关15。

频率固定的模拟输入信号V_in施加在校准系统的输入端，即施加在电阻器R的一端。通常，通过测量滤波器20产生的固定频率的理想正弦信号的衰减来进行校准时间常数R₀C_i。为了简化该系统的实施方式，此实施方式中使用的模拟输入信号V_in是以转换器ADC 3的采样频率F_S的等分频率进行门控的方波信号。接着通过考虑测量其基波来模拟正弦信号。

图3示出了根据一个实施方式的可调电容器的电子结构，根据图2的实施方式，其可以用于可调阻抗滤波器20的可调积分电容C_i和可变电容器C。

可调电容包括固定电容C_f，其决定可调电容和与通/断开关B串联连接的至少一个单位电容C_u的最小值。固定电容C_f与包括通/断开关B和单位电容C_u的至少一个单位组件并联连接。例如，对于可调电容C的实施方式，该组件连接在接地端和电阻器R与电阻器R₀之间的公共节点之间。因此，可以通过使单位组件的通/断开关闭合来调整可调电容的值，以便使足够多的单位电容C_u与固定电容C_f连接以获得所需的电容值。因此，根据一个实施方式，通过断开或闭合通/断开关B₀、B₁、B₂，可能通过使单位电容C_u与固定电容C_f连接或分离来改变可变电容的值。

根据单位电容的值，且根据可用的单位组件的数目，可以改进可调电容的值的精确度，且因此改进时间常数R₀C_i的精确度。

通/断开关由抽取滤波器2产生的数字位控制。当然，字长(也就是字的位数)与单位电容C_u的总数目一致。因此，抽取滤波器2提供的位数越大，单位组件的数目就越大且更增大了时间常数R₀C_i的值的精确度。

图4示出了根据一个实施方式的可调电阻器的电子结构，根据与图2不同的实施方式，其可用于本发明的调制器1的电阻器R₀(如果所述电阻器R₀体现为可调的话)和用于可调阻抗滤波器20的电阻器R(如果所述电阻器R也体现为可调的话)。

该可调电阻器包括固定电阻器R_f，固定电阻器R_f决定该可调电阻器和连接到通/断开关B的至少一个单位电阻器R_u的最小值。固定电阻器R_f与至少一个单位电阻器串联连接，单位电阻器电流输入端连接到通/断开关，如此连接使得将通/断开关在单位电阻器的电流输入端直接连接的单位电阻器和连接在此通/断开关之后的所有单位电阻器短路。

例如，当此布局用来形成可调电阻器R₀时，固定电阻器R_f连接到滤波器20的电阻器R的电流输出端，而电阻器R₀的通/断开关B的自由端连接到调制器1。

因此，可以断开通/断开关以将足够多的单位电阻器R_u与固定电阻器R_f连接来调节可调电阻器的值，以获得所需电阻。因此，根据一个实施方式，通过断开或闭合通/断开关

可能调整可变电阻器的电阻。

图5示出了用于根据一种执行方式来校准集成电子电路的时间常数RC的方法。根据此执行方式，时间常数由调制器1的电阻R₀和可调积分电容C_i形成。

在第一步骤501中，且仍参考图2，将包括电阻器R和可变电容器C的可变阻抗滤波器20连接到调制器1的输入端。在下一步骤502中，断开滤波器通/断开关15，以使可变电容器C从滤波器20中断开，目的是随后进行不具有滤波器的功率测量。在第三步骤503中，施加固定频率的已知模拟输入信号V_in。在此实施方式中使用的模拟输入信号V_in是以转换器ADC 3的采样频率F_S的等分频率进行门控的方波信号。在下一步骤504中，借助于抽取滤波器2，测量调制器1的输出端的功率。

其次，闭合滤波器通/断开关15(步骤505)，目的是连接滤波器20的可变电容C且因此执行具有滤波器20的功率测量。在步骤506中，接着施加固定频率的同一已知模拟输入信号V_in，也就是以转换器ADC 3的采样频率F_S的等分频率进行门控的方波信号。之后在步骤507中，借助于抽取滤波器2，测量调制器1的输出功率。

第三，在步骤508中，将所进行的不具有滤波器20的功率测量和所进行的具有滤波器20的功率测量作比较，使得可能获得滤波器20产生的模拟输入信号V_in衰减的直接映像。在步骤509中，执行用以确定测量到的衰减是否与预期的衰减一致的测试。

当测量到的衰减与预期的衰减一致时，认为时间常数R₀C_i等于应用于可调积分电容C_i的最后值(步骤510)。

当衰减过大时，R₀C_i对过大且相应的截止频率过低。接着，在步骤511中，抽取滤波器2选择较低的R₀C_i对，之后在步骤505中重新开始具有滤波器的新功率测量。

在此提醒，根据下列表达式表示截止频率：

$f_c=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_0{C}_i}$

另一方面，当衰减过小时，R₀C_i对过低且截止频率f_c过高。接着，在步骤511中，抽取滤波器2选择较高的R₀C_i对，之后在步骤505中重新开始具有滤波器的新功率测量。

应当注意到，连续信号的功率测量比频率为f_i的周期信号的功率测量简单。因此，将方波信号的基波变换为零频率是合理的，诸如连续信号的零频率，连续信号的功率测量对应于变换成的信号的连续值。此变换是通过在时域中将频率为f_i的基波的图像乘以同一频率f_i的正弦来进行的。结果是连续分量及由二分之一加权的二倍频率2f_i的分量的和。

在连续模式中，功率测量则对应于信号平均值的测量。这样的运算是利用对N个周期进行数字积分且将积分后的最终值除以此数N实现的。在此N个周期，平均值的z-传递函数如下：

${\mathrm{mean}}_N\left(z\right)=\frac{1}{N}\·\frac{z^{-1}}{1-z^{-1}}$

在数N为2的指数时，由此对应于连续变换，简化了与周期数N的相除。

因此，根据本说明书，提出了使用集成电子电路，尤其是电流反馈连续时间Δ-∑转换器，使得以下是可能的：基于测量固定频率的方波模拟输入信号通过滤波器(连接到Δ-∑转换器的输入端)的截止频带后的衰减，提供自动校准此同一电流反馈连续时间Δ-∑转换器的时间常数R₀C_i。通过比较不具有滤波器的功率测量和具有滤波器的功率测量，确定测量到的衰减且该测量到的衰减与预期衰减作比较。接着，相应改变时间常数R₀C_i的值和滤波器的值，直到获得预期衰减为止。

Claims (19)

1.一种用于校准集成电子电路(1)的可调时间常数(R₀C_i)的方法，其特征在于，可变阻抗滤波器(20)连接到所述集成电子电路(1)的输入端，固定频率的模拟输入信号(V_in)施加到所述滤波器(20)，测量所述滤波器(20)产生的模拟输入信号(V_in)衰减，以及调整所述时间常数(R₀C_i)的值和所述可变阻抗滤波器(20)的阻抗的值，直到获得与所述集成电子电路(1)的预期衰减一致的衰减为止。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述时间常数(R₀C_i)由电阻元件(R₀)和电容元件(C_i)形成。

3.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其中由所述滤波器(20)产生的所述模拟输入信号(V_in)衰减是通过比较所进行的不具有所述滤波器(20)的功率测量和所进行的具有所述滤波器(20)的功率测量而确定的。

4.如权利要求3所述的方法，其中具有所述滤波器(20)和不具有所述滤波器(20)的测量是借助于将所述滤波器(20)连接到所述集成电路(1)的受控滤波器通/断开关(15)进行选择的。

5.如权利要求1到4中任一项所述的方法，其中所述可变阻抗滤波器(20)包括第一可变阻抗硬件元件和第二可变阻抗硬件元件，所述第一可变阻抗硬件元件和所述第二可变阻抗硬件元件包括具有固定阻抗的固定硬件元件和在通/断开关(B)的控制下选择性连接到所述固定硬件元件并具有单位阻抗的单位硬件元件的组件。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述固定硬件元件和所述单位硬件元件各包括电阻器。

7.如权利要求5所述的方法，其中所述固定硬件元件和所述单位硬件元件各包括电容器。

8.如权利要求5到7中的任一项所述的方法，其中所述时间常数(R₀C_i)的值是通过产生用于操作所述通/断开关的数字控制字而调整的，所述字对应于所测量到的衰减和所述集成电子电路(1)的预期衰减之间的偏差。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述数字字的位数和可变阻抗硬件元件的所述单位硬件元件的值根据所述时间常数(R₀C_i)的精确度进行调整。

10.如权利要求1到9中的任一项所述的方法，其中所述模拟输入信号(V_in)是方波信号。

11.如权利要求1到10中的任一项所述的方法，其特征在于，所述集成电子电路(1)是Δ-∑类型的调制器。

12.一种用于校准集成电子电路(1)的时间常数(R₀C_i)的系统，其特征在于，所述系统包括可变阻抗滤波器(20)和分析装置，所述可变阻抗滤波器(20)连接到集成电子电路(1)的输入端，所述分析装置能够测量所述滤波器(20)产生的固定频率的模拟输入信号(V_in)的衰减和调整所述时间常数(R₀C_i)的值以及所述可变阻抗滤波器(20)的阻抗的值，直到获得与所述集成电子电路(1)的预期衰减一致的衰减为止。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述集成电路(1)包括形成所述时间常数(R₀C_i)的电阻元件(R₀)和电容元件(C_i)。

14.如权利要求12或13中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包括能够将所述滤波器(20)连接到所述集成电路(1)的输入端的滤波器通/端开关(15)，所述滤波器通/端开关(15)受所述集成电路(1)控制。

15.如权利要求12到14中任一项所述的系统，其特征在于，所述可变阻抗滤波器(20)包括第一可变阻抗硬件元件和第二可变阻抗硬件元件，所述第一硬件元件和所述第二硬件元件包括具有固定阻抗的固定硬件元件和在通/断开关(B)的控制下选择性连接到所述固定硬件元件并具有单位阻抗的单位硬件元件的组件。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述固定硬件元件和所述单位硬件元件各包括电阻器。

17.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述固定硬件元件和所述单位硬件元件各包括电容器。

18.如权利要求12到17中任一项所述的系统，其中所述分析装置包括能够产生用于操作所述通/断开关的数字控制字的装置，所述字对应于所测量到的衰减和所述集成电子电路(1)的预期衰减之间的偏差。

19.如权利要求12到18中任一项所述的系统，其特征在于，所述集成电子电路(1)包括Δ-∑类型的调制器。

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