CN102710233B - 一种连续时间滤波器的自适应调谐系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续时间滤波器的自适应调谐系统，包括一个时钟信号产生电路、分别与时钟信号产生电路连接的一个开关组件和一个计数器、通过一个反向器组与所述计数器连接的比较器组、以及一个输入端与开关组件连接而输出端与比较器组连接的运算放大器；所述运算放大器的反向输入端和输出端并联跨接一积分电路模块；所述计数器通过或门与积分电路模块连接；所述计数器还分别通过与非门和与门与反向器组连接。本发明具有如下优点：电路结构简单，线性度好，对从滤波器的影响较小；通过数字信号控制电容阵列的变化，控制精度高；用两个比较器将积分器输出的信号和已有的基准信号进行比较，有效地加宽了调谐范围。

Description

一种连续时间滤波器的自适应调谐系统

技术领域

本发明涉及一种自适应调谐系统，尤其是涉及一种连续时间滤波器的自适应调谐系统。

背景技术

电滤波器在现代电子技术中应用非常广泛,例如在现代通信和信号处理方面,电话,电报,电视,无线电,雷达和人造卫星等都离不开滤波器。

滤波器可分为片上和片外两种类。片外滤波器价格高，笨重和占用面积大，尤其是采用片外元件通常会增加系统中芯片的引脚，需要电路和缓冲结构做匹配，这不仅将增大系统功耗，而且会使整个设计过程变得十分繁琐复杂。在现代集成电路小型化、微型化的发展方向前面，片上滤波器赢得了更多的发展和应用机会。片上滤波器根据输入输出信号可分为三种类型，数字，抽样离散时间，和模拟连续时间。其中连续时间模拟滤波器是一种直接信号处理方式，较数字滤波器和离散时间滤波器具有更加突出的优点，如不需要采样保持、防混叠和平滑辅助装置，也没有采样数据滤波器的时钟馈入等问题，近年来，发展十分迅速。对于模拟滤波器如有源RC滤波器、跨导电容(G_m-C)、MOSFET-C滤波器和电流传送器滤波器等来说，其中心频率通常由1/RC或者g_m/C所决定，当工艺因素如制造容差、工艺变化、温度漂移等，环境变化如温度、电源电压及器件老化等影响，在芯片中所集成的电阻及电容值将发生变化，极端情况下，其误差值甚至可能达到30％，这将引起滤波器的传输函数发生变化，导致滤波器的Q值和中心频率-3dB频率偏离的原本设计的值，这就需要采用自动调整电路，来实时监测并调整Q值和中心频率-3dB频率。

目前研究比较多的频率自动调整方法主要有四种:(1)使用PLL调整滤波器的频率。优点是不受低环路增益和环路直流失调的影响，缺点是VCO不容易起振。(2)利用相位差调整滤波器，缺点是当主滤波器的Q值不够大时候，主从滤波器的匹配性能会变差，环路的直流失调会带来误差。同时当环路锁定时，二倍频参考信号成分很大，必须通过大时间常数滤掉。(3)利用单积分器自适应，这个方法可以解决以上两个方法的缺点，这个方法的缺点是电路复杂，功耗大，参考信号要求是正弦波。4利用开关电容电路自适应，优点是电路简单，功耗低，通过时钟频率能够精确的调整积分时间；缺点是时钟馈通严重。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种利用间接方式进行自适应，无须将从滤波器从系统中断开调整，能够处理时间连续信号的一种连续时间滤波器的自适应调谐系统。

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种采取积分器自适应，电路结构简单，线性度好，对从滤波器的影响较小的一种连续时间滤波器的自适应调谐系统。

本发明再有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种保持电阻不变，只调整电容，将电容用开关控制的电容阵列取代，通过数字信号控制电容阵列的变化，控制精度高的一种连续时间滤波器的自适应调谐系统。

本发明最后有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种用两个比较器将积分器输出的信号和已有的基准信号进行比较，有效地加宽了调谐范围的的一种连续时间滤波器的自适应调谐系统。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种连续时间滤波器的自适应调谐系统，其特征在于，包括一个时钟信号产生电路、分别与时钟信号产生电路连接的一个开关组件和一个计数器、通过一个反向器组与所述计数器连接的比较器组、以及一个输入端与开关组件连接而输出端与比较器组连接的运算放大器；所述运算放大器的反向输入端和输出端并联跨接一积分电路模块；所述计数器通过或门与积分电路模块连接；所述计数器还分别通过与非门和与门与反向器组连接。

本发明创造性的利用单积分器自适应的方法，将滤波器中的电容以开关控制的阵列方式实现,通过数控系统控制开关来改变电容的大小,对滤波器进行调谐，其目的在于设计一个高精度宽调谐范围的滤波器片上频率自适应调谐系统，以消除模拟滤波器的中心频率与设计值的偏差，使得PVT变化下频率精度能够控制在5%以内。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高精度宽调谐范围的滤波器片上频率自适应调谐系统，主要通过监测调谐系统中积分器时间常数的变化，来控制滤波器中的RC时间常数的波动，整个调谐系统包括一个积分器、两个比较器及两组数字单元。

其中积分器由运放和电容阵列、积分电阻构成，用以产生积分时间可控的积分信号；此积分器中的电阻和电容阵列的类型都和滤波器中的完全一致，当PVT发生变化的时候，滤波器中的RC常数和调谐系统中的RC时间常数都将偏离设计值，并且这两者的偏差是一样的。

两个比较器将积分器输出的信号和已有的基准信号进行比较，用以产生控制计数器工作的选择信号和使能信号。

数字单元包括时钟产生电路和计数器电路，时钟产生电路主要由分频器构成，用以充电和放电状态切换所需要的开关信号，计数器由加法器和寄存器构成，用以产生5-bit的控制码元，同步控制调谐系统和主滤波器的电容阵列的电容值的大小。

在上述的一种连续时间滤波器的自适应调谐系统，所述开关组件包括四个NMOS管，即NMOS管M₁、NMOS管M₂、NMOS管M₃以及NMOS管M₄；所述NMOS管M₁栅极、NMOS管M₂栅极、NMOS管M₃栅极以及NMOS管M₄栅极均与时钟信号产生电路连接，NMOS管M₁源极与NMOS管M₂漏极连接，NMOS管M₃漏极与NMOS管M₄源极连接；该开关组件还包括一个电容C₀和一个电容阵列；所述电容C₀一端分别与NMOS管M₁源极与NMOS管M₂漏极连接，另一端分别与NMOS管M₃漏极与NMOS管M₄源极连接；所述电容阵列一端分别与NMOS管M₁源极与NMOS管M₂漏极连接，另一端分别与NMOS管M₃漏极与NMOS管M₄源极连接，所述NMOS管M₄漏极与运算放大器的反向输入端连接。

在上述的一种连续时间滤波器的自适应调谐系统，所述积分电路模块包括一个积分电容C₁以及一个控制开关NMOS管M₅，所述积分电容C₁两端并联跨接到运算放大器的反向输入端和输出端，所述控制开关NMOS管M₅的源极和漏极分别与积分电容C₁两端连接，控制开关NMOS管M₅的栅极通过或门与计数器连接。

在上述的一种连续时间滤波器的自适应调谐系统，所述比较器组包括两个比较器，即第一比较器和第二比较器；所述比较器组包括四个比较器，即第一比较器、第二比较器、第三比较器以及第四比较器；所述第一比较器的反向输入端和第二比较器同相输入端连接后接上述运算放大器输出端；所述第一比较器的输出端通过依次串联的第一比较器、第二比较器后分别与与非门和与门连接；所述第二比较器通过依次串联的第三比较器、第四比较器后分别与与非门连接，该第二比较器还通过第三比较器和与门连接，所述运算放大器输出端还接有一电容C₂，所述电容C₂一端接运算放大器输出端，另一端接地。

在上述的一种连续时间滤波器的自适应调谐系统，所述电容阵列包括控制开关S₀、控制开关S₁、控制开关S₂…控制开关Sm-1控制开关Sm，以及分别与控制开关S₀、控制开关S₁、控制开关S₂…控制开关Sm串联的电容C、电容2C…电容2^m-1C、电容2^mC，所述电容2^mC的电容值是电容2^m-1C的2倍。

因此，本发明具有如下优点：1、利用间接方式进行自适应，无须将从滤波器从系统中断开调整，能够处理时间连续信号；2、采取积分器自适应，电路结构简单，线性度好，对从滤波器的影响较小；3、保持电阻不变，只调整电容，将电容用开关控制的电容阵列取代，通过数字信号控制电容阵列的变化，控制精度高；4、用两个比较器将积分器输出的信号和已有的基准信号进行比较，有效地加宽了调谐范围。

附图说明

图1是滤波器的间接自适应方式。

图2是本发明的结构原理示意图。

图3是图2中开关电容阵列的具体结构示意图。

图4是本发明的时钟产生电路框图。

图5是本发明的时钟信号波形。

图6是本发明的计数器框图。

图7是本发明调谐过程中的电容阵列控制码减法计数。

图8是本发明调谐过程中Vol的波形。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1所示，是滤波器的间接自适应方式框图。通常，滤波器的自适应方式大致可以分为两种：直接方式和间接方式。由于直接方式需要一定规模的存储器，而且每工作一定的时间，需要一定的非工作期间对滤波器进行调整，使得系统无法处理长时间连续的信号。所以，目前间接自适应的方式非常流行，间接自适应的方式需要滤波器中积分器的复制，定义系统中完成系统要求功能的滤波器为从滤波器101，由复制元件构成的滤波器为主滤波器102。通过调整电路103调整从滤波器101的元件参数，当其能够完成特定的功能时候，元件参数同样跟随变化的从滤波器101就能够实现我们所需要的函数功能，这种方式不需要将从滤波器从系统中断开调整，能够处理长时间连续信号。

图2所示为本发明的结构原理示意图，本发明的频率自适应电路的核心模块如下：一个时钟信号产生电路201，一个计数器202，一个运算放大器212、一个电容阵列208和一个积分电阻209，四个NMOS充当可由电压控制的开关：即NMOS管M₁203、NMOS管M₂204、NMOS管M₃205以及NMOS管M₄206。各模块之间的连接关系如下：

时钟信号产生电路201由D触发器，与非门和反相器构成。输入clk为基准时钟信号源，Reset(209)为复位信号；输出clk1和clk2是两组互不重叠的时钟信号，分别送到NMOS管M₁203和M₂204的栅极，输出clk1a和clk2a也是两组互不重叠的时钟信号，分别送到NMOS管M₃205和NMOS管M₄208的栅极以控制这四个MOS开关的通断；clk3连接到计数器202，为其提供时钟信号。

计数器202由复位信号219、使能信号217和选择信号214共同控制。复位信号219是外界输入的信号，使能信号217和和选择信号214均由第一比较器213和第二214的输出信号经过一系列数字逻辑运算得到，具体逻辑控制过程如下表1所示。

电容C₀207、开关电容阵列C_array208、NMOS管M₁203和NMOS管M₂204输出以及NMOS管M₃205和NMOS管M₄208的输出连接到运算放大器212的反向输入端、积分电容C₁211和控制开关NMOS管M₅210的并联跨接到运算放大器212的反向输入端和输出端、电容C₂用来保持运放的输出电压，这一组元件构成积分时间可控的积分电路模块。

控制开关NMOS管M₅210的栅极连接到或门218的输出端，由复位信号Reset(209)或者计数器出来的使能信号215来控制M₅210的导通或者断开，以确定积分模块的工作状态积分或者清零。

积分模块的输出信号227同时连接到第一比较器213和第二比较器214的输入端，与输入的基准信号V_{refn_t} 222和V_{refp_t}223进行比较，比较器的输出信号均送入两级级联的反相器，进行整形，并生成高或者低的电平控制信号，其中，电平信号224和226连接到与门221的两路输入端，与门221的输出信号220送入计数器201的选择端SEL，以控制计数器的工作方式；电平信号225和226连接到与非门216的两个输入端，与非门216的输出信号217送入到计数器的EN端，以决定计数器是否工作。其具体的控制过程如下文所述。

当复位信号219为高电平1时，计数器所有的输出均清零，只有复位信号219为低电平0时，计数器才开始工作。此时，若使能信号217为高电平1，计数器202保持；若使能信号217为低电平0，计数器202开始计数，当选择信号为高电平1时，计数器加法计数，当选择信号为低电平0时，计数器减法计数。在clk1clk1a为高电平，clk2clk2a为低电平时此时M₁203、M₃205闭合，M₄206、M₂204断开，V_ref1对C₀207和C_array208充电，在clk1clk1a为低电平，clk2clk2a为高电平时此时M₁201、M₃205断开，M₄206M₂204闭合，V_refl对C₀207和C_array208上的电荷转移到C₁上。当PVT的变化导致滤波器的RC参数变大，频率自适应系统中的电容C₀207和电容阵列C_array208将同样偏大。这将引起C₀ 207和C_array208上存储的电荷量增加，则在放电期间，转移到C₁上的电荷也将增加，这就使得V₀₁相对减小，没充电放电一次V₀₁减小一点，直到V_o1＜V_{refn_t}，此时第一比较器213的输出由0变为1，第二比较器214的输出依然保持为0，使能信号EN217变为0，选择信号SEL220变为1，计数器开始减小5比特控制码的值,从而减小电容阵列的值。反之，当RC参数变小，C₀207和C_array208上存储的电荷量减小，则在在放电期间，转移到C₁上的电荷也将减小，这就使得V₀₁相对增加，每充电放电一次V₀₁减小一点，直到V_o1＞V_{refp_t}，此时使能信号EN217变为0，选择信号SEL220也为0，计数器开始增加5比特控制码的值,从而增大电容阵列的值。

运算放大器212的输出电压V_o1 227同时送入第一比较器213和第二比较器214，用以产生计数器202的使能信号EN217和选择信号SEL220。这两个信号和V_o1 227的关系，以及其对计数器的控制功能如下表1所示：

表1计数器的工作方式

由表1可以看出，当V_{refn_t}＜V_o1＜V_{refp_t}，EN217为1时，计数器不工作，此时计数器保持控制信号CTL<4:0>不变，主滤波器和从滤波器都处于稳定的工作状态，调谐停止。当RC参数发生较大的偏移时候，V_o1＜V_{refn_t}或者V_o1＞V_{refp_t}时候，EN217变为1时，此时，计数器202开始计数，调谐电路开始工作。由SEL220来决定计数器202到底是加计数还是减法计数，若V_o1＜V_{refn_t}，计数器开始减法计数，减少5bit控制码的值，从而减少电容阵列的值，使得下一个周期的积分电压升高，以接近V_{refn_t}。反之，如果V_o1＞V_{refp_t}，则计数器开始加法计数，增加5bit控制码的值，从而增加电容阵列的值，使得下一个周期的积分电压减小，以接近V_{refp_t}。当V_o1被调整回到V_{refn_t}和V_{refp_t}之间的值时候，使能信号EN217变为1，调谐停止，计数器输出恒定的控制信号CTL<4:0>和清零信号Clear215，使得或门218输出高电平1，M5210导通，放掉积分电容C1上的电荷，以准备下一次充电和比较等一系列过程。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种连续时间滤波器的自适应调谐系统，其特征在于，包括一个时钟信号产生电路(201)、分别与时钟信号产生电路(201)连接的一个开关组件和一个计数器(202)、通过一个反向器组与所述计数器(202)连接的比较器组、以及一个输入端与开关组件连接而输出端与比较器组连接的运算放大器(212)；所述运算放大器(212)的反向输入端和输出端并联跨接一积分电路模块；所述计数器(202)通过或门(218)与积分电路模块连接；所述计数器(202)还分别通过与非门(216)和与门(221)与反向器组连接；

所述开关组件包括四个NMOS管，即NMOS管M₁(203)、NMOS管M₂(204)、NMOS管M₃(205)以及NMOS管M₄(206)；所述NMOS管M₁栅极、NMOS管M₂(204)栅极、NMOS管M₃(205)栅极以及NMOS管M₄(206)栅极均与时钟信号产生电路(201)连接，NMOS管M₁(203)源极与NMOS管M₂(204)漏极连接，NMOS管M₃(205)漏极与NMOS管M₄(206)源极连接；该开关组件还包括一个电容C₀(207)和一个电容阵列(208)；所述电容C₀(207)一端分别与NMOS管M₁(203)源极与NMOS管M₂(204)漏极连接，另一端分别与NMOS管M₃(205)漏极与NMOS管M₄(206)源极连接；所述电容阵列(208)一端分别与NMOS管M₁(203)源极与NMOS管M₂(204)漏极连接，另一端分别与NMOS管M₃(205)漏极与NMOS管M₄(206)源极连接，所述NMOS管M₄(206)漏极与运算放大器(212)的反向输入端连接；

所述积分电路模块包括一个积分电容C₁(211)以及一个控制开关NMOS管M₅(210)，所述积分电容C₁(211)两端并联跨接到运算放大器(212)的反向输入端和输出端，所述控制开关NMOS管M₅(210)的源极和漏极分别与积分电容C₁(211)两端连接，控制开关NMOS管M₅(210)的栅极通过或门(218)与计数器(202)连接；

所述比较器组包括两个比较器，即第一比较器(213)和第二比较器(214)；所述比较器组包括四个比较器，即第一比较器、第二比较器、第三比较器以及第四比较器；所述第一比较器(213)的反向输入端和第二比较器(214)同相输入端连接后接上述运算放大器(212)输出端；所述第一比较器(213)的输出端通过依次串联的第一比较器、第二比较器后分别与与非门(216)和与门(221)连接；所述第二比较器(214)通过依次串联的第三比较器、第四比较器后分别与与非门(216)连接，该第二比较器(214)还通过第三比较器和与门(221)连接，所述运算放大器(212)输出端还接有一电容C₂，所述电容C₂一端接运算放大器(212)输出端，另一端接地；比较器的输出信号均送入两级级联的反相器，进行整形，并生成高或者低的电平控制信号，其中，电平信号(224)和电平信号(226)连接到与门(221)的两路输入端，与门(221)的输出信号(220)送入计数器(201)的选择端SEL，以控制计数器的工作方式；电平信号(225)和电平信号(226)连接到与非门(216)的两个输入端，与非门(216)的输出信号(217)送入到计数器的EN端，以决定计数器是否工作；比较器组包括四个反向器，第一比较器(213)的输出端依次串联第一反向器、第二反向器；第二比较器(214)的输出端依次串联第三反向器、第四反向器；第二比较器(214)还通过第三反向器和与门(221)连接；

所述电容阵列(208)包括控制开关S₀、控制开关S₁、控制开关S₂···控制开关Sm_-1控制开关Sm，以及分别与控制开关S₀、控制开关S₁、控制开关S₂···控制开关Sm串联的电容C、电容2C···电容2^m-1C、电容2^mC，所述电容2^mC的电容值是电容2^m-1C的2倍。