CN102751980A

CN102751980A - 利用电容延时特性实现有源rc滤波器的自动频率校准电路

Info

Publication number: CN102751980A
Application number: CN2012102427712A
Authority: CN
Inventors: 尹莉; 马杰; 叶静; 黄磊
Original assignee: China Key System and Integrated Circuit Co Ltd
Current assignee: China Key System and Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2012-07-14
Filing date: 2012-07-14
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明公开了一种利用电容延时特性实现有源RC滤波器的自动频率校准电路，包括延时单元和数字部分，其中延时单元中的电容阵列完全复制有源RC滤波器电路中的电容阵列，且两者具有相同的控制字信号；数字部分生成的分频信号，经过所述延时单元的延时作用，得到延时信号，反馈到数字部分，计数器在此延时时间内进行计数，并将所得计数量与期望的参考计数量窗口进行比较，相应地调整电容阵列的控制字信号，通过调整后的电容阵列的控制字信号对有源RC滤波器频率响应进行自动校准。其优点在于：克服了有源RC滤波器电路由于工艺、电源电压和温度等的影响而造成的频率响应的变化。

Description

利用电容延时特性实现有源RC滤波器的自动频率校准电路

技术领域

本发明涉及一种有源RC滤波器的频率校准电路，特别涉及一种利用电容延时特性实现有源RC滤波器的频率校准电路。

背景技术

现有的有源RC滤波器中，由于片上电阻阻值和电容容值会随着工艺、温度等的变化而变化，从而导致有源RC滤波器的截止频率的漂移，因此有必要对有源RC滤波器的截止频率进行校准，以得到所需要的截止频率。

发明内容

本发明的目的是实现一种能够利用电容延时特性实现有源RC滤波器的频率校准电路。

为了实现本发明的发明目的，通过采用如下技术方案来实现：

一种利用电容延时特性实现有源RC滤波器的自动频率校准电路，包括延时单元和数字部分，其中延时单元中的电容阵列完全复制有源RC滤波器电路中的电容阵列，且两者具有相同的控制字信号；数字部分生成的分频信号，经过所述延时单元的延时作用，得到延时信号，反馈到数字部分，计数器在此延时时间内进行计数，并将所得计数量与期望的参考计数量窗口进行比较，相应地调整电容阵列的控制字信号，通过调整后的电容阵列的控制字信号对有源RC滤波器频率响应进行自动校准。

特别地，所述数字部分包括S_IN生成电路、计数器和比较/补偿电路，其中S_IN生成电路的输入端连接时钟信号，以时钟信号为参考进行分频，得到分频信号，分频信号输出到所述延时单元；计数器具有三个输入端，分别连接所述S_IN生成电路的分频信号、所述延时单元的延时信号、以及时钟信号，计数器的输出端连接到所述比较/补偿电路的输入端；比较/补偿电路具有两个输入端，分别连接所述计数器的输出端、以及时钟信号，比较/补偿电路的输出端输出控制字信号，控制字信号同时送到所述延时单元的电容阵列控制字端、以及有源RC滤波器电路中电容阵列的控制字端。

特别地，所述延时单元包括电容阵列、NMOS开关管、模拟比较器和充电电流源，其中电容阵列，其容值跟踪有源RC滤波器电路中电容阵列容值的变化，其负端接地，并且其容值由控制字信号进行控制；NMOS开关管的源极接地，栅极与分频信号电相连，漏极连接所述电容阵列的正端；模拟比较器具有正输入端和负输入端，所述正输入端与所述电容阵列的正端相连，所述负输入端与参考电压电相连；充电电流源其正端接供电电源，负端与电容阵列正端相连接。

特别地，上述所述充电电流源包括运算放大器、电阻、PMOS晶体管和电流镜，其中运算放大器具有正输入端和负输入端，所述正输入端与带隙基准电压电相连；电阻采用与有源RC滤波器电路中相同的单元电阻，其阻值的变化反映有源RC滤波器电路中电阻值的变化情况，其负端接地；PMOS晶体管栅极与所述运算放大器的输出端相连，漏极与所述运算放大器的负输入端相连，且同时与电阻的正端连接；电流镜的IN端与所述PMOS晶体管的源极相连，以所述电阻上电流Is为基准，按M:1比例生成所述充电电流Ic, 从电流镜的OUT端输出，其中M为电流镜CM的电流Is与充电电流Ic之间的比例关系。

本发明的有益效果在于：克服了有源RC滤波器电路由于工艺、电源电压和温度等的影响而造成的频率响应的变化，防止了有源RC滤波器的截止频率的漂移对电路的影响。

附图说明

图1是本发明利用电容延时特性实现有源RC滤波器的自动频率校准电路结构示意图；

图2是本发明中延时单元电路结构示意图；

图3是本发明中充电电流源电路结构示意图；

图4是本发明利用电容延时特性实现有源RC滤波器的自动频率校准时序图；

图5是本发明利用电容延时特性实现有源RC滤波器的自动频率校准流程图。

其中，图1至图3的符号说明如下：

A、本发明的自动频率校准电路，1、数字部分，11、S_IN生成电路，12、计数器，13、比较/补偿电路，2、延时单元，21、电容阵列，B、有源RC滤波器电路，B1、电容阵列，M1、NMOS开关管，I、充电电流源，COMP、模拟比较器，OPA、运算放大器，M2、PMOS晶体管，CM、电流镜，RES、电阻；CLK、时钟信号， S<5:0>、控制字信号，S_IN、分频信号，S_OUT、延时信号，VREF、参考电压，VBG、带隙基准电压，T1、第一判断周期，T2、第二判断周期。

具体实施方式

如图1至图3所示，分别为本发明利用电容延时特性实现有源RC滤波器的自动频率校准电路、及其中的延时单元电路、充电电流源电路结构示意图。

一种利用电容延时特性实现有源RC滤波器的自动频率校准电路，包括延时单元2和数字部分1，其中延时单元2中的电容阵列21完全复制有源RC滤波器电路B中的电容阵列B1，且两者具有相同的控制字信号S<5:0>；数字部分1生成的分频信号S_IN，经过所述延时单元2的延时作用，得到延时信号S_OUT，反馈到数字部分1，计数器12在此延时时间内进行计数，并将所得计数量与期望的参考计数量窗口进行比较，相应地调整电容阵列的控制字信号S<5:0>，通过调整后的电容阵列的控制字信号S<5:0>对有源RC滤波器频率响应进行自动校准。

所述数字部分1包括S_IN生成电路11、计数器12和比较/补偿电路13，其中S_IN生成电路11的输入端连接时钟信号CLK，以时钟信号CLK为参考进行分频，得到分频信号S_IN，分频信号S_IN输出到所述延时单元2；计数器12具有三个输入端，分别连接所述S_IN生成电路11的分频信号S_IN、所述延时单元2的延时信号S_OUT、以及时钟信号CLK，计数器12的输出端连接到所述比较/补偿电路13的输入端；比较/补偿电路13具有两个输入端，分别连接所述计数器12的输出端、以及时钟信号CLK，比较/补偿电路13的输出端输出控制字信号S<5:0>，控制字信号S<5:0>同时送到所述延时单元2的电容阵列21控制字端、以及有源RC滤波器电路B中电容阵列B1的控制字端。

所述延时单元2包括电容阵列21、NMOS开关管M1、模拟比较器COMP和充电电流源I，其中电容阵列21，其容值跟踪有源RC滤波器电路B中电容阵列B1容值的变化，其负端接地，并且其容值由控制字信号S<5:0>进行控制；NMOS开关管M1的源极接地，栅极与分频信号S_IN电相连，漏极连接所述电容阵列21的正端；模拟比较器COMP具有正输入端和负输入端，所述正输入端与所述电容阵列21的正端相连，所述负输入端与参考电压VREF电相连；充电电流源I其正端接供电电源，负端与电容阵列21正端相连接。

所述充电电流源I包括运算放大器OPA、电阻RES、PMOS晶体管M2和电流镜CM，其中运算放大器OPA具有正输入端和负输入端，所述正输入端与带隙基准电压VBG电相连；电阻RES采用与有源RC滤波器电路B中相同的单元电阻，其阻值的变化反映有源RC滤波器电路B中电阻值的变化情况，其负端接地；PMOS晶体管M2栅极与所述运算放大器OPA的输出端相连，漏极与所述运算放大器OPA的负输入端相连，且同时与电阻RES的正端连接；电流镜CM的IN端与所述PMOS晶体管M2的源极相连，以所述电阻RES上电流Is为基准，按M:1比例生成所述充电电流Ic, 从电流镜CM的OUT端输出，其中M为电流镜CM的电流Is与充电电流Ic之间的比例关系。

如图4所示，是本发明利用电容延时特性实现有源RC滤波器的自动频率校准时序图，包括第一判断周期T1和第二判断周期T2，以下以第一判断周期T1为例进行说明。

在图1中本发明的自动频率校准电路A，其数字部分的S_IN生成电路实质为分频电路，输入为时钟信号CLK，以时钟信号CLK为参考进行分频，得到分频信号S_IN，时钟信号CLK与分频信号S_IN之间的时序关系图如图4所示。

分频信号S_IN同时被送到数字部分1的计数器12，以及延时单元2中。送到数字部分1的分频信号S_IN，其下降沿作为计数器12的复位信号，如图4所示，在紧接的下一个时钟信号CLK的上升沿，计数器12开始计数。而同时送到延时单元2的分频信号S_IN，其下降沿经延时单元2后，得到一个经历长延时的上升沿，对应图4中延时信号S_OUT的上升沿。

具体的工作情况如图2所示，在分频信号S_IN为高电位时，电容阵列21正端电位通过导通的NMOS开关管M1放电到地电位；电容阵列正端电位，此时为地电位，与参考电压VREF进行比较，经模拟比较器COMP后得到低电位输出。当分频信号S_IN经下降沿到低电位时，NMOS开关管M1截止，电容阵列21正端通过充电电流源I进行充电。当该电位超过参考电压VREF时，模拟比较器COMP输出翻转，得到高电位，从而实现分频信号S_IN下降沿到延时信号S_OUT上升沿的延时，如图4中分频信号S_IN下降沿到延时信号S_OUT上升沿的延时。而为了实现一长时间的延时，使计数器能在一定时间内精确计数，需要一个小的电流源，作为充电电流Ic，该充电电流Ic可以通过图3中的电路实现。

由于运算放大器OPA和PMOS晶体管M2形成电压跟随电路，电阻RES正端的电压将跟随带隙基准电压VBG，从而在电阻RES上形成电流Is。由于运算放大器OPA的输入端具有虚断特性，电流Is流经PMOS晶体管M2，且完全由电流镜CM的输入端IN来提供，该电流经过电流镜CM的镜像作用，得到输出电流，作为延时单元2的充电电流Ic。

图3中，带隙基准电压VBG，电阻RES的阻值R和电流Is满足如下关系：

Figure 2012102427712100002DEST_PATH_IMAGE001

而充电电流Ic与电流Is之间满足如下关系：

其中M为电流镜CM的电流Is与充电电流Ic之间的比例关系，且M>1。

根据图2中电容阵列21上的电量，可得到电容阵列21的充电时间△T与电容阵列21的容值C、电容阵列21上参考电压VREF、充电电流Ic之间的关系，即：

Figure 2012102427712100002DEST_PATH_IMAGE003

从而得到电容阵列充电时间△T为：

其中M、VREF、VBG均为常量，因此电容阵列的充电时间△T与电阻RES的阻值R和电容阵列21的容值C的乘积成正比，而电阻RES采用有源RC滤波器中相同的单元电阻，电容阵列21完全复制有源RC滤波器中的电容阵列B1，因此此处△T的变化能够间接反映有源RC滤波器中电阻和电容随温度、工艺等变化引起的量值变化。

如图4中，在分频信号S_IN的下降沿，对计数器12进行复位，在下一个时钟信号CLK的上升沿，计数器12开始计数。分频信号S_IN经延时单元2生成的延时信号S_OUT也送到计数器12中，当延时信号S_OUT出现上升沿时，计数器12停止计数，并将当前计数保持。即在电容阵列21充电过程△T内进行计数，得到并保持最终计数量Nc，该计数量在后续比较/补偿电路13中首先与参考计数量窗口（Nd1，Nd2）进行比较，并相应的对电容阵列的控制字信号S<5:0>进行补偿。经过多个周期的补偿后，最终Nc进入参考计数量（Nd1，Nd2）区间内，参考计数量窗口的设置与所需要的截止频率相对应，即在此参考计数量窗口内，表示电容阵列的容值经过调整，得到需要的有源RC滤波器截止频率，自动频率校准即可完成。

如图5所示，是本发明利用电容延时特性实现有源RC滤波器的自动频率校准流程图。

具体分析，在延时信号S_OUT的上升沿后，根据计数量Nc与参考计数量窗口（Nd1，Nd2）之间的位置关系，可以分为三种情况，如图5所示。

第一种情况，计数得到的Nc位于参考计数量窗口（Nd1，Nd2）内部时，表示当前延时时间满足电路需求，不再需要调整电容阵列的控制字信号S<5:0>。

第二种情况，当计数得到的Nc小于参考计数量窗口的下边界Nd1时，则表示延时单元2的延时时间较短，故对应的计数量Nc较小，也即延时单元2内部当前电容阵列21的容值较大，需要对电容阵列21的控制字信号S<5:0>做减一操作以减小电容值。

第三种情况，计数得到的计数量Nc较大，大于参考计数量窗口的上边界Nd2时，表示延时单元2的延时时间较长，故对应的计数量Nc较大，也即延时单元2内部当前电容阵列21的容值较小，需要对电容阵列21的控制字信号S<5:0>做加一操作以增大电容值。经过多个判断周期，最终计数器得到的Nc将进入参考计数窗口（Nd1，Nd2）内，此时可停止减小或增大电容阵列的控制字信号S<5:0>，有源RC滤波器的自动频率校准也即完成。

综上所述，通过如上技术方案的实施，达到了该发明的目的，实现了一种利用电容延时特性实现有源RC滤波器自动频率校准电路。

Claims

1.一种利用电容延时特性实现有源RC滤波器的自动频率校准电路，其特征在于：包括延时单元（2）和数字部分（1），其中延时单元（2）中的电容阵列（21）完全复制有源RC滤波器电路（B）中的电容阵列（B1），且两者具有相同的控制字信号（S<5:0>）；数字部分（1）生成的分频信号（S_IN），经过所述延时单元（2）的延时作用，得到延时信号（S_OUT），反馈到数字部分（1），计数器（12）在此延时时间内进行计数，并将所得计数量与期望的参考计数量窗口进行比较，相应地调整电容阵列的控制字信号（S<5:0>），通过调整后的电容阵列的控制字信号（S<5:0>）对有源RC滤波器频率响应进行自动校准。

2.如权利要求1所述的利用电容延时特性实现有源RC滤波器的自动频率校准电路，其特征在于：所述数字部分（1）包括S_IN生成电路（11）、计数器（12）和比较/补偿电路（13），

其中S_IN生成电路（11）的输入端连接时钟信号（CLK），以时钟信号（CLK）为参考进行分频，得到分频信号（S_IN），分频信号（S_IN）输出到所述延时单元（2）；

计数器（12）具有三个输入端，分别连接所述S_IN生成电路（11）的分频信号（S_IN）、所述延时单元（2）的延时信号（S_OUT）、以及时钟信号（CLK），计数器（12）的输出端连接到所述比较/补偿电路（13）的输入端；

比较/补偿电路（13）具有两个输入端，分别连接所述计数器（12）的输出端、以及时钟信号（CLK），比较/补偿电路（13）的输出端输出控制字信号（S<5:0>），控制字信号（S<5:0>）同时送到所述延时单元（2）的电容阵列（21）控制字端、以及有源RC滤波器电路（B）中电容阵列（B1）的控制字端。

3.如权利要求1所述的利用电容延时特性实现有源RC滤波器的自动频率校准电路，其特征在于：所述延时单元（2）包括电容阵列（21）、NMOS开关管（M1）、模拟比较器（COMP）和充电电流源（I），

其中电容阵列（21），其容值跟踪有源RC滤波器电路（B）中电容阵列（B1）容值的变化，其负端接地，并且其容值由控制字信号（S<5:0>）进行控制；

NMOS开关管（M1）的源极接地，栅极与分频信号（S_IN）电相连，漏极连接所述电容阵列（21）的正端；

模拟比较器（COMP）具有正输入端和负输入端，所述正输入端与所述电容阵列（21）的正端相连，所述负输入端与参考电压（VREF）电相连；

充电电流源（I）其正端接供电电源，负端与电容阵列（21）正端相连接。

4.如权利要求3所述的利用电容延时特性实现有源RC滤波器的自动频率校准电路，其特征在于：所述充电电流源（I）包括运算放大器（OPA）、电阻（RES）、PMOS晶体管（M2）和电流镜（CM），

其中运算放大器（OPA）具有正输入端和负输入端，所述正输入端与带隙基准电压（VBG）电相连；

电阻（RES）采用与有源RC滤波器电路（B）中相同的单元电阻，其阻值的变化反映有源RC滤波器电路（B）中电阻值的变化情况，其负端接地；

PMOS晶体管（M2）栅极与所述运算放大器（OPA）的输出端相连，漏极与所述运算放大器（OPA）的负输入端相连，且同时与电阻（RES）的正端连接；

电流镜（CM）的IN端与所述PMOS晶体管（M2）的源极相连，以所述电阻（RES）上电流Is为基准，按M:1比例生成所述充电电流Ic, 从电流镜（CM）的OUT端输出，其中M为电流镜CM的电流Is与充电电流Ic之间的比例关系。