CN108134592A - 一种有源滤波器的rc时间常数校准电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有源滤波器的RC时间常数校准电路及方法，以恒流对校准电容阵列C_BANK进行充电，充电时间为T，通过校准电容阵列C_BANK的电压V_O来测定其的实际电容值，并以此校正有源滤波器中电容阵列C的电容值，其中，校准电容阵列C_BANK与电容阵列C成一比例关系，充电时间T与期望的有源滤波器的RC时间常数相关。

Description

一种有源滤波器的RC时间常数校准电路及方法

技术领域

本发明主要涉及一种电路参数校准技术，尤其涉及一种有源滤波器的RC时间常数校准技术。

背景技术

由于有源RC滤波器具有良好的线性度、动态范围以及噪声性能，且实现方法简单，因此广泛的应用于通信系统等。为满足通信系统对频率精度±3％内的要求，需要有源滤波器的RC时间常数满足相应的精度要求。然而电容、电阻随其制造工艺，所承受电源电压，所处的温度环境等的不同，其实际值与标定值可能存在高达±20％的误差，从而导致有源滤波器的RC时间常数的漂移，因此必须对有源滤波器的RC时间常数进行校准。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种有源滤波器的RC时间常数校准电路及方法，其能有效克服因电容的制造工艺，电源电压，温度环境等的不同所导致的有源滤波器的RC时间常数的漂移。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种有源滤波器的RC时间常数校准电路及方法。

本发明的一目的是提供一种有源滤波器的RC时间常数校准电路，包括控制电路、恒流源充电电路、校准电容阵列C_BANK以及比较器，其特征在于：该控制电路输出第一控制字调整该校准电容阵列C_BANK的电容值，然后使该恒流源充电电路对该校准电容阵列C_BANK进行充电，在经过充电时间T后，使该比较器对该校准电容阵列C_BANK的电压V_O与带隙电压V_REF进行比较，输出信号E_RR到该控制电路，该控制电路根据该信号E_RR判断V_O≈V_REF是否成立，若成立，则输出第二控制字，用以调整该有源滤波器中的电容阵列C的电容值，若不成立，则调整第一控制字，该校准电路重复执行，直至V_O≈V_REF成立；其中，该校准电容阵列C_BANK与该电容阵列C的电容值成一比例关系，充电时间T与期望的该有源滤波器的RC时间常数相关。

在本发明的一实施例中，还包括复位电路；该复位电路在该控制电路调整该校准电容阵列C_BANK的电容值之前，复位该校准电容阵列C_BANK；或者该复位电路在该控制电路调整该校准电容阵列C_BANK的电容值之后，该恒流源充电电路对该校准电容阵列C_BANK进行充电之前，复位该校准电容阵列C_BANK。

在本发明的一实施例中，该校准电容阵列C_BANK包括固定电容C_bfix和N+1位可调电容，该固定电容C_bfix和该N+1位可调电容并联连接；其中，N为正整数。

在本发明的一实施例中，该N+1位可调电容包括电容C_b1至C_bN+1和开关K_b1至K_bN+1；其中，电容C_bi和开关K_bi串联形成一支路，i＝1,2,…,N+1；形成的多个该支路再并联连接。

在本发明的一实施例中，该电容C_bi的容值为2^i-1C_u。

在本发明的一实施例中，该恒流源充电电路用于输出的电流为I＝V_REF/R_ref，其中，电阻R_ref与该有源滤波器的电阻R的电阻值成一比例关系。

在本发明的一实施例中，该恒流源充电电路包括镜像恒流源和互补开关SW₁/SW_1n；其中，该互补开关SW₁/SW_1n的公共端连接该镜像恒流源的输出端，开关SW₁的另一端连接该校准电容阵列C_BANK的输入端，开关SW_1n的另一端接地。

在本发明的一实施例中，该镜像恒流源包括电流源产生电路和电流镜像电路；该电流源产生电路包括运算放大器、电阻R_ref、NMOS管M₁，该电流镜像电路包括PMOS管P₀、P₁；其中，该运算放大器的正相输入端接带隙电压V_REF，该运算放大器的反向输入端连接该电阻R_ref的一端，该电阻R_ref的另一端接地，该运算放大器的输出端连接该NMOS管M₁的栅极，该NMOS管M₁的源极连接该运算放大器的反相输入端，该NMOS管M₁的漏极连接该PMOS管P₀的漏极，该PMOS管P₀的栅极分别与自身的漏极以及该PMOS管P₁的栅极连接，该PMOS管P₀、P₁的源极连接电源，该PMOS管P₁的漏极为该镜像恒流源的输出端。

在本发明的一实施例中，该比较器的正相端接带隙电压V_REF，负相端连接该校准电容阵列C_BANK的输入端。

在本发明的一实施例中，该控制电路在判断V_O≈V_REF是否成立之前，对接收到的该信号E_RR进行平滑滤波。

本发明的另一目的是提供一种有源滤波器的RC时间常数校准方法，包括：S1：根据第一控制字调整校准电容阵列C_BANK的电容值；S2：以恒流对该校准电容阵列C_BANK进行充电，充电时间为T；S3：将该校准电容阵列C_BANK的电压V_O与带隙电压V_REF进行比较，输出信号E_RR；S4：根据该信号E_RR判断V_O≈V_REF是否成立，若成立，则执行步骤S5，若不成立，则调整第一控制字，重复执行步骤S1-S4；S5：输出第二控制字，用以调整该有源滤波器中的电容阵列C的电容值；其中，该校准电容阵列C_BANK与该电容阵列C的电容值成一比例关系，充电时间T与期望的该有源滤波器的RC时间常数相关。

在本发明的一实施例中，在步骤S1之前或者步骤S1与S2之间还包括复位该校准电容阵列C_BANK的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：对有源滤波器中的电容进行了校准，有效的克服了因电容的制造工艺，电源电压，温度环境等的不同所导致的有源滤波器的RC时间常数的漂移，能够有效防止有源滤波器的截止频率的漂移对通信系统等产生的影响。

附图说明

图1是本发明一有源滤波器的RC时间常数校准电路的结构示意图。

图2是本发明一有源滤波器的RC时间常数校准电路的控制时序图。

图3a、3b分别是有源滤波器中的电容阵列C、本发明一有源滤波器的RC时间常数校准电路中的校准电容阵列C_BANK的结构示意图。

图4是本发明一有源滤波器的RC时间常数校准电路中的控制电路的结构示意图。

图5是本发明一有源滤波器的RC时间常数校准方法的流程图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

图1是本发明一有源滤波器的RC时间常数校准电路的结构示意图。参考图1，有源滤波器的RC时间常数校准电路100(以下简称为校准电路100)包括控制电路101、恒流源充电电路102、校准电容阵列C_BANK103以及比较器104。

图2是本发明一有源滤波器的RC时间常数校准电路的控制时序图。参考图1、图2，控制电路101输出第一控制字调整校准电容阵列C_BANK103的电容值，当控制信号S₁为高电平时，恒流源充电电路102对校准电容阵列C_BANK103进行充电。在经过充电时间T后，控制信号S₁由高电平变为低电平，充电终止，校准电容阵列C_BANK103的电压V_O保持。当控制信号S₂为高电平时，比较器104将电压Vo与带隙电压V_REF进行比较，输出信号E_RR到控制电路101，控制电路101根据信号E_RR判断V_o≈V_REF是否成立，若成立，则输出第二控制字，用以调整有源滤波器200中的电容阵列C的电容值，若不成立，则调整第一控制字，校准电路100重复执行，直至V_O≈V_REF成立。

其中，校准电容阵列C_BANK103与电容阵列C的电容值成一比例关系，充电时间T与期望的有源滤波器的RC时间常数相关。

在一实施例中，校准电路100还包括复位电路105。参考图1、图2，复位电路105在控制电路101输出的控制信号RST的控制下，对校准电容阵列C_BANK103进行复位操作。具体而言，复位电路105包括一开关，开关的两端分别连接校准电容阵列C_BANK103的输入端、输出端。当控制信号RST为高电平时，复位电路105的开关导通，校准电容阵列C_BANK103进行放电，以对校准电容阵列C_BANK103进行复位。可以理解的，复位电路105可以在控制电路101调整校准电容阵列C_BANK103的电容值之前，复位校准电容阵列C_BANK103；复位电路105也可以在控制电路101调整校准电容阵列C_BANK103的电容值之后，恒流源充电电路102对校准电容阵列C_BANK103进行充电之前，复位校准电容阵列C_BANK103。

继续参考图1、图2，恒流源充电电路102输出的电流为I＝V_REF/R_ref，其中，V_REF为带隙电压，R_ref为一与有源滤波器的电阻R的电阻值成一比例关系(例如，1:1，2:1，1:2等，本发明不以此为限)的电阻。在一实施例中，恒流源充电电路102包括镜像恒流源和互补开关SW₁/SW_1n；其中，互补开关SW₁/SW_1n的公共端连接镜像恒流源的输出端，开关SW₁的另一端连接校准电容阵列C_BANK103的输入端，开关SW_1n的另一端接地。当控制信号S₁为高电平时，开关SW₁导通，开关SW_1n断开，恒流源充电电路102对校准电容阵列C_BANK103进行充电；当控制信号S₁为低电平时，开关SW₁断开，开关SW_1n导通，恒流源充电电路102停止对校准电容阵列C_BANK103进行充电，恒流源充电电路102输出的电流流向地。镜像恒流源包括电流源产生电路和电流镜像电路；电流源产生电路包括运算放大器、电阻R_ref、NMOS管M₁，电流镜像电路包括PMOS管P₀、P₁；其中，运算放大器的正相输入端接带隙电压V_REF，运算放大器的反向输入端连接电阻R_ref的一端，电阻R_ref的另一端接地，运算放大器的输出端连接NMOS管M₁的栅极，NMOS管M₁的源极连接运算放大器的反相输入端，NMOS管M₁的漏极连接PMOS管P₀的漏极，PMOS管P₀的栅极分别与自身的漏极以及PMOS管P₁的栅极连接，PMOS管P₀、P₁的源极连接电源，PMOS管P₁的漏极为镜像恒流源的输出端。

比较器104的正相端接带隙电压V_REF，负相端连接校准电容阵列C_BANK103的输入端，输出端连接控制电路101。

在一实施例中，电容阵列C、校准电容阵列C_BANK103如图3a、3b所示。

如图3a所示，电容阵列C包括固定电容C_fix和N位可调电容，固定电容C_fix和N位可调电容并联连接，N为正整数。N位可调电容包括电容C₁至C_N和开关K₁至K_N；其中，电容C_i和开关K_i串联形成一支路，i＝1,2,…,N；形成的多个支路再并联连接。电容C_i的电容值为2^i-1C_u，C_u为一标准电容值。

如图3b所示，校准电容阵列C_BANK103与电容阵列C具有相同的结构。校准电容阵列C_BANK103包括固定电容C_bfix和N+1位可调电容，固定电容C_bfix和N+1位可调电容并联连接。N+1位可调电容包括电容C_b1至C_bN+1和开关K_b1至K_bN+1；其中，电容C_bi和开关K_bi串联形成一支路，i＝1,2,…,N+1；形成的多个支路再并联连接。在一实施例中，固定电容C_bfix的电容值与固定电容C_fix相同，电容C_bi的电容值同样为2^i-1C_u。可以理解的，固定电容C_bfix、电容C_bi的电容值可以为其他值，只要使校准电容阵列C_BANK103与电容阵列C的电容值成一比例关系。在本实施例中，固定电容C_bfix和电容C_b1至C_bN+1的公共端为校准电容阵列C_BANK103的输入端，固定电容C_bfix和开关K_b1至K_bN+1的公共端为输出端。可以理解的，固定电容C_bfix和电容C_b1至C_bN+1的公共端可以为校准电容阵列C_BANK103的输出端，固定电容C_bfix和开关K_b1至K_bN+1的公共端可以为输入端。开关K_b1至K_bN+1由控制电路101输出N+1位第一控制字控制其的开断状态。在该实施例中，当V_o≈V_REF成立时，控制电路101输出的第二控制字为N+1位第一控制字的低N位。

优选的，校准电容阵列C_BANK103采用与有源滤波器200中的电容阵列C相同工艺材料类型的电容，校准电容阵列C_BANK103为电容阵列C的电容值的n倍。电阻R_ref采用与有源滤波器200中的电阻R相同工艺材料类型的电阻，电阻R_ref为电阻R的电阻值的m倍。其中，m、n为大于或等于1的整数。

图4是本发明一控制电路的结构示意图。参考图4，控制电路101包括触发器(DFF)301、积分器302、增益模块(K2)303、数字滤波器(例如，无线脉冲响应(IIR)滤波器)304、增益模块(K4)305、增益模块(K1)311、增益模块(K3)321、微分器312、加法器306和限幅器307。触发器301和积分器302依次序连接，触发器301在控制信号S₂的作用下采样比较器104的输出信号E_RR，积分器302的输出送至增益模块303、增益模块311和增益模块321，增益模块303、数字滤波器304和增益模块305依次序连接到加法器306，增益模块311和微分器312依次序连接到加法器306，增益模块321连到加法器306，加法器306的输出送至限幅器307，限幅器307送出N+1位第一控制字到校准电容阵列C_BANK103，并在V_o≈V_REF成立时，截取第一控制字的低N位作为第二控制字，输出至有源滤波器的电容阵列C。其中，数字滤波器304对信号E_RR进行平滑滤波。控制电路101还用于产生周期控制信号S1、S2、RST等。在本实施例中，控制电路101由FPGA实现，但是可以理解的，控制电路101同样可以由ASIC、MCU、DSP等来实现。

由电学知识可知，恒流源充电电路102输出的电流为I＝V_REF/R_ref，校准电容阵列C_BANK103的电压与充电时间t的关系为当V_o≈V_REF成立时，充电时间T＝R_ref·C_BANK。令T＝k·T_CLK(k为时钟周期的倍数)，得到校准电路100的时间常数R_ref·C_BANK＝k·T_CLK。从上式可知，校准对象R_ref·C_BANK跟带隙电压V_REF无关，仅与时钟周期T_CLK有关。

若有源滤波器的电阻值为R(R_ref＝R·m)，电容阵列的电容值为C(C_BANK＝C·n)，则有RC为校准目标值时间常数，时钟周期T_CLK为已知值，所以利用k＝mn·RC/T_CLK来设置校准电容阵列C_BANK103的充电时间T。当时钟采用晶体振荡器，可以具有较高的校正精度。

在一实施例中，为了覆盖电阻/电容因工艺、温度和电压的±20％变化导致的RC时间常数的(64％～144％)极端变化范围，同时保证±3％的校准精度，N取7。在固定电容C_bfix的电容值与固定电容C_fix相同，电容C_bi的电容值同样为2^i-1C_u时，有源滤波器的电容阵列C的表达式为：

其中，[b₆,…,b₁,b₀]为7位第二控制字。校准电容阵列C_BANK103的表达式为：

其中，[b₇,…,b₁,b₀]为8位第一控制字。

图5是本发明一有源滤波器的RC时间常数校准方法的流程图。参考图5，有源滤波器的RC时间常数校准方法，包括：

S1：根据第一控制字调整校准电容阵列C_BANK的电容值；

S2：以恒流对校准电容阵列C_BANK进行充电，充电时间为T；

S3：将校准电容阵列C_BANK的电压V_O与带隙电压V_REF进行比较，输出信号E_RR；

S4：根据信号E_RR判断V_O≈V_REF是否成立，若成立，则执行步骤S5，若不成立，则调整第一控制字，重复执行步骤S1-S4；

S5：输出第二控制字，用以调整有源滤波器中的电容阵列C的电容值。

其中，校准电容阵列C_BANK与电容阵列C的电容值成一比例关系，充电时间T与期望的有源滤波器的RC时间常数相关。

可选的，在步骤S1之前或者步骤S1与S2之间还包括复位该校准电容阵列C_BANK的步骤。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种有源滤波器的RC时间常数校准电路，包括控制电路、恒流源充电电路、校准电容阵列C_BANK以及比较器，其特征在于：

该控制电路输出第一控制字调整该校准电容阵列C_BANK的电容值，然后使该恒流源充电电路对该校准电容阵列C_BANK进行充电，在经过充电时间T后，使该比较器对该校准电容阵列C_BANK的电压V_O与带隙电压V_REF进行比较，输出信号E_RR到该控制电路，该控制电路根据该信号E_RR判断V_O≈V_REF是否成立，若成立，则输出第二控制字，用以调整该有源滤波器中的电容阵列C的电容值，若不成立，则调整第一控制字，该校准电路重复执行，直至V_O≈V_REF成立；

其中，该校准电容阵列C_BANK与该电容阵列C的电容值成一比例关系，充电时间T与期望的该有源滤波器的RC时间常数相关。

2.根据权利要求1所述的校准电路，其特征在于：还包括复位电路；

该复位电路在该控制电路调整该校准电容阵列C_BANK的电容值之前，复位该校准电容阵列C_BANK；或者

该复位电路在该控制电路调整该校准电容阵列C_BANK的电容值之后，该恒流源充电电路对该校准电容阵列C_BANK进行充电之前，复位该校准电容阵列C_BANK。

3.根据权利要求1或2所述的校准电路，其特征在于：该校准电容阵列C_BANK包括固定电容C_bfix和N+1位可调电容，该固定电容C_bfix和该N+1位可调电容并联连接；其中，N为正整数。

4.根据权利要求3所述的校准电路，其特征在于：该N+1位可调电容包括电容C_b1至C_bN+1和开关K_b1至K_bN+1；其中，电容C_bi和开关K_bi串联形成一支路，i＝1,2,…,N+1；形成的多个该支路再并联连接。

5.根据权利要求4所述的校准电路，其特征在于：该电容C_bi的容值为2^i-1C_u。

6.根据权利要求1或2所述的校准电路，其特征在于：该恒流源充电电路用于输出的电流为I＝V_REF/R_ref，其中，电阻R_ref与该有源滤波器的电阻R的电阻值成一比例关系。

7.根据权利要求1或2所述的校准电路，其特征在于：该恒流源充电电路包括镜像恒流源和互补开关SW₁/SW_1n；其中，该互补开关SW₁/SW_1n的公共端连接该镜像恒流源的输出端，开关SW₁的另一端连接该校准电容阵列C_BANK的输入端，开关SW_1n的另一端接地。

8.根据权利要求7所述的校准电路，其特征在于：该镜像恒流源包括电流源产生电路和电流镜像电路；

该电流源产生电路包括运算放大器、电阻R_ref、NMOS管M₁，该电流镜像电路包括PMOS管P₀、P₁；其中，该运算放大器的正相输入端接带隙电压V_REF，该运算放大器的反向输入端连接该电阻R_ref的一端，该电阻R_ref的另一端接地，该运算放大器的输出端连接该NMOS管M₁的栅极，该NMOS管M₁的源极连接该运算放大器的反相输入端，该NMOS管M₁的漏极连接该PMOS管P₀的漏极，该PMOS管P₀的栅极分别与自身的漏极以及该PMOS管P₁的栅极连接，该PMOS管P₀、P₁的源极连接电源，该PMOS管P₁的漏极为该镜像恒流源的输出端。

9.根据权利要求1或2所述的校准电路，其特征在于：该比较器的正相端接带隙电压V_REF，负相端连接该校准电容阵列C_BANK的输入端。

10.根据权利要求1或2所述的校准电路，其特征在于：该控制电路在判断V_O≈V_REF是否成立之前，对接收到的该信号E_RR进行平滑滤波。

11.一种有源滤波器的RC时间常数校准方法，包括：

S1：根据第一控制字调整校准电容阵列C_BANK的电容值；

S2：以恒流对该校准电容阵列C_BANK进行充电，充电时间为T；

S3：将该校准电容阵列C_BANK的电压V_O与带隙电压V_REF进行比较，输出信号E_RR；

S4：根据该信号E_RR判断V_O≈V_REF是否成立，若成立，则执行步骤S5，若不成立，则调整第一控制字，重复执行步骤S1-S4；

S5：输出第二控制字，用以调整该有源滤波器中的电容阵列C的电容值；

其中，该校准电容阵列C_BANK与该电容阵列C的电容值成一比例关系，充电时间T与期望的该有源滤波器的RC时间常数相关。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：在步骤S1之前或者步骤S1与S2之间还包括复位该校准电容阵列C_BANK的步骤。