CN110113028B - 片上有源rc滤波器的分压积分型时常数校准电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种片上有源RC滤波器的分压积分型时常数校准电路，本发明包括比较器电路、数字控制器、积分器电路、成比例电阻电路和开关电路。所述成比例电阻电路与积分器电路的双端输入端相连，积分器电路的输出与开关电路的输入端相连。所述开关电路的输出端与比较器电路相连，比较器电路与数字控制器相连。所述的数字控制器与积分器电路的数字可编程电容的数字控制字端相连。本发明采用积分器电路、成比例电阻电路和开关电路，省去对精确电流源的需求，降低了电路设计的复杂程度，减少了芯片的功耗，提高校准精度且易于片上集成。

Description

片上有源RC滤波器的分压积分型时常数校准电路

技术领域

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及微电子技术领域中片上有源电阻电容RC(resistance capacitance)滤波器的分压积分型时常数校准电路。本发明可应用于无线通讯领域的射频接收机前端中有源RC滤波器，进行频率校准的校准电路。

背景技术

随着射频集成电路领域的发展，对高性能的有源RC滤波器校准电路的需求日益迫切，片上校准电路性能的提高已经成为当今微电子技术领域的研究热点。有源RC滤波器是一种用由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，它广泛地应用中低频接收机前端领域。在工程实际中，有源RC滤波器在整个系统不可或缺，尤其是在频率、调谐等方面。然而由于工艺、电压和温度的变化，有源RC滤波器的频率特性会有较大的偏差，需要额外的校准电路校准。现有校准技术中，采用电流镜对电容组充电，再与参考电压比较是滤波器校准电路中最常用的结构。但是随着日益减小的器件尺寸对高集成度的要求，额外提供的精准电流镜增加了校准电路和滤波器在芯片上集成的复杂度和困难度。

意法爱立信有限公司在其申请的专利文献“高精度电阻电容校准电路”(申请号201280048938.X，公开号CN 103858340 A，公开日 2014.06.11)中公开了一种高精度电阻电容校准电路。该校准电路包括电流镜、比较器和数字控制电路，电流镜对电容充电生成校准电压以及待比较电压。该电路通过电流引导结构消除了电流源匹配需求。与常规RC校准电路相比较，从相同的参考电流生成参考电压和电容电压保证了电流匹配性能。但是，该电路仍然存在的不足之处是，虽然该电路结构解决了电流失配的问题，但是由于该电路采用了电流镜的结构，而高精准的电流镜很难与校准电路集成在一起，需要片外电路额外提供高精准的电流镜，使该校准电路在高集成芯片中应用受限。

深圳市中兴微电子技术有限公司在其申请的专利文献“一种校准电路和校准方法”(申请号201610929438.7，公开号CN 108023571 A，公开日2018.05.11) 中公开了一种未使用电流镜的校准电路。该电路包括参考电压产生电路，与参考电压产生电路连接的电容充放电电路和电压比较器，电容充放电电路与电压比较器连接，参考电压产生电路用于生成第一参考电压、第二参考电压和第三参考电压，以及对第一参考电压缓冲获得第一电压；电容充放电电路用于根据第一电压、第二参考电压和接收的第一时钟信号生成第二电压；电压比较器用于将第二电压和第三参考电压进行比较获得电压比较输出信号；数字控制电路用于根据电压比较输出信号生成第一数字控制信号、第二数字控制信号、第三数字控制信号。该电路结构需要产生三个参考电压，能够得到较高的校准精度。但是，该电路仍然存在两点不足之处是，其一，该电路结构总共用到了三个放大器，且电容充放电电路中产生三个参考电压的步骤复杂，会延长校准时间。其二，电压分压方法产生的参考电压存在失调电压的影响，增加了芯片的功耗和面积。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种片上有源RC滤波器的分压积分型时常数校准电路，以解决片上滤波器应用系统中由于需要额外提供精准电流镜造成的片上一体集成困难，以及电流镜失配造成的校准偏差的问题，提高了校准电路的可集成度。

实现本发明目的的思路是：影响校准的电路精度两个主要因素分别是寄生电容和失调电压，本发明提出的RC校准电路积分器电路中采用运放对数字可编程电容充电，解决了电容两边寄生电容的影响，在比较器电路前又采用开关电路交换输入信号输入到比较器电路的极性，进行正负两次比较，消除了失调电压的影响。所述的积分器电路由放大器和数字可编程电容组成，运放对此积分电容充电，用于产生用来计算RC实常数的积分电压Vinteg；所述积分器电路的输出Vinteg与由比例电阻R6、R7分压产生的Vref经过开关电路输入到所述比较器电路的输入端；所述的比较器电路在开关电路作用下将两个输入正负比较两次得到电压比较信号，两次比较的结果通过运算可以抵消失调电压Voff；所述比较器电路的比较结果输入到所述数字控制器，通过二进制搜索将控制字反馈到数字可编程电容的数字控制端，改变数字可编程电容的电容值，从而达到校准的目的。

本发明包括比较器电路和数字控制器，还包括积分器电路、成比例电阻电路和开关电路：所述成比例电阻电路与积分器电路的双端输入端相连，积分器电路的输出与开关电路的输入端相连；所述开关电路的输出端与比较器电路输入端相连，比较器电路输出端与数字控制器输入端相连；所述的数字控制器输出端与积分器电路的数字可编程电容的数字控制字端相连；所述的积分器电路包括运算放大器，数字可编程电容C1，对数字可编程电容C1进行放电的复位开关Reset；其中：所述的数字可编程电容C1和复位开关Reset跨接在运算放大器的正输入端和输出端。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，由于本发明中的成比例电阻电路中使用了各电阻分压产生比较电压和参考电压，省去了电流镜对电容充电产生比较电压和电流镜流过电阻产生参考电压的过程，克服了现有技术中对精准电流源需求的不足，使得本发明降低了电路设计的复杂程度，功耗更小，成本更低，很容易保证在各种工艺角情况下，实现比较精确的电阻电容时间常数，且易于片上集成。

第二，由于本发明的积分器电路中采用了运放为数字可编程电容充放电，克服了现有技术中寄生电容对影响校准结果的不足，使得本发明不受数字可编程电容两端的寄生电容的影响，提高了校准电路的校准精度，同时可以避免校准后因温度变化和电路工作状态变化导致的RC偏差。

第三，由于本发明开关电路交换输入到比较器电路的信号方向，对交换方向前后两次校准的结果取均值消除失调电压，克服了现有技术中失调电压影响校准结果的不足，使得本发明不受失调电压对校准结果的影响，校准精度更高。

附图说明

图1是本发明的电原理图；

图2是本发明的数字可编程电容C1的电路原理图；

图3是本发明校准电路校准过程中校准操作的关键点电压时序图。

具体实施方式：

下面参照附图对本发明作进一步详细描述。

参照附图1，对本发明的电路作进一步详细描述。

本发明的电路包括比较器电路、数字控制器、积分器电路、成比例电阻电路和开关电路。

所述成比例电阻电路与积分器电路的双端输入端相连，积分器电路的输出与开关电路的输入端相连；所述开关电路的输出端与比较器电路输入端相连，比较器电路输出端与数字控制器输入端相连；所述的数字控制器输出端与积分器电路的数字可编程电容的数字控制字端相连；所述的积分器电路包括运算放大器，数字可编程电容C1，对数字可编程电容C1进行放电的复位开关Reset；其中：所述的数字可编程电容C1和复位开关Reset跨接在运算放大器的正输入端和输出端。

所述的开关电路在整个校准电路中有三个；其中：

第一个开关电路SW1和第二个开关电路SW2均为双端输入、单端输出，第一个开关电路SW1的单端输出端与比较器电路的正输入端相连，双端输入端分别与积分器电路的输出端Vinteg和成比例电阻电路的输出端Vref相连；第二个开关电路SW2的单端输出与比较器电路的负输入端相连，双端输入端分别与积分器电路的输出端Vinteg和成比例电阻电路Vref的输出端相连；第三个开关电路SW3为单端输入、单端输出，输入端与比较器电路的输出端相连，输出端与数字控制器的输入端相连。

所述的数字控制器的输入端与所述开关电路中第三个开关电路的输出端相连，输出端与所述积分器电路中的数字可编程电容C1数字控制字端Ccal<5:0> 相连，数字控制器的时钟端为～CLK。

所述的成比例电阻电路在整个校准电路中有三个电路，两个电路中的电阻值之间存在比例关系；其中：

第一个成比例电阻电路包括电阻R4，R5，R4与R5串联，串联端与积分器电路的负输入端相连，电阻R4的另一端接电源电压Vcc，电阻R5的另一端与地连接，电阻R4，R5阻值的比例由待校准滤波器的RC时常数和时钟源频率以及校准精度确定；

第二个成比例电阻电路包括电阻R1，R2，R3，电阻R1、R2、R3的一端连接在一起，电阻R1的另一端时钟源CLK相连，电阻R2的另一端与积分器电路的正输入端相连，电阻R3的另一端与地相连；电阻R2，R3阻值的比例与电阻R4，R5阻值的比例相等，电阻R1的阻值取决于待校准滤波器RC时常数；

第三个成比例电阻电路包括电阻R6，R7，电阻R6、R7串联，串联端分别与开关电路SW1和SW2相连，电阻R6的另一端与电源电压Vcc相连，电阻 R7的另一端与地相连；电阻R6，R7阻值的比例由待校准滤波器的RC时常数和时钟源频率以及校准精度确定，且比电阻R4，R5阻值的比例小。

所述的比较器电路用于比较输入信号Vinteg和Vref的大小，比较器电路的双端输入分别与所述开关电路中第一个开关电路SW1输出端和第二个开关电路 SW2的输出端相连；单端输出与所述开关电路中第三个开关电路SW3的输入端相连；比较器电路的时钟控制端为CLK，且比较器电路存在固定失调电压Voff。

参照附图2，对本发明的数字可编程电容C1的电路原理作进一步详细描述。

本发明的数字可编程电容C1包括电容Cb、32C0、16C0、8C0、4C0、2C0、 C0和开关Ccal<5>、Ccal<4>、Ccal<3>、Ccal<2>、Ccal<1>、Ccal<0>。电容Cb、 32C0、16C0、8C0、4C0、2C0、C0并联，并联支路上电容32C0与开关Ccal<5> 串联，并联支路上电容16C0与开关Ccal<4>串联，并联支路上电容8C0与开关 Ccal<3>串联，并联支路上电容4C0与开关ccal<2>串联，并联支路上电容2C0 与开关Ccal<1>串联，并联支路上电容C0与开关Ccal<0>串联。六位控制开关 Ccal<5:0>控制数字可编程电容电路C1的电容值，Ccal<5:0>的十进制为D，则数字可编程电容C1电容值的数学表达式：

c₁＝c_b+D×c₀

其中，c₁表示数字可编程电容电C1的电容值，c_b表示电容Cb的电容值，c₀表示电容C0的电容值

下面结合实施例和附图3，对本发明效果做进一步的描述。

本发明的实施例中，成比例电阻电路的比值α＝r₇÷(r₆+r₇)，β＝r₅÷(r₄+r₅)，β＝r₃÷(r₂+r₃)，且β<α，其中，r₂、r₃、r₄、r₅、r₆、r₇分别表示电阻R2、R3、 R4、R5、R6、R7的电阻值。电阻R1阻值等于待校准滤波器的电阻值减去

时钟源CLK为周期性方波，周期为2Ts，占空比为50％；时钟源～CLK与CLK 来自同一时钟源，周期、占空比相同，相位相差180度；积分器电路的运放采用两级增益大于40dB运放与数字可编程电容C1连接组成，数字可编程电容C1与待校准滤波器的电容结构、电容值相同；比较器电路采用交叉耦合比较器结构；数字控制器采用代码编写；开关电路每过8Ts改变开启或关断状态；Reset信号为周期为8Ts，占空比为12.5％。

利用本发明的实施例中的电路参数设置，得到校准操作后的校准结果如附图 3所示。图3中的横坐标表示时间，单位为微秒us，图3中的纵坐标表示校准过程中各关键点CLK、～CLK、Reset、SW、Vinteg、Ccal<5:0>的电压值，单位为伏特V。

CLK表示控制数字可编程电容C1充电和比较器电路比较的参考时钟源。

～CLK表示控制数字控制器的参考时钟源。

Reset表示控制开关Reset关断信号，Reset信号为高电平时，开关Reset闭合，数字可编程电容C1放电状态。Reset信号为低电平时，开关Reset断开，数字可编程电容C1处于保持状态或者充电状态，数字可编程电容C1保持或者充电与CLK信号有关。

SW表示开关电路的控制信号，SW信号为低电平时，开关电路SW1选择 Vinteg输入到比较器电路的正输入端，开关电路SW2选择Vref输入到比较器电路的负输入端，开关电路SW3选择正向的比较结果输入到数字控制器。SW信号为低电平时，开关电路SW1选择Vref输入到比较器电路的正输入端，开关电路SW2选择Vinteg输入到比较器电路的负输入端，开关电路SW3选择负向的比较结果输入到数字控制器。

Vi表示比较器电路的单端输出端信号Vinteg的电平。

Ccal<5:0>表示数字可编程电容C1六位数字控制字端信号电平。

由图3可见，在0～2Ts，2Ts～16Ts，16Ts～18Ts，18Ts～32Ts四个时间段，采用本发明实施例的校准电路消除了固定失调电压Voff的影响，

利用下式，验证本发明的实施例可以将待校准滤波器的RC时常数校准到与工艺无关：

其中，RC表示待校准滤波器的RC时常数，r₁表示电阻R1的阻值。

在0～2Ts期间，当Reset为高电平Vcc时，数字可编程电容C1放电，比较器电路的单端输出端信号Vinteg的电压值Vi＝Vcc×β，参考电压Vref的电压值 Vref＝Vcc×α。

在2Ts～16Ts期间，当Reset为低电平零时，数字可编程电容C1不再放电。当CLK为低电平时，有电流流过数字可编程电容C1，电流大小

数字可编程电容C1充电。当CLK为高电平时，电流关断，数字可编程电容C1保持。最终

当SW为低电平时，且每次CLK上升沿时，比较器电路比较正负输入端电压的大小，正输入端电压小于负输入端电压时，比较器输出端电压为零，每次～CLK上升沿时，数字控制器根据比较器的输出结果零二进制搜索电容值，增大控制字Ccal<5:0>，直到比较器输出端电压为高电平Vcc，即Vi-Vref＝Voff时，数字控制器锁定控制字Ccal1<5:0>，Ccal1<5:0>对应的十进制数为D1，正向校准过程结束。

由Vi-Vref＝Voff得到的各点电压关系表达式如下：

在16Ts～18Ts期间，在Reset为高电平Vcc时，数字可编程电容C1放电，比较器电路的单端输出端信号Vinteg的电压值Vi＝Vcc×β。

在18Ts～32Ts期间，当Reset为低电平零时，数字可编程电容C1不再放电，当CLK为低电平时，有电流流过数字可编程电容C1，电流大小为

数字可编程电容C1充电。CLK为高电平时，电流关断，数字可编程电容C1保持，最终

当SW为高电平Vcc时，每次CLK上升沿时，比较器电路比较正负输入端电压的大小，正输入端电压大于负输入端电压时，比较器输出端电压为高电平，每次～CLK上升沿时，数字控制器根据比较器的输出高电平结果二进制搜索增大控制字Ccal<5:0>，直到比较器输出端电压为低电平，即Vref-Vi＝Voff时，数字控制器锁定控制字Ccal2<5:0>，Ccal2<5:0>对应的十进制数为D2，反向校准过程结束。

由Vref-Vi＝Voff得到的各点电压关系表达式如下：

32Ts后，整个校准过程结束，取两次校准结果的平均D＝(D1+D2)÷2。

校准结果D应用于待校准滤波器得到验证校准结果的表达式：

该表达式表明，本发明实施例的校准电路将待校准滤波器的RC时常数校准到与工艺无关的常数，该常数等于

且校准结果不受固定失调电压Voff 的影响。

Claims (3)

1.一种片上有源RC滤波器的分压积分型时常数校准电路，包括比较器电路和数字控制器，其特征在于，还包括积分器电路、成比例电阻电路和开关电路：所述成比例电阻电路与积分器电路的双端输入端相连，积分器电路的输出与开关电路的输入端相连；所述开关电路的输出端与比较器电路输入端相连，比较器电路输出端与数字控制器输入端相连；所述的数字控制器输出端与积分器电路的数字可编程电容的数字控制字端相连；所述的积分器电路包括运算放大器，数字可编程电容C1，对电容C1进行放电的复位开关Reset；所述的数字可编程电容C1和复位开关Reset跨接在运算放大器的正输入端和输出端；所述的开关电路在整个校准电路中有三个；其中：第一个开关电路和第二个开关电路均为双端输入、单端输出，第一个开关电路的单端输出端与比较器电路的正输入端相连，双端输入端分别与积分器电路的输出端和成比例电阻电路的输出端相连；第二个开关电路的单端输出与比较器电路的负输入端相连，双端输入端分别与积分器电路的输出端和成比例电阻电路的输出端相连；第三个开关电路为单端输入、单端输出，输入端与比较器电路的输出端相连，输出端与数字控制器的输入端相连；所述的比较器电路用于比较输入信号Vinteg和Vref的大小，比较器电路的双端输入分别与所述开关电路中第一个开关电路输出端和第二个开关电路的输出端相连；单端输出与所述开关电路中第三个开关电路的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的片上有源RC滤波器的分压积分型时常数校准电路，其特征在于：所述的数字控制器电路的输入端与开关电路中第三个开关电路的输出端相连，输出端与积分器电路中的数字可编程电容C1数字控制字端相连。

3.根据权利要求1所述的片上有源RC滤波器的分压积分型时常数校准电路，其特征在于：所述的成比例电阻电路在整个校准电路中有三个电路，两个电路中的电阻值之间存在比例关系；其中：

第一个成比例电阻电路包括电阻R4，R5，电路的输入端与电源电压Vcc相连，电路的输出端与积分器电路的负输入端相连，电阻R4，R5阻值的比例由待校准滤波器的RC时常数和时钟源频率以及校准精度确定；

第二个成比例电阻电路包括电阻R1，R2，R3，电路的输入端与时钟源CLK相连，电路的输出端与积分器电路的正输入端相连；电阻R2，R3阻值的比例与电阻R4，R5阻值的比例相等，电阻R1的阻值取决于待校准滤波器RC时常数；

第三个成比例电阻电路包括电阻R6，R7，电路输入端与电源电压Vcc相连，电路输出端与开关电路的输入端相连；电阻R6，R7阻值的比例由待校准滤波器的RC时常数和时钟源频率以及校准精度确定，且比电阻R4，R5阻值的比例小。

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