CN1155186A - 连续时间积分电路的取样数据偏置 - Google Patents
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Abstract
通过改进基于电阻的跨导调节电路、用开关电容器电路取代该调节电阻器，可以避开连续时间电路的过程相关特征，例如连续时间滤波器的转角频率对绝对电容变化的敏感性。这种开关式的取样数据电阻器的替换结果是，如果跨导级的每一个电阻器模拟的开关电容器、和滤波器的一个或多个负载电容器都是以相同的处理过程的顺序确定的，那么确定转角频率的比率(gm/CL)就能有效地相互抵消，使得转角频率(fhi)对于该取样数据电阻来说正比于一个易于控制的频率参数。
Description
本发明涉及连续时间积分电路，具体来说涉及一种芯片上的改进滤波器电路，它包括至少一个跨导级和一个相关的(无源的)负载元件(如，电容器)，跨导级包含一个用于确定跨导的取样数据电阻器(开关电容器)元件，因此滤波器的传递函数(具体来说，即转角频率)只和一个易于控制的参数-取样数据电阻器的开关频率-有关，而和被处理的元件(绝对电容)无关，从而使滤波器的行为对处理过程的变化不灵敏。
通过使用积分电路技术实现的(远距离通信)信号处理电路的设计和制造由于在不同批量晶片中的处理过程有所变化而受到一般不能很好控制的绝对器件特征的限制。为努力克服这一限制，积分电路的设计人员可以利用在同一芯片上装配多个相似器件的能力，把不同处理操作中获得的晶片中存在的绝对器件特征的变化减小几个数量级。即，通过设计电路结构，使它的临界参数只取决于芯片上的器件装配状态，就可以使这样一些电中对绝对器件特征非常不敏感。
利用这种装配在单个芯片上器件优点的一种类型电路就是取样数据电路，例如用来构成高精度(远距离信号处理)滤波器的电路，它的转角频率只取决于器件装配状态，和绝对器件参数无关。然而，这种取样数据滤波器电路的一个缺点是它们的使用仅限于低带宽应用(低于几百千赫)，其原因在于寄生分量(电容)限制了它们的最大操作频率。在较高的频率，必须使用连续时间技术，如gm/C和MOSFET/C结构，或其他可调节R/C滤波器机制，来避开寄生问题。
图1中示意地表示出一个在高频滤波器中普遍采用的连续时间电路的实例，该电路包括一个积分器级10，级10由跨导(gm)级11和负载元件(具体来说为一积分电容器(CL)13)组后构成。跨导(gm)级11包含一个跨导元件，它产生正比于加到输入端12的电压Vin的输出电流Igm。因为跨导级11的输出电流Igm加到输出端14，负载电容器(CL)13又耦合到输出端14，并且输出电压Vout是从输出端14引出的，所以可由下述方程来定义图1的积分级10的传递函数：
Vout/Vin＝gm/sCL. (1)
如图2示意所示，串联连接两个图1的积分级，即可实现一个简单的一阶低通滤波器。如这里所表示的，在输入端12和输出端14之间串联连接第一和第二跨导级11-1和11-2。在输出端14对跨导级11-1和11-2产生的相应输出电流Igm1和Igm2求和，使得图2的低通滤波器的总传递函数可由下述方程定义：
Vout/Vin＝(gm1/gm2)*(1/(1+sCL/gm2). (2)
从方程(2)可以看出，极点频率是和过程有关的，这是因为极点频率是由和过程有关的项gm2/CL这个比率确定的。典型的情况是，每个过程相关项的绝对精度在所有的过程和温度极值范围内变化约±20％。因为在大多数情况下滤波器转角频率的这一变化是不能接受的，所以为了迫使跨导与电容之比落入预定限值内，必须在芯片上进行补偿。为进行这样的补偿，一般要借助于一个辅助锁相回路，其中要对gm进行调节，以便把gm -控制的主本地振荡器锁定到一个基准频率，其中使用以gm -为基础的控制电压驱动一个从属的gm级。所用的这种调节方案确定了从属滤波器级的gm×C，以使滤波器的转角频率为期望值。为了描述这样一种调节电路的实例，注意参看F.Krummenacher等人的文章“带有芯片上自动调节的4MHz CMOS连续时间滤波器”(IEEE学报“固态电路”，23卷，3期、1988年6月，750-758页)。不幸的是，指定这样一种锁相回路调节电路来处理对变化的补偿，将要增加相当大的、额外的、半导体的实际区域，并且加大了电路的复杂性，因此增加了电路的成本。
图3示意地表示出另一种建议的跨导控制电路结构，见C.Laber等人的文章“20MHz 6阶BiCMOS对寄生不敏感的连续时间滤波器，以及用于盘驱动读出通道的2阶均衡器”(IEEE学报“固态电路”，SC-28卷，462-470页，1993年4月)，因此，该电路结构有可能借助于和芯片处理参数无关的一个极其精确的控制机构来调节gm。Laber等人的控制机构涉及到使用一个可精确控制的外部电阻器Rext，Rext的值被有效地变换成电路内部的一个基准电阻，电阻器Rext确定了跨导级的操作参数，使跨导gm由n/Rext确定，其中n是由一个电流反馈回路确定的刻度因子。
具体来说，图3的跨导控制电路包括第一电流源21，它同第一和第二直流电源端25和27间的一个外部基准电阻器23进行电路耦合。第一电流源21用于产生电流值为δI的一个电流，外部基准电阻器23的阻值记为Rext。因此，外部基准电阻器23的节点26的电压为δI*Rext。
外部电阻器23的节点26耦合到运算放大器30的第一输入端31，其输出端33耦合到MOSFET36的控制栅极35。MOSFET 36的源-漏电流通道与电流镜电路40和内部基准电阻器43进行电路耦合，并具有耦合在节点45和直流电压源端27之间的电阻值Rint。节点45和运算放大器30的第二输入端进行反馈通道的耦合。结果，使外部电阻器23两端的电压ΔδI*Rext有效地变换到内部基准电阻器43的两端，使内部基准电阻器43的电流Iint为δI*Rext/Rint。
电流镜电路40复制穿过包含一对串联的电阻器51和52的电路路径的电流IRint，把每个电阻器51和52的阻值定为电阻器43的阻值的一半，即Rint/2。电阻器51和52之间的节点53耦合到运算放大器60的第一输入端54，它的第二输入端55用于接收一个基准电压Vcm。放大器60的输出57耦合到MOSFET 62的控制栅极，它的源-漏通路与串接的电阻器51和52以及电压源端27进行电路耦合。电阻器51和52耦合到一个跨导级68的相应输入端63和65。跨导级68的输出端耦合到输出节点71，输出节点71经连线73耦合到级68的gm调节输入端75，并且耦合到电流发生器80。电流发生器80用于向电流镜控制回路81提供电流δI*n，其中n是一刻度因子。
在操作中，因为外部电阻器23的电阻值Rext已经变换成内部基准电阻器43，电流镜40通过包含跨导级68的串联输入电阻51和52的路径提供的电流是δI*Rext/Rint。结果，加到跨导级68的输入电压是(δI*Rext/Rint)*(Rint/2+Rint/2)或δI*Rext。因此，由跨导级68产生的输出电流是gm68 *δI*Rext。因为存在由电流发生器80提供的电流反馈回路，迫使跨导级68的输出电流等于δI*Rext*n，从而使gm68等于n/Rext。换言之，由于进行了外部电阻传递变换，并且存在图3电路的电流镜反馈机构，所以才能很容易地借助于一个完全确定的外部电阻值Rext(还要乘以规定的刻度因子n)确定级68的跨导gm68，从而才能精确控制上述参照图1描述的双变量积分级的一个分量(gm分量)，并且和跨导级分量的处理参数无关。
然而，由于其余的元件(积分(负载)电容器C)仍要经受处理参数的变化，所以滤波器电路的整个行为还要依赖于这样的处理变化，从而如以上所述，可使转角频率在极端情况下发生多达20％的移动。
本发明包括一个连续时间电路，该连续时间电路包括一个跨导级和一个与其耦合的负载元件，所说跨导级产生一个输出电流，该电流正比于加到其输入端的电压，所说输出电流加到所说跨导级的输出端，所说负载元件耦合到所说跨导级的输出端，并从所说跨导级的输出端引出输出电压，从而使所说连续时间电路的传递至数由跨导和所说负载元件之间的规定的关系确定，并且所说跨导级包括这样一种元件，它可使所说跨导级的跨导变成所说负载元件的一种规定的性质(电容)的函数，即有效地使所说传递函数与所说规定的性质不相关连。
本发明还涉及制造连续时间积分电路的一种方法，它包括如下步骤：
(a)确定所说连续时间积分电路的结构，使其包括一个跨导gm级和一个与其耦合的负载电容器C1，所说跨导gm级包含一个跨导元件，该跨导元件响应于所加输入电压产生一个输出电流Igm，使所说输出电流Igm耦合到所说跨导级的输出端，所说负载电容器CL耦合到所说跨导级的输出端，并且从所说跨导级的输出端引出输出电压Vout，从而使所说连续时间电路的传递函数Vout/Vin由gm/CL确定，并且其中所说跨导级包括一个电容元件，通过该电容元件来确定所说跨导级的跨导gm；以及
(b)使用形成所说负载电容器和所说跨导级的所说电容元件的共用处理步骤，在一个半导体晶片上形成在步骤(a)中确定的连续时间积分电路，使得由传递函数确定的比率gm/CL的分子和分母中的对过程敏感的电容项彼此有效地抵消，从而使所说连续时间积分电路的所说传递函数有效地变为和绝对电容无关，并且对用来形成所说负载电容器以及所说跨导级的所说电容元件的所说共用处理步骤中的变化不敏感，其中所说跨导级的所说电容元件最好包括一个开关电容器元件。
按常规的作法，用一个取样数据电阻器代替跨导级的外部调节电阻器元件，就能有效地克服图3中提出的以外部电阻为基础的跨导调节电路方案的缺点，通过精密的频率发生器就能够很容易地控制取样数据电阻器的阻值，使滤波器的传递函数(具体来说，即转角频率)只和一个易于控制的参数-取样数据电阻器的开关频率-有关，和被处理的分量(绝对电容)无关，借此使滤波器的行为对处理过程的变化不敏感。
由于跨导级的每个取样数据电阻器模拟的开关电容器电路的参数、以及确定传递特征(例如转角频率)的滤波器的一个或多个附加电容器，都是以相同的处理顺序(掩模组、搀杂参数等等)确立的，所以上述gm2/cL比率的gm分量最好变为获得CL数值的过程的相同因素的函数。因此，在确定转角频率比率(gm2/cL)的分子和分母中的过程敏感项被此有效地抵消，从而可使滤波器的总传递函数有效地变为对过程的变化不敏感。
现在参照附图、借助实例描述本发明，其中：
图1示意地表示用在高频滤波器中的一个连续时间电路实例；
图2示意地表示两个图1的积分器级的串接，用于实现一个简单的一阶低通泯波器；
图3示意地表示C.Laber等人的上述文章“20MHz 6阶BiCMOS对寄生不敏感的连续时间滤波器，和用于盘驱动读出通道的2阶均衡器”(IEEE学报“固态电路”，SC-28卷，462-470页，1993年4月)中描述过的一种现有技术跨导控制电路的结构；
图4示意地表示一个(取样数据)电阻器和一个开关电容器的功能等效电路；
图5示意地表示出一个MOSFET开关，它的源-漏电流路径由一个规定的时钟(取样)频率控制，即按照电阻器等效器件的期望参数予以确定；以及
图6示意地表示对图3电路的一种改进，其中用图4的开关电容器的取样数据电阻器等效电路来代替跨导调节的外部电阻。
本发明的跨导控制电路涉及跨导级的一种改进，使滤波器的总的传递函数(具体指转角频率)只取决于一个易于控制的参数-取样数据电阻器的开关频率，和被处理的分量(绝对电容)无关，从而使滤波器的行为对处理过程的变化不敏感。为此，本发明涉及的是，通过用模拟gm调节电阻器的一个取样数据电阻器取代图3的外部控制电阻，从而使跨导成为一个过程相关变量(绝对电容)的函数，因此跨导变为积分级的传递函数的另一个分量(电容)的函数，借此有效地使分母中的电容分量抵消掉。留下来的只是一个易于控制的变量(频率)。
取样数据电阻器和开关电容器的功能等效性是公知的，在美国专利No.5,124,593的说明书中描述了在另外一种类型的连续时间积分电路滤波器(具体来说，即连续时间MOSFET-C滤波器)中取样数据电阻器的使用情况(在该专利说明书中，对取样数据电阻器进行调节，使MOSFET在一个线性范围内操作；通常不使滤波器的转角频率与绝对电容无关，或者不使该频率对由跨导级和负载电容器组成的滤波器电路中的处理过程的变化不敏感，如以上所述。)
图4示意地表示起取样数据电阻器作用的这样一种开关电容器的通用电路结构。如图4这里所示，第一开关101与“开关”电容器103串联连接在第一和第二节点105和107之间，第二电容短路开关111与电容器103并联连接。开关101和111可以包括相应的MOSFET开关，它们的栅极是通过一个规定的开关频率的微分相位分量φ1和φ2控制的。
图5以标号120示意地表示出这样一种MOSFET开关与一个电容器的耦合(对交替串、并联结构，用虚线表示)，MOSFET开关120在源极121和漏极122之间的源-漏电流通路由加到它的栅极124的一个规定的门控信号控制，该信号的时钟(取样)频率按照电阻器等效器件的期望参数确定。
在充分低于开关101和111的开关频率的那些频率下，图4的开关电容器103模拟一个取样电阻R，电阻R反比于开关频率f以及该电容器的电容CSC的值。因此，如图6中的标号123示意所示，用图4的开关电容器的取样数据电阻器等效电路取代图3电路的电阻，则由跨导级68产生的输出电流δI*n变为：
δI*n＝gm68 *δI*(1/f*Csc). (3)
因此，将gm68确定为：
gm68＝n*f*Csc. (4)
当在图1的积分级10中使用图6的由取样数据电阻器控制的跨导级时，该积分级的传递函数变为：
Vout/Vin＝n*f*Csc/sCL. (5)
换言之，由gm/CL确定的转角频率fhi现在变为：
fhi＝n*f*Csc/CL. (6)
因此，如果跨导级的每个取样数据电阻器的模拟开关电容器(CSC)的晶片参数、以及滤波器的一个或多个附加的(负载)电容器(CL)都是以相同的处理过程顺序(如，掩模组、搀杂参数等)确定的，那么，在确定转角频率比率(gm/CL)的分子和分母中的过程敏感项就能有效地相互抵消，使转角频率fhi变为n*f，其中的n和f都是易于控制的参数。开关频率f可以从芯片上普遍设置的精密时钟基准(本地振荡器)电路引出。
通过改进基于电阻的跨导调节电路，用取样数据电阻取代调节电阻，就可有有效地避开常规的连续时间电路的过程相关特征，即连续时间滤波器的转角频率对于绝对电容变化的敏感性；这种敏感性一般来说要求使用辅助的锁相回路，它占据相当大的半导体实际区域并且电路复杂。这种取样数据电阻器的替换效果是，如果跨导级的每个取样数据电阻器的模拟开关电容器的晶片参数、以及滤波器的一个或多个负载电容器都是以相同的处理过程顺序确定的，那么确定转角频率的比率(gm/c)的过程敏感项都能有效地相互抵消，使转角频率fhi变为比例于该取样数据电阻器的一个易于控制的频率参数。
通过改进基于电阻的跨导调节电路、用开关电容器电路代替调节电阻器，就可避开连续时间电路的过程相关特征，例如连续时间滤波器的转角频率对于绝对电容的变化的敏感性。这种取样数据电阻器的替换效果是，如果跨导级的每个取样数据电阻器以及滤波器的一个或多个负载电容器都是以相同的处理过程顺序确定的，那么确定转角频率的比率(gm/c)中的过程敏感项将能有效地相互抵消，使转角频率变为比例于该取样数据电阻器的一个易于控制的频率参数。
Claims (10)
1.一种连续时间电路，包括一个跨导级和一个与其耦合的负载元件，所说跨导级产生一个输出电流，该输出电流比例于加到其输入端的电压，所说输出电流加到所说跨导级的输出端，所说负载元件耦合到跨导级的输出端并从这里引出输出电压，使所说连续时间电路的传递函数可由跨导和所说负载元件之间的一种规定的相互关系来确定，所说跨导级包括的元件可使所说跨导级的跨导变为所说负载元件的电容的一个规定的性质的函数，即可有效地使所说传递函数与所说规定的性质无关。
2.如权利要求1的连续时间电路，其中所说负载元件包括一个负载电容器，所说跨导级的所说元件包括一个开关电容器元件。
3.如权利要求2的连续时间电路，其中以一个使所说开关电容器元件可有效地模拟一个基准电阻的开关频率来控制所说开关电容器元件，并且所说开关电容器元件耦合到所说跨导级的一个输入电压控制路径，所说跨导级的输出经一输出电流发生器耦合到所说跨导级的所说输入电压控制路径，所说输出电流发生器产生正比于加在所说开关电容器元件上的电流的输出电流，使跨导级产生的输出电流正比于加到所说开关电容器元件的电流和所说开关电容器元件的基准电阻值乘的积；其中所说跨导级包括一个第一电流源，它与所说开关电容器元件进行电路耦合并用于向所说开关电容器元件提供第一电流，并且以一个使所说开关电容器元件可有效模拟一个第一基准电阻器的开关频率来控制所说开关电容器元件，借此可使所说第一基准电阻器两端的电压只取决于所说第一电流和所说第一基准电阻器的阻值；并且所说跨导级还包括一个电压变换电路，它向所说跨导级的一个输入电压控制路径提供由所说开关电容器元件模拟的所说第一基准电阻器两端的电压值，所说跨导级的输出经第二电流发生器耦合到所说跨导级的所说输入电压控制路径，所说第二电流发生器产生正比于所说第一电流的第二电流，使跨导级产生的输出电流正比于所说第一电流和所说开关电容器元件的模拟的第一基准电阻值的乘积。
4.一种连续时间电路，包括一个跨导(gm)级和一个与其耦合的负载电容器(CL)，所说跨导(gm)级包含一个跨导元件，该跨导元件产生正比于加到它的一个输入端的电压的输出电流(Igm)，所说输出电流(Igm)加到所说跨导级的一个输出端，所说负载电容器(CL)耦合到所说跨导级的输出端并从这里引出输出电压(Vout)，使所说连续时间电路的传递函数(Vout/Vin)可由跨导(gm)与负载电容器(CL)的比例确定，其中所说跨导级包括一个电容性元件，通过电容性元件可确定所说跨导级的跨导(gm)，从而所说跨导(gm)是电容的函数，借此可有效地使所说传递函数与绝对电容无关，其中所说跨导级的所说电容性元件最好是开关电容器元件。
5.如权利要求4的连续时间电路，其中以一个使所说开关电容器元件可有效地模拟一个基准电阻的开关频率来控制所说开关电容器元件，并且所说开关电容器元件耦合到所说跨导级的一个输入电压控制路径，所说跨导级的输出经一输出电流发生器耦合到所说跨导级的所说输入电压控制路径，所说输出电流发生器产生正比于加在所说开关电容器元件上的电流的输出电流，从而跨导级产生的输出电流正比于加到所说开关电容器元件的电流和所说开关电容器元件的基准电阻值的乘积。
6.如权利要求4或5的连续时间电路，其中所说跨导级包括一个第一电流源，它与所说开关电容器元件进行电路耦合并用于向所说开关电容器元件提供第一电流，并且以一个使所说开关电容器元件可有效模拟一个第一基准电阻器的开关频率来控制所说开关电容器元件，借此可使所说第一基准电阻器两端的电压只取决于所说第一电流和所说第一基准电阻器的阻值；并且所说跨导级还包括一个电压变换电路，它向所说跨导级的一个输入电压控制路径提供由所说开关电容器元件模拟的所说第一基准电阻器两端的电压值，所说跨导级的输出经第二电流发生器耦合到所说跨导级的所说输入电压控制路径，所说第二电流发生器产生正比于所说第一电流的第二电流，使跨导级产生的输出电流正比于所说第一电流和所说开关电容器元件的模拟的第一基准电阻值的乘积。
7.一种连续时间滤波器电路，包括：在加有输入电压(Vin)的输入端和引出输出电压(Vout)的输出端之间进行电路耦合的至少一个跨导(gm)级，和耦合到所说输出端的一个负载电容器(CL)，所说至少一个跨导(gm)级包含一跨导元件，跨导元件产生正比于加到所说输入端的电压的输出电流(Igm)，所说输出电流(Igm)加到所说输出端，使所说连续时间电路的传递函数(Vout/Vin)由跨导(gm)和负载电容器(CL)的比率确定，并且其中所说至少一个跨导元件包括一个电容性元件，通过该电容性元件来确定所说至少一个跨导级的跨导，有效地使所说传递函数与绝对电容无关，其中的所说至少一个跨导级的所说电容性元件最好包括一个开关电容器元件。
8.如权利要求7的连续时间滤波器电路，其中所说至少一个跨导级包括一个第一电流源，它与所说开关电容器元件进行电路耦合并用于向所说开关电容器元件提供第一电流，并且以一个使所说开关电容器元件可有效模拟一个第一基准电阻器的开关频率来控制所说开关电容器元件，借此可使所说第一基准电阻器两端的电压只取决于所说第一电流和所说第一基准电阻器的阻值；并且所说至少一个跨导级还包括一个电压变换电路，它向所说跨导级的一个输入电压控制路径提供由所说开关电容器元件模拟的所说第一基准电阻器两端的电压值，所说至少一个跨导级的输出经第二电流发生器耦合到所说至少一个跨导级的所说输入电压控制路径，所说第二电流发生器产生正比于所说第一电流的第二电流，使至少一个跨导级产生的输出电流正比于所说第一电流和所说开关电容器元件的模拟的第一基准电阻值的乘积。
9.一种制造连续时间积分电路的方法，包括如下步骤：
(a)确定所说连续时间积分电路的结构，使其包括一个跨导(gm)级和一个与其耦合的负载电容器(CL)，所说跨导(gm)级包含一个跨导元件，该跨导元件响应于所加的输入电压操作的产生输出电流(Igm)，以使所说输出电流(Igm)耦合到所说跨导级的输出端，所说负载电容器(CL)耦合到该输出端并从这里引出输出电压(Vout)，借此使所说连续时间电路的传递函数(Vout/Vin)由跨导(gm)和负载电容器(CL)的比率确定，所说跨导级包括一个电容性元件，通过该电容性元件可确定所说跨导级的跨导(gm)；以及
(b)使用形成所说负载电容器和所说跨导级的所说电容性元件的常用处理步骤，在一个半导体晶片上形成在步骤(a)确定的连续时间积分电路，使得在确定传递函数的比率(gm/CL)的分子和分母中的过程敏感电容项能够有效地相互抵消，借此有效地使所说连续时间积分电路的所说传递函数与绝对电容无关，并且使所说传递函数对用来形成所说负载电容器和所说跨导级的所说电容性分量的所说通用处理步骤中的变化不敏感，其中最好所说跨导级的所说电容性元件包括一开关电容器元件。
10.如权利要求9的方法，其中，在步骤(a)确定所说连续时间积分电路的结构，使所说跨导级包括一个第一电流源，它与所说开关电容器元件进行电路耦合并用于向所说开关电容器元件提供第一电流，并且以一个使所说开关电容器元件可有效模拟一个第一基准电阻器的开关频率来控制所说开关电容器元件，借此可使所说第一基准电阻器两端的电压只取决于所说第一电流和所说第一基准电阻器的阻值；并且所说跨导级还包括一个电压变换电路，它向所说跨导级的一个输入电压控制路径提供由所说开关电容器元件模拟的所说第一基准电阻器两端的电压值，所说跨导级的输出经第二电流发生器耦合到所说跨导级的所说输入电压控制路径，所说第二电流发生器产生正比于所说第一电流的第二电流，使跨导级产生的输出电流正比于所说第一电流和所说开关电容器元件的模拟的第一基准电阻值的乘积。
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