CN1476168A - 用于转导电容滤波器的频率调整回路 - Google Patents

Abstract

一种用于转导电容滤波器的频率调整电路，包括一第一切换装置与一第二切换装置，用以将输入信号反复对调输出；一转导器的正输入端与负输入端分别连接至第一切换装置的输出端点；一第一开关的一端连接至转导器的正输出端，而另一端连接一第一电容与第二切换装置的一信号输入端；一第二开关的一端连接至转导器的负输出端，而另一端连接一第二电容与第二切换装置的另一信号输入端；及一积分电路，积分电路至少包括一积分器、一第三电容及一第四电容，积分器的正负输入端分别连接至第二切换装置的信号输出端。然后此积分器的输出可连接一差动转单端电路及一低通滤波电路，用以将由积分器所输出的差动信号转为单端信号并滤波。

Description

用于转导电容滤波器的频率调整回路

(1)技术领域

本发明有关一种频率调整电路，特别是有关一种用于转导电容滤波器(Transconductor-Capacitor filter)上的频率调整回路(Frequency TuningLoop)。

(2)背景技术

滤波器是信号处理系统中常见且重要的单位，其作用为将不需要频段信号消除，进而保留或放大所需要频段信号，在先进的集成电路制程中，将滤波器整合进入芯片设计中是一个普遍且共通的趋势。

滤波器的截止频率(cut-off frequency，or roll-off frequency)与其时间常数(time constant)的倒数成正比关系。时间常数在主动RC滤波器(active RCfilter)中是以RC值来表示，而在转导电容滤波器(transconductor-capacitorfilter，or Gm-C filter)中时间常数则是以C/Gm值来表示，然而由于集成电路制程的不确定性，造成制造出来的电阻值、电容值甚或是滤波器中最重要的电阻乘以电容值(所得的乘积即是时间常数值)的变化幅度相当的大，因此造成所制造出的滤波器其频率精准度不足或者不稳定。

因此需要在滤波器中包括一频率调整回路，能够针对一个已知的输入信号源(例如固定的时脉信号)量测时间常数，然后进而修改或调整其滤波器的截止频率。

转导电容滤波器是一个常用的滤波器的技术，其具有高速的特性，其中设计转导电容滤波器最重要的就是要确定其截止频率能够控制在一个设计值内而不会随着制程、温度、时间而漂移。一般常见的控制方法有两种，一是将滤波器的截止频率针对输入时脉再做校正(calibration)的动作，此方法可以对制程差异作修补动作，其优点是一旦校正过后便不会再对滤波器有任何的影响，而其缺点是校正精准度有限制，同时亦不能再对温度变化、时间老化(aging)等变数再作修补动作；而另一个控制方法则是将滤波器的截止频率根据输入的固定时脉信号进行连续调控(continuous tuning)的动作，其优点是可以对温度变化、时间老化(aging)等变数作修补动作，但是缺点为转导器所产生的漂移电流(offset current)会对调整的结果造成影响，因而无法达到所需的精确度。

图1a为一习知的具有频率调整回路的转导电容滤波器的示意方块图，其中输入信号经转导电容滤波器110后，得到一经滤波的输出信号，且此转导电容滤波器110具有一频率调整回路112(Frequency Tuning Loop)，此频率调整回路112接受一固定时脉(Clock)，并根据此校准用时脉产生调整电压(TuningVoltage)至转导电容滤波器110用以调整转导电容滤波器110的输出信号。

图1b为图1a中的频率调整回路112的内部电路模型方块图，为依照IEEE proc.ISCAS-91中所提出的″一种用以自动连续调整滤波器的方法(A novel approach forthe automatic tuning of continuous-time filters)″所设计的调整电路，其构想为使用电荷转换的负反馈回路，其中转导器120本身以负反馈接成了等效的电阻R＝1/Gm，当转导器120的正端输入电流源Ir121流经Gm的后造成的电压为V＝Ir/Gm。第一开关122与第二开关123分别由时脉控制其开关动作且其开关动作相异，当第一开关122于高位准时导通，电容C1p上便充入电荷Qp，且Qp＝C1p*V＝(C1p*Ir)/Gm，而此时第二开关123为打开呈开路状态，使得电容C1p与的后的电路互不影响。而当时脉高位准转变为低位准时，第一开关122打开成为开路，而第二开关123导通，此时电容C1p上所存的电荷Qp便转换至由操作放大器124、电容C2p及电容C2n所构成的积分器电路上，形成输出电压变化量ΔVcp，ΔVcp＝(-Qp)/C2p＝[(-C1p)/C2p]*(Ir/Gm)。

另外，由于积分器124之输入端另有一电流源125，其电流值为N*L，因而造成积分器的输出持续上升，而在一单位时脉周期T＝1/f内，积分器124因电流源125所造成上升的电压值为ΔV1＝(I/C2p)*T＝[(I/C2p)/T]*(1/f)。而当最后负回授回路达成平衡时，ΔV_cp+ΔV₁＝0，因此可得到方程式1： $\frac{-C_{1p}}{C_{2p}}*\frac{I_r}{\mathrm{Gm}}+\frac{N*I_r}{C_{2p}}*\frac{1}{f}=0$ (方程式1)

由此可知频率调整回路112的调整频率可由其f/N值来控制，因此可以藉由此频率调整回路112将转导电容滤波器的截止频率调整至设计值。

此外，连接于转导器120另一输入端之各元件，如第三开关126、第四开关127及电容C_1n、C_2n等元件，其元件、动作原理及元件间之连接方式与上述皆相同，惟连接至另一端上，因此所产生之输出电压变化量ΔV_cn与ΔV_cp相差一负号。然后ΔV_cn与ΔV_cp经由一差动转单端电路(differential to single converter)128后再经由一低通滤波电路129(low-pass filter，LPF)滤波之后的输出即为所需之调整电压V_tun(TuningVoltage)。

然而上述之电路为一理想状况，在真实情况下，转导器120无可避免的会有漂移电流(offset current)存在。第一c图为第一b图之实际等效模型，用以说明实际状况，其中，漂移电流源130表示此转导器120于实际状况中所产生之漂移电流，因此可将实际的转导器等效成一个理想的转导器120加上一个漂移电流源130，而此将此漂移电流源130所产生之电流标示为I_offset。因此流经差动转导器120的电流在此变成I_r+I_offset，利用前述之分析方式后，可得到方程式2： $\frac{-C_{1p}}{C_{2p}}*\frac{(I_r+I_{\mathrm{offset}})}{\mathrm{Gm}}+\frac{N*I_r}{C_{2p}}*\frac{1}{f}=0$ (方程式2)

可得知转导器120所产生之漂移电流会影响调整频率的值，其误差量直接与Ioffset/Ir值成正比，且漂移电流会因为转导器本身的制造过程、环境温度、时间因素而有所改变，因此一种不受转导器所产生之漂移电流影响的频率调整回路是需要的，藉以增加频率调整回路的精确度。

(3)发明内容

本发明提出一种用于转导电容滤波器的频率调整回路，以克服传统的转导电容滤波器于控制截止频率上所产生的诸多缺点。

本发明的主要目的即在于提出一种具有不受参考转导器所产生的漂移电流(offset current)影响的频率调整回路，藉以增加转导电容滤波器的频率精确度。

根据以上所述的目的，本发明提供一种用于转导电容滤波器的频率调整电路，其包括一转导器，且此转导器的正输入端连接第一a开关及第一b开关，且第一a开关的另一端连接一正向电流源，而第一b开关的另一端连接一反向电流源，而转导器的负输入端连接第一a′开关及第一b′开关，且第一a′开关的另一端连接反向电流源，而第一b′开关的另一端连接正向电流源。其中第一a开关及第一a′开关的动作一致，而第一b开关及第一b′开关的动作一致，并且第一a开关及第一a′开关的动作会与第一b开关及第一b′开关的开关动作交替发生。

此转导器的输出端分别连接第二a开关与第二b开关，且第二a开关的另一端连接第一电容、第三a开关、第三b′开关，而第二b开关的另一端连接第二电容、第三a′开关、第三b开关。此第三a开关及第三a′开关的开关动作与第一a开关的开关动作一致；且第三b开关及该第三b′开关的开关动作与第一b开关的开关动作一致。

还包括有积分器、第三电容及第四电容的积分电路，其中第三电容用以储存由第一电容移转的电荷，而第四电容用以储存由第二电容移转的电荷，并且积分器的正输入端连接第三a′开关与第三b′开关的另一端，而积分器的负输入端连接第三a开关与第三b开关的另一端。而一差动转单端电路连接至积分器的输出端，用以将由积分器输出的差动信号转为单端信号，然后再利用二低通滤波电路连接至此差动转单端电路的输出端。

为进一步说明本发明的目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。

(4)附图说明

图1a是显示一习知具频率调整回路的转导电容滤波器的实施方块图；

图1b显示一习知的理想频率调整回路；

图1c显示一习知的实际等效频率调整回路；

图2a显示本发明一较佳实施例的频率调整回路；及

图2b显示经由图2a所示电路后各输出端的波形表现。

(5)具体实施方式

本发明的一较佳实施例会详细描述如下。然而，除了详细描述外，本发明还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本发明的范围不受限定，而是以权利要求书所限定的范围为准。

本发明的一种用于转导电容滤波器的频率调整电路，包括：一第一切换装置与一第二切换装置，此两切换装置各别具有两信号输入端点及两信号输出端点，用以将由两输入端点输入的信号依一固定时脉信号将输入信号由两输出端点反复对调输出；一转导器，此转导器的正输入端与负输入端分别连接至第一切换装置的两信号输出端点；一第一开关，第一开关的一端连接至转导器的正输出端，而另一端连接一第一电容与第二切换装置的一信号输入端；一第二开关，第二开关的一端连接至转导器的负输出端，而另一端连接一第二电容与第二切换装置的另一信号输入端；及一积分电路，积分电路至少包括一积分器、一第三电容及一第四电容，积分器的正输入端与负输入端分别连接至第二切换装置的两信号输出端。然后此积分器的输出可连接一差动转单端电路及一低通滤波电路，用以将由积分器所输出的差动信号转为单端信号并滤波。

图2a为本发明的频率调整回路的一较佳实施例，其中一转导器200具有正负输入端及正负输出端，其正负端输入部分分别连接一大小相同且电流方向相反的参考电流源I_r，另外受时脉控制其开关动作的第一a开关201、第一a’开关202、第一b开关203及第一b’开关204用以连接电流源与转导器200的输入端。其中，第一a开关201与第一a’开关202的开关动作一致，且由时脉Φ_1a控制，而第一b开关203则与第一b’开关204的开关动作一致，且由时脉Φ_1b控制，此外，第一a开关201与第一a’开关202的开关动作与第一b开关203及第一b’开关204的开关动作恰为相互交错。

转导器200的输出端经由时脉Φ₂所控制的第二a开关205与第二b开关206分别连接至第一电容207与第二电容208，且此第一电容207与第二电容208的另一端分别接地，其中第一电容207与第二电容208为相同的电容元件，或为具相同电容值及特性的电容元件。

一比较积分电路由操作放大器210、第三电容211、第四电容212所构成的积分器及一大小相同且电流方向相反的参考电流源N*I_r连接所构成，其中N代表一变数，N*I_r用以表示为N倍的I_r值，且第三电容211与第四电容212为相同的电容，或为具相同电容值及特性的电容。

第二a开关205除了连接第一电容207外，尚与第三a开关213及第三b’开关216的一端连接，而第三a开关213的另一端连接至积分器210的负端输入，且第三b’开关216的另一端连接至积分器210的正端输入。第二b开关206除了连接第二电容208外，尚与第三a’开关214及第三b开关215的一端连接，而第三a’开关214的另一端同样连接至积分器210的正端输入，且第三b开关215的另一端亦连接至积分器210的负端输入。第三a开关213、第三a’开关214、第三b开关215及第三b’开关216皆为由时脉控制其动作的开关元件，其中，第三a开关213及第三a’开关214的开关动作一致由时脉Φ_3a控制，而第三b开关215及第三b’开关216的开关动作一致由时脉Φ_3b控制，惟其开关动作恰与第三a开关213与第三a’开关214相互交错。

然而于真实情况中，转导器200无可避免的会有漂移电流(offset current)存在，所以一电源流I_offset用以表示由转导器200所产生的漂移电流，因此一大小相同，极性相反的电源流I_offset分别接至转导器200的正端输出与负端输出，用以等效模拟于真实情况中由所转导器200产生的漂移电流。

考虑当时脉Φ_1a为高位准时，第一a开关201及第一a’开关202导通，如同前述的动作原理及分析，转导器200的正端输出变化量ΔV_xp为+[(Ir+Ioffset)/Gm]，而转导器200负端输出变化量ΔV_xn为-[(Ir+Ioffset)/Gm]。而当时脉Φ_1b为高位准时，第一a开关201及第一a’开关202打开而第一b开关203及第一b’开关204关闭导通，则电流源I_r与转导器200的接法成为交错相接，因此转导器200的正端输出变化量ΔVxp转变为+[(-Ir+Ioffset)/Gm]，而负端输出变化量ΔVxn则-[(-Ir+Ioffset)/Gm]。当开关动作互换时，I_r的方向改变，因此输出电压的符号跟着改变，可是漂移电流I_offset的电流由于无法经由开关的互换而改变流向，因此其表现就如同一个漂移项。

接下来，当时脉Φ₂为高位准时，第二a开关205及第二b开关206导通，转导器的输出电压便分别转存至第一电容207与第二电容208上，由于第一电容207与第二电容208为相同的电容元件，故具相同的电容值C₁，并且第三电容211与第四电容212亦为相同的电容元件故亦具相同的电容值C₂。而第三a开关213、第三a’开关214的动作与第一a开关201及第一a’开关202相似，当第三a开关213、第三a’开关214导通时，就如同的前的分析，操作放大器210的输出变化量ΔV_cp与ΔV_cn分别为，ΔVcp＝-(C1/C2)*ΔVxp，ΔVcn＝-(C1/C2)*ΔVxn，由于第一a开关201及第一a’开关202导通时第三a开关213、第三a’开关214也会同时导通，因此 $\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{cp}}=-\frac{C_1}{C_2}*\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xp}}=-\frac{C_1}{C_2}*(+\frac{(I_r+I_{\mathrm{offset}})}{\mathrm{Gm}}),$ 且 $\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{cn}}=-\frac{C_1}{C_2}*\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xn}}=-\frac{C_1}{C_2}*(-\frac{(I_r+I_{\mathrm{offset}})}{\mathrm{Gm}}).$

而当时脉Φ_1b为高位准时，第一b开关203及第一b’开关204导通，而随后，当时脉Φ_3b为高位准，第三b开关216、第三b’开关215也会因此导通，此时第一电容207与第二电容208与操作放大器210输入端的接法转变为交错相接，因此第一电容207经由导通的第三b’开关216连接操作放大器210的正端输入，而第二电容208则经由导通的第三b开关215连接操作放大器210的负端输入，由于输入信号的对调，此时积分器的输出转变成为 $\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{cp}}=-\frac{C_1}{C_2}*\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xn}},$ $\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{cn}}=-\frac{C_1}{C_2}*\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xp}},$ 即 $\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{cp}}=-\frac{C_1}{C_2}*\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xn}}=-\frac{C_1}{C_2}*(-\frac{(-I_r+I_{\mathrm{offset}})}{\mathrm{Gm}})$ 及 $\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{cn}}=-\frac{C_1}{C_2}*\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{xp}}=-\frac{C_1}{C_2}*(+\frac{(-I_r+I_{\mathrm{offset}})}{\mathrm{Gm}}).$ 当操作放大器210的输入端经过一次输入信号对调后，将对调前后的输出相加做为经一次输入信号对调后的输出，即：ΔV_cp(经一次对调)＝ΔV_cp(对调前)+ΔV_cp(对调后) $=-\frac{C_1}{C_2}*(+\frac{(I_r+I_{\mathrm{offset}})}{\mathrm{Gm}})-\frac{C_1}{C_2}*(-\frac{(-I_r+I_{\mathrm{offset}})}{\mathrm{Gm}})$ $=-\frac{C_1}{C_2}*\frac{((I_r+I_{\mathrm{offset}})-({-I}_r+I_{\mathrm{offset}}))}{\mathrm{Gm}}$ $=-\frac{C_1}{C_2}*\left(\frac{2I_r}{\mathrm{Gm}}\right)$ 而ΔV_cn(经一次对调)＝ΔV_cn(对调前)+ΔV_cn(对调后) $=-\frac{C_1}{C_2}$ $(-\frac{(I_r+I_{\mathrm{offset}})}{\mathrm{Gm}})$ $-\frac{C_1}{C_2}$ $(+\frac{(-I_r+I_{\mathrm{offset}})}{\mathrm{Gm}})$ $=-\frac{C_1}{C_2}*\frac{(-(I_r+I_{\mathrm{offset}})+(-I_r+I_{\mathrm{offset}}))}{\mathrm{Gm}}$ $=-\frac{C_1}{C_2}*\left(\frac{-2I_r}{\mathrm{Gm}}\right)$

由此可知由转导器200所产生的漂移电流I_offset在经一次对操作放大器210正负输入端的交替后已经抵消，而不会对积分器输出有所影响，因此频率调整电路的精准度便可以提高。V_cp及V_cn再经由一差动转单端电路220(differential to singleconverter)将两差动信号转换成一单端信号，然后再经由一低通滤波电路(low-passfilter，LPF)滤波的后的输出即为调整电压V_tun(Tuning Voltage)。

然而于其他较佳实施例中，V_cp及V_cn也许先经由一低通滤波电路进行滤波后再经由一差动转单端电路，又于另一较佳实施例中，如结果V_tun本身便为差动信号，则V_cp及V_cn亦可不经过一差动转单端电路，而只经由一低通滤波电路。图2b显示经由图2a所示的电路后各输出端所表现出的波形加上时脉信号Φ_1a、Φ_1b、Φ₂、Φ_3a、Φ_3b的波形。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的专利保护范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神的情况下所完成的等效改变或等效替换，均应包括在下述的权利要求书所限定的范围内。

Claims (15)

1.一种用于转导电容滤波器的频率调整电路，其特征在于，包括：

一转导器；

一第一a开关及一第一b开关，该第一a开关及该第一b开关的一端连接至该转导器的正输入端，且该第一a开关的另一端连接至一正向电流源输入端用以接受一正向电流源的输入，而该第一b开关的另一端连接至一反向电流源输入端用以接受一反向电流源的输入；

一第一a′开关及一第一b′开关，该第一a′开关及该第一b′开关的一端连接至该转导器的负输入端，且该第一a′开关的另一端连接至该反向电流源输入端，而该第一b′开关的另一端连接至该正向电流源输入端，其中该第一a开关及该第一a′开关的开关动作一致，而该第一b开关及该第一b′开关的开关动作一致，并且该第一a开关及该第一a′开关的开关动作与该第一b开关及该第一b′开关的开关动作交替发生；

一第一电容；

一第二电容；

一第三a开关及一第三a′开关，该第三a开关及该第三a′开关的开关动作与该第一a开关的开关动作相差固定一个时脉周期；

一第三b开关及一第三b′开关，该第三b开关及该第三b′开关的开关动作与该第一b开关的开关动作相差固定一个时脉周期；

一第二a开关，该第二a开关的一端连接至该转导器的正输出端，而另一端连接该第一电容、该第三a开关及该第三b′开关的一端，其中该第一电容的另一端接地；

一第二b开关，该第二b开关的一端连接至该转导器的负输出端，而另一端连接该第二电容、该第三b开关及该第三a′开关的一端，其中该第一电容的另一端接地；及

一积分电路，该积分电路至少包括一积分器、一第三电容及一第四电容，其中该第三电容是用以储存由该第一电容移转的电荷，而该第四电容是用以储存由该第二电容移转的电荷，并且该积分器的正输入端连接该第三a′开关与第三b′开关的另一端，该积分器的负输入端连接该第三a开关与第三b开关的另一端。

2.如权利要求1所述的频率调整电路，其特征在于，还包括一差动转单端电路连接至该积分器的输出端，用以将由积分器输出的差动信号转为单端信号。

3.如权利要求2所述的频率调整电路，其特征在于，还包括一低通滤波电路，连接至该差动转单端电路的输出端。

4.如权利要求1所述的频率调整电路，其特征在于，还包括一低通滤波电路，连接至该积分器的输出端。

5.如权利要求1所述的频率调整电路，其特征在于，还包括一大小相同且流向相反的电流源，分别连接至该积分器的正负输入端。

6.如权利要求1所述的频率调整电路，其特征在于，所述的第一电容及该第二电容具有相同的电容值。

7.如权利要求1所述的频率调整电路，其特征在于，所述的第三电容及该第四电容具有相同的电容值。

8.一种用于转导电容滤波器的频率调整回路，其特征在于，包括：

一第一切换装置，具有两信号输入端点及两信号输出端点，该第一切换装置用以将由该两输入端点输入的信号依一固定时脉信号将该输入信号由该两输出端点反复对调输出；

一转导器，该转导器的正输入端与负输入端分别连接至该第一切换装置的两信号输出端点；

一第二切换装置，具有两信号输入端点及两信号输出端点，该第二切换装置用以将由该两输入端点输入的信号依一固定时脉信号将该输入信号由该两输出端点反复对调输出；

一第一开关，该第一开关的一端连接至该转导器的正输出端，而另一端连接一第一电容与该第二切换装置的一信号输入端；

一第二开关，该第二开关的一端连接至该转导器的负输出端，而另一端连接一第二电容与该第二切换装置的另一信号输入端；及

一积分电路，该积分电路至少包括一积分器、一第三电容及一第四电容，且该积分器的正输入端与负输入端分别连接至该第二切换装置的两信号输出端。

9.如权利要求8所述的频率调整回路，其特征在于，所述的第一电容及该第二电容具有相同的电容值。

10.如权利要求8所述的频率调整回路，其特征在于，所述的第三电容及该第四电容具有相同的电容值。

11.如权利要求8所述的频率调整回路，其特征在于，该第一切换装置与该第二切换装置具有相同的对调切换时间，该第二切换装置动作与第一切换装置相差一个时脉时间。

12.如权利要求8所述的频率调整电路，其特征在于，还包括一差动转单端电路连接至该积分器的输出端，用以将由积分器输出的差动信号转为单端信号。

13.如权利要求12所述的频率调整电路，其特征在于，还包括一低通滤波电路连接至该差动转单端电路的输出端。

14.如权利要求8所述的频率调整电路，其特征在于，还包括一低通滤波电路连接至该积分器的输出端。

15.如权利要求8所述的频率调整电路，其特征在于，还包括一大小相同且流向相反的电流源分别连接至该积分器的正负输入端。