CN202998020U - 一种用于有源rc滤波器的自动频率调谐电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路，包括比较器、恒流源、参考电压产生电路、开关电容电路和数字逻辑控制电路；其特征在于：所述参考电压产生电路产生第一参考电压、第二参考电压和第三参考电压分别输入第一比较器、运算放大器以及第二比较器；所述恒流源在所述开关电容电路上产生的电压输入所述运算放大器；所述数字逻辑控制电路接收所述第一比较器和所述第二比较器输出的信号，进行运算处理后，输出控制码到所述开关电容电路，调整所述开关电容电路的等效电容；本实用新型实现方法简单，成本低、体积小、功耗低、调谐精度高，可广泛的应用于电子、通信等领域，具有良好的应用前景。

Description

一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路

技术领域

本实用新型涉及有源RC滤波器，具体涉及一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路。

背景技术

有源RC滤波器可以获得较好的噪声性能、较好的动态范围以及较好的线性度，且其实现方法简单，因而广泛的应用于零中频或低中频的射频接收机中，为使有源RC滤波器频率特性的精度和稳定性满足接收机的系统要求，要求构成该滤波器的电阻值和电容值具有足够的精度和稳定性，但在集成电路制造过程中，由于工艺的容差会导致元器件参数偏离设计值，同时其还会随工作环境的变化而变化。一般情况下，集成电路中相同类型元件的比值可以比较精确和稳定，如电阻的比值误差可达1％或更小，电容的比值误差可达到0.1％或更小，但是电阻和电容的绝对值误差都很大，可高达30％以上，这些误差会引起滤波器频率的偏移，将可能导致有用信号的衰减和干扰信号的放大。因此，就需要设计自动频率调谐电路来补偿工艺和环境所带来的RC网络的变化，去稳定滤波器的截止频率。

现有的技术方案为采用如图1所示的频率调谐电路，包括RC振荡器、限幅放大器、外部参考时钟、分频器以及数字逻辑电路。其中RC振荡器由若干级固定的电阻和电容阵列以及运算放大器组成，如图2所示，电阻和电容阵列的类型与滤波器中的相同，这使得滤波器与RC振荡器具有类似的RC时间常数。将RC振荡器产生的振荡频率与固定的时钟参考频率进行比较，当振荡频率与时钟参考频率存在偏差的时候，通过数字逻辑电路的运算，控制电容阵列进行变化，最终将使得振荡频率和时钟参考频率趋于相等，达到调谐的效果。

现有技术相当于一个数字锁相环，电路比较复杂，RC振荡器的振荡频率较大时，RC振荡器的振荡频率会出现误差，将很难保证RC振荡器的精度，使得整个电路的调节精度受到了限制；当RC振荡器为了获得越小的振荡频率时，电阻或电容值将越大，使得调谐电路的面积会变得越来越大，有时候甚至会和滤波器的主体部分相当，而且其功耗也比较大。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是，一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路，包括比较器、恒流源、参考电压产生电路、开关电容电路和数字逻辑控制电路；其特征在于：

所述参考电压产生电路产生第一参考电压、第二参考电压和第三参考电压分别输入第一比较器、运算放大器以及第二比较器；

所述开关电容电路包括电容阵列；所述恒流源通过开关管二对所述开关电容电路充电，所述开关管二的通断由时钟信号一控制，该时钟信号一为时钟信号三的反相延迟信号；所述恒流源在所述开关电容电路上产生的电压输入所述运算放大器；

所述运算放大器将所述开关电容电路上产生的电压与第二参考电压进行放大处理，所述运算放大器的输出电压通过开关管三对电容二进行充电，该开关管三的通断由所述时钟信号三控制，且所述电容二上产生的电压同时输入所述第一比较器和所述第二比较器；

所述第一比较器将所述电容二上的电压与所述第一参考电压进行比较，所述第一比较器将比较结果输出到所述数字逻辑控制电路；

所述第二比较器将所述电容二上的电压与第三参考电压进行比较，所述第二比较器将比较结果输出到所述数字逻辑控制电路；

所述数字逻辑控制电路接收所述第一比较器和所述第二比较器输出的信号，进行运算处理后，输出控制码到所述开关电容电路，调整所述开关电容电路的等效电容。

根据本实用新型所述的一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路的一种优选方案，所述开关管三为MOS管，该MOS管的栅极接收所述时钟信号三，所述运算放大器的输出电压通过该MOS管的漏极和源极对所述电容二进行充电，该MOS管的源极同时与所述第一比较器和所述第二比较器的输入端连接。

根据本实用新型所述的一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路的一种优选方案，所述运算放大器由放大器、电容三、MOS开关管一构成，其中：所述MOS开关管一的栅极接收时钟信号一，所述MOS开关管一的源极连接放大器的输出，所述MOS开关管一的漏极连接放大器的反相输入端；放大器的同相输入端接收第二参考电压；所述电容三连接在所述MOS开关管一的漏极与源极之间。

根据本实用新型所述的一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路的一种优选方案，所述开关电容电路由MOS开关管四、MOS开关管五和所述电容阵列构成，其中，所述MOS开关管四的源极与所述MOS开关管五的漏极连接，所述MOS开关管四的漏极连接所述运算放大器的输入端，所述MOS开关管五的源极通过所述电容二与开关管三的源极连接；输入所述MOS开关管四栅极和所述MOS开关管五栅极的时钟信号为非重叠时钟信号，该非重叠时钟信号是指当MOS开关管四与MOS开关管五其中一个导通时，另一个开关管便关断；电容阵列连接在MOS开关管五的漏极与源极之间。

根据本实用新型所述的一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路的一种优选方案，所述电容阵列由若干个电容与开关构成，每个电容均通过开关连接在MOS开关管五的漏极与源极之间，开关的通断由所述数字逻辑控制电路输出控制码控制。

本实用新型所述的一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路的有益效果是：本实用新型通过检测调谐电路中RC时间常数的变化，即通过时钟信号控制开关电容电路的充放电，通过数字逻辑控制电路输出控制码调整开关电容电路的等效电容，使调谐电路的RC时间常数达到或最大限度地接近预期值，实现控制滤波器中的RC时间常数，从而实现了对有源RC滤波器频率的自动调谐；本实用新型能够完全消除工艺和环境的影响；与现有技术相比，减小了芯片面积和功耗；并且，本实用新型实现方法简单，成本低、体积小、功耗低、调谐精度高，使滤波器频率具有高的稳定性，可广泛的应用于电子、通信等领域，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是现有技术方案原理图。

图2是现有RC振荡器电路图

图3是本实用新型所述的一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路的原理图。

图4是输入开关管四、五的时钟CLK_P与CLK_N的波形图。

图5数字逻辑控制电路的功能时序图。

具体实施方式

参见图3，一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路，包括比较器、恒流源I1、参考电压产生电路1、开关电容电路2、数字逻辑控制电路3和时钟产生电路4；其中：

所述参考电压产生电路1产生第一参考电压、第二参考电压和第三参考电压分别输入第一比较器5、运算放大器7以及第二比较器6；

所述开关电容电路2包括电容阵列C1，电容阵列C1为采用与滤波器相同的电容阵列；所述恒流源I1通过开关管二对所述开关电容电路2充电，所述开关管二的通断由时钟信号一控制，该时钟信号一为时钟信号三的反相延迟信号；所述恒流源I1在所述开关电容电路2上产生的电压输入所述运算放大器7；

所述运算放大器7将所述开关电容电路2上产生的电压与第二参考电压进行放大处理，所述运算放大器7的输出电压通过开关管三对电容二进行充电，该开关管三的通断由所述时钟信号三控制，且所述电容二上产生的电压同时输入所述第一比较器5和所述第二比较器6；

所述第一比较器5将所述电容二上的电压与所述第一参考电压进行比较，所述第一比较器5将比较结果输出到所述数字逻辑控制电路3；

所述第二比较器6将所述电容二上的电压与第三参考电压进行比较，所述第二比较器6将比较结果输出到所述数字逻辑控制电路3；

所述数字逻辑控制电路3接收所述第一比较器5和所述第二比较器6输出的信号，进行运算处理后，输出控制码到所述开关电容电路2，调整所述开关电容电路2的等效电容；

时钟产生电路4接收外部参考时钟信号，进行分频处理后，产生时钟信号输入到开关管三和开关电容电路2。

本实用新型通过数字逻辑控制电路调整开关电容电路，通过检测调谐电路中RC时间常数的变化，来控制滤波器的RC时间常数。为了检测的有效性，开关电容电路中的电阻和电容阵列均与滤波器中的相同，并采用与所设计的滤波器中心频率相同的基准时钟控制所述开关电容电路的充放电，通过数字逻辑控制电路输出控制码调整开关电容电路的等效电容，当电容阵列的等效电容大时，其等效电阻将变小，开关电容电路上产生的电压降低，使运算放大器的输出电压发生变化，导致电容二上的电压发生变化，第一比较器输出一脉冲，使数字逻辑控制电路中的可逆计数器作减法运算，减小电容阵列的控制码，使电容阵列的等效电容减小，其等效电阻变大；同理，当电容阵列的等效电容小时，其等效电阻将变大，开关电容电路上的电压升高，使运算放大器的输出电压发生变化，导致电容二上的电压发生变化，第二比较器输出一脉冲，使数字逻辑控制电路中的可逆计数器作加法运算，增加电容阵列的控制码，使电容阵列的等效电容增大，其等效电阻变小；只有当电容阵列的等效电容为合适的值时，开关电容电路上的电压将不再降低，将逼近于第二基准电压，第一比较器和第二比较器都将不会再输出脉冲，可逆计数器将不再做出调整，从而使电容阵列的等效电容保持在一个稳定值上，说明此时调谐电路的RC时间常数已达到或最大限度地接近预期值，即调谐电路中的RC时间常数恰好等于基准时钟频率对应的时间常数。此时，调谐电路已经完成校准。然后数字逻辑控制电路输出控制码到滤波器，将滤波器中的电容阵列调整到与调谐电路中一样的大小，此时，滤波器中心频率就等于基准时钟频率。由于调谐电路和滤波器中的电阻和电容阵列完全相同，所受到的工艺和环境的影响也相同，所以调谐电路能够完全消除工艺和环境的影响。

在具体实施例中，所述开关管三为MOS管，该MOS管的栅极接收所述时钟信号三，所述运算放大器7的输出电压通过该MOS管的漏极和源极对所述电容二进行充电，该MOS管的源极同时与所述第一比较器5和所述第二比较器6的输入端连接。

所述运算放大器7由放大器、电容三、MOS开关管一构成，其中：所述MOS开关管一的栅极接收时钟信号一，所述MOS开关管一的源极连接放大器的输出，所述MOS开关管一的漏极连接放大器的反相输入端；放大器的同相输入端接收第二参考电压；所述电容三连接在所述MOS开关管一的漏极与源极之间。

所述开关电容电路2由MOS开关管四、MOS开关管五和所述电容阵列C1构成，其中，所述MOS开关管四的源极与所述MOS开关管五的漏极连接，所述MOS开关管四的漏极连接所述运算放大器的输入端，所述MOS开关管五的源极通过所述电容二与开关管三的源极连接；输入所述MOS开关管四栅极和所述MOS开关管五栅极的时钟信号为非重叠时钟信号，该非重叠时钟信号是指当MOS开关管四与MOS开关管五其中一个导通时，另一个开关管便关断；电容阵列C1连接在MOS开关管五的漏极与源极之间。

所述电容阵列C1由若干个电容与开关构成，每个电容均通过开关连接在MOS开关管五的漏极与源极之间，开关的通断由所述数字逻辑控制电路3输出控制码控制。

在具体实施例中，参见图3，一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路由开关管M1、M2、M3、电容C2、C3、参考电压产生电路、恒流源I1、放大器OPAMP、开关电容电路、反相器INV、比较器COMP1、COMP2及数字逻辑控制电路3和时钟产生电路4构成。开关电容电路由开关管M4、M5和电容阵列C1组成，开关管M4、M5受非重叠时钟信号控制，其中电容阵列C1为采用与滤波器相同的电容阵列。恒流源I1通过开关管M1在开关电容电路2上产生电压Va，开关管M2的通断由时钟信号一控制，该时钟信号一为时钟信号三的反相延迟信号；参考电压产生电路由恒流源I2和电阻R1、R2、R3构成；恒流源I2流经电阻R1、R2、R3分别产生第一参考电压Vref1、第二参考电压Vref2和第三参考电压Vref3；放大器OPAMP的两输入端分别获取电压Va和第二参考电压Vref2；比较器COMP1的两输入端分别获取第一参考电压Vref1和电容C2的充电电压Vcap；比较器COMP2的两输入端分别获取第三参考电压Vref3和电容C2的充电电压Vcap。时钟产生电路4接收外部参考时钟信号，进行分频处理后，输出非重叠时钟信号到开关管M4、M5，并输出时钟信号三到开关管M3。

当输入开关管M3时钟CLK_DIS为低电平时，开关管M1导通，开关管M3关断，放大器OPAMP为跟随器连接，使放大器OPAMP的输出电压Vo跟随着第二参考电压Vref2；当时钟CLK_DIS为高电平时，开关管M1关断，开关管M3导通，对电容C2进行充电，在时钟CLK_DIS为低后，电荷将会保存在电容C2上。电容C2上的电压Vcap与比较器COMP1、COMP2输入端上的参考电压Vref1、Vref3分别进行比较，同时比较器COMP1、COMP2在时钟CLK_DIS为低时将比较结果输出；当电容C2上的电压Vcap的电位高于参考电压Vref1时，比较器COMP1输出翻转，UPout输出一正脉冲，电容C2上的电压Vcap的电位也高于参考电压Vref3，比较器COMP2的输出将不会翻转，DOWNout将保持为低电位，使数字逻辑控制电路中的可逆计数器作减法计算，数字逻辑控制电路输出控制码减少电容阵列的电容数量；当电容C2上的电压Vcap电位低于参考电压Vref3时，比较器COMP2输出翻转，DOWNout输出一正脉冲，电容C2上的电压Vcap电位一直低于参考电压Vref1，比较器COMP1的输出将不会翻转，UPout将保持为低电位，使数字逻辑控制电路中的可逆计数器作加法计算，数字逻辑控制电路输出控制码增加电容阵列的电容数量。

图4所示为开关管M4、M5的时钟控制波形CLK_P与CLK_N。时钟CLK_P与CLK_N是频率为基准时钟频率f_clk的非重叠时钟，所述非重叠时钟是指当开关管M4与开关管M5其中一个导通时，另一个开关便关断。当开关管M4的时钟控制信号CLK_P为高电平时，开关管M4导通，恒流源I1对电容阵列C1充电，其后，当开关管M5的时钟控制信号CLK_N为高电平时，开关管M5导通，电容阵列C1通过开关管M5放电。假设开关电容电路中的电容阵列C1的等效电容为Ce，那么，在其工作期间，对电容阵列C1充放电时其等效电阻为： $R_e=\frac{1}{f_{\mathrm{clk}}{C}_e}.$

在这里设恒流源电流I₁＝NI₂，N取大于或等于1的自然数；电阻R1、R2和R3的阻值相等，其值为Rref，恒流源I2流过电阻R1、R2、R3产生的电压V_ref2＝2I₂R_ref。

该自动频率调谐电路的校准过程可以用以下公式进行表述：

开关电容电路上产生的电压： $V_a=I_1{R}_e={\mathrm{NI}}_2{R}_e=N\frac{V_{\mathrm{ref}2}}{{2R}_{\mathrm{ref}}}\frac{1}{f_{\mathrm{clk}}{C}_e}.$

设

其中，K取大于或等于1的自然数；

$\frac{1}{f_{\mathrm{clk}}}=\frac{2K}{N}{C}_e{R}_{\mathrm{ref}},$ 令K＝1，N＝2， $f_{\mathrm{clk}}=\frac{1}{R_{\mathrm{ref}}{C}_e}.$

而在有源RC滤波器中有：

式中R_filter、C_filter分别为滤波器中的等效电阻和等效电容

因两者中的电阻和电容阵列完全相同，则f₀＝f_clk。

从上述公式，可以得出以下结论：

当电容阵列的等效电容Ce过大时，其等效电阻Re将变小，开关电容电路上的电压Va降低，使运算放大器OPAMP的输出电压Vo升高，导致电容C2上的电压Vcap的电位高于基准电压Vref1，比较器COMP1输出翻转，UPout输出一正脉冲，使数字逻辑控制电路中的可逆计数器作减法运算，减小电容阵列的控制码，使电容阵列C1的等效电容Ce减小，其等效电阻Re变大，使得开关电容电路上的电压Va升高，运算放大器OPAMP的输出电Vo降低，电容C2上的电压Vcap也降低，只有当电容阵列C1为合适的值时，开关电容电路上的电压Va将不再升高，将逼近于基准电压Vref2，UPout将不会再输出脉冲，数字逻辑控制电路中的可逆计数器将不再做出调整，从而使电容阵列C1保持在一个稳定值上，说明此时的RC时间常数已达到或最大限度地接近预期值。

同理，当电容阵列的等效电容Ce过小时，其等效电阻Re将变大，开关电容电路上的电压Va升高，使运算放大器OPAMP的输出电压Vo降低，导致电容C2上的电压Vcap的电位低于基准电压Vref3，比较器COMP2输出翻转，DOWNout输出一正脉冲，使可逆计数器作加法运算，增加电容阵列的控制码，使电容阵列C1的等效电容Ce增大，其等效电阻Re变小，使得Va降低，Vo升高，Vcap也升高，只有当电容阵列C1为合适的值时，开关电容电路上的电压Va将不再降低，将逼近于基准电压Vref2，DOWNout将不会再输出脉冲，可逆计数器将不再做出调整，从而使电容阵列C1保持在一个稳定值上，说明此时的RC时间常数已达到或最大限度地接近预期值。

图4为数字逻辑控制电路的功能时序图。数字逻辑控制电路根据UPout或DOWNout信号来判定是否对充电电容阵列C1的控制码进行增减，当电容阵列C1保持在某一个稳定数值一段时间后，说明此时的RC时间常数已达到或最大限度地接近预期值，便可以认定调谐电路已经完成校准。

本实用新型所述的一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路，减小了其面积和功耗。通过检测调谐系统中RC时间常数的变化，来控制滤波器中的RC时间常数，通过基准时钟控制对电容阵列C1进行充放电，通过数字逻辑控制电路增减电容阵列C1的控制码，使调谐电路中的RC时间常数恰好等于基准时钟频率fclk对应的时间常数，使RC时间常数达到或最大限度地接近预期值。由于开关电容电路与滤波器中的电阻和电容阵列完全相同，所受到的工艺和环境的影响也相同，所以该一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路能够完全消除工艺和环境的影响。

该实用新型的调谐精度受到电容阵列C1的量化误差和比较器的输入失调电压影响，电容阵列的控制码位数越大精度越高，通过有效的设计，可以最大限度的提高调谐精度。

上面对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但是，本实用新型保护的不仅限于具体实施方式的范围。

Claims (5)

1.一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路，包括比较器、恒流源(I1)、参考电压产生电路(1)、开关电容电路(2)和数字逻辑控制电路(3)；其特征在于：

所述参考电压产生电路(1)产生第一参考电压、第二参考电压和第三参考电压分别输入第一比较器(5)、运算放大器(7)以及第二比较器(6)；

所述开关电容电路(2)包括电容阵列(C1)；所述恒流源(I1)通过开关管二对所述开关电容电路(2)充电，所述开关管二的通断由时钟信号一控制，该时钟信号一为时钟信号三的反相延迟信号；所述恒流源(I1)在所述开关电容电路(2)上产生的电压输入所述运算放大器(7)；

所述运算放大器(7)将所述开关电容电路(2)上产生的电压与第二参考电压进行放大处理，所述运算放大器(7)的输出电压通过开关管三对电容二进行充电，该开关管三的通断由所述时钟信号三控制，且所述电容二上产生的电压同时输入所述第一比较器(5)和所述第二比较器(6)；

所述第一比较器(5)将所述电容二上的电压与所述第一参考电压进行比较，所述第一比较器(5)将比较结果输出到所述数字逻辑控制电路(3)；

所述第二比较器(6)将所述电容二上的电压与第三参考电压进行比较，所述第二比较器(6)将比较结果输出到所述数字逻辑控制电路(3)；

所述数字逻辑控制电路(3)接收所述第一比较器(5)和所述第二比较器(6)输出的信号，进行运算处理后，输出控制码到所述开关电容电路(2)，调整所述开关电容电路(2)的等效电容。

2.根据权利要求1所述的一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路，其特征在于：所述开关管三为MOS管，该MOS管的栅极接收所述时钟信号三，所述运算放大器(7)的输出电压通过该MOS管的漏极和源极对所述电容二进行充电，该MOS管的源极同时与所述第一比较器(5)和所述第二比较器(6)的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路，其特征在于：所述运算放大器(7)由放大器、电容三、MOS开关管一构成，其中：所述MOS开关管一的栅极接收时钟信号一，所述MOS开关管一的源极连接放大器的输出，所述MOS开关管一的漏极连接放大器的反相输入端；放大器的同相输入端接收第二参考电压；所述电容三连接在所述MOS开关管一的漏极与源极之间。

4.根据权利要求2或3所述的一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路，其特征在于：所述开关电容电路(2)由MOS开关管四、MOS开关管五和所述电容阵列(C1)构成，其中，所述MOS开关管四的源极与所述MOS开关管五的漏极连接，所述MOS开关管四的漏极连接所述运算放大器的输入端，所述MOS开关管五的源极通过所述电容二与开关管三的源极连接；输入所述MOS开关管四栅极和所述MOS开关管五栅极的时钟信号为非重叠时钟信号，该非重叠时钟信号是指当MOS开关管四与MOS开关管五其中一个导通时，另一个开关管便关断；电容阵列(C1)连接在MOS开关管五的漏极与源极之间。

5.根据权利要求4所述的一种用于有源RC滤波器的自动频率调谐电路，其特征在于：所述电容阵列(C1)由若干个电容与开关构成，每个电容均通过开关连接在MOS开关管五的漏极与源极之间，开关的通断由所述数字逻辑控制电路(3)输出控制码控制。

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