CN204145433U - Rc滤波器数字调谐电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种RC滤波器数字调谐电路，涉及阻抗网络技术领域。所述调谐电路包括产生周期性数字波形的积分器电路和窗口比较器电路，所述积分器电路包括PMOS管M₁-M₄、NMOS管M₅、NMOS管M₇-M₈、电容C、可编程开关电阻阵列R_ref以及误差放大器U₁，所述比较器电路包括比较器U₂-U₃。与现有技术相比，本电路结构简单、易于实现、功耗小、调谐精度高，特别对于低频及多模滤波器来说，本实用新型极大地减小了芯片面积，从而较大的降低了成本，可广泛应用与电子、通信等领域中的片内有源滤波器中。

Description

RC滤波器数字调谐电路

技术领域

本实用新型涉及阻抗网络技术领域，尤其涉及一种RC滤波器数字调谐电路。

背景技术

为满足信道选择和邻道抑制作用，滤波器必须有精确地截止频率，而在电路制造过程中由于工艺偏差及环境温度等的影响，电路中电阻电容与设计值偏差较大，可达±40%频率变化范围，为将其控制在±3%范围，必须引入调谐电路。调谐电路一般分为有源调谐和无源调谐，由于有源调谐线性度较差，一般采用无源调谐电路，而无源调谐电路又分为电阻调谐和电容调谐。实际电路中，虽然相同精度条件下电容的频率性能要优于电阻的频率特性，然而对于低频及多模滤波器来说，在保证噪声条件下需要较大的电容，进而极大地增加了芯片面积。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种RC滤波器数字调谐电路，所述调谐电路结构简单、易于实现、功耗小、调谐精度高，特别对于低频及多模滤波器来说，本实用新型极大地减小了芯片面积，从而较大的降低了成本，可广泛应用与电子、通信等领域中的片内有源滤波器中。 

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种RC滤波器数字调谐电路。其特征在于：包括产生周期性数字波形的积分器电路和窗口比较器电路，所述积分器电路包括PMOS管M₁-M₄、NMOS管M₅、NMOS管M₇-M₈、电容C、可编程开关电阻阵列R_ref以及误差放大器U₁，所述误差放大器U₁的正相输入端接带隙电压V_ref，所述误差放大器U₁的反相输入端接所述电阻阵列R_ref的输入端，误差放大器U₁的输出端接NMOS管M₈的栅极，电阻阵列R_ref的输出端接地；NMOS管M₈的源级接误差放大器U₁的反相输入端，NMOS管M₈的漏极接PMOS管M₃的漏极，PMOS管M₃的栅极分别与自身的漏极以及PMOS管M₄的栅极连接，PMOS管M₃的源级接PMOS管M₁的漏极，PMOS管M₁的栅极与自身的漏极以及PMOS管M₂的栅极连接，PMOS管M₁-M₂的源级接电源，PMOS管M₂的漏极接PMOS管M₄的源级，PMOS管M₄的漏极接NMOS管M₅的漏极，NMOS管M₅的源级接电容C的一端，NMOS管M₅的栅极接数字电路的输出端Vchar，电容C的另一端接地，NMOS管M₇的源级接地，NMOS管M₇的漏极接NMOS管M₅的源级，NMOS管M₇的栅极接数字电路的输出端Vset，数字电路的信号输出端V与电阻阵列R_ref的控制端连接；

所述比较器电路包括比较器U₂-U₃，两个比较器的正相输入端接NMOS管M₅的源极，比较器U₂的负相输入端接带隙电压V_H，比较器U₃的负相输入端接带隙电压V_L，比较器U₂-U₃的输出信号发送给数字电路。

进一步的技术方案在于：所述可编程开关电阻阵列R_ref包括电阻R₁-R_n、电阻R_x以及NMOS管M₉-M_8+n，电阻R₁-R_n依次串联连接，NMOS管M₉的漏极和源级分别与电阻R₁的两端连接，NMOS管M₁₀的漏极和源级分别与电阻R₂的两端连接，NMOS管M₁₁的漏极和源级分别与电阻R₃的两端连接，NMOS管M₁₂的漏极和源级分别与电阻R₄的两端连接，NMOS管M₁₃的漏极和源级分别与电阻R₅的两端连接，NMOS管M₁₄的漏极和源级分别与电阻R₆的两端连接，依次类推，NMOS管M_8+n的漏极和源级分别与电阻R_n的两端连接；电阻R₂的阻值为电阻R₁的2倍，电阻R₃的阻值为电阻R₁的4倍，电阻R₄的阻值为电阻R₁的8倍，电阻R₅的阻值为电阻R₁的16倍，电阻R₆的阻值为电阻R₁的32倍，依次类推，电阻R_n的阻值为电阻R₁的2^n-1倍，所述电阻R₁的悬空端为电阻阵列R_ref的输入端，所述电阻R_x的悬空端为电阻阵列R_ref的输出端，NMOS管M₉-M_8+n的栅极为数据电路的输入控制端，n为大于等于1的自然数。

进一步的技术方案在于：所述电容C的精度与RC滤波器中的电容相同。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本电路结构简单、易于实现、功耗小、调谐精度高，特别对于低频及多模滤波器来说，本实用新型极大地减小了芯片面积，从而较大的降低了成本，可广泛应用与电子、通信等领域中的片内有源滤波器中。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型的电路原理图；

图2是图1中可编程开关电阻阵列R_ref的电路原理图；

图3是本实用新型详细调谐时序图；

图4是125°ff工艺角下数字电路输出的电阻阵列控制字。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

实用新型采用电阻调谐电路。每个调谐电路都须有一绝对基准，而电路中仅有带隙电压和晶振频率满足，本实用新型选择与滤波器RC常数相同的晶振频率，通过调节开关电阻阵列以实现RC调节。

如图1所示，本实用新型公开了一种RC滤波器数字调谐电路，包括产生周期性数字波形的积分器电路和窗口比较器电路，所述积分器电路包括PMOS管M₁-M₄、NMOS管M₅、NMOS管M₇-M₈、电容C、可编程开关电阻阵列R_ref以及误差放大器U₁，所述电容C与滤波器中的电容保持相同精度。

所述误差放大器U₁的正相输入端接带隙电压V_ref，所述误差放大器U₁的反相输入端接所述电阻阵列R_ref的输入端，误差放大器U₁的输出端接NMOS管M₈的栅极，电阻阵列R_ref的输出端接地；NMOS管M₈的源级接误差放大器U₁的反相输入端，NMOS管M₈的漏极接PMOS管M₃的漏极，PMOS管M₃的栅极分别与自身的漏极以及PMOS管M₄的栅极连接，PMOS管M₃的源级接PMOS管M₁的漏极，PMOS管M₁的栅极与自身的漏极以及PMOS管M₂的栅极连接，PMOS管M₁-M₂的源级接电源，PMOS管M₂的漏极接PMOS管M₄的源级，PMOS管M₄的漏极接NMOS管M₅的漏极，NMOS管M₅的源级接电容C的一端，NMOS管M₅的栅极接数字电路的输出端Vchar，电容C的另一端接地，NMOS管M₇的源级接地，NMOS管M₇的漏极接NMOS管M₅的源级，NMOS管M₇的栅极接数字电路的输出端Vset，数字电路的信号输出端V与电阻阵列R_ref的控制端连接。

所述比较器电路包括比较器U₂-U₃，两个比较器的正相输入端接NMOS管M₅的源极，比较器U₂的负相输入端接带隙电压V_H，比较器U₃的负相输入端接带隙电压V_L，比较器U₂-U₃的输出信号发送给数字电路。

如图2所示，所述可编程开关电阻阵列R_ref包括电阻R₁-R_n、电阻R_x以及NMOS管M₉-M_8+n，电阻R₁-R_n依次串联连接，NMOS管M₉的漏极和源级分别与电阻R₁的两端连接，NMOS管M₁₀的漏极和源级分别与电阻R₂的两端连接，NMOS管M₁₁的漏极和源级分别与电阻R₃的两端连接，NMOS管M₁₂的漏极和源级分别与电阻R₄的两端连接，NMOS管M₁₃的漏极和源级分别与电阻R₅的两端连接，NMOS管M₁₄的漏极和源级分别与电阻R₆的两端连接，依次类推，NMOS管M_8+n的漏极和源级分别与电阻R_n的两端连接；电阻R₂的阻值为电阻R₁的2倍，电阻R₃的阻值为电阻R₁的4倍，电阻R₄的阻值为电阻R₁的8倍，电阻R₅的阻值为电阻R₁的16倍，电阻R₆的阻值为电阻R₁的32倍，依次类推，电阻R_n的阻值为电阻R₁的2^n-1倍，所述电阻R₁的悬空端为电阻阵列R_ref的输入端，所述电阻R_x的悬空端为电阻阵列R_ref的输出端，NMOS管M₉-M_8+n的栅极为数据电路的输入控制端，n为大于等于1的自然数，n的取值需要根据调谐精度进行确定。

RC滤波器中的电容/电阻与所述电容/电阻采用相同的工艺材料类型，且都由同一种基本单元构成，具体电容/电阻为整数倍个基本单元并联或者串联构成，在工艺发生偏差时，电容/电阻偏差的比例相同，所以所述调谐电路精度可决定RC滤波器电路中RC常数的精度。

电压V_ref、V_H、V_L的关系为：

              V_ref=（V_H +V_L）/2                           （1）

    （V_H -V_L）/ V_ref=所求调谐精度                     （2）

所述数字电路可由具体算法编写Verilog HDL程序，并根据相关软件综合得到具体电路，由其产生周期性波形信号V_char、V_set和一组电阻阵列控制字V[5:0]，分别控制NMOS管M₅、M₇及电阻阵列可编程开关电阻阵列R_ref。

在所述调谐电路中，考虑失调、寄生效应及不匹配等因素，电路中各个管子尺寸必须仔细设计以得到最优精度。 对于误差放大器来说，首先要保证增益和稳定性要求，由于主要有随机失调及对称失调影响比较结果，通过增大输入管子尺寸、减小过驱动电压可减小随机失调；将比较器中两运放和误差放大器选择同一个运放，可降低对称失调影响。然而比较器输入管又不能太，以避免其寄生电容对电路的影响，因而在比较器和误差放大器相同时，必须折中考虑输入管尺寸。

所述NMOS管M₈在此起电压转电流作用，应选取最小的栅长及较大的宽长比以获得小的阻抗，避免对电路造成大的影响；所述PMOS管M₃和M₄为共源共栅管，此处起增加输出阻抗改进直流匹配作用，应取较大的宽长比及栅长以获得大的输出阻抗；对于PMOS管M₁和M₂构成的电流镜来说，为确保电流I₁、I₂精确相等，取相同尺寸且选取较大的栅长和较大的过驱动电压以减小失配。

NMOS管M₅和M₇在电路中起开关作用，分别对应图1中的V_char、V_set，开关管小的尺寸能减小寄生电容及电荷注入效应，然此时开启电阻却较大，也应当折中考虑。

所述图2为可编程开关电阻阵列R_ref，用以控制电路RC常数，一般来说，n越大调谐精度越高，同时必须保证调谐精度大于1/2^n-1，此处n为数字电路输出的二进制信号控制位数，为取得±3%的调谐精度，n取6；控制开关为NMOS开关管M₉-M₁₄。由图2可知：

可编程开关电阻阵列R_ref的最大电阻值

R_max=R_X +2⁰R₁+2¹R₁+2²R₁+2³R₁+2⁴R₁+2⁵R₁        （3）

可编程开关电阻阵列R_ref的最小电阻值

R_min= R_X                                          （4）                                            

R_center= （R_max﹒R_min）^1/2                        （5）                             

为覆盖因温度及工艺角等造成的电阻及电容各±15%的变化，此处取R_max/ R_min=2。同时电阻阵列中开关管宽长比必须仔细选取，宽长比过大会引入较大的寄生效应，而过小会引入较大的开关电阻，从而都将对RC参数造成影响。

具体工作方式为：基准电压V_ref、V_H 、V_L由数据电路带隙基准产生，分别连接误差放大器U₁正相输入端和比较器中两个运放U₂-U₃的负相输入端，误差放大器U₁负相输入端接电阻阵列R_ref输入端，可以得到基准电流I₁=V_ref/R_ref。通过其镜像电流给电容C充电可得到电压V_cap，比较器通过比较V_H 、V_L及V_cap，将输出结果送入数字电路中产生6位二进制控制字返回到电阻阵列的开关管。当V_cap大于V_H或小于V_L时，通过对电阻阵列的调节，分别增加或减小电阻阵列的控制字，最终使V_cap 处于V_H 、V_L之间，其过程可由式（6）-（9）描述：

     V_cap = △Q/C = I₂△t/C = I₁△t/C = V_ref△t/R_refC       （6）                   

由式（6）可得：

  V_cap/ V_ref  = △t/R_refC                                （7）

经过调谐后，电路最终有：

V_cap/ V_ref = 1                                     （8） 

由式（7）、（8）可得：

△t  = R_refC                                      （9）

其中，△t为充电时间，是时钟周期的倍数，电阻阵列R_ref与滤波器中的电阻阵列相同；电容C与滤波器核心电路中电容都取最小电容，从而确保其相对精度相同。经过调谐之后，调谐电路时间常数R_refC由△t确定，而R_refC精度与滤波器核心电路中时间常数精度相同。因△t由晶振频率决定，则理论上滤波器截止频率与晶振频率精度相当。本电路实际调谐精度取决于（V_H-V_L）/V_ref的比值，通过合理选取所述基准电压的大小，最终可达到小于±3%的精度。

从图3可知，比较一次需10个时钟周期，由于最多需要比较2⁶即64次，当取晶振频率19.2M时，最大调谐时间为33.4μs。

图4所示为本实用新型调谐电路125°ff工艺角下最终输入给调谐电阻阵列的调谐控制字波形图，其中V0、V1、V2、V3、V4、V5分别对应图2开关电阻阵列相应的开关管；图4中的调谐控制字为010011，0、1分别对应相应开关管的断开与闭合。

与现有技术相比，本电路结构简单、易于实现、功耗小、调谐精度高，特别对于低频及多模滤波器来说，本实用新型极大地减小了芯片面积，从而较大的降低了成本，可广泛应用与电子、通信等领域中的片内有源滤波器中。 

Claims (3)

1.一种RC滤波器数字调谐电路，其特征在于：包括产生周期性数字波形的积分器电路和窗口比较器电路，所述积分器电路包括PMOS管M₁-M₄、NMOS管M₅、NMOS管M₇-M₈、电容C、可编程开关电阻阵列R_ref以及误差放大器U₁，所述误差放大器U₁的正相输入端接带隙电压V_ref，所述误差放大器U₁的反相输入端接所述电阻阵列R_ref的输入端，误差放大器U₁的输出端接NMOS管M₈的栅极，电阻阵列R_ref的输出端接地；NMOS管M₈的源级接误差放大器U₁的反相输入端，NMOS管M₈的漏极接PMOS管M₃的漏极，PMOS管M₃的栅极分别与自身的漏极以及PMOS管M₄的栅极连接，PMOS管M₃的源级接PMOS管M₁的漏极，PMOS管M₁的栅极与自身的漏极以及PMOS管M₂的栅极连接，PMOS管M₁-M₂的源级接电源，PMOS管M₂的漏极接PMOS管M₄的源级，PMOS管M₄的漏极接NMOS管M₅的漏极，NMOS管M₅的源级接电容C的一端，NMOS管M₅的栅极接数字电路的输出端Vchar，电容C的另一端接地，NMOS管M₇的源级接地，NMOS管M₇的漏极接NMOS管M₅的源级，NMOS管M₇的栅极接数字电路的输出端Vset，数字电路的信号输出端V与电阻阵列R_ref的控制端连接；

所述比较器电路包括比较器U₂-U₃，两个比较器的正相输入端接NMOS管M₅的源极，比较器U₂的负相输入端接带隙电压V_H，比较器U₃的负相输入端接带隙电压V_L，比较器U₂-U₃的输出信号发送给数字电路。

2.根据权利要求1所述的RC滤波器数字调谐电路，其特征在于：所述可编程开关电阻阵列R_ref包括电阻R₁-R_n、电阻R_x以及NMOS管M₉-M_8+n，电阻R₁-R_n依次串联连接，NMOS管M₉的漏极和源级分别与电阻R₁的两端连接，NMOS管M₁₀的漏极和源级分别与电阻R₂的两端连接，NMOS管M₁₁的漏极和源级分别与电阻R₃的两端连接，NMOS管M₁₂的漏极和源级分别与电阻R₄的两端连接，NMOS管M₁₃的漏极和源级分别与电阻R₅的两端连接，NMOS管M₁₄的漏极和源级分别与电阻R₆的两端连接，依次类推，NMOS管M_8+n的漏极和源级分别与电阻R_n的两端连接；电阻R₂的阻值为电阻R₁的2倍，电阻R₃的阻值为电阻R₁的4倍，电阻R₄的阻值为电阻R₁的8倍，电阻R₅的阻值为电阻R₁的16倍，电阻R₆的阻值为电阻R₁的32倍，依次类推，电阻R_n的阻值为电阻R₁的2^n-1倍，所述电阻R₁的悬空端为电阻阵列R_ref的输入端，所述电阻R_x的悬空端为电阻阵列R_ref的输出端，NMOS管M₉-M_8+n的栅极为数据电路的输入控制端，n为大于等于1的自然数。

3.根据权利要求1所述的RC滤波器数字调谐电路，其特征在于：所述电容C的精度与RC滤波器中的电容相同。