CN220858076U - 带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器及雷达传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器及雷达传感器，所述滤波器中设置有互补推挽式直流失调校准电路，所述互补推挽式直流失调校准电路包括互补推免比较器、逐次逼近逻辑模块和互补推免电流源，所述互补推免比较器包括第一比较器和第二比较器，所述互补推免电流源分为注入电流源和抽取电流源；将滤波器差分输出的直流电压与滤波器的共模电压输入至第一比较器和第二比较器，将输出的比较结果输入至逐次逼近逻辑模块生成异步时钟控制信号，将异步时钟控制信号输入至注入电流源或抽取电流源，以控制向滤波器输入端注入电流或抽取电流与现有技术相比，本实用新型可同时满足直流失调消除、稳定滤波器静态工作点的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及滤波器技术领域，尤其是涉及一种带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器及雷达传感器。
背景技术
在雷达收发机系统中，滤波器和混频器的连接处经常遭受严重的直流偏移(DCoffset)问题，产生原因主要是CMOS工艺产生的偏差和由于实际中从天线接收的信号的位置和角度变化导致高频收发器中的本地振荡器泄漏，直流偏移会导致整个系统发生饱和失真，系统无法正常工作。
现有的采用模拟和数字逻辑混合的方法进行直流偏移消除，如图1所示，通过1个比较器对滤波器输出进行采样，然后通过逐次逼近逻辑模块进行判断，最后通过IDAC进行电流的注入抵消直流偏移量，但是其缺点为一味地向滤波器输入端注入电流可能导致滤波器的直流偏移电压整体升高，而不是保持在设定的静态工作点，导致滤波器工作状态变化。
基于上述现有技术缺陷，亟需设计一种可稳定滤波器静态工作点的带有直流失调消除功能的滤波器。
发明内容
本实用新型的目的就是为了提供一种可稳定滤波器静态工作点的带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器及雷达传感器。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本实用新型的第一方面，提供了一种带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器，所述滤波器中设置有互补推挽式直流失调校准电路，所述互补推挽式直流失调校准电路包括第一比较器、第二比较器、逐次逼近逻辑模块和互补推免电流源，所述互补推免电流源分为注入电流源和抽取电流源；
将滤波器差分输出的直流电压与滤波器的共模电压输入至第一比较器和第二比较器，将输出的比较结果输入至逐次逼近逻辑模块生成异步时钟控制信号，将异步时钟控制信号输入至注入电流源或抽取电流源，以控制向滤波器输入端注入电流或抽取电流。
优选地，所述第一比较器和第二比较器生成四个比较结果，并通过注入电流源或抽取电流源，分别向滤波器输入端注入电流或从滤波器输入端提取电流，具体为：
当第一比较器的输出信号为0时，注入电流源向滤波器输入端注入一定大小的电流；当第一比较器的输出信号为1时，抽取电流源从滤波器的输入端抽取出一定大小的电流；
当第二比较器的输出信号为0时，注入电流源从滤波器的输入端注入出一定大小的电流；当第二比较器的输出信号为1时，抽取电流源从滤波器的输入端抽取出一定大小的电流。
优选地，所述逐次逼近逻辑模块包括用于产生同步时钟的环形计数器、比较器和锁存器；
环形计数器振荡器产生同步时钟，对第一比较器的输出和第二比较器的输出分别进行K次比较，K次比较完成时，锁存器置1，逐次逼近逻辑模块停止工作，输出为K位二进制数码，作为异步时钟控制信号。
优选地，所述互补推免电流源中设置有转换电路，用于将K位二进制码转换为寄存器中的分割码，作为向滤波器输入端注入电流或从滤波器输入端提取电流的控制代码。
优选地，K设定为9。
优选地所述互补推免电流源中9位二进制码中5位最高有效位MSB被转换为31位温度计码时，剩余的4位最低有效位LSB仍作为二进制码。
优选地，所述互补推免电流源的尾电流源为共源共栅结构，并在饱和区工作。
优选地，所述滤波器还包括保持电容器模块，用于在滤波器进入中断模式时，将中频信号保持在一定的电压。
优选地，所述滤波器中反馈电阻接入的支路上还设置有中断开关。
根据本实用新型的第二方面，提供了一种多普勒雷达传感器，所述雷达传感器中设置有任一项所述的滤波器。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
1)本实用新型设计的互补推挽式直流失调校准电路不仅向其注入电流，而且从输入端抽取多余的电流，消除了失调电压Vos，使滤波器的静态工作点稳定在共模点，防止一味地向滤波器输入端注入电流导致其静态工作点的改变，这有利于混频器的线性并保证接收电路的增益；
2)逐次逼近逻辑模块中比较次数的设定兼顾了比较时间和比较精度；
3)在互补推免电流源中设置转换电路，将二进制码转换为寄存器中的分割码，作为向滤波器输入端注入电流或从滤波器输入端提取电流的控制代码，即通过改变控制信号的每个比特的权重，避免了比较器的高位误判导致结果的显著偏差，降低了比较器和逐次逼近逻辑模块产生的误码率；
4)滤波器中还设置保持电容器模块，用于在滤波器进入中断模式时，将中频信号保持在一定的电压而不降低为0，这样有利于滤波器在下一个工作周期到来可以快速的建立。
附图说明
图1为传统的模拟和数字构成的直流失调校准电路原理图；
图2为本实用新型的带有互补推挽式直流失调校准电路的滤波器结构电路图；
图3为本实用新型的带有互补推挽式直流失调校准电路详图；
图4为互补推免比较器输入输出示意图；
图5为互补推免比较器结构详图；
图6为逐次逼近逻辑模块框架示意图；
图7为互补推免直流源电路详图；其中，图7中的(a)图和(b)图分别为注入电流源、抽取电流源的详细电路图；
图8为5.8GHz多普勒雷达接收机部分原理图；
图9为带有互补推挽式直流失调校准电路的滤波器与传统直流校准滤波器输出曲线对比示意图。
具体实施方式
下面将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，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。
实施例
图1所示的传统直流偏移消除电路通过向低通滤波器的输入端注入电流来实现校准，会导致滤波器直流偏移电压整体升高，而不是保持在设定的静态工作点，进而导致滤波器工作状态变化。
如图2所示，本实施例给出一种带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器，滤波器中设置有互补推挽式直流失调校准电路，互补推挽式直流失调校准电路包括互补推免比较器、逐次逼近逻辑模块和电流源，互补推免比较器分为第一比较器、第二比较器，电流源分为注入电流源和抽取电流源；将滤波器差分输出的直流电压与滤波器的共模电压输入至第一比较器和第二比较器，将输出的比较结果输入至逐次逼近逻辑模块生成异步时钟控制信号，将异步时钟控制信号输入至注入电流源或抽取电流源，以控制向滤波器输入端注入电流或抽取电流。
即，本实施例中的互补推挽式直流失调校准电路不仅向其注入电流，而且从输入端抽取多余的电流，消除了失调电压Vos，使滤波器的静态工作点稳定在共模点，防止一味地向滤波器输入端注入电流导致其静态工作点的改变，这有利于混频器的线性并保证接收电路的增益。
接下来，对本实施例中的带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器进行详细介绍。
1、互补推免比较器
本实施例中的互补推免比较器将低通滤波器LPF差分输出处的直流电压与低通滤波器LPF的共模电压VCM进行比较，如图4所示。
由于互补推挽式直流失调校准电路CPP-DCOC能够在低通滤波器LPF的输入处提取和注入电流，因此相应地需要两个比较器来进行确定。假设当输入V+大于或低于V-时，比较器输出分别为1和0。
本实施例中的第一比较器(比较器1)和第二比较器(比较器2)生成四个比较结果，如下表1所示，并通过注入电流源或抽取电流源，分别向滤波器输入端注入电流或从滤波器输入端提取电流。
表1
当比较器1的输出信号为0时，注入电流源向滤波器输入端注入一定大小的电流；当比较器1的输出信号为1时，抽取电流源从滤波器的输入端抽取出一定大小的电流；当比较器2的输出信号为0时，注入电流源从滤波器的输入端注入出一定大小的电流；当比较器2的输出信号为1时，抽取电流源从滤波器的输入端抽取出一定大小的电流。
本实施例中的比较器不包含时钟，避免了时钟馈通效应，具体如图5所示。比较器的输出包括具有V+的正反馈和具有V-的负反馈，这可以将差分输入信号转换为单端的比较结果，具体为：
比较器V+通过MP1管输入，与VOUT形成正反馈，为比较器的同相输入端；而V-通过MP2输入，与VOUT形成负反馈，为比较器的反相输入端。
然后将比较器输出的比较结果发送到逐次逼近逻辑模块SAR进行处理。
2、逐次逼近逻辑模块
逐次逼近逻辑模块包括用于产生同步时钟的环形计数器、比较器和锁存器，如图3和图6所示，具体实现如下：环形计数器振荡器RCO产生同步时钟，对第一比较器的输出和第二比较器的输出分别进行K次比较，K次比较完成时，锁存器置1，逐次逼近逻辑模块停止工作，输出为K位二进制数码，作为异步时钟控制信号。
逐次逼近逻辑模块的性能主要受2个因素影响：比较时间和每次的比较精度。若比较时间很长，就可以产生更多位二进制码，使得比较结果更加精准，但缺点是速度过慢，在实际使用中难以接受。每次比较的精度就是逐次逼近逻辑模块每比较一次，注入或抽取的电流的大小，若每次注入或抽取的电流很小，那么就需要多次的比较，需要的比较时间就很长，如果每次注入或抽取的电流很大，那么最后比较的结果就不准确，误差很大且滤波器可能仍然存在失调现象。
作为优选的技术方案，本实施例设置比较次数K＝9，可以达到最好的比较时间和比较精度平衡效果。即，本实施例中的逐次逼近逻辑模块总共需要11个周期，此时进行9次比较，输出9bit的比较结果。
3、互补推免电流源
本实施例中的注入电流源/抽取电流源采用级联结构，通过给不同的偏置电压产生不同的偏置电流。本实施例中的电流注入DAC和电流抽取DAC分别设置有9个。
此外，为了降低比较器和逐次逼近逻辑模块产生的误码率，需要改变控制信号的每个比特的权重，以防止比较器的高位误判导致结果的显著偏差。本实施例在电流源中设置转换电路(可通过与或非门电路实现)，将9位二进制码转换为寄存器中的分割码(5+4)，作为向滤波器输入端注入电流或从滤波器输入端提取电流的控制代码。其中，9位二进制码中5位最高有效位MSB被转换为31位温度计码时，剩余的4位最低有效位LSB仍作为二进制码。
作为优选的技术方案，如图7所示，本实施例中的电流源的尾电流源为共源共栅结构，并在饱和区工作，以增加其输出阻抗并避免负载变化对CPP IDAC造成的影响。
作为优选的技术方案，本实施例中的滤波器中还包括保持电容器CM模块，用于在滤波器进入中断模式时，将中频信号保持在一定的电压而不降低为0，这样有利于滤波器在下一个工作周期到来可以快速的建立。
作为优选的技术方案，滤波器中反馈电阻接入的支路上还设置有中断开关。
互补推挽式直流失调校准电路CPP-DCOC在工艺、电压和温度(PVT)变化下的校准时间和直流电压如表2所示。仿真结果表明，校准后直流电压可以接近共模电压，校准时间相对较短，为53μs。
表2
接下来，本实施例还给出了一种多普勒雷达传感器，其内设置有上述的滤波器。
图8为采用本文所述的带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器的5.8GHz多普勒雷达接收机部分电路原理图。
与无源滤波器不同，有源滤波器不受频率或系统阻抗变化的影响，而RC拓扑的选择能够实现精确的增益和显著的带宽。
本实施例中的低通滤波器本体选取的是巴特沃斯传递函数滤波器，该滤波器除了简单和低功耗外，还表现出良好的整体性能。
由于多普勒雷达接收机侧中频频率较低，本实施例中选择片外电容器作为低通滤波器的反馈电容器CFB，来调节滤波器所选取中频信号频率。
对本实施例设计的带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器进行测试，电源电压为3.3V，低通滤波器LPF的增益设置为45dB。初始通电后，启动直流偏移校准功能，低通滤波器LPF的输出直流电压校准至1.651V。校准所需的时间约为53μs。通过观察示波器和电压表确定，差分输出的直流电压差小于1mV。然而，传统的仅电流注入直流失调消除方法导致低通滤波器LPF输出处的直流偏移DC电压上升到1.749V，这可能影响混频器的线性度和增益，甚至影响滤波器的静态工作点。校准过程如图9所示。
本实用新型设计的一种互补推挽直流失调校准电路，既能够向滤波器的输入端注入电流以抵消直流偏移失调，又可以从滤波器的输入端抽取电流，使滤波器的静态工作点稳定在共模点，防止一味地向滤波器输入端注入电流导致其静态工作点的改变。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器，其特征在于，所述滤波器中设置有互补推挽式直流失调校准电路，所述互补推挽式直流失调校准电路包括互补推免比较器、逐次逼近逻辑模块和互补推免电流源，所述互补推免比较器包括第一比较器和第二比较器，所述互补推免电流源分为注入电流源和抽取电流源；
将滤波器差分输出的直流电压与滤波器的共模电压输入至第一比较器和第二比较器，将输出的比较结果输入至逐次逼近逻辑模块生成异步时钟控制信号，将异步时钟控制信号输入至注入电流源或抽取电流源，以控制向滤波器输入端注入电流或抽取电流。
2.根据权利要求1所述的一种带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器，其特征在于，所述第一比较器和第二比较器生成四个比较结果，并通过注入电流源或抽取电流源，分别向滤波器输入端注入电流或从滤波器输入端提取电流，具体为：
当第一比较器的输出信号为0时，注入电流源向滤波器输入端注入一定大小的电流；当第一比较器的输出信号为1时，抽取电流源从滤波器的输入端抽取出一定大小的电流；
当第二比较器的输出信号为0时，注入电流源从滤波器的输入端注入出一定大小的电流；当第二比较器的输出信号为1时，抽取电流源从滤波器的输入端抽取出一定大小的电流。
3.根据权利要求2所述的一种带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器，其特征在于，所述逐次逼近逻辑模块包括用于产生同步时钟的环形计数器、比较器和锁存器；
环形计数器振荡器产生同步时钟，对第一比较器的输出和第二比较器的输出分别进行K次比较，K次比较完成时，锁存器置为1，逐次逼近逻辑模块停止工作，输出为K位二进制数码，作为异步时钟控制信号。
4.根据权利要求3所述的一种带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器，其特征在于，所述互补推免电流源中设置有转换电路，用于将K位二进制码转换为寄存器中的分割码，作为向滤波器输入端注入电流或从滤波器输入端提取电流的控制代码。
5.根据权利要求4所述的一种带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器，其特征在于，K设定为9。
6.根据权利要求5所述的一种带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器，其特征在于，所述互补推免电流源中9位二进制码中5位最高有效位MSB被转换为31位温度计码时，剩余的4位最低有效位LSB仍作为二进制码。
7.根据权利要求1所述的一种带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器，其特征在于，所述互补推免电流源的尾电流源为共源共栅结构，并在饱和区工作。
8.根据权利要求1所述的一种带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器，其特征在于，所述滤波器还包括保持电容器模块，用于在滤波器进入中断模式时，将中频信号保持在一定的电压。
9.根据权利要求1所述的一种带有互补推挽式直流失调校准功能的滤波器，其特征在于，所述滤波器中反馈电阻接入的支路上还设置有中断开关。
10.一种雷达传感器，其特征在于，所述雷达传感器中设置有权利要求1～9任一项所述的滤波器。
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