DE10308527B4

DE10308527B4 - Abstimmschaltung und Verfahren zur Abstimmung einer Filterstufe

Info

Publication number: DE10308527B4
Application number: DE10308527A
Authority: DE
Inventors: Manfred Nopp; Christian Schranz; Peter Pessl; Richard Gaggl; Dietmar Sträussnigg
Original assignee: Lantiq Deutschland GmbH
Current assignee: Intel Germany Holding GmbH
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: US7002404B2; DE10308527A1; US20040169565A1

Abstract

Abstimmschaltung zur Abstimmung einer Filterstufe, die ein erstes RC-Glied (1) mit einer RC-Zeitkonstanten (τ) enthält, wobei die RC-Zeitkonstante (τ) das Produkt aus dem Widerstandswert eines ersten Widerstandes (R1) des ersten RC-Gliedes (1) und der Kapazität eines zu dem ersten Widerstand (R1) seriell verschalteten ersten Kondensators (C1) des ersten RC-Gliedes (1) ist, mit: (a) einem Komparator (10) zum Vergleichen einer an dem ersten RC-Glied (1) anliegenden Spannung mit einer Bezugsspannung und mit (b) einer Steuerung (15), die den ersten Kondensator (C1) des ersten RC-Gliedes (1) umlädt, bis der Komparator (10) anzeigt, dass die an dem ersten RC-Glied (1) anliegende Spannung gleich der Bezugsspannung ist, wobei die Steuerung (15) in Abhängigkeit von der Umladezeit ein zu dem ersten Kondensator (C1) des ersten RC-Gliedes (1) parallel geschaltetes Kondensator-Array (26) zum Ausgleich einer Abweichung der RC-Zeitkonstanten (τ) des ersten RC-Gliedes (1) von einem Sollwert (τSoll) schaltet, dadurch gekennzeichnet, dass der...

Description

Die Erfindung betrifft eine Abstimmschaltung für ein Filter und ein Verfahren zur Abstimmung einer Filterstufe.
Die US 5,914,633 A beschreibt einen Kondensatorschaltkreis zum Generieren eines Digitalcodes zum Kalibrieren eines Kondensatorarrays.
”Tietze, U.; Schenk, Ch.: Halbleiter-Schaltungstechnik, 6. Auf 1., Springer-Verlag, 1983” beschreibt einen Tiefpass im Kontext von passiven RC- und LRC-Netzwerken als eine Schaltung, die tiefe Frequenzen unverändert überträgt und bei hohen Frequenzen eine Abschwächung und Phasen-Nacheilung bewirkt.
Die DE 100 50 336 C1 beschreibt ein programmierbares Echokompensationsfilter zur Echosignalkompensation für einen Transceiver.
Die DE 44 33 594 C2 beschreibt ein vollständig differenziell arbeitendes Filter mit biquadratischer Übertragungsfunktion.
Die GB 2 170 969 A offenbart ein zeitkontinuierliches elektrisches Filter, welches eine Abstimmschaltung mit einem Testkondensator zum Abstimmen eines Kondensatorarrays des Filters aufweist.
Aufgrund der immer weiter ansteigenden Datenmenge werden die Frequenzabstände zwischen einzelnen Übertragungsfrequenzbändern immer enger. Daher werden immer genauere analoge Anti-Aliasing-Filter benötigt. Zur Datenübertragung werden die Daten von einer Datenquelle mittels eines Digital-/Analogwandlers in ein analoges Übertragungssignal umgewandelt und über einen Datenübertragungskanal an einen Empfänger übertragen. In dem Empfänger werden die empfangenen Daten durch einen Analog-/Digitalwandler in digitale Daten zur weiteren Datenverarbeitung umgewandelt. Die analogen Anti-Aliasing-Filter verhindern, dass der Analog-/Digitalwandler bzw. der Digital-/Analogwandler unerwünschte Signalstörungen in das Übertragungssignal einkoppelt. Die Filter werden in der Regel auf einem Halbleiterchip integriert. Die analogen Anti-Aliasing-Filter enthalten RC-Glieder, die aus Widerständen und Kondensatoren bestehen. Werden die Filter auf einen Halbleiterchip integriert, kommt es bei der Herstellung zu Prozessabweichungen, wodurch die Widerstands- und Kapazitätswerte der in den Filtern enthaltenen RC-Glieder von einem gewünschten Sollwert abweichen. Die Zeitkonstante (τ) eines RC-Gliedes ergibt sich aus dem Produkt des Widerstandswerts R des Widerstandes und der Kapazität C des Kondensators innerhalb des RC-Gliedes. Die Grenzfrequenz f_g einer Filterstufe mit RC-Glied hängt von der RC-Zeitkonstante der Filterstufe ab. Aufgrund der Schwankungen der Widerstands- und Kapazitätswerte variiert daher auch die Grenzfrequenz f_g der zugehörigen Filterstufe.
Um eine Schwankung der Grenzfrequenz f_g der Filterstufe zu vermeiden, werden daher die Filter nach der Herstellung gestimmt bzw. getrimmt.
Die 1a bis 1c zeigen verschiedene Möglichkeiten für indirektes Tuning bzw. für das Trimmen von Filtern.
Bei der 1a wird ein On-Chip-Widerstand R₀, der beispielsweise durch einen MOS-Transistor realisiert ist, mit einem externen hochgenauen Widerstand R_ext durch einen Vergleichsschaltkreis verglichen. Der Wert des On-Chip-Widerstandes R₀ wird automatisch mit einer Kontrollspannung V_C nachjustiert bis der On-Chip-Widerstand R₀ den gleichen Wert wie der hochgenaue externe Widerstand R_ext aufweist.
Bei der in 1b dargestellten Anordnung wird ein Referenzfilter verwendet, das schaltungstechnisch denselben Aufbau wie das einzustellende Hauptfilter aufweist. Ein Sinussignal wird in das Referenzfilter eingespeist und ein Phasenkomparator vergleicht kontinuierlich die Phase am Ausgang des Hauptfilters mit der des Sinussignals. Die Kontrollspannung V_C wird solange nachjustiert, bis der gewünschte Phasenwert erreicht ist.
Eine weitere Möglichkeit der Trimmung nach dem Stand der Technik besteht, wie in 1c dargestellt, darin, einen Oszillator als Referenzschaltung einzusetzen. Dieser Oszillator ist aus denselben Schaltungselementen wie das Hauptfilter aufgebaut. Eine Vergleichsschaltung vergleicht die Phasenlage des von dem Oszillator abgegebenen Ausgangssignals mit dem eingespeisten Sinussignal. Eine Kontrollspannung wird solange nachjustiert, bis der gewünschte Phasenwert erreicht ist.
Die in den 1a bis 1c dargestellten Abstimmverfahren beruhen auf einem engen Matching von Bauelementen auf dem Chip, die einen sehr geringen Abstand zueinander aufweisen.
2 zeigt ein sogenanntes Biquad-Filter nach dem Stand der Technik. Bei dem Biquad-Filter handelt es sich um ein analoges Filter zweiter Ordnung, dass volldifferenziell aufgebaut ist und zwei Filterstufen enthält. Das in 2 dargestellte Biquad-Filter enthält in jeder Filterstufe ein RC-Glied, das jeweils aus einem Widerstand R und einem Kondensator C besteht. Die Widerstandswerte und Kapazitätswerte weisen nach der Herstellung Fertigungstoleranzen auf. Diese Fertigungstoleranzen können bei den Kondensatoren beispielsweise bei plus/minus 20% und bei den Widerständen bei plus/minus 15% liegen. Durch diese Herstellungsabweichungen variieren die Zeitkonstanten (τ = R × C) für verschiedene Filterstufen stark und die Grenzfrequenzen f_g sind verschoben. Dies wiederum führt zu einer Veränderung der jeweiligen Grenzfrequenz f_g des Filters. Bei der Integration des in 2 dargestellten Biquad-Filters zweiter Ordnung nach dem Stand der Technik ist es daher notwendig, dieses Filter zu trimmen bzw. abzustimmen.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Trimmung eines Filters nach dem Stand der Technik. Herkömmliche Abstimm- bzw. Trimmschaltungen werden als eigenständiger Schaltungsblock auf dem Chip integriert. Diese separate Trimmschaltung befindet sich auf demselben Chip wie das abzustimmende analoge Filter und die übrigen funktionellen Schaltungskomponenten. Die Trimmschaltung nach dem Stand der Technik besteht im Wesentlichen aus einer analogen Schaltung zur Messung der RC-Zeitkonstante (τ) einer Filterstufe innerhalb des Filters und aus einer digitalen Schaltung zur Auswertung der gemessenen Zeitkonstante τ. Bei der analogen RC-Mess-Schaltung innerhalb der separaten Trimmschaltung handelt es sich um eine Schaltungsanordnung, die identisch aufgebaut ist wie die auszumessende und zu trimmende Filterstufe innerhalb des Filters. Der digitale Schaltungsteil der Trimmschaltung wertet die ausgemessene Zeitkonstante τ der Filterstufe aus und schaltet ein in dem Filter vorgesehenes Kondensator-Array zum Ausgleich einer Abweichung der RC-Zeitkonstanten von einem Sollwert.
Die in 3 dargestellte Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik zur Trimmung eines analogen Filters weist einige erhebliche Nachteile auf. Die Trimmschaltung ist auf dem Chip getrennt von dem zu trimmenden Filter angeordnet. Da die Trimmschaltung eine schaltungstechnische Nachbildung der zu trimmenden Filterstufe enthält, benötigt sie bei der Integration auf dem Chip fast genau so viel Platz wie das zu trimmende Filter selbst. Der zusätzliche Platzbedarf führt zu höheren Herstellungskosten des gesamten Chips.
Da die Trimmschaltung separat von dem zu trimmenden Filter auf dem Chip integriert ist, besteht ein räumlicher Abstand zwischen den RC-Gliedern innerhalb der zu trimmenden Filterstufe und den RC-Gliedern innerhalb der Trimmschaltung, die die Filterstufe identisch nachbilden. Aufgrund der räumlichen Trennung ist es schaltungstechnisch nur schwer möglich, ein gutes Matching der Widerstände und der Kondensatoren innerhalb des zu trimmenden Filters und der Widerstände und der Kondensatoren innerhalb der in der Trimmschaltung enthaltenen RC-Mess-Schaltung zu erreichen. Fertigungsdifferenzen und Temperaturgefälle können zu einem unterschiedlichen Verhalten der RC-Glieder innerhalb der Trimmschaltung und innerhalb der zu trimmenden Filterstufe führen. Dies wiederum bewirkt eine fehlerhafte Abstimmung bzw. Trimmung der Filterstufe.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Abstimmschaltung und ein Verfahren zur Abstimmung einer Filterstufe zu schaffen, die bei Integration einen möglichst geringen Platzbedarf aufweist und die eine hohe Genauigkeit bei der Abstimmung der Filterstufe gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abstimmschaltung gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren zur Abstimmung gemäß Patentanspruch 25 gelöst.
Die Erfindung schafft eine Abstimmschaltung zur Abstimmung einer Filterstufe, die ein RC-Glied mit einer RC-Zeitkonstanten (τ) enthält, wobei die RC-Zeitkonstante (τ) das Produkt aus dem Widerstandswert eines Widerstandes (R1) des RC-Gliedes und der Kapazität eines zu dem Widerstand (R1) seriell verschalteten Kondensators (C1) des RC-Gliedes ist, mit einem Komparator zum Vergleichen der an dem Potentialknoten zwischen dem Widerstand (R1) und dem Kondensator (C1) anliegenden Spannung mit einer Bezugsspannung, sowie mit einer Steuerung, die den Kondensator (C1) des RC-Gliedes umlädt, bis der Komparator anzeigt, dass die an dem Potentialknoten anliegende Spannung gleich der Bezugsspannung ist, wobei die Steuerung in Abhängigkeit von der Umladezeit ein zu dem Kondensator (C1) des RC-Gliedes parallel geschaltetes Kondensator-Array zum Ausgleich einer Abweichung der RC-Zeitkonstanten (τ) des RC-Gliedes von einem Sollwert schaltet.
Die Grundidee der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung besteht darin, die Abstimmschaltung in das zu trimmende Filter selbst zu integrieren, insbesondere die in dem abzustimmenden Filter bereits vorhandenen Kondensatoren zur Abstimmung der Filterstufe einzusetzen.
Da die für die Abstimmschaltung eingesetzten Kondensatoren mit denen der abzustimmenden Filterstufe identisch sind, besteht ein perfektes Matching zwischen den Kondensatoren, so dass die Abstimmung hochgenau erfolgen kann. Darüber hinaus muss kein zusätzlicher Platz für Kondensatoren der Trimmschaltung vorgesehen werden, so dass der benötigte Platzbedarf der Trimmschaltung insgesamt gering ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung wird die Filterstufe in einem integrierten analogen Filter abgestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung weist die Steuerung eine Ablaufsteuerung zum Ansteuern von Schaltern auf, die zum Umladen des Kondensators des RC-Gliedes vorgesehen sind.
Die Schalter sind vorzugsweise in dem analogen Filter integriert.
Bei den Schaltern handelt es sich vorzugsweise um CMOS-Schalter.
Die Ablaufsteuerung weist bei einer bevorzugten Ausführungsform einen digitalen Zähler zum Messen der Umladezeit auf.
Dabei wird der digitale Zähler der Ablaufsteuerung vorzugsweise durch ein externes Taktsignal getaktet.
Der digitale Zähler der Ablaufsteuerung zählt vorzugsweise die Anzahl der Taktzyklen des externen Taktsignals zwischen dem Empfang eines Startsignals und dem Empfang eines von dem Komparator empfangenen Stoppsignals.
Die Steuerung weist bei einer bevorzugten Ausführungsform einen mit der Ablaufsteuerung verbundenen Speicher auf.
In dem Speicher ist vorzugsweise für jeden Zählwert des digitalen Zählers ein kodiertes Abstimmsteuersignal zum Schalten des Kondensator-Arrays abgespeichert.
Das Kondensator-Array weist bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung mehrere Abstimmkondensatoren auf, die in Abhängigkeit von dem kodierten Abstimmsteuersignal parallel zu dem Kondensator des RC-Gliedes zugeschaltet werden.
Bei den Kapazitäten der Abstimmkondensatoren handelt es sich vorzugsweise um gewichtete Vielfache einer Basiskapazität.
Das Kondensator-Array ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung in die Filterstufe integriert.
Das integrierte analoge Filter ist vorzugsweise mittels Schalter, die durch die Ablaufsteuerung angesteuert werden, zwischen einen normalen Filterbetrieb und einem Abstimmbetrieb umschaltbar.
Die Filterstufe weist vorzugsweise einen volldifferenziell aufgebauten Operationsverstärker auf.
Der volldifferenziell aufgebaute Operationsverstärker weist vorzugsweise einen ersten Signaleingang auf, der mit einem Potentialknoten eines ersten RC-Gliedes verbunden ist,
einen zweiten Signaleingang, der mit dem Potentialknoten eines zweiten RC-Gliedes verbunden ist,
einen ersten Signalausgang, der über den Kondensator des ersten RC-Gliedes an den ersten Signaleingang rückgekoppelt ist, und einen zweiten Signalausgang, der über den Kondensator des zweiten RC-Gliedes an den zweiten Signaleingang rückgekoppelt ist.
Dabei wird der Kondensator des ersten RC-Gliedes vorzugsweise mittels Schalter, die durch die Ablaufsteuerung gesteuert sind, solange geladen und der Kondensator des zweiten RC-Gliedes mittels Schalter, die durch die Ablaufsteuerung gesteuert sind, solange entladen bis die an den Potentialknoten der beiden RC-Glieder anliegenden Spannungen gleich groß sind.
Der Komparator weist vorzugsweise einen ersten Signaleingang auf, der mit dem Potentialknoten des ersten RC-Gliedes verbunden ist,
einen zweiten Signaleingang, der mit dem Potentialknoten des zweiten RC-Gliedes verbunden ist,
einen Ausgang zur Abgabe eines Stoppsignals an die Ablaufsteuerung, wenn die an dem ersten Signaleingang anliegende Spannung gleich der an dem zweiten Signaleingang anliegenden Spannung ist.
Der in der Ablaufsteuerung enthaltene Zähler erfasst vorzugsweise die Zeit bis die an den beiden Signaleingängen des Komparators anliegenden Spannungen gleich groß sind.
Bei einer Ausführungsform der Abstimmschaltung weist die Filterstufe einen Operationsverstärker auf, dessen erster Signaleingang mit dem Potentialknoten des RC-Gliedes verbunden ist, und dessen Signalausgang über den Kondensator des RC-Gliedes an den Signaleingang rückgekoppelt ist.
Dabei weist der Komparator vorzugsweise einen ersten Signaleingang auf, der mit dem Signalausgang des Operationsverstärkers verbunden ist,
einen zweiten Signaleingang, an dem die Bezugsspannung anliegt und einen Ausgang zur Abgabe eines Stoppsignals, an die Ablaufsteuerung, wenn die an dem ersten Eingang anliegende Spannung gleich der Bezugsspannung ist.
Der zweite Eingang des Komparators wird vorzugsweise mittels Schalter, die durch die Ablaufsteuerung gesteuert werden, alternativ an eine erste Referenzspannungsquelle, die eine erste Referenzspannung generiert, oder an eine zweite Referenzspannungsquelle, die eine zweite Referenzspannung generiert, geschaltet.
Der Kondensator des RC-Gliedes ist vorzugsweise mittels Schalter, die durch die Ablaufsteuerung gesteuert sind, alternativ an die erste Referenzspannungsquelle zum Entladen des Kondensators oder an die zweite Referenzspannungsquelle zum Aufladen des Kondensators geschaltet.
Der Kondensator wird vorzugsweise mittels der durch die Ablaufsteuerung gesteuerten Schalter solange umgeladen, bis an dem ersten Eingang des Komparators die erste Referenzspannung anliegt, und der Kondensator wird anschließend mittels der durch die Ablaufsteuerung gesteuerten Schalter solange entgegengesetzt umgeladen, bis an dem ersten Eingang des Komparators wieder die zweite Referenzspannung anliegt.
Der in der Ablaufspannung enthaltene Zähler erfasst vorzugsweise die gesamte Zeit zum Umladen und zum entgegengesetzten Umladen des Kondensators.
Bei den analogen Filtern handelt es sich vorzugsweise um ein Anti-Aliasing-Filter.
Das analoge Filter ist vorzugsweise ein XDSL-Anti-Aliasing-Filter.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem analogen Filter um ein Biquad-Filter.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das analoge Filter volldifferenziell aufgebaut.
Das analoge Filter weist vorzugsweise mehrere Filterstufen auf.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Abstimmung einer Filterstufe, die ein RC-Glied mit einer RC-Zeitkonstanten enthält, wobei die RC-Zeitkonstante (τ) das Produkt aus dem Widerstandswert eines Widerstandes (R1) des RC-Gliedes und der Kapazität eines zu dem Widerstand (R1) seriell verschalteten Kondensators (C1) des RC-Gliedes ist, wobei das Verfahren folgenden Schritte aufweist, nämlich das Umladen des Kondensators (C1) von mindestens einem RC-Glied der Filterstufe, sowie das Messen der Umladezeit bis die an dem Potentialknoten zwischen dem Widerstand (R1) und dem Kondensator (C1) des RC-Gliedes anliegende Spannung eine Bezugsspannung erreicht, sowie das Schalten eines parallel zu dem Kondensator (C1) des RC-Gliedes verschalteten Kondensator-Arrays in Abhängigkeit von der gemessenen Umladezeit zum Ausgleich einer Abweichung der RC-Zeitkonstante (τ) des RC-Gliedes von einem vorbestimmten Sollwert (τ_SOLL).
Der Kondensator des RC-Gliedes wird vorzugsweise vor dem Abstimmen der Filterstufe auf eine bestimmte erste Bezugsspannung geladen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kondensator zur Abstimmung der Filterstufe solange umgeladen, bis die an dem Kondensator anliegende Spannung gleich einer zweiten Bezugsspannung ist, und anschließend solange entgegengesetzt umgeladen, bis die an dem Kondensator anliegende Spannung wieder gleich der ersten Bezugsspannung ist.
Dabei werden die beiden Umladezeiten zum Umladen des Kondensators vorzugsweise als Gesamtzeit gemessen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Kondensator eines ersten RC-Gliedes vor dem Abstimmen der Filterstufe auf eine erste Bezugsspannung und ein Kondensator eines zweiten RC-Gliedes vor dem Abstimmen der Filterstufe auf eine zweite Bezugsspannung geladen,
wobei der Kondensator des ersten RC-Gliedes solange entladen wird, und der Kondensator des zweiten RC-Gliedes solange aufgeladen wird, bis die Spannung an beiden Kondensatoren gleich groß ist.
Dabei wird die Umladezeit, bis die beiden Spannungen an beiden Kondensatoren gleich groß sind, vorzugsweise gemessen.
Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung und des erfindungsgemäßen Abstimmverfahrens zur Erläuterung erfindungswesentlicher Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:
1 verschiedene Schaltungsanordnungen zum Abstimmen von Filtern nach dem Stand der Technik;
2 ein Biquad-Filter zweiter Ordnung nach dem Stand der Technik;
3 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Trimmung eines Filters nach dem Stand der Technik;
4 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Trimmung bei einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung;
5 Signalablaufdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der in 4 dargestellten Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung;
6 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der in 4 dargestellten Abstimmschaltung gemäß der Erfindung;
7 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der in 4 dargestellten Abstimmschaltung gemäß der Erfindung;
8 eine Schaltungsanordnung eines in der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung eingesetzten Kondensator-Arrays;
9 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung zur Abstimmung eines Biquad-Filters;
10 ein Blockschaltbild einer Abstimmschaltung;
11 ein Signalablaufdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der in 10 dargestellten Abstimmschaltung;
12 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung zur Abstimmung eines Biquad-Filters.
In 4 ist eine Schaltungsanordnung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung dargestellt. In einem abzustimmenden Filter 3 sind ein erstes RC-Glied 1 und ein zweites RC-Glied 2 enthalten. Das Filter 3 umfasst neben dem ersten und zweiten RC-Glied 1, 2 weitere Schaltungskomponenten, die in 4 nicht dargestellt sind. Das Filter 3 wird durch eine positive Versorgungsspannung V_dd und durch eine negative Versorgungsspannung V_ss mit Spannung versorgt. Das erste RC-Glied 1 umfasst einen Widerstand R1 und einen seriell dazu verschalteten Kondensator C1. In gleicher Weise umfasst das zweite RC-Glied 2 einen Kondensator C2 und einen seriell dazu verschalteten Widerstand R2. Einen Verbindungsknoten 4 innerhalb des ersten RC-Gliedes 1, an dem der Widerstand R1 und der Kondensator C1 des RC-Gliedes 1 miteinander verbunden sind, und ein Verbindungsknoten 5 innerhalb des zweiten RC-Gliedes 2, an dem der Kondensator C2 des zweiten RC-Gliedes 2 und der Widerstand R2 des zweiten RC-Gliedes 2 miteinander verbunden sind, sind über Leitungen 6, 7 über einen ersten und zweiten Signaleingang 8, 9 eines Komparators 10 verbunden. Der Komparator 10 vergleicht die am ersten Potentialknoten 4 anliegende Spannung mit der an dem zweitem Potentialknoten 5 anliegenden Spannung. Der Komparator 10 weist einen Ausgang 11 auf, der über eine Steuerleitung 12 mit einem Eingang 13 einer Ablaufsteuerung 14 verbunden ist. Die Ablaufsteuerung 14 ist Teil einer Steuerung 15, die neben der Ablaufsteuerung 14 noch einen Speicher 16 enthält. Die Ablaufsteuerung 14 besitzt einen digitalen Zähler. Die Ablaufsteuerung 14 erhält über einen Steuereingang 17 ein externes Startsignal zum Start eines Abstimmvorgangs für das Filter 3. Der in der Ablaufsteuerung 14 enthaltene Zähler misst die Zeit zwischen dem empfangenen Startsignal und einem von Komparator 10 abgegebenen Stoppsignal. Hierzu wird die Ablaufsteuerung 14 durch ein an einen Takteingang 18 angelegtes Taktsignal CLK getaktet. Der digitale Zähler zählt die Anzahl der Taktzyklen zwischen dem Start- und dem Stoppsignal. Der Zählwert Z wird über Leitungen 19 an eine in dem Speicher 16 enthaltene Look-up-Tabelle abgegeben.
Die Ablaufsteuerung 14 steuert über Steuerleitungen Schalter an, die in dem Filter 3 zur Abstimmung des Filters vorgesehen sind. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform gibt die Ablaufsteuerung 14 über einen Steuerausgang 20 ein erstes Steuersignal A und über einen zweiten Steuerausgang 21 ein zweites Steuersignal B ab. Das Steuersignal A steuert die Schalter 22, 23 innerhalb des Filters 3 an. Das Steuersignal B steuert die Schalter 24, 25 innerhalb des Filters 3 an.
Bevor die Ablaufsteuerung 14 über den Steuereingang 17 das Startsignal zum Starten des Abstimmvorgangs erhält, sind die Schalter 22, 23 entsprechend dem Steuersignal A geschlossen und die Schalter 24, 25 sind entsprechend dem Steuersignal B geöffnet. Folglich ist der Kondensator C1 des ersten RC-Gliedes 1 vor Beginn des Abstimmvorgangs vollständig entladen und der Kondensator C2 innerhalb des zweiten RC-Gliedes 2 ist vollständig geladen. Nachdem die Ablaufsteuerung 14 das Startsignal zum Starten des Abstimmvorgangs erhalten hat, werden die Schalter 22, 23 geöffnet und die Schalter 24, 25 geschlossen. In der Folge wird der Kondensator C1 innerhalb des ersten RC-Gliedes 1 aufgeladen und der Kondensator C2 innerhalb des zweiten RC-Gliedes 2 entladen. Der Komparator 10 vergleicht die an den Spannungspotentialknoten 4, 5 anliegenden Spannungen und gibt ein Stoppsignal über die Steuerleitung 12 an die Ablaufsteuerung 14 ab, sobald die beiden Spannungen gleich groß sind. Die Ablaufsteuerung 14 misst die Umladezeit des getakteten digitalen Zählers und gibt den Zählwert Z an den Speicher 16 ab. Im Speicher 16 befindet sich eine abgespeicherte Tabelle, bei der für jeden Zählwert ein kodiertes Abstimmsteuersignal gespeichert ist. Das Abstimmsteuersignal besteht aus mehreren kodierten Steuersignalbits Zi zum Schalten von mehreren Schaltern innerhalb eines Kondensator-Arrays 26. Das Kondensator-Array 26 besteht aus mehreren Kondensatoren, die parallel zu den abzustimmenden Kondensatoren C1, C2 innerhalb des Filters 3 verschaltet sind. Das Kondensator-Array 26 ist in dem Filter 3 integriert. Das Kondensator-Array 26 wird über Steuerleitungen 27 entsprechend dem ausgelesenen kodierten Abstimmsteuersignal angesteuert. Die RC-Glieder 1, 2 sind RC-Glieder einer Filterstufe innerhalb des Filters 3. Das Filter 3 kann neben der abzustimmenden Filterstufe auch weitere Filterstufen enthalten. Die Ablaufsteuerung 14 lädt den Kondensator C1 des RC-Gliedes 1 solange um, bis der Komparator 10 anzeigt, dass die an dem Potentialknoten 4 anliegende Spannung gleich einer Bezugsspannung, nämlich der an dem Potentialknoten 5 anliegenden Vergleichsspannung, ist. Die Steuerung 15 schaltet in Abhängigkeit von der durch den digitalen Zähler gemessenen Umladezeit ein zu dem Kondensator C1 des RC-Gliedes 1 parallel geschaltetes Kondensator-Array 26, um Fertigungsabweichungen der RC-Zeitkonstanten τ des RC-Gliedes 1 von einem Sollwert auszugleichen.
5 zeigt die Signalverläufe der in 4 dargestellten Schaltungsanordnung. Zum Zeitpunkt t_Start beginnt der Abstimmvorgang, wobei das Steuersignal A die Schalter 22, 23 öffnet und das Steuersignal B die Schalter 24, 25 schließt. In Abhängigkeit von der RC-Zeitkonstanten τ₁ = R1 × C1 wird das RC-Glied 1, wie in 5 dargestellt, aufgeladen. In gleicher Weise wird das zweite RC-Glied 2 mit der Zeitkonstanten τ₂ = R2 × C2 entladen. In 5 sind für jedes RC-Glied beispielhaft drei Verläufe für unterschiedliche Zeitkonstanten τ₁ bzw. τ₂ mit 3 verschiedenen Schnittpunkten S₁, S₂, S₃ dargestellt.
Bei einer Veränderung der Versorgungsspannung verschieben sich die Lade- bzw. Entladekurven der beiden RC-Glieder in die gleiche Richtung, so dass sich der Schnitt ohne Veränderung der Messzeit Δt vertikal in dem Diagramm verschiebt. Die Messschaltung ist somit äußerst stabil gegenüber Spannungsschwankungen der Versorgungsspannung. Nach Empfang des Startsignals zählt der digitale Zähler innerhalb der Ablaufsteuerung 14 getaktet durch das Taktsignal CLK die Anzahl der Taktimpulse zwischen dem empfangenen Startsignal und dem von dem Komparator 10 abgegebenen Stoppsignal. Δt = t_CLK × N = LN(2) × R × C
6 zeigt beispielhaft den Zählwert Z des Zählers innerhalb der Ablaufsteuerung 14 in Abhängigkeit von der Prozessabweichung. Bei einer normierten Prozessabweichung von 1 beträgt der Zählwert beispielweise 100. Die normierte Prozessabweichung 1 entspricht dem Sollwert, d. h. die RC-Zeitkonstante τ entspricht genau der gewünschten RC-Zeitkonstante τ_Soll. Je größer die Prozessabweichung von dem gewünschten Sollwert ist, desto stärker ist die Abweichung des Zählwertes von dem gewünschten Sollzählwert Z = 100.
7 zeigt ein Beispiel für einen Abstimmcode in Abhängigkeit von dem Zählwert. Der Abstimmcode besteht bei dem in 7 dargestellten Beispiel aus vier Abstimmsteuerungsbits, mit dem sich Werte zwischen 0 und 15 darstellen lassen. Bei dem Zählwert 100 betragt der Abstimmsteuerungscode beispielsweise 5, der binär kodiert der Bitfolge 0101 entspricht. Das Abstimmsteuersignal wird über die Steuerleitungen 27, die bei dem gewählten Beispiel vier Steuerleitungen umfassen, an das Kondensator-Array 26 im Filter 3 aus dem Speicher 16 ausgelesen.
Die vier Steuerungsbits Z₀, Z₁, Z₂, Z₃, steuern die in 8 dargestellten Schalter 26a, 26b, 26c, 26d innerhalb des Kondensator-Arrays 26. Das Kondensator-Array 26 enthält mehrere parallel verschaltete Kondensatoren 28a, 28b, 28c, 28d, die über die Schalter 26a bis 26d parallel zuschaltbar sind. Jeder der abstimmbaren Kondensatoren C1, C2 innerhalb des Filters 3 verfügt über ein zugehöriges Kondensator-Array, mit dem die RC-Zeitkonstante des RC-Gliedes 1 bzw. des RC-Gliedes 2 und die Steuerung 15 veränderbar ist. Die Steuerung 15 schaltet die Kondensatoren 28a bis 28d des Kondensator-Arrays 26 in Abhängigkeit von der gemessenen Umladezeit an den zugehörigen Kondensator C1, C2 innerhalb des Filters 3 zu, um die Abweichungen der RC-Zeitkonstante des RC-Gliedes 1, 2 von einem Sollwert τ_Soll, die aufgrund des Herstellungsprozesses entstehen, auszugleichen. Bei der in 4 dargestellten Vorgehensweise besteht ein Vorteil darin, dass die Trimmung unabhängig von Spannungseinflüssen erfolgt. Einzig und allein die Prozessabweichung beeinflusst das Messergebnis der Zeitkonstanten τ. Das in 8 dargestellte Kapazitäts-Array 26 umfasst mehrere Abstimmkondensatoren 28a bis 28d, die vorzugsweise gewichtete Vielfache einer Basiskapazität C_basis sind. Mit N Abstimmkondensatoren lassen sich 2^N verschiedene Zustände und Kapazitätswerte zum Ausgleich von Prozessschwankungen einstellen. Bei einer Bitanzahl von N = 4 erhält man 16 verschiedene Kapazitätswerte.
9 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Abstimmung eines Biquad-Filters. Der schaltungstechnische Aufbau eines herkömmlichen Biquad-Filters ist in 2 dargestellt. Das Biquad-Filter besteht aus zwei Filterstufen, wobei jede Filterstufe jeweils volldifferenziell ausgebildet ist. Bei dem in 9 dargestellten Beispiel werden die beiden RC-Glieder, nämlich das RC-Glied 1 und das RC-Glied 2 der ersten Filterstufe des Biquad-Filters durch die erfindungsgemäße Abstimmschaltung abgestimmt. Das Biquad-Filter weist eine erste Filterstufe mit einem volldifferenziell aufgebauten Operationsverstärker 29 und eine zweite Filterstufe mit einem volldifferenziell aufgebauten Operationsverstärker 30 auf. Das Eingangssignal des abzustimmenden Filters liegt im Normalbetrieb über Widerstände R1, R2 am Signaleingang des Operationsverstärkers 29 an. Das Ausgangssignal U_out des Filters wird von den Signalausgängen des Operationsverstärkers 30 der zweiten Filterstufe abgegeben. Die Signalausgänge des zweiten Operationsverstärkers 30 sind über Rückkoppelwiderstände R5, R5' an die Signaleingänge des ersten Operationsverstärkers 29 rückgekoppelt. Die Signaleingänge des ersten Operationsverstärkers 29 sind jeweils mit einem Verbindungsknoten 4, 5 der beiden RC-Glieder 1, 2 verbunden. Die Potentialknoten 4, 5 der beiden RC-Glieder 1, 2 sind über Leitungen 6, 7 mit den Signaleingängen 8, 9 des Komparators 10 verbunden. Die digitale Ablaufsteuerung 14 gibt drei Steuersignale A, B, C ab. Die Steuersignale A, B, C steuern verschiedene Schalter, die in dem Biquad-Filter integriert sind. Bei den Schaltern handelt es sich vorzugsweise um CMOS-Schalter. Nach Empfang eines Startsignals schaltet die digitale Ablaufsteuerung 14 von einem normalen Filterbetrieb auf einen Abstimmbetrieb um. Hierzu öffnet die digitale Ablaufsteuerung alle Schalter, die in 9 mit AQ bezeichnet sind, und schließt gleichzeitig alle Schalter, die mit A bezeichnet sind. Durch Öffnen der Schalter AQ wird die erste Filterstufe des Biquad-Filters von der zweiten Filterstufe getrennt. Die beiden Differenzoperationsverstärker 29, 30 werden Power-down geschaltet. Ferner schließt die Ablaufsteuerung 14 die in 9 mit B, C gekennzeichneten Schalter. Hierdurch wird ein definierter Zustand für die anschließende Messung der Zeitkonstanten τ hergestellt. Zum Starten des Messvorgangs empfängt die Ablaufsteuerung 14 das Startsignal und öffnet die Schalter B, C. Der in der Ablaufsteuerung 14 enthaltene digitale Zähler zählt ab diesem Zeitpunkt die Taktsignalflanken solange, bis die Spannungen an dem Potentialknoten 4 und an dem Potentialknoten 5 gleich groß sind. Sobald der Komparator 10 dies erkennt, gibt er ein Stoppsignal an die nachgeschaltete digitale Ablaufsteuerung 14 ab, und der darin enthaltene digitale Zähler hört auf zu zählen. Die gemessene Umladezeit T ist ein Maß für die RC-Zeitkonstante in der ersten Filterstufe des Biquad-Filters. Die Steuerung schaltet zum Ausgleich einer möglichen Abweichung der RC-Zeitkonstanten von einem Sollwert ein zu den Kondensatoren C1, C1' parallel geschaltetes Kondensator-Array 26 entsprechend dem in dem Speicher 16 abgespeicherten Abstimmcode.
Wie man aus 9 erkennen kann, benötigt die erfindungsgemäße Abstimmschaltung neben den bereits in dem Biquad-Filter enthaltenen Kondensatoren keine zusätzlichen eigenen Messkondensatoren, um die Abstimmung des Biquad-Filters vorzunehmen. Daher ist der Platzbedarf im Vergleich zu herkömmlichen Abstimmschaltungen sehr gering. Da darüber hinaus keine von den RC-Gliedern innerhalb des Biquad-Filters entfernt gelegenen Referenzbauelemente zur Messung benötigt werden, bestehen auch keine Probleme hinsichtlich des Matchings.
Nach Abschluss des Abstimmvorgangs werden die Schalter AQ geschlossen und die Schalter A geöffnet. Das Filter arbeitet dann im normalen Filterbetrieb weiter. Das abzustimmende Filter weist zwei Betriebsmodi auf, nämlich den Abstimmbetriebsmodus und den normalen Betriebsmodus. Im Normalbetrieb ist die Trimmung bzw. Abstimmung abgeschaltet. Die zusätzlich vorgesehenen integrierten Schalter beeinflussen das Filter im normalen Filterbetrieb nicht.
Bei der in 9 dargestellten Ausführungsform wird lediglich die erste Filterstufe abgeglichen. Bei alternativen weiteren Ausführungsformen ist es auch möglich, für jede Filterstufe eine Abstimmung vorzunehmen. Dabei kann für jede Filterstufe eine eigene Abstimmschaltung vorgesehen werden, oder verschiedene Filterstufen können zur Abstimmung an eine gemeinsame Abstimmschaltung gemultiplext werden.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Abstimmschaltung. Bei der in 10 dargestellten Ausführungsform werden feste Referenzspannungen eingesetzt. Der zweite Eingang 9 des Komparators 10 ist über die Leitung 7 und Schalter A, AQ alternativ an eine erste Referenzspannungsquelle 31 oder eine zweite Referenzspannungsquelle 32 schaltbar. Die beiden Referenzspannungsquellen 31, 32 liefern Bezugsspannungen für den Komparator 10.
Bei der in 10 dargestellten Ausführungsform enthält die abzustimmende Filterstufe einen Operationsverstärker 33 mit einem ersten Signaleingang 34 und einem zweiten Signaleingang 35. Der invertierende Signaleingang 34 bei der in 10 dargestellten Ausführungsform wird mit dem Potentialknoten 4 innerhalb des RC-Gliedes 1 verbunden. Der Potenzialknoten 4 stellt die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 des RC-Gliedes 1 dar. Der Operationsverstärker 33 weist einen Signalausgang 36 auf, der über eine Leitung 37 an den ersten Signaleingang 8 des Komparators 10 angeschlossen ist. Der Signalausgang 36 ist über den Kondensator C1 des RC-Gliedes 1 an den invertierenden Signaleingang 34 rückgekoppelt. Der Kondensator C1 ist über einen Schalter 38 kurzschließbar. Der Operationsverstärker 33 bildet zusammen mit dem RC-Glied 1 eine Integrationsschaltung 39 innerhalb der abzustimmenden Filterstufe. Der Signaleingang der Integrationsschaltung 39 ist über Schalter 40, 41 alternativ an eine erste Referenzspannungsquelle 42 oder an eine Referenzspannungsquelle 43 schaltbar. Die Referenzspannungsquelle 42 ist vorzugsweise mit der Referenzspannungsquelle 32 identisch und die Referenzspannungsquelle 43 mit der Referenzspannungsquelle 31. Bei der in 10 dargestellten Ausführungsform liefern die Referenzspannungsquellen 32, 42 eine positive Referenzspannung +U_ref und die Referenzspannungsquellen 31, 43 eine negative Referenzspannung –U_ref. Die Referenzspannungsquelle 31 ist über einen Schalter 44 und die Referenzspannungsquelle 32 über einen Schalter 45 an den zweiten Eingang 9 des Komparators 10 schaltbar. Die Schalter 38, 40, 41, 44, 45 werden durch die digitale Ablaufsteuerung 14 geschaltet. Bei den Schaltern handelt es sich vorzugsweise um integrierte CMOS Schalter.
11 zeigt Signalablaufdiagramme zur Erläuterung der Funktion der in 10 dargestellten Abstimmschaltung. Die digitale Ablaufsteuerung 14 misst die Umladezeit des Kondensators C1 zwischen zwei vorgegebenen Referenzspannungen (+U_ref, –U_ref). Es wird die Zeit gemessen, die die Integrationsschaltung 39 benötigt, um bis zu der oberen Referenzspannung (+U_ref) zu integrieren und anschließend zurück zu der ersten Referenzspannung (–U_ref) zurückzuintegrieren. Um die Kapazität C1 für die Messung zunächst zu entladen, wird durch die Ablaufsteuerung 14 über ein Ablaufsteuersignal B der Schalter 38 zunächst geschlossen. Nach dem Öffnen des Schalters B integriert die Integrationsschaltung 39 so lange, bis die Ausgangsspannung am Signalausgang 36 den Spannungswert der negativen Referenzspannung (–U_ref) erreicht hat. Hierzu gibt der Komparator 10 ein erstes Stopsignal bzw. Umkehrsignal an die digitale Ablaufsteuerung 14 ab, die anschließend eine Integration hin zu der positiven Referenzspannung (+U_ref) bewirkt, indem sie den Schalter 40 schließt und den Schalter 41 öffnet. Gleichzeitig wird der Schalter 45 geschlossen und der Schalter 44 geöffnet, so dass der Komparator 10 an seinem zweiten Signaleingang 9 die positive Referenzspannung +U_ref als Vergleichsspannung erhält. Das Umschalten bzw. die Umkehrung der Integrationsrichtung erfolgt zum Zeitpunkt t₁. Die Integration in positiver Richtung erfolgt so lange, bis der Komparator 10 feststellt, dass die positive Bezugsspannung zum Zeitpunkt t₂ erreicht ist. Die Ablaufsteuerung 14 misst mittels des darin enthaltenen getakteten Zählers die gesamte Zeit, die zum Umladen des Kondensators C1 und zum entgegengesetzten Umladen des Kondensators C1 benötigt wird. Die Gesamtzeit ΔT = (t1 – t0) + (t2 – t1) = z1 × t_CLK + z2 × t_CLK = z × t_CLK wird als Zählwert Z erfasst und an die Speichereinheit 16 zum Auslesen des Abstimm-Tuningcodes abgegeben. Die in dem Kondensator-Array 26 vorgesehenen Abstimmkondensatoren 28 werden entsprechend dem ausgelesenen Abstimmcode zu dem Kondensator C1 des RC-Gliedes 1 parallel zugeschaltet, um Abweichungen aufgrund von Fertigungstoleranzen auszugleichen.
11 zeigt die reine Offsetkompensation durch die Messung. Ein Vorteil der in 10, 11 dargestellten Vorgehensweise besteht darin, dass beim Messen der beiden Integrationszeiten, nämlich der Integrationszeit Δt1 = t1 – t0 zum Entladen des Kondensators C1 und der zweiten Integrationszeit Δt2 = t2 – t1 zum Aufladen des Kondensators C1 der Einfluss von Offsetspannungen kompensiert wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Offsetspannung U_OFFSET bei dem ersten Integrationsvorgang eine größere Steigung und nach der Umkehrung der Integration eine kleinere Steigung verursacht. Somit wird die Offsetspannung U_OFFSET bei einem Integrationsvorgang addiert und bei dem anderen Integrationsvorgang in umgekehrter Richtung subtrahiert. Die Summe der beiden Integrationszeiten Δt1 und Δt2 ist ein Maß für die RC-Zeitkonstante des RC-Gliedes innerhalb des Filters.
12 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung zur Abstimmung eines zweistufigen Biquad-Filters. Bei der in 12 dargestellten Abstimmschaltung wird das in 10 dargestellte Messprinzip eingesetzt. Bei dem abzustimmenden Filter handelt es sich um ein herkömmliches Biquad-Filter, wie es in 2 dargestellt ist, wobei in dem Biquad-Filter verschiedene Schalter integriert sind. Die zusätzlich vorgesehenen Schalter sind in 12 mit A, B, C, D gekennzeichnet.
Das Umschalten von dem normalen Filterbetrieb des Biquad-Filters in einen Abstimmbetrieb erfolgt durch die digitale Abstimmsteuerung 14, indem die Schalter CQ geöffnet und die Schalter C geschlossen werden. Um den Messvorgang einzuleiten, wird ein Startsignal an die digitale Ablaufsteuerung 14 abgegeben, die den Schalter A schließt und den zuvor geschlossenen Schalter B öffnet. Gleichzeitig wird der in der digitalen Ablaufsteuerung 14 enthaltene digitale Zähler gestartet. Durch das Schließen des Schalters A wird die erste Referenzspannung U_ref1 über den Messwiderstand R_MESS an dem Potentialknoten 4 des RC-Gliedes 1 angelegt. Gleichzeitig wird die zweite Referenzspannung U_ref2 über einen geschlossenen Schalter A an den zweiten Signaleingang 9 des Komparators 10 als Bezugsspannung angelegt. Die Integrationsschaltung integriert die angelegte erste Referenzspannung U_ref1 solange, bis die integrierte Spannung am ersten Signaleingang 8 des Komparators 10 genauso groß ist wie die Bezugsspannung U_ref2. Ist dieser Zustand erreicht, signalisiert der Komparator 10 über die Steuerleitung 12 der digitalen Ablaufsteuerung 14, dass der Umkehrpunkt erreicht ist, und die Ablaufsteuerung 14 öffnet anschließend die Schalter A und schließt die Schalter D. Hierdurch wird am zweiten Eingang 9 des Komparators 10 nunmehr die erste Referenzspannung U_ref1 als Bezugsspannung angelegt. Darüber hinaus wird die zweite Referenzspannung U_ref2 als Eingangsspannung über einen Schalter D an den Messwiderstand RM und den Potentialknoten 4 zur Integration angelegt. Die Integrationsschaltung integriert nun in umgekehrter Richtung so lange, bis an dem Komparatoreingang 8 die an dem Eingang 9 anliegende Referenzspannung U_ref1 erreicht ist. Ihr Zustand wird durch den Komparator 10 erkannt, der ein Stoppsignal zur Beendigung des Messvorgangs an die digitale Ablaufsteuerung 14 abgibt. Die Ladezeit zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Schalter A geschlossen werden, bis zum Auslösen des Stoppsignals durch den Komparator 10 wird als Zählwert Z durch den digitalen Zähler erfasst und stellt ein Maß für die RC-Zeitkonstante τ des RC-Gliedes 1 innerhalb der ersten Filterstufe dar. Abhängig von dem Zählwert Z werden die in dem Kondensator-Array 26 enthaltenen Abstimmkondensatoren entsprechend dem abgespeicherten Abstimm-Tuningcode geschaltet, sodass der Differenzwert der RC-Zeitkonstante von einem Zeitkonstanten-Sollwert τ_Soll zur Abstimmung des Filters 3 ausgeglichen wird.
Bezugszeichenliste

1: RC-Glied
2: RC-Glied
3: Filter
4: Potentialknoten
5: Potentialknoten
6: Leitung
7: Leitung
8: Komparatoreingang
9: Komparatoreingang
10: Komparator
11: Komparatorausgang
12: Steuerleitung
13: Eingang
14: Ablaufsteuerung
15: Steuerung
16: Speichereinheit
17: Steuereingang
18: Taktsignaleingang
20: Steuerausgang
21: Steuerausgang
22: Schalter
23: Schalter
24: Schalter
25: Schalter
26: Kondensator-Array
27: Steuerleitungen
28: Abstimmkondensatoren
29: Operationsverstarker
30: Operationsverstarker
31: Referenzspannungsquelle
32: Referenzspannungsquelle
33: Operationsverstarker
34: Signaleingang
35: Signaleingang
36: Signalausgang
37: Leitung
38: Schalter
39: Integrator
40: Schalter
41: Schalter
42: Referenzspannungsquelle
43: Referenzspannungsquelle
44: Schalter
45: Schalter

Claims

Abstimmschaltung zur Abstimmung einer Filterstufe, die ein erstes RC-Glied (1) mit einer RC-Zeitkonstanten (τ) enthält, wobei die RC-Zeitkonstante (τ) das Produkt aus dem Widerstandswert eines ersten Widerstandes (R1) des ersten RC-Gliedes (1) und der Kapazität eines zu dem ersten Widerstand (R1) seriell verschalteten ersten Kondensators (C1) des ersten RC-Gliedes (1) ist, mit: (a) einem Komparator (10) zum Vergleichen einer an dem ersten RC-Glied (1) anliegenden Spannung mit einer Bezugsspannung und mit (b) einer Steuerung (15), die den ersten Kondensator (C1) des ersten RC-Gliedes (1) umlädt, bis der Komparator (10) anzeigt, dass die an dem ersten RC-Glied (1) anliegende Spannung gleich der Bezugsspannung ist, wobei die Steuerung (15) in Abhängigkeit von der Umladezeit ein zu dem ersten Kondensator (C1) des ersten RC-Gliedes (1) parallel geschaltetes Kondensator-Array (26) zum Ausgleich einer Abweichung der RC-Zeitkonstanten (τ) des ersten RC-Gliedes (1) von einem Sollwert (τ_Soll) schaltet, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (10) so beschaltet ist, dass die an dem Potentialknoten (4) zwischen dem ersten Widerstand (R1) und dem ersten Kondensator (C1) anliegende Spannung mit der Bezugsspannung vergleichbar ist, die Filterstufe ein zweites RC-Glied (2) mit einem zweiten Kondensator (C2) aufweist und die Steuerung (15) zur Bestimmung der Umladezeit sowohl einen Aufladevorgang zum Aufladen des ersten Kondensators (C1) als auch einen Entladevorgang zum Entladen des zweiten Kondensators (C2) steuert.
Abstimmschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstufe in einem integrierten analogen Filter (3) enthalten ist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (15) eine Ablaufsteuerung (14) zum Ansteuern von Schaltern aufweist, die zum Umladen der Kondensatoren (C1, C2) der RC-Glieder (1, 2) vorgesehen sind.
Abstimmschaltung nach Anspruch 3, sofern auf Anspruch 2 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter in dem analogen Filter (3) integriert sind.
Abstimmschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter CMOS-Schalter sind.
Abstimmschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablaufsteuerung (14) einen digitalen Zähler zum Messen der Umladezeit aufweist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Zähler der Ablaufsteuerung (14) durch ein externes Taktsignal (CLK) getaktet ist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Zähler der Ablaufsteuerung (14) die Anzahl (Z) der Taktzyklen des externen Taktsignals zwischen dem Empfang eines Startsignales und dem Empfang eines von dem Komparator (10) empfangenen Stop-Signals zählt.
Abstimmschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (15) einen mit der Ablaufsteuerung (14) verbundenen Speicher (16) aufweist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Speicher (16) für jeden Zählwert (Z) des digitalen Zählers ein codiertes Abstimmsteuersignal zum Schalten des Kondensator-Arrays (26) abgespeichert ist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensator-Array (26) mehrere Abstimmkondensatoren (28-i) aufweist, die in Abhängigkeit von dem codierten Abstimmsteuersignal parallel zu dem ersten Kondensator (C1) des ersten RC-Gliedes (1) zugeschaltet werden.
Abstimmschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten der Abstimmkondensatoren (28-i) gewichtete Vielfache einer Basiskapazität (C_Basis) sind.
Abstimmschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensator-Array (26) in der Filterstufe integriert ist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 3, sofern auf Anspruch 2 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass das integrierte analoge Filter mittels Schalter, die durch die Ablaufsteuerung (14) gesteuert werden, zwischen einem normalen Filterbetrieb und einer Abstimmbetrieb umschaltbar ist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstufe einen voll-differenziell aufgebauten Operationsverstärker (29) aufweist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der voll-differenziell aufgebaute Operationsverstärker (29) einen ersten Signaleingang, der mit dem Potentialknoten (4) des ersten RC-Gliedes (1) verbunden ist, einen zweiten Signaleingang, der mit dem Potentialknoten (5) des zweiten RC-Gliedes (2) verbunden ist, einen ersten Signalausgang, der über den ersten Kondensator (C1) des ersten RC-Gliedes (1) an den ersten Signaleingang rückgekoppelt ist, und einen zweiten Signalausgang, der über den zweiten Kondensator (C2) des zweiten RC-Gliedes (2) an den zweiten Signaleingang rückgekoppelt ist, aufweist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (C1) des ersten RC-Gliedes (1) mittels Schalter, die durch die Ablaufsteuerung (14) gesteuert sind, solange geladen wird, und der zweite Kondensator (C2) des zweiten RC-Gliedes (2) mittels Schalter, die durch die Ablaufsteuerung (14) gesteuert sind, solange entladen wird, bis die an den Potentialknoten (4, 5) der beiden RC-Glieder (1, 2) anliegenden Spannungen gleich groß sind.
Abstimmschaltung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (10) aufweist: – einen ersten Signaleingang (8), der mit dem Potentialknoten (4) des ersten RC-Gliedes (1) verbunden ist, – einen zweiten Signaleingang (9), der mit dem Potentialknoten (5) des zweiten RC-Gliedes (2) verbunden ist, und – einen Ausgang (11) zur Abgabe eines Stopsignals an die Ablaufsteuerung (14), wenn die an dem ersten Signaleingang (8) anliegende Spannung gleich der an dem zweiten Signaleingang (9) anliegenden Spannung ist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Ablaufsteuerung (14) enthaltene Zähler die Zeit erfasst, bis die an den beiden Signaleingängen (8, 9) des Komparators (10) anliegenden Spannungen gleich groß sind.
Abstimmschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Filter ein Anti-Aliasing Filter ist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Filter ein xDSL-Anti-Aliasing Filter ist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Filter ein Biquad-Filter ist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Filter voll-differenziell aufgebaut ist.
Abstimmschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Filter mehrere Filterstufen aufweist.
Verfahren zur Abstimmung einer Filterstufe, die ein erstes RC-Glied (1) mit einer RC-Zeitkonstante enthält, wobei die RC-Zeitkonstante (τ) das Produkt aus dem Widerstandswert eines ersten Widerstandes (R1) des ersten RC-Gliedes (1) und der Kapazität eines zu dem ersten Widerstand (R1) seriell verschalteten ersten Kondensators (C1) des ersten RC-Gliedes (1) ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Umladen des ersten Kondensators (C1) des ersten RC-Gliedes (1) der Filterstufe, (b) Messen der Umladezeit, bis eine an dem ersten RC-Glied (1) anliegende Spannung eine Bezugsspannung erreicht, und (c) Schalten eines parallel zu dem ersten Kondensator (C1) des ersten RC-Gliedes (1) verschalteten Kondensator-Arrays (26) in Abhängigkeit von der gemessenen Umladezeit zum Ausgleich einer Abweichung der RC-Zeitkonstante (τ) des ersten RC-Gliedes (1) von einem vorbestimmten Sollwert (τ_SOLL), dadurch gekennzeichnet, dass zum Messen der Umladezeit die an dem Potentialknoten (4) zwischen dem ersten Widerstand (R1) und dem ersten Kondensator (C1) anliegende Spannung mit der Bezugsspannung verglichen wird, und zur Bestimmung der Umladezeit sowohl der erste Kondensator (C1) aufgeladen als auch ein zweiter Kondensator (C2) eines zweiten RC-Gliedes (2) der Filterstufe entladen wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (C1) des ersten RC-Gliedes (1) vor dem Abstimmen der Filterstufe auf eine erste Bezugsspannung, und der zweite Kondensator (C2) des zweiten RC-Gliedes (2) vor dem Abstimmen der Filterstufe auf eine zweite Bezugsspannung geladen wird, wobei der erste Kondensator (C1) des ersten RC-Gliedes (1) solange entladen wird, und der zweite Kondensator (C2) des zweiten RC-Gliedes (2) solange aufgeladen wird, bis die Spannung an beiden Kondensatoren (C1, C2) gleich groß ist.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Umladezeit, bis die beiden Spannungen an beiden Kondensatoren (C1, C2) gleich groß ist, gemessen wird.