DE4109914A1

DE4109914A1 - Zeitlich stabiles hf-filter

Info

Publication number: DE4109914A1
Application number: DE4109914A
Authority: DE
Inventors: Richard G Yamasaki
Original assignee: Silicon Systems Inc
Current assignee: Silicon Systems Inc
Priority date: 1990-03-28
Filing date: 1991-03-26
Publication date: 1991-10-02
Also published as: KR0139281B1; JPH0629782A; GB2243508B; US5063309A; GB2243508A; GB9106305D0; KR910017738A; JP2884445B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochfrequenzfilter und insbesondere auf ein zeitkontantes HF-Bandpaßfilter in inte grierter Schaltungstechnik. Filter dieser Art bestehen aus ei ner Anzahl von Filterabschnitten. Diese Filterabschnitte sind im Grunde "RC"-Schaltungen, in denen Widerstand (R) und die Ka pazität (C) des Filterelements die Zeitgenauigkeit des Filters selbst beeinflussen. Im Stande der Technik waren diese Filter aus diskreten Bauelementen aufgebaut, die jeweils eine inner halb eines gewünschten Bereichs liegende Genauigkeit hatten. Beim Implementieren eines Filters in einer integrierten Schal tung können jedoch Schwankungen des Widerstandes und der Kapa zität auftreten. Daher ändert sich die Genauigkeit eines Fil ters in integrierter Schaltungstechnik mit dem R und C der in tegrierten Schaltung. Es ist erwünscht, diese Schwankungen zu kompensieren und ein genaues, vorhersehbares, stabiles Filter zur Verfügung zu stellen.

Ein bekannter Lösungsvorschlag zur Kompensation von Schwan kungen in Widerstands- und Kapazitätselementen von Filtern be steht in einer "Master-Slave"-Anordnung mit einem Bezugsfre quenzgenerator. Die Transkonduktanz (gm) und Phasenverschiebung der "Slave"-Filterabschnitte wird von einem "Master"-Filter oder Oszillator gesteuert, der auf eine genaue Frequenz FR be zogen ist. Die gesamte Filtergenauigkeit wird durch kontinuier liches Anlegen der Bezugsfrequenz FR aufrechterhalten. Ein Nachteil dieser bekannten Filter liegt in der Tatsache, daß die Bezugsfrequenz FR eine Rauschquelle ist, welche das zu fil ternde Signal beeinträchtigen kann. Derartige bekannte Filter sind in "Gyrator Video Filter IC with Automatic Tuning" Moul ding, K.W. u.a., IEEE JSCC, Bd. SC-15, Nr. 6, Dez. 1980 und "Design and Performance of a Fully Integrated Bipolar 10.7 MHz Analog Bandpass Filter", Chi-Fa, Chiou, und Rolf Schaumann, IEEE JSCC, Bd. SC-21, Feb. 1986, beschrieben.

Es sind andere frequenzstabile HF-Filter in integrierter Schaltungstechnik bekannt, bei denen keine "Master-Slave"-An ordnung unter Verwendung einer Bezugsfrequenz vorgesehen ist. In diesen anderen bekannten Filtern wird eine Filtergenauigkeit durch Trimmen eines externen Widerstandes eingestellt. Ein sol ches Filter ist in "Single-Chip Y/C Signal-Processing LSI for 8 mm VCR System", von Yamaguchi u. a. in IEEE BCTM 1987 beschrie ben. Diese Technik stellt keine Lösung für Kapazitätsverände rungen dar, welche die Filterfunktion beeinträchtigen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein zeit kontinuierliches (continuous time) Hochfrequenzfilter zur Ver fügung zu stellen, das während des Betriebs ohne eine Referenz frequenz auskommt und seine Genauigkeit auch bei Temperatur- und Betriebsspannungsschwankungen im wesentlichen beibehält. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Filterschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Steue rung der Filtergenauigkeit mit den Merkmalen des Patentan spruchs 4.

Bei dem erfindungsgemäßen zeitkontinuierlichen HF-Tiefpaß filter in integrierter Schaltungstechnik ist ein chipinterner Oszillator in das Filter eingebaut. Die Filterfrequenzgenauig keit wird durch Trimmen der Frequenz des chipeigenen Oszilla tors während der Sondentaster-Wafertestung eingestellt. Der Os zillator ist während der normalen Operation des Filters abge schaltet. Daher ruft das Filter auch kein Rauschen hervor, wel ches die Funktionsweise des Filters während der normalen Opera tion beeinträchtigt. Die Filterkonstruktion ist so, daß das Filter seine Genauigkeit selbst bei Temperatur- und Betriebs spannungsänderungen beibehält.

Sowohl der Widerstand (R) als auch die Kapazität (C) der Filterelemente beeinträchtigen die Zeitgenauigkeit von zeitkon tinuierlichen Hochfrequenzfiltern. Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Kompensation von Kapazitäts schwankungen während der Herstellung durch "Feinabstimmung" des Widerstands eines Filters zur Verfügung. Die Filter enthalten wenigstens ein Übertragungswiderstandselement mit einem durch R_B1 gegebenen Widerstand. Eine separate Stromerzeugungsschal tung hat einen Widerstand R_B2, der R_B1 eng angepaßt ist. Die Widerstände R_B1 und R_B2 sind Widerstände auf integrierter Schaltungsbasis mit einer großen Absolutwerttoleranz, jedoch engen relativen Toleranzen. Die äquivalente Kapazität des Fil ters ist proportional zum Strom I₂. Letzterer wird proportional zu einem genauen externen Widerstand R_X gemacht.

Die Frequenz eines Referenzoszillators oder Filters, wel ches ähnlich einem Filterabschnitt arbeitet, wird zum Abstimmen des Filters verwendet. Die Frequenz des Filterelements wird während des Wafer-Tests gemessen und durch Trimmen eines oder beider Widerstände derart eingestellt, daß das Verhältnis des Stroms in R_X und des Stroms I₂ den gewünschten Referenzwert er reicht. Der Referenzoszillator kann danach entaktiviert werden, so daß während des normalen Betriebs kein Hintergrundrauschen auftritt. Wenn erwünscht, kann auch I₂ durch einen externen Di gital/Analog-Wandler gesteuert werden, was das Filter elektro nisch programmierbar macht. Das Trimmen kann auch durch Verwen dung einer anderen als einer Oszillatorschaltung oder durch di rektes Messen der Filterfrequenzantwort bewirkt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Ubertragungswiderstands (transresistance)Verstärkers;

Fig. 2 ein Schaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Beschrieben wird ein programmierbares zeitkontinuierliches (continuous time) Hochfrequenzfilter in integrierter Schal tungstechnik. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezielle Einzelheiten angegeben, um das Verständnis für die vorliegende Erfindung zu vertiefen. Es ist jedoch für den Fach mann klar, daß die Erfindung auch ohne diese speziellen Einzel heiten realisiert werden kann. In anderen Fällen werden be kannte Merkmale nicht im einzelnen beschrieben, um die Erfin dung nicht mit unnötigen Einzelheiten zu belasten.

Bekannte Filter werden aus gm-Verstärkern und einem Konden sator zur Bildung einer RC-Zeitkonstante aufgebaut. Da der Wi derstand variabel ist, wurde in bekannten Filterausführungen versucht, ein genaues Filter unter Verwendung eines externen äquivalenten Widerstandes zu schaffen, der genau hergestellt werden kann. Um ein genaues Filter herzustellen, müssen sowohl R als auch C genau sein. Der Stand der Technik hatte den Nach teil, daß die Kapazität unbekannt war. Bei der Erfindung wird die Schaltung effektiv auf einen C-Wert korrigiert, indem ein Oszillator in Verbindung mit dem Kondensator betrieben wird. Die Frequenz wird geprüft und durch Abstimmung des Widerstandes und Trimmen eines Stromverhältnisses kann die Frequenz abge stimmt werden. Die Verstärkung des Stroms wird getrimmt. Sobald der Widerstand auf die richtige Frequenz getrimmt ist, wird der Bezugsoszillator entaktiviert. Die Erfindung kann in Anwendun gen (wie Plattenlaufwerk-Lesekanälen) verwendet werden, bei denen die Signalpegel sehr niedrig sind. Daher werden durch die Erfindung die bisherigen Signalleseschwierigkeiten durch Elimi nierung von Störungen verringert.

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild mit den wesentlichen Kompo nenten des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels. Das Filter wird mit wenigstens einem Filterelement implementiert, das einen äquivalenten Widerstand R_EQ und eine äquivalente Kapazi tät C_EQ hat. Die Genauigkeit des Filters hängt von der Genauig keit ab, mit der die Werte R_EQ und C_EQ erfaßt werden können. Es gibt Techniken bei der Herstellung integrierter Schaltungen, mit deren Hilfe ein genügend stabiles und genaues R_EQ gebildet werden kann. Die Genauigkeit der Kapazität C_EQ läßt sich jedoch schwer steuern. Die Erfindung bringt eine Lösung für dieses Problem.

Stromquellen 65 und 66 liefern Ströme I₁ und I₂ an das Fil terelement 36. Es läßt sich zeigen, daß R_EQC_EQ des Filterele ments 36 von den Strömen I₁ und I₂ abhängig ist. Die Strom quelle 66 liefert einen Strom I₂, der von einem Verhältnis der Widerstände R_T1 und R_T2 abhängig ist. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist R_T1 ein einstellbarer Wi derstand, der durch Lasertrimmung oder andere geeignete Metho den getrimmt werden kann. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann jeder der beiden Widerstände oder ein beliebiger der Widerstände einstellbar sein, um Schwankungen von C_EQ zu kompensieren. Ein Referenzoszillator 37 ist mit der Stromquelle 65 und der Stromquelle 66 gekoppelt. Die Betriebsspannung des Oszillators 37 liegt am Anschluß 68 an. Der Referenzoszillator 37 dient zum Abstimmen der Schaltung auf die gewünschte Fre quenz.

Die Referenzfrequenz wird überwacht. Der einstellbare Wi derstand R_T1 wird danach zum Korrigieren irgendwelcher Änderun gen zwischen der gewünschten Frequenz und der Bezugsfrequenz eingestellt. Nach dem Einstellen des Widerstandes R_T1 und zur Kompensation von Anderungen in der Kapazität C_EQ wird der Refe renzoszillator 37 von den Stromquellen abgekoppelt. Auf diese Weise entsteht ein hochstabiles Filter ohne die Verwendung ei ner kontinuierlichen Referenzfrequenz, welche zum Hintergrund rauschen beiträgt, oder ohne Verwendung von externen Widerstän den. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Betriebsspannung über den Anschluß 68 an den Oszillator 37 während des Einstellprozesses angelegt. Sobald der Widerstand eingestellt worden ist, wird die Betriebsspannung vom Oszilla tor abgenommen, wodurch der Oszillator während der normalen Filteroperation entaktiviert ist.

Fig. 1 zeigt einen Übertragungswiderstands(transresist ance)-Verstärker (Filterelement), welches bei der Erfindung Verwendung finden kann. Eine Eingangsspannung V_in 10 und eine negative Eingangsspannung V_in 23 werden an die Basen 11 bzw. 24 der Transistoren Q1 bzw. Q2 angelegt. Die Spannung V_B 18 am Knotenpunkt 19 wird über die Diode D1 an den Knotenpunkt 14 an gelegt. Knotenpunkt 14 ist mit dem Kollektor 12 des Transistors Ql gekoppelt. Knotenpunkt 14 ist außerdem mit der Basis 15 des Transistors Q3 gekoppelt.

Der Emitter 13 des Transistors Q1 ist am Knotenpunkt 32 mit einem Anschluß der Stromquelle I₁ gekoppelt. Der andere An schluß der Stromquelle von I₁ ist am Knotenpunkt 34 mit der Masse gekoppelt. Der Emitter 17 des Transistors Q3 ist am Kno tenpunkt 35 mit einem Anschluß der Stromquelle I₂ gekoppelt. Der andere Anschluß der Stromquelle I₂ ist mit der Masse gekop pelt.

Die Spannung V_B 18 am Knotenpunkt 19 wird über die Diode D2 auch an den Knotenpunkt 27 angelegt. Knotenpunkt 27 ist mit der Basis 28 des Transistors Q⁴ gekoppelt. Der Emitter 30 des Tran sistors Q⁴ ist mit dem Knotenpunkt 35 gekoppelt. Spannung V_C 20 am Knotenpunkt 21 ist mit dem Kollektor 16 des Transistors Q³ gekoppelt. Knotenpunkt 21 ist auch mit einem Anschluß der Stromquelle I₃ gekoppelt. Der andere Anschluß der Stromquelle I₃ am Knotenpunkt 31 ist mit dem Kollektor 29 des Transistors Q⁴ gekoppelt. Der Knotenpunkt 31 ist auch mit der Spannung V_D 22 gekoppelt. Spannung V_D 22 liegt über einen Kondensator Cl an Masse. Knotenpunkt 27 ist mit dem Kollektor 25 des Transistors Q² gekoppelt. Die negative Eingangsspannung -V_n 23 ist mit der Basis 24 des Transistors Q² gekoppelt. Der Emitter 26 des Tran sistors Q² ist mit dem Knotenpunkt 33 gekoppelt. Knotenpunkt 33 ist über Widerstand R_B1 mit Knotenpunkt 32 und mit der Strom quelle I₁ gekoppelt. Der Ausgang der Stromquelle I₁ ist außer dem über den Knotenpunkt 34 mit Masse gekoppelt.

Die Schaltung gemäß Fig. 1 enthält eine Differenzeingangs stufe aus den Transistoren Q¹-Q⁴. Ein Differenzeingangssignal (V_in 10 und -V_in 23) wird an die Basen der Transistoren Q¹ und Q² angelegt. Die Kollektorlasten der Transistoren Q¹ und Q² werden durch die Dioden D1 und D2 gebildet. Die Transistoren Q³ und Q⁴ sind mit den Kollektoren der Transistoren Q¹ bzw. Q² ba sisgekoppelt. Die Schaltung gemäß Fig. 1 ist ein Filterab schnitt zum Implementieren der vorliegenden Erfindung. Der Fil terabschnitt hat einen äquivalenten Widerstand:

R_EQ = (I1)(R_B1)/(I₂) (Gleichung 1)

Fig. 2 zeigt eine Schaltung zur Erzeugung der Ströme I₁ und I₂. Eine Spannung V_C 20 wird über einen Widerstand R_B2 an den positiven Eingang des Verstärkers 38 am Knotenpunkt 40 ange legt. V_C 20 wird außerdem über den Widerstand R1 mit dem inver tierenden Eingang des Verstärkers 38 am Knotenpunkt 41 gekop pelt. Der Ausgang 45 des Verstärkers ist mit der Basis 42 des Transistors Q⁵ gekoppelt. Der Kollektor 43 des Transistors Q5 ist in einer Rückkopplungsschleife mit Knotenpunkt 40 gekop pelt. Knotenpunkt 41 ist über Widerstand R2 mit Knotenpunkt 52 (Masse) gekoppelt.

Der Emitter 44 des Transistors Q⁵ ist über den Widerstand R3 mit Knotenpunkt 52 gekoppelt. Der Ausgang 45 des Verstärkers 38 ist auch mit der Basis 46 des Transistors Q6 gekoppelt. Der Kollektor 47 des Transistors Q6 liefert I₁ an das Filter 36. Der Emitter 48 des Transistors Q6 ist über Widerstand R4 mit der Masse am Knotenpunkt 52 gekoppelt.

Der Ausgang 45 des Verstärkers 38 ist außerdem mit der Ba sis 49 des Transistors Q7 gekoppelt. Der Kollektor 50 des Transistors Q7 liefert den Strom I₁ an den Referenzoszillator 37. Der Emitter 51 des Transistors Q7 ist über einen Widerstand R5 der Masse am Knotenpunkt 52 gekoppelt.

V_C 20 ist über einen Widerstand R_X mit dem nicht-invertie renden Eingang des Verstärkers 39 am Knotenpunkt 53 gekoppelt. V_C 20 ist auch über einen Widerstand R6 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 39 am Knotenpunkt 54 gekoppelt. Knoten punkt 54 ist über den Widerstand R7 mit der Masse am Knoten punkt 65 gekoppelt. Der Ausgang 55 des Verstärkers 39 ist mit den Basen 56, 59 und 62 der Transistoren Q8, Q9 bzw. Q10 gekop pelt. Der Kollektor 57 des Transistors Q8 ist in einer Rück kopplungsschleife mit dem nicht-invertierenden Eingang des Ver stärkers 39 am Knotenpunkt 53 gekoppelt. Der Emitter 58 des Transistors Q8 ist über einen veränderlichen Widerstand RT1 mit der Masse am Knotenpunkt 65 gekoppelt.

Der Kollektor 60 des Transistors Q9 liefert den Strom I₂ für das Filter 36. Der Emitter 61 des Transistors Q9 ist über einen Widerstand RT₂ am Knotenpunkt 65 mit Masse verbunden. Der Kollektor 63 des Transistors Q10 liefert den Strom I₂ an den Oszillator 37. Der Emitter 64 des Transistors Q10 ist über den Widerstand R_T2 am Knotenpunkt 65 mit Masse verbunden.

Die Zeitkonstante des Filterabschnitts ist durch RC gege ben, wobei ein analoger Vervielfacher verwendet wird, so daß:

R = I₁/(I₂)(gm) (Gleichung 2)

wobei

1/gm = R_B1 (Gleichung 3)

Aus Fig. 2 ist zu sehen, daß:

I₁ gleich V_C/R_B2 (Gleichung 4)

und

I₂ gleich AV_C/R_X (Gleichung 5)

Daher ergibt sich RC zu:

RC = (V_C)(R_B1)(R_X)C/(A)(R_B2)(V_C) (Gleichung 6)

wobei R_B1 und R_B2 IC-eigene Widerstände sind, welche hohe absolute Werttoleranzen haben, jedoch voneinander sehr wenig abweichen. V_C ist die Betriebs- oder Referenzspannung und A ist der Einstellfaktor.

Ein Beispiel der Schaltungen zur Erzeugung von I₁ und I₂ ist in Fig. 2 dargestellt. Wenn

R_B1 = K(R_B2) (Gleichung 7)

so ist

RC = K(R_X)C/A (Gleichung 8)

Das RC-Produkt kann genau eingestellt werden, da R_X ein ex terner Widerstand, K ein Widerstandsverhältnis ist, welches sich auf IC′s sehr genau herstellen läßt; obwohl C einen Tole ranzbereich größer als erwünscht hat, kann der Einstellfaktor A zur Korrektor dieser Toleranz getrimmt werden.

In Fig. 2 ist der Einstellfaktor A das Verhältnis der IC- Widerstände RT1 und RT2. Das Trimmen des Widerstandes RT1 wird während des Wafer-Tests durch Änderung des Werts RT1 und/oder RT2 unter Verwendung einer Laser-Trimm-Methode oder Zener-Zap ping bei Nebenschlußwiderständen oder anderen Einstellmethoden erfolgen. Der Einstellfaktor A steuert auch die Frequenz eines Referenzoszillators oder einer anderen Schaltung, die ähnlich einem Filterabschnitt ist. Durch Messung des Referenzwertes oder der Filterantwort kann A auf dessen gewünschten Wert ein gestellt werden. Der Referenzoszillator oder das Filter ist während des Normalbetriebs ausgeschaltet. Zu beachten ist, daß V_C/R_X = I₂ durch einen externen Digital/Analog-Wandler gesteu ert werden kann, wodurch das Filter elektronisch programmierbar wird.

Daher können Änderungen der Kapazität C eines Filterele ments durch Erzeugung einer Referenzfrequenz und Messung der Filterantwort festgestellt werden. Durch Einstellen des Wider standsverhältnisses kann diese Funktionsänderung derart kompen siert werden, daß eine vorhersehbare Antwort des Filters gewon nen werden kann. Die die Referenzfrequenz erzeugenden Mittel können dann entaktiviert werden, so daß kein Hintergrundrau schen die Signalerkennung und -filterung stören kann.

Der Oszillator braucht nicht notwendigerweise mit der be schriebenen Schaltung integriert zu sein. Die Filterantwort kann durch direkte Messung bestimmt werden. Eine geeignete Ein- Stellung des Widerstandes R_T1 kann dann zur Abstimmung des Fil ters vorgenommen werden.

Vorstehend wurde ein zeitkontinuierliches Hochfrequenzfil ter beschrieben, das eine stabile, voraussagbare Operations weise gewährleistet.

Claims

1. Zeitkontinuierliche Filterschaltung, gekennzeichnet durch :
wenigstens ein Filterelement (36) mit einem ersten äquiva lenten Widerstand (R_EQ) und einer ersten äquivalenten Kapazität (C_EQ) wobei der erste äquivalente Widerstand von einem ersten Strom abhängig und das Produkt aus dem ersten äquivalenten Wi derstand und der äquivalenten Kapazität von einem Stromverhält nis abhängig ist;
ein den ersten Strom (I₁) erzeugendes erstes Stromgenera tormittel (65), das mit dem Filterelement (36) gekoppelt ist,
ein den zweiten Strom (I₂) erzeugendes zweites Stromgenera tormittel (66), das mit dem ersten Filterelement (36) gekoppelt ist,
wobei der zweite Strom (I₂) von einem Verhältnis zwischen einem ersten Widerstand (R_T1) und einem zweiten Widerstand (R_T2) abhängig ist und der erste Widerstand ein einstellbarer Widerstand ist, und
einem mit den ersten und zweiten Stromgeneratormitteln kop pelbaren Oszillatormittel (37), das eine Referenzfrequenz er zeugt.

2. Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Entaktivieren der Referenzoszillatormittel (37) während des Betriebs des Filters (36) vorgesehen sind.

3. Zeitkontinuierliche Filterschaltung, dadurch gekenn zeichnet, daß wenigstens ein Filterelement mit einem ersten äquivalenten Widerstand und einer ersten äquivalenten Kapazität vorgesehen ist, wobei das Produkt aus der ersten äquivalenten Kapazität und dem ersten äquivalenten Widerstand von einem Stromverhältnis abhängt, daß Stromerzeugungsmittel mit dem Fil terelement zur Erzeugung des Stroms gekoppelt sind, wobei der Strom von einem Verhältnis eines ersten Widerstand zu einem zweiten Widerstand abhängig und der erste Widerstand als ein stellbarer Widerstand ausgebildet ist, und daß ein Referenzos zillator mit den Stromerzeugungsmitteln lösbar gekoppelt ist und eine Referenzfrequenz zur Bestimmung der Genauigkeit des Filters erzeugt.

4. Verfahren zur Steuerung der Genauigkeit eines Filters, das ein Filterelement mit einem äquivalenten Widerstand und ei ner äquivalenten Kapazität enthält, wobei die äquivalente Kapa zität von einem Strom abhängig ist, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strom in Abhängigkeit von einem Widerstandsverhält nis erster und zweiter Widerstände erzeugt wird,
daß eine Referenzfrequenz zur Bildung einer Referenz für die Bestimmung der Genauigkeit des Stromes erzeugt wird,
daß wenigstens einer der ersten und zweiten Widerstände zum Einstellen der Genauigkeit des Stromes auf einen gewünschten Pegel eingestellt wird und
daß die Referenzfrequenz entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entfernen der Referenzfrequenz die Betriebsspannung an ei nem mit dem Filter gekoppelten Referenzfrequenzgenerator unter brochen wird.