JP2007251942A - フィルターの中心周波数を自動的に校正できる校正ループ、フィルター回路及び関連方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の技術による諸問題を解決するため、フィルターの中心周波数を自動的に校正できるフィルター回路を提供する。
【解決手段】 校正ループは、基準クロック信号を生成する発振器と、発振器に結合され、基準クロック信号と動作電圧に基づいて出力振幅を生成する積分器と、第一入力端が積分器に結合され、第二入力端が発振器に結合され、積分器による出力振幅と発振器による基準クロック信号の振幅を比較して比較結果を出力する振幅比較器と、振幅比較器に結合される入力端と、積分器に結合される出力端を有し、振幅比較器から出力された比較結果に基づいて積分器に入力する動作電圧を調整する動作電圧調整器とを含む。
【選択図】 図１

Description

この発明はフィルターの中心周波数を自動的に校正できるフィルター回路に関し、特に積分器でフィルターの中心周波数を自動的に校正するフィルター回路に関する。

チップ集積化が唱えられている昨今では、内蔵ロジック素子の数量を増やすと同時にチップ面積を小さくすることが最も望ましい。そのため、現在のチップ設計は外部素子の減少や回路板面積の縮小に力をいれている。外部素子、例えばフィルターをチップに統合することも、必要不可欠な技術となっている。

フィルターは種々の通信分野で利用されている。一般的には、帯域幅を正確に制御できるものとして離散時間フィルターがあるが、それに適する帯域幅が狭いので、高周波回路では連続時間フィルターを利用することが多い。特に省電力に優れているトランンスコンダクタンス−コンデンサー（ｇｍ−Ｃ）フィルターが最も望ましい。ただし、ｇｍ−Ｃフィルターは、製作過程に生じた回路素子の変異により、毎回製作された製品の特性パラメーターが異なりうるという問題がある。ここで特性パラメーターとは温度、バイアス電圧など環境の影響により変化するものである。トランジスターのトランスコンダクタンス、抵抗及び容量の値はいずれも回路の特性、例えばフィルターの中心周波数、増幅器の利得を影響し、更には集積回路全体の効率と精密度を影響する可能性がある。

従来の技術はフィルターの中心周波数を校正するには数学演算を利用することが多い。あるいは、校正対象となるフィルターと構造的に近似したフィルターを校正の基準とする。すなわち、位相ロックループ（ＰＬＬ）でスレーブフィルターを複製することである。ＰＬＬには校正対象となるフィルターの一部または全部を複製して得た電圧制御発振器（ＶＣＯ）と、フィードバック信号を処理するその他の回路が組まれている。しかし従来の技術では、回路面積と電力消費が大きいのみならず、フィルターの中心周波数の校正を再開する前にはまずＰＬＬで位相を一定にさせなければならないから、校正速度が遅く所要時間も多い。

この発明は前述の問題を解決するため、フィルターの中心周波数を自動的に校正できるフィルター回路を提供することを課題とする。

この発明はフィルターの中心周波数を自動的に校正できる校正ループを提供する。該校正ループは、基準クロック信号を生成する発振器と、発振器に結合され、基準クロック信号と動作電圧に基づいて出力振幅を生成する積分器と、第一入力端が積分器に結合され、第二入力端が発振器に結合され、積分器による出力振幅と発振器による基準クロック信号の振幅を比較して比較結果を出力する振幅比較器と、振幅比較器に結合される入力端と、積分器に結合される出力端を有し、振幅比較器から出力された比較結果に基づいて積分器に入力する動作電圧を調整する動作電圧調整器とを含む。

この発明は更に、フィルターの中心周波数を自動的に校正できるフィルター回路を提供する。該フィルター回路は、基準クロック信号を生成する発振器と、発振器に結合され、基準クロック信号と動作電圧に基づいて出力振幅を生成する積分器と、積分器に結合される第一入力端と、発振器に結合される第二入力端を有し、積分器による出力振幅と発振器による基準クロック信号の振幅を比較して比較結果を出力する振幅比較器と、動作電圧に基づいて中心周波数を生成するフィルターと、振幅比較器に結合される入力端と、積分器とフィルターに結合される出力端を有し、振幅比較器から出力された比較結果に基づいて積分器に入力する動作電圧を調整する動作電圧調整器とを含む。

この発明は更にフィルターの中心周波数を自動的に校正する方法を提供する。該校正方法は、（ａ）基準クロック信号を生成し、（ｂ）基準クロック信号と動作電圧に基づいて出力振幅を生成し、（ｃ）出力振幅と基準クロック信号の振幅を比較して比較結果を出力し、（ｄ）比較結果に基づいて動作電圧を調整し、更に調整済の動作電圧に基づいてフィルターの中心周波数を調整するステップを含む。

この発明はフィルターの中心周波数を自動的に校正できる校正ループとフィルター回路を提供する。すなわち、構成素子が同一である積分器でフィルターの中心周波数を校正することによって、フィルター回路の誤差を低減させる。なお、発振器、積分器、振幅比較器、動作電圧調整器及びフィルターはいずれも同じチップに設けられているため、外部素子を省き、コストと回路板の面積を削減することができる。のみならず、この発明はＰＬＬの複製を不要とし、チップ面積と電力消費を節約できる。更に、簡単な積分器で校正ループを完成させることにより、フィルターの中心周波数校正に必要な素子数を大幅に削減する。

かかる装置及び方法の特徴を詳述するために、具体的な実施例を挙げ、図を参照して以下に説明する。

図１を参照する。図１はこの発明による中心周波数を校正できるフィルター回路１０を表す説明図である。フィルター回路１０は校正ループ１２とフィルター１８を有する。校正ループ１２は発振器１３と、積分器１４と、振幅比較器１５と、動作電圧調整器１６を含む。発振器１３は周波数ｆｃの基準クロック信号ＣＬＫを生成する石英発振器である。この発明によれば、基準クロック信号ＣＬＫは正弦波信号である。石英発振器による周波数は安定しているので、基準として最適である。発振器１３に結合される積分器１４はユニティー利得周波数ｆｕを有し、動作電圧Ｖ１に基づいてユニティー利得周波数ｆｕに対応する出力振幅を生成する。振幅比較器１５は積分器１４に結合される第一入力端１５２と発振器１３に結合される第二入力端１５４を有し、第一入力端１５２は積分器１４による出力振幅を受信する。振幅比較器１５は積分器１４の出力振幅と基準クロック信号ＣＬＫの振幅を比較し、比較結果を出力する。動作電圧調整器１６の入力端１６２は振幅比較器１５の出力端に結合され、出力端１６４は積分器１４とフィルター１８に結合されている。動作電圧調整器１５は振幅比較器１５による比較結果に基づき、積分器１４とフィルター１８に入力する動産電圧Ｖ１を調整する。発振器１３、積分器１４、振幅比較器１５、動作電圧調整器１６及びフィルター１８は同じチップに設けられている。

図２を参照する。図２は図１におけるフィルター回路１０のフィルター１８の回路図である。フィルター１８はｇｍ−Ｃフィルターであり、複数のジャイレーター２６、複数のコンデンサーＣ及び複数のトランスコンダクタｇｍを有する。フィルター１８は入力電圧ＶｉｎＩ、ＶｉｎＱをそれぞれ提供する２個の電圧源２２、２４を有する。電圧源２２の第一端はトランスコンダクタｇｍに結合され、第二端はその他のトランスコンダクタｇｍに結合されている。相互に結合し合った複数のジャイレーター２６と相互に結合し合った複数のコンデンサーＣを通過した後、出力電圧ＶｏｕｔＩ、ＶｏｕｔＱがフィルター１８から出力され、それによってフィルタリングが完成される。中心周波数ｆｃを有するフィルター１８は動作電圧Ｖ１に基づいて中心周波数ｆｃを生成し、中心周波数ｆｃはトランスコンダクタｇｍとコンデンサーＣによって定められる。すなわち、中心周波数ｆｃ＝トランスコンダクタンス値／（２×ｐｉ×容量値）である。トランスコンダクタｇｍの値が動作電圧（例えば図１の動作電圧Ｖ１）にしたがって変化するので、電圧が高いほどトランスコンダクタｇｍの値も高くなる。フィルター１８の中心周波数ｆｃはトランスコンダクタンス値と容量値に基づいて定められるものである。そのため、フィルター１８の動作電圧Ｖ１を調整すればトランスコンダクタンス値を調整でき、更に中心周波数ｆｃを調整できる。

図３を参照する。図３は図２におけるフィルター１８のジャイレーター２６を表す説明図である。４個のトランスコンダクタｇｍからなるジャイレーター２６は第一入力端２６２と、第二入力端２６４と、第一出力端２６６と、第二出力端２６８を含む。そのうちジャイレーター２６の第一入力端２６２とされる第一トランスコンダクタｇｍ１の入力端は第三トランスコンダクタｇｍ３の出力端に結合され、ジャイレーター２６の第二入力端２６４とされる第二トランスコンダクタｇｍ２の入力端は第四トランスコンダクタｇｍ４の出力端に結合され、ジャイレーター２６の第一出力端２６６とされる第一トランスコンダクタｇｍ１の出力端は第四トランスコンダクタｇｍ４の入力端に結合され、ジャイレーター２６の第二入力端２６８とされる第二トランスコンダクタｇｍ２の出力端は第三トランスコンダクタｇｍ３の入力端に結合されている。トランスコンダクタｇｍとジャイレーターのトランスコンダクタンス値が同じである。

図４を参照する。図４は図１におけるフィルター回路１０の積分器１４を表す説明図である。積分器１４は差動トランスコンダクタ３２とコンデンサーＣを含み、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔを有する。発振器１３と動作電圧調整器１６（図１を参照）に結合される差動トランスコンダクタ３２は、発振器１３から入力された基準クロック信号ＣＬＫと動作電圧に基づいて駆動信号を生成する。差動トランスコンダクタ３２に結合されるコンデンサーＣは差動トランスコンダクタ３２による駆動信号に基づいて充放電を行い、出力振幅を生成する。積分器１４はユニティー利得周波数ｆｕを有し、ユニティー利得周波数ｆｕは差動トランスコンダクタ３２とコンデンサーＣによって定められ、すなわちユニティー利得周波数ｆｕ＝トランスコンダクタンス値／（２×ｐｉ×容量値）である。したがって、積分器１４のユニティー利得周波数ｆｕはフィルター１８の中心周波数ｆｃと同じである（同じトランスコンダクタ及びコンデンサーＣを複製する。そのうちトランスコンダクタｇｍ、差動トランスコンダクタ３２及びジャイレーター２６のトランスコンダクタンス値はいずれも同じである）。積分器１４とフィルター１８を同時に調整するとき、積分器１４のユニティー利得周波数ｆｕがフィルター１８の中心周波数ｆｃに対応しているため、積分器１４のユニティー利得周波数ｆｕを正確値に調整すれば、フィルター１８の中心周波数ｆｃも正確値になる。積分器１４の動作周波数がユニティー利得周波数ｆｕであれば、その利得は１であり、すなわち入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔの振幅が同じである。積分器１４の動作周波数がユニティー利得周波数ｆｕより大きければ、その利得は１より大きい、すなわちＶｏｕｔ＞Ｖｉｎである。積分器１４の動作周波数がユニティー利得周波数ｆｕより小さければ、その利得は１より小さい、すなわちＶｏｕｔ＜Ｖｉｎである。このような特性を利用すれば、積分器１４のユニティー利得周波数ｆｕを調整することができる。

図１を再び参考する。発振器１３は周波数ｆｃの基準クロック信号ＣＬＫを参考の基準として提供し、振幅比較器１５は積分器１４の入力信号と出力信号の振幅を比較する。そのうち積分器１４の入力信号は周波数ｆｃの基準クロック信号ＣＬＫであり、出力信号の周波数はｆｕである。積分器１４の出力信号の振幅が基準クロック信号ＣＬＫの振幅より大きければ、周波数ｆｕは周波数ｆｃより大きいので、動作電圧調整器１６で動作電圧Ｖ１を低めることによって周波数ｆｕを低めることが必要である。積分器１４の出力信号の振幅が基準クロック信号ＣＬＫの振幅より小さければ、周波数ｆｕは周波数ｆｃより小さいので、動作電圧調整器１６で動作電圧Ｖ１を高めることによって周波数ｆｕを高めることが必要である。このように校正ループ１２で調整を繰り返せば、周波数ｆｕを周波数ｆｃに一致させ、すなわち積分器１４のユニティー利得周波数ｆｕをフィルター１８の中心周波数ｆｃに一致させることができる。

前述はこの発明を例示するに過ぎず、この発明の範囲を制限するものではない。前記フィルター１８と積分器１４はトランスコンダクタとコンデンサーからなるものに限らない。フィルターと積分器の構成素子が同一であれば、この発明の範囲に属することとなる。

以上はこの発明に好ましい実施例であって、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、この発明の精神の下においてなされ、この発明に対して均等の効果を有するものは、いずれもこの発明の特許請求の範囲に属するものとする。

この発明はＰＬＬの複製を不要とし、チップ面積と電力消費を節約できる。更に、簡単な積分器で校正ループを完成させることにより、フィルターの中心周波数校正に必要な素子数を大幅に削減する。

この発明による中心周波数を校正できるフィルター回路を表す説明図である。 図１におけるフィルター回路のフィルターの回路図である。 図２におけるフィルターのジャイレーターを表す説明図である。 図１におけるフィルター回路の積分器を表す説明図である。

符号の説明

１０ フィルター回路
１２ 校正ループ
１３ 発振器
１４ 積分器
１５ 振幅比較器
１６ 動作電圧調整器
１８ フィルター
２２、２４ 電圧源
２６ ジャイレーター
１５２、２６２ 第一入力端
１５４、２６４ 第二入力端
１６２ 入力端
１６４ 出力端
２６６ 第一出力端
２６８ 第二出力端
Ｃ コンデンサー
ＣＬＫ 基準クロック信号
ｆｃ 中心周波数
ｆｕ ユニティー利得周波数
ｇｍ トランスコンダクタ
ｇｍ１ 第一トランスコンダクタ
ｇｍ２ 第二トランスコンダクタ
ｇｍ３ 第三トランスコンダクタ
ｇｍ４ 第四トランスコンダクタ
Ｖ１ 動作電圧
ＶｉｎＩ、ＶｉｎＱ、Ｖｉｎ 入力電圧
ＶｏｕｔＩ、ＶｏｕｔＱ、Ｖｏｕｔ 出力電圧

Claims (16)

1. フィルターの中心周波数を自動的に校正できる校正ループであって、
   基準クロック信号を生成する発振器と、
   発振器に結合され、基準クロック信号と動作電圧に基づいて出力振幅を生成する積分器と、
   第一入力端が積分器に結合され、第二入力端が発振器に結合され、積分器による出力振幅と発振器による基準クロック信号の振幅を比較して比較結果を出力する振幅比較器と、
   振幅比較器に結合される入力端と、積分器に結合される出力端を有し、振幅比較器から出力された比較結果に基づいて積分器に入力する動作電圧を調整する動作電圧調整器とを含むことを特徴とする校正ループ。
2. 前記積分器がユニティー利得周波数を有し、前記出力振幅がユニティー利得周波数に対応していることを特徴とする請求項１記載の校正ループ。
3. 前記積分器のユニティー利得周波数がフィルターの中心周波数に対応していることを特徴とする請求項２記載の校正ループ。
4. 前記発振器、積分器、振幅比較器及び動作電圧調整器が同一チップに設けられることを特徴とする請求項１記載の校正ループ。
5. 前記発振器が石英発振器であることを特徴とする請求項１記載の校正ループ。
6. 前記積分器は、
   発振器と動作電圧調整器に結合され、基準クロック信号と動作電圧に基づいて駆動信号を生成するトランスコンダクタと、
   トランスコンダクタに結合され、トランスコンダクタによる駆動信号に基づいて充放電を行い、出力振幅を生成するコンデンサーとを含むことを特徴とする請求項１記載の校正ループ。
7. フィルターの中心周波数を自動的に校正できるフィルター回路であって、
   基準クロック信号を生成する発振器と、
   発振器に結合され、基準クロック信号と動作電圧に基づいて出力振幅を生成する積分器と、
   積分器に結合される第一入力端と、発振器に結合される第二入力端を有し、積分器による出力振幅と発振器による基準クロック信号の振幅を比較して比較結果を出力する振幅比較器と、
   動作電圧に基づいて中心周波数を生成するフィルターと、
   振幅比較器に結合される入力端と、積分器とフィルターに結合される出力端を有し、振幅比較器から出力された比較結果に基づいて積分器に入力する動作電圧を調整する動作電圧調整器とを含むことを特徴とするフィルター回路。
8. 前記積分器がユニティー利得周波数を有し、前記出力振幅がユニティー利得周波数に対応していることを特徴とする請求項７記載のフィルター回路。
9. 前記積分器のユニティー利得周波数がフィルターの中心周波数に対応していることを特徴とする請求項８記載のフィルター回路。
10. 前記発振器、積分器、振幅比較器、動作電圧調整器及びフィルターが同一チップに設けられることを特徴とする請求項７記載のフィルター回路。
11. 前記発振器が石英発振器であることを特徴とする請求項７記載のフィルター回路。
12. 前記フィルターがトランスコンダクタンス−コンデンサー（ｇｍ−Ｃ）フィルターであることを特徴とする請求項７記載のフィルター回路。
13. 前記フィルターが複数のトランスコンダクタと複数のコンデンサーを有することを特徴とする請求項７記載のフィルター回路。
14. 前記積分器は、
    発振器と動作電圧調整器に結合され、発振器による基準クロック信号と動作電圧に基づいて駆動信号を生成するトランスコンダクタと、
    トランスコンダクタに結合され、トランスコンダクタによる駆動信号に基づいて充放電を行い、出力振幅を生成するコンデンサーとを含むことを特徴とする請求項７記載のフィルター回路。
15. フィルターの中心周波数を自動的に校正する方法であって、
    （ａ）基準クロック信号を生成し、
    （ｂ）基準クロック信号と動作電圧に基づいて出力振幅を生成し、
    （ｃ）出力振幅と基準クロック信号の振幅を比較して比較結果を出力し、
    （ｄ）比較結果に基づいて動作電圧を調整し、更に調整済の動作電圧に基づいてフィルターの中心周波数を調整するステップを含むことを特徴とする校正方法。
16. 前記ステップ（ｂ）は更に、
    （ｅ）基準クロック信号と動作電圧に基づいて駆動信号を生成し、
    （ｆ）駆動信号に基づいて充放電を行い、出力振幅を生成するステップを含むことを特徴とする請求項１５記載の校正方法。

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