專利名稱：具有高分辨率值選擇與控制的可變無源元件的制作方法
技術領域：
0003本系統涉及可變的無源電子器件。
背景技術：
0004縱觀電子學的歷史，與定值無源器件的出現相關的內在特性 與后果影響了電路的性能。這些特性包括器件容限、容限建立、使用 高精密度器件的相對較高成本、為提供精確控制或精確設置器件值或 性能特性而需要增加的電路、以及由于元件老化、運行歷史及環境條 件變化而導致的器件值或性能的改變。
0005圖1說明了可變電阻器R100、可變電容器C100和可變電感 器L100形式的理想化解決方案。這些器件性質上應與將來它們要替換 的現有無源器件相當，但其值可以被調節以在各種不同的運行環境下 基本保持額定性能。可變性也將成為制造過程的一部分，或在實際運 行中動態獲得，這由具體情況決定。所示的一個有用的應用是針對為 傳輸線結構(TL100)提供匹配的復合終端(Z100)。
0006由于長期意識到與使用可變無源器件相關的好處，利用現有 技術已研發了多種技術以提供這一能力。這些技術的有效性通常受限 于有限運行條件范圍(例如頻率或功率水平)內的具體器件類型。圖 2A示出了現有技術的數字控制的可變電阻器的一個示例。開關電阻器 網絡與控制場效應管(FET)—起使用，以便使一個或多個場效應管"打 開"將電阻器并聯，從而減少此組合的有效電阻值。電阻器網絡更頻
繁地實現為串聯結構，其中使用一個或多個FET使電路中不需要的電 阻器短路。對電阻器來說，值選擇控制用串聯非常簡單。開關電容器 結構一般被配置為并聯網絡，再一次簡化了值選擇控制。
0007變值器件的其它實施方式通常實現了其功能但對電路有很大 影響或限制了電路性能。圖2B說明了 FET的通道電阻作為可變電阻 器的用法(注意到電阻器R206是可變的，意味著某種柵壓控制)。此 方法中不期望的特性是很大數量的未使用的器件和FET開關的特性。 當選擇了一個值后， 一般存在著很多未使用的器件。這對集成電阻器 網絡一般不是大問題，但開關電容器網絡可能需要分立電容器以實現 高值，這就增加了成本且占用了可能用于功能電路的電路板區域。
0008開關FET也可能出現嚴重問題。如果這些FET保持小尺寸以 最小化芯片占用面積，則它們易于具有很大的電阻，這會因隨溫度的 增加阻值迅速增大而加重(圖2B中電路所經受靈敏度的影響甚至更 大)。如果這些FET被擴大以減小電阻，則它們就占用更大的面積。無 論哪一方法都促使人們減少開關設備的數量(4位是最常見的，通常到 8位為最大)，從而限制器件值的分辨率。
0009圖2C說明了提供受控可變電容器的功能的變容二極管。該實 施方式需要直流控制電壓和直流隔離。用途通常限制于射頻(RF)應 用，其中反向結偏壓下的小二極管電容為電路運行生成合適值。
0010電感器是其中實現可變性的特別困難的器件，因為它們常常 纏繞在磁芯材料周圍。芯材料和繞組之間幾何關系的改變提供電感調 節能力。但是，此調節能力一般是機械調整，實時調節很不切實際， 特別是在高頻時實時調節更行不通。
0011與器件值可變性的實現相關的重要問題是能量存儲，能量存 儲是器件值(無論事實上是原有的還是寄生的)的函數。器件值的改 變通常涉及能量進出與具體無源器件類型相關的存儲機構，因此嚴重 限制了電路的運行速度。對于很多應用而言，不要求重大能量轉移而 改變器件表觀值將非常有益。
0012因此迫切需要為通用無源器件實現低成本、高分辨率的值變 化。
發明內容
0013本系統是一種電子的數模轉換器(DAC)電路，其提供檢測 流過無源器件的電流和源或匯(sink)附加電流的裝置，這樣無源器件 的值看來似乎與實際值或定值不同。術語"定值"并不意味無源器件 值不隨環境或電路應用條件改變，或者包括初始容限變化。術語"定 值"意味著在具體電路中和器件運行的實際環境條件下器件(或器件 特性)的瞬時實際值，而不是不變的。
0014本系統采用反饋以使得附加電流跟蹤流過無源器件的電流。 DAC的功能是作為附加電流源并直接為附加電流供電，或者作為外電 流驅動電路的基準或參考。DAC的數字輸入的功能是設置DAC的增 益并從而提供等效可變器件值的高分辨率調節。等于或大于24位的分 辨率可能被實現，其中分辨率主要受組合的DAC運行頻率和每個具體 應用的分辨率限制。
0015在一個或多于一個實施例中，本系統與電子電路中的定值無 源器件耦連，由此本系統的運行產生與定值無源器件的改變值所產生 的操作基本等效的電子電路的操作。
0016在本系統的一個或多于一個實施例中，定值無源器件的值是 線性器件。
0017在本系統的一個或多于一個實施例中，定值無源器件的值是 非線性器件。
0018在本系統的一個或多于一個實施例中，定值無源器件是有源 器件的特性例如半導體結電容。
0019在本系統的一個或多于一個實施例中，互阻抗放大器感測通 過定值無源器件的電流。
0020在本系統的一個或多于一個實施例中，互阻抗放大器的輸出 與DAC基準電壓輸入耦連。
0021在一個或多于一個實施例中，本系統包括與定值無源器件串 聯的電流感測電阻器。
0022在本系統的一個或多于一個實施例中，來自電流感測電阻器 的反饋信號與DAC基準電壓輸入耦連。
0023在一個或多于一個實施例中，本系統包括直接從電路節點獲 得或匯集電流的DAC，這些電路節點端接定值無源器件和電流感測電
阻器的串聯組合。
0024在一個或多于一個實施例中，本系統包括為從電路節點獲得
或匯集電流的外部驅動電路提供基準電流的DAC，這些電路節點端接 定值無源器件和電流感測電阻器的串聯組合。
0025在一個或多于一個實施例中，本系統包括具有單側電流感測 和單輸出的外部驅動電路，以驅動與接地的電流感測電阻器并聯的無 源器件。
0026在一個或多于一個實施例中，本系統包括具有差動電流感測 和差分輸出的外部驅動電路，以驅動與浮動電流感測電阻器串聯的無 源器件。
0027在一個或多于一個實施例中，本系統包括用于高電流應用的 外部驅動電路，包括具有差分輸入和差分輸出的一個或多于一個輸出 電流放大器。
0028在本系統的一個或多于一個實施例中，定值無源器件是分布 式結構比如傳輸線、諧振腔、開槽線、短線調諧器、波導或天線。
0029在本系統的一個或多于一個實施例中，多于一個DAC控制從 單一一對節點注入或分出的電流。
0030在本系統的一個或多于一個實施例中，電流感測反饋從連接 在節點之間的無源器件獲取，電流不注入也不流出這些節點以響應電 流感測反饋。
0031在本系統的一個或多于一個實施例中，本系統提供在兩個或 多于兩個定值無源器件之間耦連的信號。
0032在本系統的一個或多于一個實施例中，本系統的一個或多于 一個可變器件按照頻率的函數被改變，這樣電路起跟蹤濾波器的作用。
0033圖1是本系統的不同實施例可實現的許多可變無源器件的圖 示；
0034圖2A是開關電阻器網絡的電路圖；0035圖2B是可變電阻器的FET實現的電路圖；0036圖2C是可變電容器的變容二極管實現的電路圖；0037圖3A是定值串聯電阻器的電路0038圖3B是定值分流電阻器接地的電路圖；0039圖3C是圖3A的電阻器結合本系統的電流感測功能的電阻性 實施例的電路0040圖3D是圖3B的電阻器結合本系統的電流感測功能的電阻性 實施例的電路0041圖3E是圖3C的電路用定值電容器代替定值電阻器的電路圖；0042圖3F是圖3D的電路用定值電容器代替定值電阻器的電路圖；0043圖3G是本系統的一個實施例的功能框圖；0044圖3H是具有浮動電流感測電阻器的本系統的一個實施例的功 能框0045圖31是結合零阻抗電流感測的本系統的優選實施例的功能框 0046圖3J是圖31中所示互阻抗放大器功能的簡化電路圖；0047圖4A是說明用可變器件值來控制輸出信號幅值的電路圖，-0048圖4B是說明用于實現圖4A中所示的器件可變性的裝置的電 路0049圖4C是說明用于實現圖4B中所示的器件可變性的替代裝置 的電路0050圖5A是本系統的單輸出實施例的電路圖；0051圖5C是本系統的差分輸出實施例的電路圖；0052圖6是本系統的可變電阻器實施例的功能框圖；0053圖7是具有替換的電流饋電極性的本系統的可變電阻器實施 例的功能框0054圖8是具有優良調節能力的本系統的可變電阻器實施例的功 能框0055圖9是本系統的高電流可變電阻器實施例的功能框圖；0056圖11是本系統的功能框圖，其說明了從第二無源器件耦連到 第一可變無源器件的開環信號；0057圖12是本系統的跟蹤濾波器實施例的RF頻率特性的圖示；0058圖D是本系統的跟蹤濾波器實施例的IF頻率特性的圖示；0059圖14是采用常規濾波器的通用接收器系統的功能框0060圖15是用本系統的多個跟蹤濾波器實施例實現的圖14的通
用接收器系統的功能框圖。
具體實施例方式
0061本系統針對具有高分辨率、數字值選擇及控制的可變無源器 件。在以下描述中，闡述了眾多具體細節以提供對系統實施例的更全 面描述。但是顯然，對于本領域的技術人員來說，沒有這些具體細節 也可以實行該系統。在其他實例中，眾所周知的特征沒有被具體描述 以便不使系統難理解。除了本文提到的之外，由普通參考指示符表示 的普通器件和連接在每個電路中功能相似。
0062本系統是為線路提供動態改變無源器件的表觀值的功能的模 數轉換器電路，在模擬和混合信號電子電路中所述無源器件以各種方 式耦連到該線路。術語"定值"不意味器件的值不隨運行或環境條件 改變，而是表示當運行在電路中而沒有本系統的操作去改變它的表觀 值時的器件值。術語"無源器件"代表各個分立無源部件或者其它器 件如二極管、雙極結晶體管、FET等的無源特性。無源器件可以是線 性的或非線性的。
0063在本系統的實施中需要考慮的事項是無源器件是否有一端與 地(或者浮動參考或返回節點)相連。與任意連接的無源器件相比， 接地的器件一般更容易隨實施方式的更多選擇而改變。
0064本系統的一個元件是用于感測流過要改變其表觀值的定值無 源器件的電流的裝置。感測電流的一個示例性裝置是添加與無源器件 串聯的小值電流感測電阻器。圖3A至3F說明了無源器件的一些不同 配置，每一個都有附加的串聯的電流感測電阻器。
0065圖3G說明了本系統的一個實施例。DAC310是具有基準電壓 輸入VREF的電流輸出DAC。電流感測電阻器320與定值無源器件330 串聯。電阻器320兩端的電壓表示流過無源器件320的電流，并且施 加到DAC310的參考輸入。在DAC參考放大器的帶寬內，輸出電流作 為時間的函數保持與流過定值無源器件的電流相同的特性曲線形狀。 因此，DAC的輸出相當于與無源器件330相同類型并與其并聯的定值 無源器件。"附加的并聯器件"的值由DAC數字輸入設定與DAC輸出 電流的比例換算決定。對于一些應用而言，定值無源器件的表觀值可
在循環內(intracycle)被改變高達某一頻率。
0066如圖3所示，DAC輸出是交叉耦連的，這樣正向DAC輸出 電流以與流過感測電阻器的正向電流相同的方向流動。如果無源器件 是電容器，所示配置將使電容器的數值看起來更大。如果無源器件是 電阻器或電感器，表觀并聯組合將是更小值。若DAC的正和負輸出被 交換，如圖8所示，電容值會明顯減小而電阻值或電感值會增大。因 此，本系統可以容易產生負器件值。當然，實際上值的變化是動態的 并且不提供能量存儲。
0067圖3H說明了具有浮動電流感測電阻器的替代實施例。0068圖3G的實施例一般用于與地耦連的器件。下面討論了用于不 接地器件的實施例。注意，與無源器件330串聯的任何電阻的附加對 于一些應用可能影響電路性能。下面討論互阻抗放大器電流感測實施 例中的一個替代方案。而且，這些DAC—般不是針對這種應用設計的 而是用DC基準電壓來操作。結果，參考輸入放大器的帶寬可能被限 制(500KHz左右)。但是，在一些更新的DAC中，此帶寬可以是幾十 MHZ。浮動器件的實施例提供了一種避免參考放大器帶寬限制并且在 RF頻率實施本系統的直接裝置。0069互阻抗放大器電流感測實施例
0070圖31和3J說明了一種可行時用于感測分流器件流入地的電流 的方法。在互阻抗放大器的帶寬內，當無源器件終端保持在虛地時電 流被感測。互阻抗放大器的使用避免了由電流感測電阻器的存在或任 何與DAC參考放大器相關的偏移電壓引起的可能容易修正也可能不容 易修正的性能惡化。
0071寬頻互阻抗放大器用適當設計的反饋是可實現的。希望的是 把互阻抗放大器電路整合到具有供用戶選擇外部反饋的DAC集成電 路。圖3J說明了互阻抗放大器350的實施例。
0072可變器件等效電路
0073圖4A是使用和實施可變器件的方法之一的示意圖。VS0URCE1 是電壓源，在節點N401產生任意的輸出波形。節點N402的輸出電壓 Vo是節點N401的電壓減小后的幅值表示。幅值減小是由電阻分壓器 網絡產生的，該電阻分壓器網絡包括耦連節點N401至節點N402的電
阻器R401和包含電阻器R402和R403的并聯組合的等效電阻器，該 等效電阻器把節點N402耦連到地。電阻器R402是可變的并用于補償 電阻器R401和R403的值變化，從而在節點N401和N402提供期望的 電壓比例。流過電阻器R402的電流是IR402。
0074圖4B示出了用于保持節點N401和N402電壓比例的等效電 路。第二電壓源VS0URCE2將節點N403耦連到地并與電阻器R404串聯， 電阻器R404將節點N403耦連到節點N402。電壓源VscnmcE2和電阻器 R404 —起工作，這樣流過電阻器R404的電流是IR402，與圖4A中流 過電阻器R402的電流相等。因此，電壓源VsouRCE2和電阻器R404的 組合功能上等效于可變電阻器R402。電壓源VS0URCE2的輸出一般是可 變的且電阻器R404的值會是固定的。
0075圖4C是圖4B中所示電路的替代表示。電流源IsouRCE2將節 點N402耦連到地并代替電壓源Vso服cE2和電阻器R404的串聯組合。 被供給的電流是IR402，這樣電流源是圖4A中可變電阻器R403的功 能等效物。對于圖3G、 3H、 31、 6、 7、 8、 10和11所示的實施例，電 流源IS0URCE2由電流輸出DAC的輸出直接提供。對于圖9中所示的實 施例，電流源ISoURc:E2由電流輸出數模轉換器DAC310和電流放大器 900A的組合提供。
0076通用無源器件值選擇的實施例
0077如上所討論，目前可獲得的DAC經常被限制用于圖3G中所 示的實施例和圖31中所示的互阻抗放大器實施例。這可能是由于模擬 參考輸入的有限帶寬。雖然一些器件具有幾個MHz的參考帶寬，但多 數器件被限制在大約500KHz。對于本系統，這將限制這些器件用于音 頻應用或等效電路。
0078圖5A和5C中所示的實施例代表用于實現最高級別速度和性 能而避免DAC參考限制的實施例。這些實施例在配置中使用DAC來 設定差分放大器的增益。該差分放大器作為輸入或感測元件。
0079圖5A示出了與分流接地器件一起使用的單端形式。圖5C示 出了待與兩個任意電路節點之間的器件一起使用的更通用的雙端電 路。圖5C的電路也能和地參考一起使用，代替圖5A中所示的。這兩 種配置都有額外的優點避免了參考輸入的有限帶寬的問題。每種配
置都具有高速的差分放大器輸入電路，其允許標準DAC與DC參考電
平(一般為地) 一起使用。圖5A中所示的配置是圖5C的配置的單一 輸出形式。
0080大電流實施例
0081除了參考輸入的有限帶寬外，使用現有技術DAC的另一個問 題是它們有限的輸出電流能力。很多可變器件應用只不過要求比20毫 安更大的電流水平，20毫安是大多DAC的典型最大輸出。電流量問題 的一個解決方案是只增加DAC的電流輸出能力。但是，這種方法只能 在其影響DAC集成電路及其功能的性質和實現之前用來獲得有限的增 加。不過，可變器件值在大電流功率電路中的重要意義和在低功率數 字處理和通信應用中的一樣大。
0082
一般的解決方法涉及將差分電流放大器附加到控制DAC的輸 出，如圖9所示。數模轉換器DAC310的正輸出與差分電流放大器900A 的正輸入耦連。數模轉換器DAC310的負輸出與差分電流放大器900A 的負輸入耦連。電流放大器900A的正輸出與電阻器R602在節點N301 耦連。電流放大器900A的負輸出在節點N200與地耦連。如同前面的 配置一樣，電流放大器900A的輸出可以換為負輸出耦連到節點N301 而正輸出耦連到節點N200的地，只要對數模轉換器DAC310的數字輸 入做出相應的改變。
0083對于大電流應用，可能需要使用電流放大器900A。對于高達 幾個安培的中等較大電流應用，可以用替代實施例來避免對單獨電流 放大器900A的需要。圖5A和5C說明了此替代實施例的兩種形式， 其由單個大電流或多個更小電流輸出電路實現，由推-拉電流鏡組成。 用圖5A和5C的替代實施例來解決有限DAC電流能力的問題具有額 外的優點同時避免了前述的參考輸入有限帶寬的問題。
0084使用多個控制器的器件值選擇
0085圖11說明了一種配置，其中使用兩個單獨DAC來改變單個 器件。嚴格的說，這種配置改變了流過無源器件330A的電流波形，改 變該無源器件330A以使其不再像同一類型的無源器件。如果無源器件 330B與330A是同一類型，可能減輕這一問題。
0086此配置的使用不可能時常發生，因為受數字控制器300控制
的典型標定程序可以達到和附加混合信號電路一樣的效果。多個控制 器的使用對于把信號耦連到單個電路具有更大的潛力。0087實時頻率跟蹤電路實施例
0088多種電子電路產生不同的頻率信號或者對不同頻率信號選擇
性地響應。示例為可變頻率振蕩器或濾波器。實際上任何信道系統使 用一個或多于一個可調諧濾波器。調諧需要調諧元件的機械運動或者 需要使用動態跟蹤器件。動態跟蹤器件的示例包括鎖相環或能夠影響 網絡中電抗值的器件。后一類型的器件的示例包括變容二極管，其作 用是調諧傳輸線或腔的有效諧振頻率。
0089在歷史上，有許多的方法處理區分期望信號和鄰近信號及噪 聲源的基本問題。圖12說明了通帶內的信號。在這種情況下，信噪比 優良，標準處理方法足夠用。圖13說明了更典型的情形，簡化到三個 交流信號。頻率低于F1的信號一般被充分衰減，這樣就不是問題，除 非它有非常大的相對功率。通帶內的兩個剩余信號中，期望信號是兩 個中較小的一個，應出現選擇過程否則較大的信號將主導檢測過程，
0090圖14說明了典型的選擇過程。通過混合寬頻帶、經放大并濾 波后的接收信號和本地振蕩器LO1400的輸出以產生和頻與差頻，完成 選擇。濾波器F1402跟隨混頻器并且一般被設計成既傳遞差頻又衰減 和頻。
0091與此方法相關的一個問題由混頻器是非線性器件這一事實引 起。如果干擾信號足夠大，則使混頻器壓縮且較小的期望信號的輸出 幅值被嚴重衰減。結果是需要混頻器中非常高的IP3性能，導致降低 處理非常小信號的能力。
0092圖15說明了動態可調諧濾波器在三個不同位置的實施例。相 比那些典型地發送整個系統通帶，使輸入濾波器F1500和F1501窄帶
的能力大體減小了來自其他信號/噪聲源的干擾。例如，如果跟蹤濾波 器的帶寬為正常通帶的10%，"噪聲"功率相比跟蹤濾波器通帶中的期 望信號功率減小了10倍，假設以一般擁擠的蜂窩電話頻帶為例。這顯 著降低了IP3需求，減小互調分量，且顧及低幅值信號的更佳靈敏度。 跟隨混頻器的跟蹤/可調濾波器的使用顧及更窄帶通，因為與制造過程 相關的器件差異可以被減小到微乎其微。0093使用兩個偏移IF頻率的級聯雙轉換過程通常用于增加選擇性。 與級聯選擇一起使用的動態可調濾波器改善了信噪比，這是圖15中所 示的基本方法大體力所不及的。顯然，這些是眾多用于濾波或以其它 方式控制此類系統的頻率特性的電抗網絡。以下的討論將集中于可調 濾波器最簡單最容易的實現形式，即地參考的并聯L-C網絡。
0094為了使濾波器保持特定阻抗，電感和電容器件都應被獨立控 制。通常，這需要使用兩個DAC和兩個反饋網絡。通過感測和控制這 兩種電抗器件，可能同時控制網絡的中心頻率和阻抗，從而在頻帶內 的任何給定頻率上允許可調的頻率和阻抗控制。在特殊情形中，兩個 感測控制電流可能經由至公共節點的單個電流緩沖器而被反饋。
0095另一個實施例使用單個DAC和反饋電路，其影響器件網絡性 能而不是影響單個電感器(L)或電容器(C)。對于串聯LC儲能電路， 一個節點是交流接地的且信號被施加到另一個節點。此電路功能與簡 單陷波濾波器一樣。眾所周知，所有器件均具有與其相關的寄生電阻 且此示例有兩個。應用DAC和反饋系統于整個濾波器容許減小網絡的 有效寄生電阻，而不改變單個元件值并且不影響網絡的諧振頻率。結 果是網絡系統的很高的空載Q和較低的插入損耗。較低損耗和較高Q 容許使用較窄濾波器帶寬并且可以提供一些與過冷電路、較低熱噪聲 和更大頻率選擇性相關的好處。此結構可以用于更復雜的網絡結構以 使其比使用現有電路結構更接近地達到理想器件的功能。
0096這樣，已描述了具有高分辨率數字值選擇與控制的可變無源 元件。
權利要求
1.一種電路，其包括耦連在第一節點和第二節點之間的無源器件；數模轉換器，其具有耦連到所述第一節點的第一輸出和耦連到第三節點的第二輸出，并且具有耦連到所述第二節點的參考輸入；耦連到所述數模轉換器的控制器；耦連在所述第二節點和所述第三節點之間的感測電阻器。
2. 根據權利要求l所述的電路，
3. 根據權利要求l所述的電路，
4. 根據權利要求l所述的電路，
5. 根據權利要求l所述的電路，
6. 根據權利要求l所述的電路，
7. 根據權利要求l所述的電路， 數模轉換器的數字控制器。其中所述第三節點是地。其中所述無源器件是電阻器。其中所述無源器件是電容器。其中所述無源器件是電感器。其中所述參考輸入是基準電壓。其中所述控制器是用于控制所述
8. —種電路，其包括 耦連在第一節點和第二節點之間的感測電阻器； 數模轉換器，其具有耦連到所述第一節點的第一輸出和耦連到第三節點的第二輸出，并且具有耦連到所述第二節點的參考輸入； 耦連到數模轉換器的控制器；耦連在所述第二節點和所述第三節點之間的無源器件。
9. 根據權利要求8所述的電路，其中所述第三節點是地。
10. 根據權利要求8所述的電路，其中所述無源器件是電阻器。
11. 根據權利要求8所述的電路，其中所述無源器件是電容器。
12. 根據權利要求8所述的電路，其中所述無源器件是電感器。
13. 根據權利要求8所述的電路，其中所述參考輸入是基準電壓。
14. 根據權利要求8所述的電路，其中所述控制器是用于控制數 模轉換器的數字控制器。
全文摘要
本系統提供了一種在電子電路中改變無源器件值的方法。無源器件可以從基本電阻器、電容器和電感器到復雜的結構比如傳輸線和諧振腔變化。值選擇和變化可以在電路運行時動態執行或作為制造過程的一次性(one-time)部分，這取決于具體應用的需求。數模轉換器(DAC)電路用于數字輸入值選擇數據，并用基于DAC分辨率的值分辨率控制值選擇。為高頻運行提供了替代實施例。
文檔編號H03M1/66GK101356736SQ200680050433
公開日2009年1月28日 申請日期2006年11月7日 優先權日2005年11月7日
發明者R·D·沃什伯恩, R·F·麥克萊納恩 申請人:R·D·沃什伯恩;R·F·麥克萊納恩