一種用于G_m-C濾波器的頻率自調諧電路的制作方法

專利名稱：一種用于G_m-C濾波器的頻率自調諧電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種濾波器頻率自調諧的方法，該方法可以用在基于跨導電容(Gm-C) 結構的濾波器中，對濾波器的截止頻率進行校正。
背景技術：
模擬濾波器是射頻無線通信芯片的模擬基帶處理部分很重要的一個模塊，濾波器 的濾波特性，截止頻率的精準與否決定了接收機對帶外干擾的抑制，并對整個通信系統的 比特誤碼率有著決定作用。而濾波器的截止頻率對工藝角極為敏感，在各個工藝角下會有 高達30%左右的偏差，因此，頻率調諧模塊是濾波器的重要組成部分。

發明內容
本發明的目的在于提供一種用于跨導電容(Gm-C)濾波器的頻率自調諧電路，以 實現對傳統的跨導電容濾波器的調諧方法進行改進，解決傳統調諧方法的調諧范圍受限問 題，并且減小調諧模塊的功耗。本發明提供的用于跨導電容(Gm-C)濾波器的頻率自調諧電路，包括采用與濾波器中的跨導跟電容陣列完全相同的模塊組成一積分器，且該電容陣列 的控制字與濾波器電容陣列(DCCA)中的控制字均由鎖存器提供。通過平方電路提取參考正弦信號的幅度跟積分器輸出信號的幅度。通過一個無源濾波器濾掉平方電路輸出的交流部分，只保留直流部分。通過一個比較器模塊比較參考正弦信號的幅度跟積分器輸出的幅度，并產生一數 字信號。通過比較器產生的數字信號控制計數器的計數方向(上升或下降)。通過鎖存器鎖存或者選通計數器的輸出碼字，并用碼字控制積分器及濾波器的電 容陣列。本發明通過比較積分器的輸出與參考正弦信號的幅度，產生一數字信號，控制計 數器的計數，增大或者減小控制電容陣列(DCCA)的碼字，從而增大或者減小負載電容，并 形成一個負反饋網路，最后使積分器的單位增益帶寬與參考頻率相同(存在可以接受的誤 差)；該碼字同時控制濾波器的電容陣列，調諧濾波器的截止頻率與參考頻率相同。本發明 的核心思想在于通過一個數字位來自動調整濾波器的電容負載或跨導單元的大小，增大了 調諧范圍，并且極大的節省了功耗。本發明的具體實現方法如圖1所示。圖2為濾波器的一個雙二次(biquad)模塊， 其中負載電容C為一個N-Bit的電容陣列，其控制位為[Iv1，bn_2，. . .，bj，所以負載電容C 當前的電容值由控制位決定，其表達式為C = Cmin+b4 · 24 Δ c+b3 · 23 Δ C+... +b0 · 20 Δ C= Cmin+n Δ C(1)

(2)
(3)其中Ctoem為在典型工藝角下要得到所需的濾波器截止頻率時的負載電容值。AC 由Cmin跟電容陣列的比特數決定，比特數越多AC越小，此時調諧的精度也越高。雙二次結 構的轉折頻率可以表示為
(4)若取gml = gm2 = gm，C1 = C2 = C，則biquad的轉折頻率可以表示為
,(5)圖1中的OTA跟電容陣列與濾波器中的完全相同，并且該OTA跟電容陣列組成了 一個積分器，該積分器的單位增益帶寬為
(6)顯然，這與濾波器轉折頻率的表達式相同，因此調整電容陣列的控制位使積分器 的單位增益帶寬等于所需的濾波器截止頻率，就可以用相同的控制位調整濾波器的截止頻率。給該積分器施加一個參考正弦信號Vkef = Vsin (2 π fj)，積分器的輸出可以表示 為
(7)因此積分器輸出波形的幅度與其單位增益帶寬成正比。將輸出的幅度與參考信號 的幅度比較就可以確定積分器的單位增益帶寬跟參考頻率的相對大小。本發明中幅度的比 較是通過平方電路實現的，將積分器的輸出與參考信號分別輸入到平方電路中，其輸出結 果為
(8)
(9)由于輸出的波形帶有高頻部分，需要通過一個低通濾波器進行濾波，本發明中采 用一階無源濾波器濾波，該無源濾波器的輸出僅剩直流。將兩路輸出通過一個數字比較器 進行比較。當積分器的單位增益帶寬大于參考頻率時，積分器的輸出幅度較大，數字比較器 輸出高電平，反之則輸出低電平。數字比較器將比較結果輸出給一個可以上升/下降計數 的N-bit計數器，計數器的輸出可以通過下面的鎖存器鎖存。當比較器輸出高電平時，計數 器向上計數，反之則向下計數。最后鎖存器輸出N-bit的控制字同時控制積分器與濾波器 中的電容陣列。當積分器的單位增益帶寬大于參考頻率時，數字比較器輸出高電平，計數器 則在下一個時鐘上升沿到來時上升計數，增大積分器的電容負載，以降低積分器的單位增 益帶寬，反之則減小控制字，增大積分器的單位增益帶寬。這樣就形成了一個負反饋網絡，最后計數器的輸出會在2個相鄰的碼字之間跳動，說明此時積分器的單位增益帶寬最接近 參考頻率，濾波器的調諧時段結束，這個時候可以通過一個停止信號使計數器停止計數，并 通過鎖存器鎖存最后的碼字控制濾波器的電容陣列。而鎖存器之前的所有模塊此時都可以 切斷電源，從而節省了很多功耗。、本發明的突出改進方面在于，通過平方電路的檢幅后，通過比較器比較幅度的大 小，然后產生數字信號，控制計數器的計數方向(上升或者下降)，再通過計數器的輸出碼 字控制DCCA陣列，調節電容的大小，以滿足帶寬的要求。相比于傳統的模擬電平控制，本發 明提出的數字調諧擁有更寬的調諧范圍，幾乎不需要任何功耗。



圖1為雙二次結構(Biquad)的電路圖。圖2為本發明提出的自調諧鏈路的原理圖。圖3為DCCA陣列的位數為6時計數器的輸出逐漸穩定的示意圖。計數器起始的 輸出碼字為100000，在時鐘沿的激勵下，開始上升計數，最后穩定在110000與110001之間。圖4將該調諧方法用在一個Gm-C濾波器中，參考頻率為264MHz時，濾波器的頻率 響應曲線，從圖中可以看出，濾波器的截止頻率在270MHz左右，調諧誤差僅為2%。
具體實施例方式本發明基于了一種鎖幅的原理，跟傳統的自調諧方法不同的是，本發明通過負反 饋產生數字控制位調節跨導電容(Gm-C)濾波器的電容負載，從而調節濾波器的截止頻率。 具體的調節過程如圖3所示。該圖描述了對本發明提出的自調諧環路施加參考頻率正弦 波時，6位鎖存器輸出的波形圖，從圖中可以看出，鎖存器的輸出在時鐘上升沿的激勵下從 100000開始上升計數，一直到穩定在110000跟110001之間，此時積分器的單位增益帶寬已 經接近參考頻率，將相同的碼字輸送給濾波器的電容陣列，濾波器的截止頻率也被校準到 參考頻率。
權利要求
一種用于跨導電容Gm-C濾波器的頻率自調諧電路，其特征在于包括采用與濾波器中的跨導跟電容陣列完全相同的模塊組成一積分器，且該電容陣列的控制字與濾波器電容陣列中的控制字均由鎖存器提供；通過平方電路提取參考正弦信號的幅度跟積分器輸出信號的幅度；通過一個無源濾波器濾掉平方電路輸出的交流部分，只保留直流部分；通過一個比較器模塊比較參考正弦信號的幅度跟積分器輸出的幅度，并產生一數字信號；通過比較器產生的數字信號控制計數器的計數方向；通過鎖存器鎖存或者選通計數器的輸出碼字，并用碼字控制積分器及濾波器的電容陣列。
2.根據權利要求1所述的用于跨導電容Gm-C濾波器的頻率自調諧電路，其特征在于， 通過比較積分器的輸出與參考正弦信號的幅度，產生一數字信號，控制計數器的計數，增大 或者減小控制電容陣列的碼字，從而增大或者減小負載電容，并形成一個負反饋網路，最后 使積分器的單位增益帶寬與參考頻率相同；該碼字同時控制濾波器的電容陣列，調諧濾波 器的截止頻率與參考頻率相同。
全文摘要
本發明屬于集成電路設計技術領域，具體為一種跨導電容(Gm-C)濾波器的頻率自調諧電路。該電路基于自動鎖幅原理，將濾波器中的跨導跟電容陣列單獨拿出組成積分器，通過比較積分器輸出與參考信號的幅度產生一數字控制位，控制計數器的計數，并通過計數器的輸出碼字調節積分器跟濾波器的電容陣列，使積分器的單位增益帶寬與參考頻率相同，同時調諧濾波器的截止頻率，使之與參考頻率相同。該方法簡單，穩定，并且比傳統方法有更寬的調諧范圍，且用數字模塊調諧功耗很低，并且不會影響濾波器的性能，具有很強的實用價值。
文檔編號H03H17/02GK101867354SQ20101016754
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月6日 優先權日2010年5月6日
發明者任俊彥, 李寧, 李巍, 陳云鋒, 高亭 申請人:復旦大學