專利名稱：用于電視調諧器的跟蹤濾波器的制作方法
用于電視調諧器的跟蹤濾波器
背景技術：
由于集成電路可用功能不斷增加，可能利用單個集成電路(IC)形成電視(TV)調 諧器。這樣的調諧器可以包括射頻(RF)和基帶電路來接收RF TV信號，例如有線、地面或衛 星信號，將該信號降頻到基帶并對該信號執行處理以獲得用來輸出到顯示器的視頻信號， 其中顯示器為例如平板TV、計算機系統、便攜設備、移動設備等系統的顯示器。由于更多功能在單個集成電路上實現，RF和數字處理的合并可能導致增加的噪聲 困擾，因為數字電路(包括數字時鐘和數字數據處理電路二者)的一般切換可能產生諧波 和可能干擾輸入RF信號的接收和處理的數據依賴噪聲。另外，電視調諧器應當能夠在寬范 圍的輸入條件下接收廣播信號。例如，當存在具備適當預期信噪比的非常強的非預期信號 (約-IldBm)時，電視調諧器可能不得不接收非常弱的預期信號(例如，_68dBm)。此外，對于廣播接收機，存在可以有信道的非常寬的帶寬。在當前系統中，TV信道 的范圍從約50兆赫(MHz)的甚高頻(VHF)頻率到超高頻(UHF)信號，所述超高頻信號可以 是或接近1千兆赫(GHz)。由于這個非常寬的頻率范圍，可能存在一個或多個跟蹤濾波器。 然而，由于濾波器將工作的寬頻率范圍以及這些不同頻率處的競爭約束，提供適當跟蹤濾 波器可能很困難。因此存在對改進的跟蹤濾波器的需要。
發明內容
根據一方面，本發明包括一種裝置，該裝置具有接收和放大射頻(RF)信號的低噪 聲放大器(LNA)、耦合到LNA以濾波經放大的RF信號的跟蹤濾波器、和耦合到跟蹤濾波器以 接收和降頻經濾波的RF信號的混頻器。在一個實施方式中，跟蹤濾波器可以取決于工作頻 帶不同地配置。例如，第一組濾波器可以配置為跨過其工作帶寬保持基本上恒定的Q值，而 第二組濾波器可以配置為跨過其工作帶寬保持基本恒定帶寬。跟蹤濾波器中的一個或多個 可以包括具有交叉耦合的至少一個正向匝和至少一個反向匝的磁差分電感器，并且至少一 個跟蹤濾波器包括磁單端電感器。在一些實施方式中，電容性衰減器可耦合在跟蹤濾波器 與混頻器之間、并且基于給定跟蹤濾波器的補償因子可控，該補償因子使得所述裝置能夠 在相應電容性衰減器設置保持濾波器調諧。本發明的另一方面涉及耦合到前端放大器和混頻器之間的跟蹤濾波器。該跟蹤濾 波器包括多個回路，每個回路覆蓋一個電視信道頻帶，其中至少一個回路包含具有在半導 體管芯的不同層之間行進的、交叉耦合的匝的磁差分電感器。這些回路各自還具有包括一 組并聯路徑的電容器陣列，其中所述并聯路徑具有至少一個電容器和用以可控地將相應至 少一個電容器耦合到信號路徑的開關裝置。在一些實施方式中，電容器陣列的Q分布在相 應頻帶的增加的頻率范圍上增加。本發明的又一方面涉及用以調諧耦合在跟蹤濾波器和混頻器之間的電容性衰減 器的一組補償值的方法。在一個實施例中，這個方法包括，將跟蹤濾波器的電容器陣列的 調諧值設置為電容性衰減器的相應設置的初始值，設置峰值檢測器的閾值以令跟蹤濾波器 的輸出使峰值檢測器跳間(trip)，以及遞減峰值檢測器的閾值。然后順序遞增調諧值并且
4確定峰值檢測器是否跳間，直到峰值檢測器不跳間。然后，保存峰值檢測器不跳間時的調諧 值。當順序遞減調諧值時發生類似過程，并且也保存峰值檢測器不跳間時的調諧值。根據 這些值計算電容器陣列的調諧碼并且將其存儲以用作補償值。
圖1是根據本發明--個實施例的TV調諧器的模擬前端的一部分的框圖。
圖2是根據本發明--個實施例的TV調諧器的框圖。
圖3是根據本發明--個實施例的跟蹤濾波器實現方式的頻譜分析。
圖4A-C是根據本發明一個實施例的磁差分電感器的表示。
圖5是根據本發明--個實施例的磁差分電感器實現方式的示意性表示。
圖6A-C是根據本發明一個實施例的跟蹤濾波電感器的結構的圖示。
圖7是根據本發明--個實施例的電容器陣列的示意圖。
圖8是根據本發明--個實施例的電容性衰減器的實現方式。
圖9是根據本發明--個實施例的包含受控振蕩器的模擬前端的實現方式。
圖10是根據本發明一個實施例的調諧方法的流程圖。
具體實施例方式在各種實施例中，跟蹤濾波器的實現可通過提供每一個針對TV頻譜的不同頻率 范圍的多個跟蹤濾波器實現。以這種方式，可以針對給定頻率范圍處呈現的約束優化濾波 器中的不同個體。考慮到多種可能的輸入條件，對于調諧器的低成本硅實現方式，非預期信 號應在降頻到較低的中頻(IF)發生之前被濾波，以將模擬接收鏈的動態范圍降低到合理 的且硅可實現的水平。另外，該濾波器可調諧使得TV頻譜中的任意預期信道頻率能夠被接 收。實施例可以具有高品質因數(或低帶寬)，從而僅令預期信號通過而過濾出盡可能多的 非預期信道。實施例可進一步提供可用于形成跟蹤濾波器的磁差分電感器配置，該跟蹤濾波器 可由這樣的電感器和電容器形成以實現LC回路。除了電感器按不同頻率范圍配置不同，電 容器實現方式也可按不同頻率范圍配置不同。實施例可進一步提供耦合到跟蹤濾波器的輸 出的衰減器網絡，以在傳遞經濾波的信號到混頻級之前提供增益控制。由于可變衰減可改 變跟蹤濾波器的電容，也提供調諧跟蹤濾波器的方法，以處理系統操作中可能出現的衰減 改變。現在看圖1，圖1示出根據本發明一個實施例的TV調諧器的前端的一部分的框圖。 如圖1所示，該部分可與模擬前端相對應，該模擬前端接收輸入的RF信號并將其處理和降 頻到較低頻率，例如中頻(IF)。在不同實現方式中，這樣的降頻可以是降至低中頻(LIF)或 零中頻(ZIF)、基帶或其他頻率。如圖1中所見，輸入信號可通過信號路徑20提供，路徑20 可以是到天線、電纜源或其他輸入設備的連接。RF信號經平衡_不平衡轉換器25到低噪 聲放大器(LNA) 30。正如所見，LNA30可包括并聯路徑30a-30。以提供可調增益控制。在各 種實施例中，每條增益路徑可包括相同或不同數量的增益。如下面將進一步討論的，增益級 30a-30c中的一個或多個可基于例如微控制器的控制而起作用。依次地，也在微控制器控制 下，經放大的信號可被提供給開關矩陣35，例如電流開關矩陣，其用作濾波器選擇器來切換信號到多個跟蹤濾波器403-406中選定的一個。注意，雖然圖1的實施例中示出五個這樣的 跟蹤濾波器，本發明的范圍不限制于此。如下面將進一步描述的，每個跟蹤濾波器40可由 電感器和電容器形成，并可通過磁差分電感器和可控電容實現。 濾波后，可以提供經濾波的信號到包括多個衰減器50a_50e的可變衰減器級。在諸 多實現方式中，衰減器50可以是可控電容性衰減器。注意，較低頻帶信號可通過其他濾波 器553和55b以濾除本振(local osillator, L0)頻率諧波周圍的非預期信號。
然后可以將信號提供至多個混頻器60a_60e之一。在一個實施例中，混頻器可由旋 轉諧波混頻器實現，當然本發明的范圍不限制于此。選出的混頻級可降頻輸入信號例如到 低IF或ZIF值。可以提供經降頻的信號到可實現混頻信號的增益和濾波的混頻器負載陣 列70。從這里，降頻信號通過I/Q合成器75，該合成器在I路徑和Q路徑上輸出信號到例 如IF電路，該IF電路可進行進一步的處理例如另外的增益和濾波操作，之后將所得到的信 號提供到調諧器的數字信號處理器(DSP)來進行數字處理。雖然圖1的實施例中示出了這 個特定的實現方式，本發明的范圍不限制于此。為了理解可能影響跟蹤濾波器的噪聲的特性，考慮單芯片(Chip)TV調諧器的實 現方式是有益的。現在看圖2，圖2示出根據本發明一個實施例的TV調諧器的框圖。如圖 2所示，調諧器100可以是由一個或多個半導體管芯構成的集成電路。在圖2所示的實施例 中，出現了兩個管芯105和110，然而可以理解其他實現方式可由單個管芯(die)構成。如 圖2中所見，第一管芯105包括所有RF、IF以及基帶元件，除了跟蹤濾波器的電感器，所述 電感器可位于第二芯片110上。輸入信號(可從天線接收)由信號源Vs提供并且通過源 電阻Rs經例如接合引線Illa和Illb到芯片。提供輸入信號到LNA120。在開關網絡的控 制下，LNA120的輸出被提供到多個跟蹤濾波器之一，每一個所述跟蹤濾波器由電容C1-C5和 電感L1-L5構成。如所見，不同組接合引線122i-1225耦合跟蹤濾波器的LC回路。依次地， 經濾波信號被提供到與數字電路125 —起存在于第一半導體管芯105上的另一模擬電路。如圖2中所見，可能存在各種磁性干擾源。特別地，在數字部分125中從芯片外 接收的時鐘信號可能使磁性信號M耦合進入電感器。類似地，由于從芯片上數字電流的數 字逃逸導致的磁信號以及與數據有關的能量，耦合到跟蹤濾波器并且可能使跟蹤濾波器的 噪聲指數退化。因此，在各種實施例中為了降低這樣的噪聲，電感器可以由磁差分電感器形 成。如以上描述的，在各種實施例中，LNA負載可以是根據本發明實施例的一組跟蹤濾 波器。在不同的實施方式中，跟蹤濾波器可在并聯LC配置中實現，預定數目濾波器覆蓋預 期頻譜。在一個實施例中，5個LC可覆蓋大約50MHz-1000MHZ的頻率范圍。為實現跨越寬 頻率范圍的正確濾波，實施例可根據頻帶實現恒定Q或恒定帶寬(BW)技術的結合。不同頻帶的要求的一些細節闡明這些考慮。現在看圖3，示出根據本發明一個實 施例的跟蹤濾波器實現方式的頻譜分析。如圖3所示，跟蹤濾波器的不同特性在頻譜不同 部分更加顯著。對于較低頻率，例如，約50-337MHZ，主要關心的是濾除LO諧波附近頻率的 非預期信號。由于LO諧波相對LO基頻有固定比率，跟蹤濾波器的目的是以給定非預期頻 率比率對預期頻率比率提供給定衰減。對于這些頻率，使用恒定Q濾波器。另一方面，對于 更高的預期頻率，由于LO頻率也高，所以LO的諧波位于預期TV頻譜(約50-1000MHZ頻 帶)之外。因此固定頻率比率下的跟蹤濾波器衰減不是那么重要。但在給定頻率偏移(例如N+/-6)處，可能有大的非預期信號。因此對于這些頻率，在給定頻率偏移的跟蹤濾波器 衰減是重要的。這里使用恒定BW濾波器。特別地，如在圖3中所見，在較低端，恒定頻率比率的頻率衰減是重要的，而在較 高頻率，恒定頻率偏移的衰減是重要的。因而一般而言，跨越頻譜的第一部分(例如，在較 低頻率)，恒定Q可能是跟蹤濾波器的主要考慮，而在與較高頻率相對應的第二頻率范圍， 恒定帶寬可認為是主要考慮。圖3所示是根據本發明一個實施例的跟蹤濾波器的分段。雖 然顯示為具有不同帶寬以及設置在不同頻率，但是可以理解本發明的范圍不限于此。在如 圖3所示的一個實施例中，跟蹤濾波器頻帶可被分離為具有變化的最大頻率與最小頻率的 比率。特別地，在圖3的實現方式中，對于頻帶1-5，Fmax + Fmin可以分別對應于2. 4x、2x、 2x、~ V2x、~ -Jlx ο對于針對UHF的調諧器，N+6衰減等于6db，這引起跟蹤濾波器(TF)的收縮的 BW(約40MHz)。因此對于這個高頻率范圍，恒定頻率偏移的衰減是重要的。然而，對于VHFh/ μ諧波抑制/諧波失真(HR/HD)考慮設置了 TF BW。因此，在這些低頻率范圍，恒定頻率比 率的衰減是重要的。對于之間的電纜頻帶，HRreq等于67dB。對于CTB測試，TF BW設置混 頻器可見的多個信道。TFBW等于80MHz并充分滿足CTB測試。HR3考慮為多數信道設置TF BW(除了接近470MHz的信道)。因此，在這個頻率范圍內，恒定頻率比率的衰減是重要的。因此，為滿足這些不同約束，在較低頻帶，跟蹤濾波器可提供恒定Q ；而在較高頻 帶，TF可提供恒定帶寬。在這些頻帶之間的范圍內，例如在大約333MHz到470MHz之間的 頻率，由于其可以是針對低頻帶的TF(例如圖3的TF3)的部分，恒定Q也可擴展至此頻帶。 對于在大約806MHz到1000MHz之間的頻率(由于其是圖3例子中的TF5的部分)，恒定帶 寬也擴展至此范圍。本發明也對在跟蹤濾波器之后包括電容器衰減器的實施例中發生的衰減器電容 器變化提供數字補償。也就是說，這個衰減器的輸入電容(Cin)與衰減有關地變化，但調諧 或補償電容(CtuJ可用于補償這個變化。在各種實施例中，在每個信道變化，TF針對不同 衰減器設置(例如，大約10)調諧，并且這些Ctune值儲存在表中。當例如根據AGC算法設置 不同衰減水平時，這些值被再度使用以調整Ctune。如上所述，在各種實現方式中跟蹤濾波器的電感部分可通過磁差分實現方式來實 現。在這個方式中，抗擾度可能因為來自設備數字部分的偽數字噪聲而增加，也可能由于提 供共模抑制而增加。就這點而言，注意跟蹤濾波器耦合在LNA和混頻器之間。在給定實現方 式中，這兩個設備都可包括不具備共模抑制的跨導體。由于，例如通過LNA前端的平衡-不 平衡轉換器，存在有限數量的可用共模抑制，可能期望在輸入到混頻器前抑制呈現在LNA 輸出處的共模信號電流。從而，根據本發明實施例的磁差分實現方式可通過提供共模抑制 減小這樣的共模電流。現在看圖4A，示出根據本發明一個實施例的磁差分電感器的表示。如圖4A所示， 并聯電感器200由第一匝210和第二匝220構成。如所見，這兩個線圈具有包括正向和反 向部分的差分配置。再進一步，每個線圈提供交叉耦合，交叉耦合可通過雙層結構實現，使 得電感器路徑始于半導體器件或集成無源器件的第一金屬層并在交叉耦合點201交叉至 第二層，反之亦然。如圖4a中所見，正向部分包括以相同方向傳輸的差模和共模電流，而反向部分可包括彼此反向的差模和共模電流。電感路徑可始于輸入節點P和N。電感器可具有耦合到 供電電壓的中央抽頭，供電電壓例如是VDD。由于電感中出現的差分電流，如圖4B所示，兩并聯線圈造成的磁場基本相等且方 向相反，并因此基本相互抵消。類似地，如圖4C所示，對于共模電流，因為相鄰匝中的共模 電流相互抵消，所以給定部分中的磁場基本上相互抵消。由于共模和差模電流產生的磁場 在電感結構之外的點處大大減小，這也意味著，根據對偶原理，雜散磁場(例如來自數字切 換)將在電感器的輸入引入少得多的共模和差模電壓。相應地，例如圖4A所示的實現方式 顯著減小了因噪聲導致的磁場耦合。現在看圖5，示出根據本發明一個實施例的磁差分電感器實現方式的示意性表示。 如圖5所示，并聯、交叉耦合差分電感器級300被示出并耦合到LNA跨導體305的輸出。注 意圖5中的虛線表示圖4A中的交叉耦合點201。像這樣的實現方式可提供小的共模電感和 共模磁場，以及小的共模Q。相應地，跟蹤濾波器的電感器的單元結構可如圖6A所示。注意雖然為了方便，圖 6A的圖示中僅示出兩匝，本發明的范圍不限于此。如圖6A中所見，結構400包括交叉耦合 的正向匝410和反向匝420。如上所述，交叉耦合可通過將所述匝在半導體器件或集成無 源器件的兩層之間穿過而實現。在各種實現方式中，這個單元結構可結合成串聯/并聯組 合來為特定跟蹤濾波器實現給定電感器。圖6B示出并聯實現方式，其中電感器400包括兩 個匝410和420，一個正、一個負，并且兩者都耦合到中央抽頭(其又耦合到供電電壓，例如 VDD)。這樣的并聯實現方式可用于實現較小值的電感器。注意，連接到供電電壓Vdd的下 通道(underpass)430不承載差分信號。圖6C示出一系列實現方式。如所示，使用兩個單 元結構440和450，并且它們交叉耦合到一起。第一單元結構的輸入耦合到LNA (圖6C未示 出)的輸出并且第一單元結構的輸出交叉耦合到第二單元結構的輸入，并且第二單元結構 的兩個差分輸出在節點455連接在一起并耦合到Vdd.。電感器使用磁差分結構可減少偽耦合機制(例如共模激勵)30_40db，同時還在 LNA和混頻器之間提供共模抑制。注意，這樣的電感器在特定實現方式中可具有稍差的Q， 這是由于金屬布線到其中心。因此，這樣的磁差分電感器可能對小尺寸電感器(例如，在 UHF頻帶)比對較大電感器(例如，在VHR頻帶)有效。需要理解，磁單端實現方式可以以 最低成本和最高Q實現。然而，它可能對激勵(spur)具有更高的靈敏度。由于在根據本發明實施例的調諧器要工作的寬頻率范圍中存在不同考慮，本發明 的實施例可最優化不同頻帶的電感器設計。現在看表1，示出根據本發明實施例的多個跟蹤 濾波器的電感器的示例性實現方式。表 1
8
權利要求
一種裝置，包括低噪聲放大器(LNA)，用以接收射頻(RF)信號和放大該RF信號；多個跟蹤濾波器，耦合到LNA以濾波經放大的RF信號，其中第一組跟蹤濾波器各自配置為跨過相應的跟蹤濾波器工作帶寬保持基本上恒定的Q值，且第二組跟蹤濾波器各自配置為跨過跟蹤濾波器工作帶寬保持基本上恒定的帶寬；以及混頻器，耦合到所述多個跟蹤濾波器，以接收和降頻經濾波的RF信號。
2.權利要求1的裝置，其中在微控制器控制下，可控地選擇所述多個跟蹤濾波器中的 一個來基于RF信號的頻率接收經放大的RF信號。
3.權利要求1的裝置，其中至少一個跟蹤濾波器包括具有交叉耦合的至少一個正向匝 和至少一個反向匝的磁差分電感器。
4.權利要求3的裝置，其中至少一個跟蹤濾波器包括磁單端電感器。
5.權利要求3的裝置，其中所述至少一個正向匝從半導體器件的第一金屬層行進到該 半導體器件的第二金屬層，并且所述至少一個反向匝從所述第二金屬層行進到所述第一金 屬層。
6.權利要求1的裝置，其中跟蹤濾波器包括具有串聯配置的第一磁差分電感器，和具 有并聯配置的第二磁差分電感器，每個磁差分電感器具有交叉耦合的至少一個正向匝和至 少一個反向匝，該至少一個正向匝從半導體器件的第一金屬層延伸到該半導體器件的第二 金屬層，并且該至少一個反向匝從所述第二金屬層延伸到所述第一金屬層。
7.權利要求6的裝置，其中第一和第二磁差分電感器各自耦合到相應跟蹤濾波器的相 應電容器陣列；每個電容器陣列耦合在第一線路和第二線路之間，并包括一組并聯路徑，所 述并聯路徑具有至少一個電容器和用以可控地將相應至少一個電容器耦合到第一和第二 線路的開關裝置。
8.權利要求7的裝置，其中每個電容器陣列中的至少一些開關裝置大小不同。
9.權利要求1的裝置，還包括在所述多個跟蹤濾波器和混頻器之間耦合的電容性衰減 器，該電容性衰減器可控制成在多個設置下工作。
10.權利要求9的裝置，還包括用于為每個跟蹤濾波器在所述多個設置中的每一個儲 存相應補償因子的表，其中所述補償因子用于在相應電容性衰減器設置維持跟蹤濾波器的 調諧。
11.權利要求10的裝置，其中補償因子基于峰值檢測器輸出未使閾值跳變時跟蹤濾波 器的電容器陣列的第一調諧代碼和峰值檢測器輸出未使閾值跳變時電容器陣列的第二調 諧代碼的平均而確定。
12.一種裝置，包括跟蹤濾波器，將耦合到用于接收電視信號的前端放大器和用于降頻該電視信號到中 頻(IF)信號的混頻器之間；其中跟蹤濾波器包括多個回路，每個回路覆蓋一個電視信道頻 帶，至少一個回路具有配置為磁差分電感器的電感器，所述磁差分電感器具有交叉耦合的 至少一個正向匝和至少一個反向匝，其中該至少一個正向匝從第一半導體管芯的第一金屬 層行進到第一半導體管芯的第二金屬層，并且該至少一個反向匝從第二金屬層行進到第一 金屬層；所述磁差分電感器用于降低磁干擾和提供共模抑制，所述多個回路中的每一個進 一步具有耦合在第一線路和第二線路之間的電容器陣列，每個電容器陣列包括一組并聯路徑，所述并聯路徑具有至少一個電容器和用以可控地將相應至少一個電容器耦合到第一和 第二線路的開關裝置，其中電容器陣列的Q分布將隨著相應頻帶的頻率范圍增加而增加。
13.權利要求12的裝置，其中電容器陣列中的每個配置在第二半導體管芯上，其中第 二半導體管芯還包括前端放大器、混頻器和數字電路以處理IF信號。
14.權利要求13的裝置，還包括耦合在所述多個回路和混頻器之間的電容器衰減器。
15.權利要求12的裝置，其中所述多個回路包括各自配置來跨過相應回路帶寬保持 基本上恒定的Q值的第一組回路，和各自配置來跨過相應回路帶寬保持基本上恒定的帶寬 的第二組回路。
16.一種方法，包括將耦合在放大器和混頻器之間的電視調諧器的跟蹤濾波器的電容器陣列的調諧值設 置為初始值，該初始值用于耦合在跟蹤濾波器和混頻器之間的電容性衰減器的相應設置； 設置耦合到電容器陣列的峰值檢測器的閾值，使得跟蹤濾波器的輸出使峰值檢測器跳閘， 并遞減峰值檢測器閾值；順序遞增調諧值并確定峰值檢測器是否跳間，直到峰值檢測器不跳閘；當峰值檢測器不跳間時在第一存儲器中存儲調諧值；順序遞減調諧值并確定峰值檢測器是否跳間，直到峰值檢測器不跳閘；當峰值檢測器不跳間時在第二存儲器中存儲調諧值；以及為電容器陣列計算調諧代碼且將該調諧代碼存儲在補償表中，該調諧代碼實質上是第 一和第二存儲器中儲存的值的平均。
17.權利要求16的方法，其中調諧代碼存儲在與跟蹤濾波器和電容性衰減器的相應設 置相關聯的補償表的第一條目中。
18.權利要求16的方法，還包括針對所述電容性衰減器的多個設置以及針對多個跟 蹤濾波器的多個電容器陣列，執行所述設置、順序遞增、存儲、順序遞減、存儲、以及計算。
19.權利要求17的方法，還包括當自動增益控制(AGC)電路選擇相應電容性衰減器 設置時訪問所述第一條目，以及使用第一條目的調諧代碼控制電容器陣列。
全文摘要
本發明涉及用于電視調諧器的跟蹤濾波器。在一個實施例中，提供了一組耦合在放大器和混頻器之間的跟蹤濾波器。跟蹤濾波器可根據工作頻帶不同地配置。例如，第一組濾波器可配置為跨過其工作帶寬保持基本恒定的Q值，而第二組濾波器可配置為跨過其工作帶寬保持基本恒定的帶寬。
文檔編號H04N5/50GK101938613SQ201010253818
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月29日 優先權日2009年6月29日
發明者A·A·拉菲, A·卡穆拉, A·皮奧瓦卡里, C·辛, P·J·范科倫蘭德, R·克瓦尼-普爾法德, R·孫 申請人:硅實驗室公司