專利名稱：使用有損積分器的多頻帶Gm－C狀態(tài)可變?yōu)V波器的制作方法
背景技術(shù)：
低功耗、尺寸小、重量輕以及低成本已經(jīng)成為開發(fā)諸如便攜電話之類的移動(dòng)設(shè)備的主要要求。這些無線通信設(shè)備的收發(fā)器都含有濾除多余信號(hào)的濾波器，并將這些濾波器集成在單個(gè)芯片上，以減少外部元件的數(shù)量并使重量和形狀因數(shù)顯著減小。
在收發(fā)器中，天線接收到的高頻信號(hào)被調(diào)制到中頻，并且移動(dòng)電話的接收器有選擇地提取它所需要的信號(hào)。從所選擇的信號(hào)中提取出數(shù)字信息，在加上進(jìn)一步的數(shù)字處理之后，輸出清晰的語音。已經(jīng)開發(fā)出CMOS電路來捕獲基帶信號(hào)。
為了協(xié)助這種解調(diào)過程，不同類型的濾波器可以被完全集成在芯片上，例如有源RC(電阻-電容)濾波器、開關(guān)電容濾波器和Gm-C(跨導(dǎo)-電容)濾波器?？梢跃途€性、面積、噪聲和功率等幾方面在各種類型的濾波器之間進(jìn)行比較和折衷。有源RC濾波器具有線性高的優(yōu)點(diǎn)，但是在IC處理步驟中受到元件精度的困擾。開關(guān)電容濾波器可以很精確并且提供線性，但是具有高噪聲指數(shù)，并且需要高的時(shí)鐘頻率來對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽樣。在用于IF(中頻)段的高性能電子電路中，優(yōu)選使用模擬濾波器以為高速應(yīng)用提供低成本和低功耗。Gm-C濾波器可以提供頻率可調(diào)性，但是這種濾波器可能也要忍受Gm模塊的元件偏差以及低線性的影響。
因此，一直以來都需要更好的方式來提供在頻率轉(zhuǎn)換過程中的濾波，同時(shí)為操作高數(shù)據(jù)率的無線收發(fā)器提供靈活性。


在本申請(qǐng)文件的結(jié)論部分特別指出并清楚地要求了本發(fā)明的保護(hù)主題。然而，本發(fā)明關(guān)于操作的組織和方法，以及本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)在結(jié)合附圖參考以下詳細(xì)描述時(shí)可以得到最好的理解，其中圖1圖示了可被合并到無線通信設(shè)備的收發(fā)器中的本發(fā)明的特征；圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明使用多個(gè)有損積分器部分的Gm-C濾波器，其中每個(gè)有損積分器部分都具有放大器、積分電容器C和電阻器R0；圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的Gm增強(qiáng)電路的一個(gè)實(shí)施方案；圖4圖示了具有阻抗ZLOAD的負(fù)載電路，該電路設(shè)置公共模式電壓VCM；圖5圖示了用于有損積分器的負(fù)反饋(degeneration)阻抗的實(shí)施方案；圖6圖示了對(duì)于理想積分器k＝0的濾波器響應(yīng)以及對(duì)于有損積分器k＝0.3的濾波器響應(yīng)；圖7圖示了具有k＝1的Gm-C濾波器的具體實(shí)施方案；以及圖8圖示了在具有k＝1的Gm-C濾波器中使用的用于有損積分器的負(fù)反饋?zhàn)杩埂?br> 可以理解，為了圖示簡(jiǎn)單和清楚，在附圖中示出的元件不一定是按比例繪制的。例如，為清楚起見，有些元件的尺寸可能相對(duì)于其他元件被夸大了。另外，在適當(dāng)?shù)牡胤?，在各個(gè)附圖之間重復(fù)一些標(biāo)號(hào)以表示相對(duì)應(yīng)或相似的元件。
具體實(shí)施例方式
在以下詳細(xì)描述中，闡述了很多具體的細(xì)節(jié)，以提供對(duì)本發(fā)明的完整理解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，沒有這些具體的細(xì)節(jié)也可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。此外，沒有詳細(xì)描述公知的方法、過程、組件和電路，以免模糊了本發(fā)明。
在說明書和權(quán)利要求書中，可能會(huì)使用術(shù)語“耦合到”和“連接到”及其衍生詞。應(yīng)當(dāng)理解，這些術(shù)語不想彼此成為同義詞。相反，在具體的實(shí)施方案中，“連接到”可以用來表示兩個(gè)或兩個(gè)以上的元件彼此直接物理接觸或電接觸。“耦合到”可以指兩個(gè)或兩個(gè)以上的元件直接物理接觸或電接觸。但是，“耦合到”也可以指兩個(gè)或兩個(gè)以上的元件彼此不直接接觸，但仍然相互協(xié)作或交互。
圖1圖示了可被合并到無線通信設(shè)備10中的本發(fā)明的特征。在模擬前端20中的收發(fā)器通過天線30接收或者發(fā)送調(diào)制信號(hào)。低噪聲放大器(LNA)40放大所接收的信號(hào)，并且混頻器電路50轉(zhuǎn)換調(diào)制信號(hào)的載波頻率，即在發(fā)射器中對(duì)調(diào)制信號(hào)的頻率進(jìn)行上變頻(up-converting)，在接收器中對(duì)調(diào)制信號(hào)的頻率進(jìn)行下變頻(down-converting)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，可以通過濾波器60對(duì)下變頻后的信號(hào)進(jìn)行濾波，并且由模數(shù)轉(zhuǎn)換器70轉(zhuǎn)換成數(shù)字表示?；鶐Ш蛻?yīng)用處理器80與模擬前端20相連，一般而言，用于在通信設(shè)備10中提供對(duì)所接收的數(shù)據(jù)的數(shù)字處理。
模擬前端20可以與處理器80嵌入在一起，作為混合模式集成電路，可替換地，模擬前端20可以是一個(gè)獨(dú)立的射頻(RF)集成電路。因此，本發(fā)明的實(shí)施方案可以用在多種應(yīng)用中，其中將所要求保護(hù)的主題合并到微控制器、通用微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、精簡(jiǎn)指令集計(jì)算(RISC)、復(fù)雜指令集計(jì)算(CISC)以及其他電子元件中。具體地說，本發(fā)明可以用在智能電話、通信裝置和個(gè)人數(shù)字助手(PDA)、基帶和應(yīng)用處理器、醫(yī)學(xué)或生物技術(shù)器械、汽車安全和保護(hù)裝備和汽車信息娛樂產(chǎn)品中。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的范圍并不限于這些實(shí)施例。
此外，可以在以下無線設(shè)備中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的原理，所述無線設(shè)備在碼分多址(CDMA)蜂窩網(wǎng)絡(luò)(例如IS-95、CDMA 2000和UMTS-WCDMA)中相互連接，并且分布在某一區(qū)域中用于提供小區(qū)(cell)覆蓋以實(shí)現(xiàn)無線通信。另外，可以在無線局域網(wǎng)(WLAN)、802.11、正交頻分復(fù)用(OFDM)和超寬帶(UWB)等當(dāng)中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的原理。
存儲(chǔ)器器件90可被連接到處理器80，以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和/或指令。在一些實(shí)施方案中，存儲(chǔ)器器件90可以是易失性存儲(chǔ)器，例如靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(SRAM)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(DRAM)或同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(SDRAM)，雖然所要求保護(hù)主題的范圍在這方面并不受限。在替換性的實(shí)施方案中，存儲(chǔ)器器件可以是非易失性存儲(chǔ)器，例如電可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)、電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)、閃存(NAND或NOR型，每單元包括多個(gè)位)、鐵電介質(zhì)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(FRAM)、聚合物鐵電隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(PFRAM)、磁性隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(MRAM)、相變化存儲(chǔ)器(OUM)、盤存儲(chǔ)器(例如電機(jī)械式硬盤、光盤、磁盤)或者能夠存儲(chǔ)指令和/或數(shù)據(jù)的任何其他器件。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的范圍不受限于這些實(shí)施例。
圖2圖示了使用多個(gè)Gm-C濾波器部分的跨導(dǎo)-C濾波器，所述Gm-C濾波器部分由放大器、電容器C和電阻器R0組成?？鐚?dǎo)體基本上是要求輸出電流與輸入電壓具有線性關(guān)系的跨導(dǎo)單元(輸入電壓產(chǎn)生輸出電流)。這個(gè)輸出電流被施加到積分電容器?？鐚?dǎo)-C濾波器可以容易地以全集成的形式實(shí)現(xiàn)，與大多數(shù)期望技術(shù)中的其余的、通常數(shù)字式的，系統(tǒng)兼容。放大器和電容器為跨導(dǎo)-C或Gm-C濾波器提供了簡(jiǎn)單的構(gòu)建模塊，它們被很好地調(diào)適來提供快速并且容易調(diào)諧的連續(xù)時(shí)間濾波器。電阻器形成放大器的有限輸出阻抗。
濾波器60表現(xiàn)出低功耗和高頻操作，并且為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確性，可以對(duì)濾波器進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的任務(wù)是使本發(fā)明的特征提供一種簡(jiǎn)單但高準(zhǔn)確性的方法。Gm-C濾波器60在跨導(dǎo)體模塊中使用有損積分器來減小通帶中的衰減，最大化阻帶中的衰減，并且減少濾波器級(jí)數(shù)。利用Gm-C濾波器60來補(bǔ)償Gm電路中的輸出阻抗，就可以減小濾波器與頻率相關(guān)的失真，并且可以減少濾波器功耗。圖2示出了有損積分器，圖中有損Gm-C積分器220與有損Gm-C積分器230和有損Gm-C積分器240級(jí)聯(lián)。狀態(tài)可變?yōu)V波器結(jié)構(gòu)具有反饋系數(shù)-a2、-a1和-a0和前饋系數(shù)b2、b1和b0，其中求和電路210對(duì)三個(gè)反饋系數(shù)求和，求和電路250對(duì)三個(gè)前饋系數(shù)求和。
注意，單個(gè)積分器的傳輸函數(shù)由下式給出H(s)=Gm/Cs+1/(R0C),]]>其中Gm是積分器的跨導(dǎo)，C是在積分器的輸出端的容抗，R0是放大器的有限輸出阻抗。
有損Gm-C積分器的極點(diǎn)位于以下頻率處ωP＝1/(R0C)。
注意，不考慮積分器的輸出阻抗，所述傳輸函數(shù)由下式給出
Vout(s)Vin(s)=bnsn+bn-1sn-1+...+b1s+b0sn+1+ansn+an-1sn-1+...+a1s+a0]]>方程(1)然而，根據(jù)本發(fā)明的特征，在跨導(dǎo)體模塊中使用有損積分器的Gm-C濾波器60的傳輸函數(shù)由下式給出Vout(Ω)Vin(Ω)=b‾nΩn+b‾n-1Ωn-1+....+b‾1Ω+b‾0Ωn+1+a‾nΩn+a‾n-1Ωn-1+....+a‾1Ω+a‾0]]>方程(2)方程(1)代表無損傳輸函數(shù)，通過對(duì)方程(1)進(jìn)行頻率變換，它可以被轉(zhuǎn)換成代表有損傳輸函數(shù)的方程(2)，所述頻率變換為1sω0+ωpω0⇔1Ωω0]]>或者sΩ-k，其中，ω0=GmC;]]>k=ωpω0,]]>并且Ω是新的頻率變量。
因此，新提出的改進(jìn)濾波器傳輸特性的調(diào)節(jié)方法是基于對(duì)結(jié)構(gòu)系數(shù)的修改。通過進(jìn)行頻率變換，由跨導(dǎo)體輸出電阻引起的單位增益頻率處的相位領(lǐng)先可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)與信號(hào)前饋路徑相關(guān)聯(lián)的正零點(diǎn)的頻率來補(bǔ)償。
圖3圖示了Gm增強(qiáng)電路的一個(gè)實(shí)施方案，該電路具有大約為1/ZDEG的等效Gm，其中ZDEG是負(fù)反饋?zhàn)杩?34。濾波器60是一個(gè)放大器(Gm放大器)，它將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出電流信號(hào)。差分輸入電壓VIN-和VIN+是在各自的晶體管328和340的柵極處接收到的。輸出電流I01和102是從各自晶體管320和346的漏極端提供的。
P溝道晶體管322和348被連接到各自的晶體管320和346，用P溝道晶體管的柵極來接收公共模式反饋信號(hào)(VCMFB)。公共模式反饋電路通過調(diào)整公共模式輸出電流，為全差分模擬系統(tǒng)穩(wěn)定公共模式電壓。被供給晶體管312的電壓VCM與被供給晶體管314的公共模式參考電壓VREF之間進(jìn)行比較，而將差分電壓VCMFB提供給晶體管322和348。
圖4圖示了具有阻抗為ZLOAD的公共模式負(fù)載電路310，該電路設(shè)置被供給晶體管312(見圖3)的電壓VCM。多個(gè)N溝道晶體管串行連接并且與多個(gè)串行連接的P溝道晶體管并聯(lián)，所述N溝道晶體管的柵極接收電壓VDD，所述P溝道晶體管的柵極接收電壓VSS。公共模式負(fù)載電路310接收差分輸入電壓VIN-和VIN+，并且生成被提供給積分器的公共模式信號(hào)VCM。
圖5圖示了用級(jí)聯(lián)的晶體管實(shí)現(xiàn)的負(fù)反饋?zhàn)杩?34，其運(yùn)行在三極管區(qū)中并且具有阻抗ZDEG。N溝道晶體管接收控制電壓VTUNE，通過串行排列，為每個(gè)晶體管提供最小的漏源電壓降，并且提供基本線性的操作。
圖6圖示了對(duì)于理想積分器k＝0的濾波器響應(yīng)，以及對(duì)于有損積分器k＝0.3的濾波器響應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明所提供的方法例如可以為具有10MHz轉(zhuǎn)角頻率(corner frequency)的三階基帶橢圓低通濾波器改善濾波器傳輸特征。包括有損積分器的Gm-C濾波器60的設(shè)計(jì)可以是k值為0.3的情形，但是注意，如果使用理想積分器的話，濾波器響應(yīng)可以基本上是k值為0的濾波器的響應(yīng)。波形610對(duì)應(yīng)于k＝0.3的濾波器響應(yīng)，而波形620對(duì)應(yīng)于k＝0的濾波器響應(yīng)。因此，通過施加在方程2中所示的變換，被設(shè)計(jì)為k＝0.3的、使用有損Gm-C積分器的濾波器響應(yīng)可以復(fù)制被設(shè)計(jì)為k＝0并且具有無損Gm-C積分器的理想濾波器的濾波器頻率響應(yīng)。
參考方程2，在分子中的系數(shù)在變換之后沒有實(shí)質(zhì)性的改變，但是在分母中的系數(shù)被實(shí)質(zhì)性地改變了。舉例來說，在分子中的系數(shù)對(duì)于k＝0的情況來說可以具有{0.016，0，0.584}的值，對(duì)于k＝0.3的情況來說可以具有{0.016，-0.009，0.585}的值。但是，在變換之后，分母中的系數(shù)對(duì)于k＝0來說可以具有{1，1.094，1.35，0.58}的值，對(duì)于k＝0.3來說具有{1，0.19，0.96，0.25}的值。因此，根據(jù)本發(fā)明，系數(shù)值的變換可以是分母中的很大改變，以便獲得理想的傳輸特性。
圖7和圖8圖示了k＝1的Gm-C濾波器60的具體實(shí)施方案以及同樣對(duì)應(yīng)于k＝1情形的負(fù)反饋?zhàn)杩?34(見圖3)的實(shí)施方案。注意，在k＝1的這一具體情況下，可以將積分電容器插入在級(jí)聯(lián)的晶體管之間。具體地說，圖8示出了位于負(fù)反饋?zhàn)杩?34中的積分電容器814通過晶體管810和812被耦合到節(jié)點(diǎn)332(見圖3)，并且通過晶體管816和818被耦合到節(jié)點(diǎn)336。在這個(gè)實(shí)施方案中，與圖2中所示的實(shí)施方案相比，當(dāng)k＝1時(shí)，積分電容器被從積分器的輸出端移走，并被放置在負(fù)反饋?zhàn)杩?34中。
為簡(jiǎn)化起見，濾波器60的幾個(gè)實(shí)施方案所示出的積分器都具有單端信號(hào)。在大多數(shù)集成應(yīng)用中，希望使信號(hào)保持為全差分的。全差分電路具有更好的抗噪聲特性和失真特性。因此，在這些實(shí)施方案中所使用的Gm-C積分器可以是單端的或者全差分的。
雖然這里已經(jīng)圖示并描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)作出很多修改、替換、改變和等同物。因此，可以理解，所附權(quán)利要求想要覆蓋落入本發(fā)明真正精神內(nèi)的所有這些修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括通過對(duì)濾波器傳輸函數(shù)的頻率變換，為跨導(dǎo)濾波器選擇反饋系數(shù)，以在所述跨導(dǎo)濾波器中形成有損積分器，所述反饋系數(shù)不同于無損積分器的反饋系數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，當(dāng)為所述跨導(dǎo)濾波器選擇反饋系數(shù)時(shí)，形成所述有損積分器的有限輸出阻抗還包括修改所述跨導(dǎo)濾波器的k值。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括為所述跨導(dǎo)濾波器選擇前饋系數(shù)，對(duì)于所述有損積分器和所述無損積分器來說，所述前饋系數(shù)基本相同。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過對(duì)濾波器傳輸函數(shù)的頻率變換，為跨導(dǎo)濾波器選擇反饋系數(shù)還包括定義新的頻率變量。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述跨導(dǎo)濾波器中級(jí)聯(lián)多個(gè)有損積分器。
6.一種方法，包括對(duì)于使用有損積分器的跨導(dǎo)濾波器，合并反饋系數(shù)和前饋系數(shù)，以基本上復(fù)制使用無損積分器的跨導(dǎo)濾波器響應(yīng)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括對(duì)于與具有無損積分器的跨導(dǎo)濾波器的濾波器k值不同的濾波器k值，通過選擇所述反饋系數(shù)，形成所述有損積分器的有限輸出阻抗。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括用串行連接的有損積分器來構(gòu)建所述跨導(dǎo)濾波器。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述跨導(dǎo)濾波器還包括對(duì)所述反饋系數(shù)求和。
10.一種方法，包括提供Gm-C濾波器，其中所述Gm-C濾波器的系數(shù)被設(shè)計(jì)為使得有損積分器的有限阻抗提供濾波器頻率響應(yīng)，該濾波器頻率響應(yīng)基本上復(fù)制理想Gm-C濾波器。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括提供具有有損積分器傳輸函數(shù)的Gm-C濾波器，其中所述Gm-C濾波器的反饋系數(shù)實(shí)質(zhì)上不同于理想Gm-C濾波器的反饋系數(shù)。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述有損積分器還包括提供具有至少兩個(gè)晶體管的負(fù)反饋?zhàn)杩?，并且將積分電容器放置在所述晶體管之間。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括利用串行連接的有損積分器和放大器來構(gòu)建所述Gm-C濾波器。
14.一種系統(tǒng)，包括混頻器電路，該電路被耦合來接收被下變頻的調(diào)制信號(hào)，從而提供信號(hào)；包括Gm-C濾波器的處理器，所述Gm-C濾波器具有有損積分器，其系數(shù)使該Gm-C濾波器提供的濾波器頻率響應(yīng)基本上復(fù)制理想Gm-C濾波器；以及位于所述處理器之外，并且經(jīng)由總線被耦合到所述處理器的靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(SRAM)存儲(chǔ)器件。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述Gm-C濾波器包括一串有損積分器，其中每一個(gè)積分器都具有負(fù)反饋?zhàn)杩埂?br> 16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述負(fù)反饋?zhàn)杩拱?jí)聯(lián)的晶體管。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述級(jí)聯(lián)晶體管中至少有一個(gè)通過電容器與所述級(jí)聯(lián)晶體管中的至少另一個(gè)晶體管相互隔離。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述電容器是積分電容器，其被耦合來接收由所述有損積分器之一產(chǎn)生的輸出電流。
19.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，還包括具有阻抗的公共模式負(fù)載電路，該電路為所述有損積分器設(shè)置公共模式電壓，其中所述公共模式負(fù)載電路包括級(jí)聯(lián)的N溝道和P溝道晶體管。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有接收混頻器信號(hào)的跨導(dǎo)濾波器(Gm－C濾波器)的基帶電路。所述Gm－C濾波器包括有損積分器，其系數(shù)使得該濾波器所提供的濾波器頻率響應(yīng)基本上復(fù)制理想Gm－C濾波器的頻率響應(yīng)。
文檔編號(hào)H03H11/12GK1748365SQ200480003936
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2004年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月13日
發(fā)明者莫斯塔法·埃爾瑪拉, 克里舍納默西·索米亞納斯 申請(qǐng)人:英特爾公司