專利名稱：用于調(diào)諧Gm-C濾波器的裝置和方法
用于調(diào)諧Gm-C濾波器的裝置和方法引用數(shù)據(jù)本申請要求提交于2008年6月19日的歐洲專利申請EP08158625的優(yōu)先權(quán)。 發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及Gm-C濾波器，尤其涉及一種包括用于自動(dòng)調(diào)諧gm-C以補(bǔ)償溫度漂移 和制造公差的裝置和方法的系統(tǒng)。相關(guān)技術(shù)說明Gm-C濾波器(也稱OTA-C濾波器)是一種用在包括無線通信應(yīng)用在內(nèi)的許多應(yīng) 用領(lǐng)域中的流行的模擬電子有源濾波器。這些濾波器尤其有吸引力之處在于它們能提供完 全集成的濾波器，從而結(jié)合了低功耗和良好速度兩者。Gm-C濾波器尤其越來越多地用在現(xiàn) 代無線電接收機(jī)中。具體而言，在GPS或GNSS接收機(jī)中，一個(gè)或多個(gè)Gm-C濾波器常被用在 RF前端的IF級。Gm-C濾波器的關(guān)鍵組件是跨導(dǎo)放大器。理想的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA)是具有恒定 跨導(dǎo)的壓控電流源，即提供與其被假定具有無限輸入阻抗的輸入端子之間的電壓差成比 例的電流。Gm-C濾波器包括連接至電容器C的一個(gè)或多個(gè)跨導(dǎo)放大器以用作開環(huán)放大器。

圖1示出了連接至電容器30的由跨導(dǎo)級20構(gòu)成的簡單一階Gm-C濾波器。放大 器331被連接在本地反饋環(huán)路中以合成電阻R= 1/&。此配置是具有以下傳遞函數(shù)的低通 濾波器。
廠輸出二 8i!Sz 廠輸入一 1 +Gm-C濾波器的重要優(yōu)勢在于例如通過改變晶體管級的偏置電流來設(shè)置跨導(dǎo)值gm 的能力?？鐚?dǎo)放大器20安排有增益設(shè)置端子40，通過后者可調(diào)諧截止頻率?；贕m-C技術(shù)的濾波器非常依賴用在其結(jié)構(gòu)中的晶體管和電容器兩者的特性的 絕對值。然而，大多數(shù)工業(yè)IC制造工藝并不能實(shí)現(xiàn)對絕對晶體管增益或電容的嚴(yán)格控制； Gm-C濾波器常常表現(xiàn)出相當(dāng)大的公差和溫度相關(guān)性。在本領(lǐng)域已知通過在相同電路中，優(yōu)選地在相同的半導(dǎo)體管芯中提供匹配的復(fù)制 Gm-C濾波器來調(diào)諧Gm-C濾波器，如圖2中所示。復(fù)制濾波器沈的輸出和輸入通過調(diào)諧電 路連接在一起，由此引入使該復(fù)制濾波器置于振蕩的正反饋。調(diào)諧電路40起PLL的作用， 調(diào)節(jié)復(fù)制濾波器和主濾波器兩者的偏置水平從而用參考時(shí)鐘50來鎖住復(fù)制濾波器沈的振 蕩。假設(shè)主濾波器的Sd值理想地匹配復(fù)制濾波器的Sd值，則截止頻率ω。將被鎖定于該參 考時(shí)鐘的頻率。此解決方案不可避免地導(dǎo)致面積和功耗的增大。盡管這在復(fù)制濾波器只占總體面 積和功率預(yù)算的一小部分的復(fù)雜電路中可能是可以接受的，但在較為簡單的電路中或者在 可用能量非常有限的情形中，例如在電池供電的便攜式裝備如便攜式GPS或GNSS接收機(jī) 中，代價(jià)將非常之大。
復(fù)制濾波器的使用還引入了匹配問題。由于只監(jiān)視該復(fù)制濾波器的參數(shù)，所以由 于復(fù)制和主濾波器電路之間的失配，調(diào)諧精準(zhǔn)度是有限的。
發(fā)明概要因此需要提供一種避免了已知解決方案的缺陷的調(diào)諧Gm-C濾波器的裝置。本發(fā)明的目的在于提供這樣的濾波器，尤其在于提供更小的、免受匹配問題困擾 的、且占用更少硅空間和功耗的濾波器。根據(jù)本發(fā)明，這些目標(biāo)是通過如相應(yīng)類別的獨(dú)立權(quán)利要求所述的系統(tǒng)和方法來實(shí) 現(xiàn)的，從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的較優(yōu)的任選方面。具體而言，這些目標(biāo)是通過一種用于調(diào) 諧Gm-C濾波器的裝置來實(shí)現(xiàn)的，該裝置包括Gm-C濾波器，其包括一個(gè)或多個(gè)互連的Gm-C 單元，這些Gm-C單元具有跨導(dǎo)放大器、調(diào)諧端子、以及取決于該調(diào)諧端子上的電子值的跨 導(dǎo)增益；該Gm-C濾波器包括一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件，這些開關(guān)元件允許將該Gm-C濾波器配置 成校準(zhǔn)配置和濾波配置；數(shù)字控制器，其操作性地安排成在校準(zhǔn)配置下測量Gm-C濾波器的 響應(yīng)并根據(jù)該響應(yīng)生成數(shù)字調(diào)諧值；數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其將該數(shù)字調(diào)諧值轉(zhuǎn)換成模擬調(diào)諧信號 以饋送至Gm-C單元的調(diào)諧端子；由此，該裝置操作性地安排成在校準(zhǔn)配置下收斂至預(yù)定義 的響應(yīng)，并且數(shù)模轉(zhuǎn)換器操作性地安排成在濾波配置下維持所得到的調(diào)諧信號。附圖簡述本發(fā)明在對作為示例給出并通過附圖示出的實(shí)施例的描述的幫助下將被更好地 理解，附圖中圖1示意性地示出了已知類型的Gm-C積分器。圖2示意性地示出了可調(diào)諧Gm-C濾波器的已知結(jié)構(gòu)。圖3示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的Gm-C濾波器的整體架構(gòu)。圖4和5更詳細(xì)地示出了本發(fā)明的實(shí)施例；該電路可配置成濾波配置和調(diào)諧配置。本發(fā)明可能實(shí)施例的詳細(xì)描述圖3示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的第一方面的Gm-C濾波器。該系統(tǒng)包括可調(diào)諧Gm-C 濾波器35、調(diào)諧控制器47和開關(guān)51。必須理解，圖3是本發(fā)明的濾波器的簡化表示，目的 在于以高級功能塊的方式解釋其一般性結(jié)構(gòu)，而不是詳細(xì)圖示。開關(guān)51允許兩種工作狀態(tài)。在第一狀態(tài)下(濾波狀態(tài))，即圖中所表示的狀態(tài)下， 濾波器35的輸入與輸入端子10連接，而調(diào)諧控制器47生成的調(diào)諧信號48是固定的。電 路35作為濾波器工作，其頻率響應(yīng)由調(diào)諧信號48的值決定。當(dāng)需要對調(diào)諧進(jìn)行調(diào)整時(shí)，開關(guān)51改變狀態(tài)。在調(diào)諧狀態(tài)下，濾波器47的輸入與 調(diào)諧控制器47的輸出連接，后者具有從濾波器35的輸出信號12導(dǎo)出的信號，從而引入了 正反饋，這將濾波器置于自持續(xù)振蕩中。濾波器35在此狀態(tài)下作為VCO運(yùn)行，其中調(diào)諧端 子起控制作用。校準(zhǔn)狀態(tài)下的振蕩頻率與濾波狀態(tài)下濾波器的頻率響應(yīng)有關(guān)。數(shù)字調(diào)諧控制器包 括數(shù)字電路，后者關(guān)于時(shí)鐘信號50測量振蕩的周期并根據(jù)預(yù)編程的校準(zhǔn)方案生成數(shù)字調(diào) 諧值，從而將振蕩周期帶到合意值。此數(shù)字調(diào)諧值被DAC轉(zhuǎn)換成調(diào)諧信號48，后者被饋送至 濾波器35的調(diào)諧輸入。這樣，振蕩周期在短瞬間后收斂至合意值。當(dāng)校準(zhǔn)循環(huán)完成時(shí)，系 統(tǒng)返回到濾波狀態(tài)。數(shù)字調(diào)諧值在正常濾波期間被保持在寄存器中，從而可以無限期地維持該調(diào)諧值。本發(fā)明由此在能夠中斷且不要求濾波器持續(xù)操作的系統(tǒng)中提供了完全去除復(fù)制 濾波器的可能性。調(diào)諧控制器只有在典型地持續(xù)僅數(shù)毫秒的校準(zhǔn)循環(huán)期間才活躍，并且可 在正常工作中被關(guān)斷，由此對于功耗的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)。校準(zhǔn)循環(huán)的頻率是根據(jù)所希望的 穩(wěn)定性和期望的溫度梯度來選擇的，并且典型地為每數(shù)秒一次校準(zhǔn)。根據(jù)本發(fā)明的變形，調(diào)諧控制器47在校準(zhǔn)模式下在濾波器35的輸入處注入信號， 并測量濾波器35的傳播延遲。調(diào)諧信號48隨后被校正以獲得對應(yīng)合意頻率響應(yīng)的目標(biāo)延 遲值。圖4和5解說了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的系統(tǒng)的濾波狀態(tài)和校準(zhǔn)狀態(tài)。圖4示出了 具有兩個(gè)以電容器311和312為負(fù)載的跨導(dǎo)放大器310和320以提供兩個(gè)積分器級的雙二 階Gm-C濾波器。第三跨導(dǎo)放大器304的輸出被負(fù)反饋至其輸入，從而合成設(shè)置濾波器的品 質(zhì)因素的負(fù)載電阻1/& 。該濾波器既可在低通模式下使用，即在第一跨導(dǎo)放大器310 的輸入處注入輸入信號，又可在帶通模式下使用，即在第一跨導(dǎo)放大器310和第二跨導(dǎo)放 大器320之間注入輸入信號。放大器301和312是分別用于帶通輸入和低通輸入的輸入緩 沖器。 圖4的電路是相對簡單的濾波器，能被有用地采用作為例如GNSS接收機(jī)之類的RF 接收機(jī)的例如中頻級中的IF濾波器。然而，本發(fā)明并不限于特定濾波器配置，并且適用于 任何Gm-C可調(diào)諧濾波器。圖5描繪了處于校準(zhǔn)配置的相同電路。當(dāng)在數(shù)字控制器42的“調(diào)諧”輸入421上 接收到命令信號之際進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)，該命令信號進(jìn)而翻轉(zhuǎn)開關(guān)510a、510b、510c、和510d。 在此配置中，輸出跨導(dǎo)放大器304上的反饋?zhàn)優(yōu)檎答?，從而此單元合成?fù)電阻，并且整個(gè) 濾波器電路被配置成振蕩器。該振蕩器的諧振頻率是由在前元件310、320、311、和312的^ 和C值決定的。這意味著電路作為濾波器運(yùn)行的諧振頻率與電路重新配置為自激振蕩器的 諧振頻率相同——對跨導(dǎo)放大器310和320的調(diào)諧是同等的。構(gòu)成濾波器和振蕩器的組件 完全相同而不是復(fù)制的這一事實(shí)解決了所有匹配問題。并且節(jié)點(diǎn)處的雜散電容在切換配置 時(shí)并不改變，所以它們對振蕩器的振蕩頻率或?qū)V波器的中心頻率的影響是相同的。振蕩的振幅不應(yīng)在飽和區(qū)或在非線性工作區(qū)中驅(qū)動(dòng)濾波器是重要的。在校準(zhǔn)配置 下，電路包括振幅調(diào)節(jié)環(huán)路?？鐚?dǎo)放大器304的輸入不與其他gm輸入相連，而是通過開 關(guān)510d由振幅調(diào)節(jié)電路350單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，振幅調(diào)節(jié)電路350在振幅增大時(shí)降低最后一級的增 益。由于振蕩頻率是由先前級310、320決定的，所以輸出級的增益可以獨(dú)立地修改而不影 響到校準(zhǔn)。該電路穩(wěn)定在其線性范圍內(nèi)的工作點(diǎn)上，而不超過動(dòng)態(tài)極限。振蕩波形是正弦 的。振幅調(diào)節(jié)電路可包括以如圖中所示的峰值檢波器配置連接的二極管和電容器、或 者任何其他等效電路。振蕩信號被預(yù)比例器(prescalerHl分頻，以便將其頻率帶到便利值，并隨后由 數(shù)字控制器42處理。數(shù)字控制器關(guān)于參考時(shí)鐘信號50來測量經(jīng)分頻的振蕩信號的周期或 頻率，并基于測得的周期或頻率生成數(shù)字調(diào)諧信號43。DAC44被用于提供模擬調(diào)諧信號48， 后者被施加于跨導(dǎo)放大器310、320 Wgm控制輸入，從而閉合控制環(huán)路。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，本發(fā)明的濾波器被用作GPS RF前端中的中頻濾波器。IF信號具有90-100MHZ的載波頻率，并且這也是該電路在圖5的校準(zhǔn)配置下的振蕩頻率。 預(yù)比例器41例如用比例因子1 或256對頻率進(jìn)行分頻，并且控制器42在由IOMHz的時(shí) 鐘信號提供的時(shí)基上測量該周期。然而其他應(yīng)用也是可能的?？鐚?dǎo)放大器310、320的gm典型地由gm單元的晶體管偏置電流控制。DAC 44優(yōu)選 地使用加權(quán)電流源實(shí)現(xiàn)。通過使用PTAT (正比于絕對溫度)源，該電路在溫度上幾乎是可完 全得到補(bǔ)償?shù)?，從而濾波器校準(zhǔn)不得不主要應(yīng)對工藝擴(kuò)散(process spread)。這樣，校正值 43的動(dòng)態(tài)特性被降低，結(jié)果偏置源的數(shù)目、邏輯和總線帶寬隨之降低，并且相繼校準(zhǔn)之間的 時(shí)間可以更長。數(shù)字控制器的使用允許無限期地存儲(chǔ)控制值。模擬實(shí)現(xiàn)將是可能的，但需要更多 的頻率調(diào)諧操作以刷新此值。優(yōu)選地，校正值在兩次相繼校準(zhǔn)之間被存儲(chǔ)在寄存器440中， 從而DAC 44可產(chǎn)生恒定的調(diào)諧信號。在濾波配置下，預(yù)比例器41優(yōu)選地被停掉，并且控制 器42被切斷或置于低功率模式。這樣，控制電路對于功耗和開關(guān)噪聲的影響貢獻(xiàn)可以忽略 不計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種用于調(diào)諧Gm-C濾波器的裝置，包括Gm-C濾波器，其包括一個(gè)或多個(gè)互連的Gm-C單元(310、311 ；320、312)，所述Gm-C單 元具有跨導(dǎo)放大器(310、320)、調(diào)諧端子、以及取決于所述調(diào)諧端子上的電子值的跨導(dǎo)增益 (gm)；所述Gm-C濾波器包括一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件(510a、510b、510c、5IOd)，所述開關(guān)元件允 許將所述Gm-C濾波器配置成校準(zhǔn)配置和濾波配置；數(shù)字控制器(42)，其操作性地安排成在所述校準(zhǔn)配置下測量所述Gm-C濾波器的響應(yīng) 并根據(jù)所測得的響應(yīng)生成數(shù)字調(diào)諧值G2)；數(shù)模轉(zhuǎn)換器(44)，其將所述數(shù)字調(diào)諧值轉(zhuǎn)換成模擬調(diào)諧信號08)以饋送至所述Gm-C 單元的所述調(diào)諧端子；由此，所述裝置操作性地安排成在所述校準(zhǔn)配置下收斂至預(yù)定義的響應(yīng)，并且所述數(shù) 模轉(zhuǎn)換器G4)操作性地安排成在所述濾波配置下維持所得到的調(diào)諧信號。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述Gm-C濾波器的所述校準(zhǔn)配置是自激振 蕩器；其中所述數(shù)字控制器0 操作性地安排成測量所述Gm-C濾波器在所述校準(zhǔn)配置下的 振蕩的周期或頻率，并根據(jù)測得的周期或頻率生成數(shù)字調(diào)諧值G3)。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述數(shù)字控制器操作性地安排成測量校準(zhǔn) 信號在所述Gm-C濾波器中的傳播延遲，并根據(jù)所測得的延遲生成數(shù)字調(diào)諧值G3)。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述濾波器包括振幅調(diào)節(jié)單元(350)，其操 作性地安排成當(dāng)所述Gm-C濾波器處于所述校準(zhǔn)配置下時(shí)限制正向增益，從而將振蕩振幅 維持在所述Gm-C濾波器的線性工作范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述Gm-C濾波器包括本地反饋環(huán)路中的輸 出放大器(304)，由此本地反饋在所述濾波配置和所述校準(zhǔn)配置下有相反的正負(fù)號。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述輸出放大器(304)在所述濾波配置下被 配置成正的負(fù)載電阻，而在所述校準(zhǔn)配置下被配置成負(fù)電阻。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，還包括振幅控制環(huán)路中的振幅調(diào)節(jié)單元 (350)，其安排成修改所述Gm-C濾波器的輸出放大器(304)的跨導(dǎo)。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器G4)包括PTAT加權(quán)電流源。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，包括寄存器G40)，其操作性地安排成在所 述濾波配置下存儲(chǔ)所述數(shù)字調(diào)諧值G3)。
10.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，還包括預(yù)比例器(41)，其操作性地安排成 用給定比例因子對所述Gm-C濾波器在所述校準(zhǔn)配置下的振蕩頻率進(jìn)行分頻。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述數(shù)字控制器G2)操作性地安排成當(dāng)所 述濾波器處在所述濾波配置下時(shí)進(jìn)入斷電模式或低功率模式。
12.用于GNSS接收機(jī)的RF處理器，包括如在前權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置。
全文摘要
一種用于控制可調(diào)諧的Gm-C濾波器的裝置，包括濾波器，其可通過翻轉(zhuǎn)輸出放大器(304)的反饋正負(fù)號而被重新配置成自激振蕩器；對校準(zhǔn)配置下濾波器的輸出敏感的數(shù)字控制器(42)；以及DAC(44)，其向構(gòu)成濾波器的跨導(dǎo)放大器(310、320)的gm輸入提供模擬控制信號(48)。
文檔編號H03H11/12GK102067448SQ200980123457
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月19日
發(fā)明者C·坎托洛, F·皮薩 申請人:高通股份有限公司