專(zhuān)利名稱(chēng)：用于采樣數(shù)據(jù)濾波器的隔直流裝置和技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及集成采樣數(shù)據(jù)濾波器以及具體的采樣數(shù)據(jù)濾波器中使用的集成電路的隔直流。
采樣數(shù)據(jù)積分器的一個(gè)例子是開(kāi)關(guān)電容積分器。如

圖1所示的無(wú)損耗開(kāi)關(guān)電容積分器在集成電路(IC)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，使用開(kāi)關(guān)電容克服了其它的電阻和電容組合產(chǎn)生的加工容許偏差。運(yùn)行時(shí)，通過(guò)以時(shí)間常數(shù)近似為τ=C2fclock·C1]]>的用于開(kāi)關(guān)電容積分器100的交替充電通路，對(duì)電容C1以周期速率fclock充電。
由于時(shí)間常數(shù)是電容比的函數(shù)，所有加工偏差消掉了。開(kāi)關(guān)電容積分器100的附加輸入可用，耦合附加電容實(shí)現(xiàn)，比如節(jié)點(diǎn)102處的電容C3。電容C3的值被選擇為與電容C1的值等效，并且被以相同的周期速率fclock，維持相同的時(shí)間常數(shù)開(kāi)閉。在多路輸入端
，Vin1,
,Vin2之間產(chǎn)生了一個(gè)求和點(diǎn)。
開(kāi)關(guān)電容積分器常用于積分式梯形濾波器設(shè)計(jì)，圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)易的集成采樣數(shù)據(jù)梯形濾波器200的框圖，其中每一塊表示一個(gè)用ki表示它的單位增益頻率的開(kāi)關(guān)電容積分器，濾波器200代表了一個(gè)普通的開(kāi)關(guān)電容低通濾波器，濾波器200可在多種應(yīng)用中使用，比如無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)中噪音和聲頻的信號(hào)處理。
圖3顯示了一個(gè)兩極點(diǎn)開(kāi)關(guān)電容低通濾波器的典型的仿真的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)300。頻率響應(yīng)曲線(xiàn)300以頻率用赫茲(Hz)沿橫軸與增益用分貝(dB)沿縱軸的形式顯示，具有一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率fd302。
無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的各個(gè)級(jí)(stage)會(huì)產(chǎn)生直流偏置，并且許多無(wú)線(xiàn)電電路，比如靜噪和音頻電路，會(huì)由于這些偏置的存在造成性能下降。梯形濾波器耦合于其間的兩級(jí)，其中一級(jí)產(chǎn)生帶直流偏置的交流信號(hào)而同時(shí)另一級(jí)對(duì)這偏置敏感的情況并非不常見(jiàn)。在濾波器200前后，在梯形濾波器200的輸入處引起的任何直流偏置Vin，將在輸出的Vout中再現(xiàn)。過(guò)去，這些直流偏置通過(guò)使用在濾波器200的前面或后面位于芯片外部的分立電容隔離掉。當(dāng)無(wú)線(xiàn)電電路的不同級(jí)位于分離的諸集成電路(IC)時(shí)這樣做是適當(dāng)?shù)?，?dāng)這些電路存在于片上(on-chip)時(shí)，這就是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檫@些需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)低轉(zhuǎn)折頻率的太大的隔直電容或難以集成。
由于發(fā)展方向趨于增加集成度，在片外(off-chip)耦合外部元件的能力產(chǎn)生了許多設(shè)計(jì)問(wèn)題?？臻g和尺寸約束被限定，并且每個(gè)管腳引出線(xiàn)增加集成電路的成本。因此需要一個(gè)用于集成采樣數(shù)據(jù)濾波器的片上隔直流電路。
圖1是一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的開(kāi)關(guān)電容積分器；圖2是一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的采樣數(shù)據(jù)梯形濾波器；圖3是一個(gè)兩極點(diǎn)開(kāi)關(guān)電容梯形濾波器的典型頻率響應(yīng)曲線(xiàn)；圖4根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)帶有隔直流的集成采樣數(shù)據(jù)濾波器；圖5是根據(jù)本發(fā)明的兩極點(diǎn)集成開(kāi)關(guān)電容梯形濾波器的頻率響應(yīng)直線(xiàn)；圖6是使用本發(fā)明濾波器的無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)框圖。
參考圖4，其中顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)提供了片上隔直流的采樣數(shù)據(jù)濾波器400的框圖。濾波器400由多個(gè)采樣數(shù)據(jù)積分器402,404,406,408,410構(gòu)成，配置為一個(gè)梯形結(jié)構(gòu)并提供了有轉(zhuǎn)折頻率fd的低通傳輸功能。多個(gè)采樣數(shù)據(jù)積分器402,404,406,408,410最好由開(kāi)關(guān)電容積分器構(gòu)成，但其它的采樣數(shù)據(jù)積分器，例如開(kāi)關(guān)電流積分器也可使用。但在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，用開(kāi)關(guān)電容積分器的形式討論。
每個(gè)開(kāi)關(guān)電容積分器402,404,406,408,410由一個(gè)表示為ki的單位增益頻率表征。根據(jù)本發(fā)明，濾波器400包含了一個(gè)極大時(shí)間常數(shù)(VLTC)積分器412用于充分地消除出現(xiàn)在濾波器400輸出信號(hào)Vout處的直流偏置。VLTC積分器的時(shí)鐘頻率和積分器的單位增益頻率之間比值極大。VLTC積分器412提供了直流處的一個(gè)零點(diǎn)和低頻f1處的一個(gè)極點(diǎn)，其中f1低于高端轉(zhuǎn)折頻率fd(f1＜fd)。例如，頻率在300赫茲(HZ)以下可以用在低端轉(zhuǎn)折頻率，同時(shí)頻率高于3千赫(KHZ)可以用在高端轉(zhuǎn)折頻率。
圖4中，積分器412顯示為由其單位增益頻率kL所表征。根據(jù)本發(fā)明，低端轉(zhuǎn)折頻率f1可通過(guò)改變單位增益頻率kL而按要求調(diào)整，而不改變通帶中其他部分的頻率響應(yīng)和高端轉(zhuǎn)折頻率fd。反饋通路414中VLTC積分器412的單位增益頻率被選擇為低于諸采樣數(shù)據(jù)積分器的單位增益頻率。
根據(jù)本發(fā)明，VLTC積分器412被耦合到第一開(kāi)關(guān)電容積分器402的負(fù)反饋通路414。一個(gè)帶直流偏置的交流信號(hào)可被視為一個(gè)輸入信號(hào)Vin，連到第一開(kāi)關(guān)電容積分器402的非反相輸入端，并且一個(gè)集成輸出418被產(chǎn)生并通過(guò)極大時(shí)間常數(shù)積分器412被反饋到反饋輸入端420。直流偏置分別在非反相416和反相輸入420的求和結(jié)點(diǎn)被減掉。因此，直流從根本上從濾波器400的輸出信號(hào)Vout中被消除。如具有多個(gè)采樣數(shù)據(jù)積分器的濾波器的配置所顯示的，本發(fā)明的隔直流技術(shù)也應(yīng)用于單個(gè)采樣數(shù)據(jù)積分器構(gòu)成的濾波器。VLTC積分器被耦合到采樣數(shù)據(jù)積分器的負(fù)反饋通路去阻塞直流。
VLTC積分器412可包含任何已知技術(shù)的極大時(shí)間常數(shù)積分器，例如T單元(T-cell)積分器或者由K.Nagaraj完成的發(fā)表于IEEE電路與系統(tǒng)期刊(IEEE-T-CASI)1989年36卷第九期上，題為“實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電容電路極大時(shí)間常數(shù)的非寄生敏感區(qū)域有效方法”的論文，這里一并作為參考。在第一數(shù)據(jù)采樣積分器402的反饋通路中使用一個(gè)VLTC積分器提供了阻塞出現(xiàn)在濾波器輸出端的直流偏置的優(yōu)點(diǎn)。
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)帶有VLTC積分器的集成兩極點(diǎn)開(kāi)關(guān)電容濾波器的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)500的仿真圖。這個(gè)仿真圖使用了與圖3使用的仿真圖相同的兩極點(diǎn)開(kāi)關(guān)電容濾波器，但在反饋通路中附加了VLTC積分器。頻率以赫茲(HZ)沿橫軸表示，同時(shí)增益以分貝(dB)沿縱軸表示。根據(jù)本發(fā)明，VLTC積分器在直流處理提供了一個(gè)零點(diǎn)，在低頻(f1)502處提供了一個(gè)極點(diǎn)，其中f1低于fd504(f1＜fd)。當(dāng)與圖3的圖形比較，很明顯的是通帶和高端轉(zhuǎn)折頻率fd被保持了。因此，沒(méi)有顯著地改變感興趣的諸理想頻率的頻率響應(yīng)就完成了片上耦合。帶有本發(fā)明的VLTC積分器的開(kāi)關(guān)電容濾波器允許任意地靈活控制低端轉(zhuǎn)折頻率并阻塞直流。所有這些優(yōu)點(diǎn)都在片上完成，并保持信號(hào)的完整性。
因此，通過(guò)提供一個(gè)至少具有一個(gè)由時(shí)間常數(shù)控制高端轉(zhuǎn)折頻率來(lái)表征的采樣數(shù)據(jù)積分器的集成采樣數(shù)據(jù)濾波器，并且在采樣數(shù)據(jù)積分器的反饋通路產(chǎn)生一個(gè)預(yù)定的時(shí)間常數(shù)，此“反饋”時(shí)間常數(shù)比涉及采樣數(shù)據(jù)積分器的時(shí)間常數(shù)要長(zhǎng)，這就提供了隔直流技術(shù)，它控制了濾波器的低端轉(zhuǎn)折頻率。改變VLTC積分器的預(yù)定時(shí)間常數(shù)控制此低頻并且在直流處提供一個(gè)零點(diǎn)而不妨礙濾波器高端通帶的響應(yīng)。如果需要移動(dòng)低端轉(zhuǎn)折頻率更靠近高端轉(zhuǎn)折頻率(在通帶內(nèi))，則采樣數(shù)據(jù)積分器的單位增益頻率的預(yù)畸變可用于向上移動(dòng)低端轉(zhuǎn)折點(diǎn)同時(shí)保持其余的通帶。
本發(fā)明的開(kāi)關(guān)電容濾波器可與多種集成電路技術(shù)結(jié)合起來(lái)，比如雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，砷化鎵，以及許多其它技術(shù)。與增加管腳和使用附加的外部元件這兩者比較，極大時(shí)間常數(shù)積分器的費(fèi)用是極少的。使用本發(fā)明的隔直流技術(shù)通過(guò)提供增加的集成度和電路各個(gè)級(jí)之間的片上耦合使技術(shù)向前發(fā)展。
現(xiàn)在參考圖6，它顯示了一個(gè)無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)600的簡(jiǎn)略框圖。一個(gè)射頻(RF)信號(hào)被天線(xiàn)602接收，在前置放大級(jí)604處被放大，并在混頻器606處與本機(jī)振蕩器信號(hào)608混頻產(chǎn)生一個(gè)中頻(IF)信號(hào)610。中頻信號(hào)610在解調(diào)器612處被解調(diào)，并且在由根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的濾波器400處被濾波，以除去從解調(diào)信號(hào)來(lái)的任何直流偏置。一個(gè)經(jīng)濾波的信號(hào)614被送到音頻和噪聲處理電路616,618，不合任何會(huì)降低噪聲抑制的直流偏置，并且音頻性能在揚(yáng)聲器620處提供。這些直流偏置在濾波器400內(nèi)部消掉了，沒(méi)有使用任何外部元件。
因此，提供了允許片上電路的耦合的集成采樣數(shù)據(jù)濾波器，消除了至少一個(gè)集成電路焊盤(pán)和一個(gè)外部耦合電容。所需分立元件數(shù)目的減少獲得了制造費(fèi)用的減少以及周期時(shí)間改進(jìn)的好處。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例被說(shuō)明和描述的同時(shí)，很清楚本發(fā)明是沒(méi)有限制的。如所附權(quán)利要求定義的為數(shù)眾多的技術(shù)上技巧性的調(diào)整，修改，變化，精減和等效將出現(xiàn)而沒(méi)有脫離本發(fā)明的宗旨和范圍。
權(quán)利要求
1.一個(gè)集成的梯形濾波器，包括一個(gè)具有一個(gè)同相輸入端和第一及第二反相輸入端和一個(gè)輸出端的第一采樣數(shù)據(jù)積分器，同相輸入端接收一個(gè)帶有直流偏置的交流信號(hào)；并且一個(gè)第二采樣數(shù)據(jù)積分器具有耦合到第一采樣數(shù)據(jù)積分器的輸出端的同相輸入端，第二采樣數(shù)據(jù)積分器具有耦合到第一采樣數(shù)據(jù)積分器的第一反相輸入端的輸出端，第二采樣數(shù)據(jù)積分器具有耦合到第二采樣數(shù)據(jù)積分器的輸出端的反相輸入端并提供了集成濾波器的輸出，第一和第二采樣數(shù)據(jù)積分器提供了一個(gè)具有預(yù)定的高端轉(zhuǎn)折頻率的低通頻率響應(yīng)；并且一個(gè)第三采樣數(shù)據(jù)積分器具有耦合到第一采樣數(shù)據(jù)積分器的輸出端的輸入端，并且第三采樣數(shù)據(jù)積分器具有耦合到第一采樣數(shù)據(jù)積分器的第二反相輸入端的輸出端，第三采樣數(shù)據(jù)積分器由一個(gè)單位增益頻率表征，單位增益頻率選擇使集成濾波器的傳遞函數(shù)提供一個(gè)在直流處有一個(gè)零點(diǎn)，在低于預(yù)定的高端轉(zhuǎn)折頻率的頻率處有一個(gè)極點(diǎn)。
2.一個(gè)如權(quán)利要求1所描述的集成梯形濾波器，其中第一和第二采樣數(shù)據(jù)積分器包含一個(gè)開(kāi)關(guān)電容積分器。
3.一個(gè)如權(quán)利要求1所描述的集成梯形濾波器，其中集成梯形濾波器的低端轉(zhuǎn)折頻率可由改變第三采樣數(shù)據(jù)積分器的單位增益頻率來(lái)調(diào)整。
4.一個(gè)提供在集成采樣數(shù)據(jù)濾波器內(nèi)隔直流的方法，包括的步驟為提供一種具有第一采樣數(shù)據(jù)積分器和第二采樣數(shù)據(jù)積分器以梯形配置耦合的采樣數(shù)據(jù)梯形濾波器，所述第一和第二采樣數(shù)據(jù)積分器分別提供第一和第二時(shí)間常數(shù)；由第一和第二時(shí)間常數(shù)控制采樣數(shù)據(jù)濾波器的高端轉(zhuǎn)折頻率；提供一個(gè)極大時(shí)間常數(shù)(VLTC)積分器；產(chǎn)生一個(gè)預(yù)定的時(shí)間常數(shù)，預(yù)定的時(shí)間常數(shù)比第一和第二時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)；并且在第一采樣數(shù)據(jù)積分器的反饋通路內(nèi)提供預(yù)定的時(shí)間常數(shù)來(lái)為采樣數(shù)據(jù)濾波器產(chǎn)生一個(gè)低端轉(zhuǎn)折頻率和直流處的零點(diǎn)。
5.權(quán)利要求4的方法，進(jìn)一步地包括改變預(yù)定的時(shí)間常數(shù)來(lái)調(diào)整采樣數(shù)據(jù)濾波器的低端轉(zhuǎn)折頻率的步驟。
6.一個(gè)采樣數(shù)據(jù)濾波器集成電路，包括分別由第一和第二單位增益頻率表征的第一和第二積分器電路，第一和第二采樣數(shù)據(jù)積分器以梯形配置耦合并提供一個(gè)具有預(yù)定高端轉(zhuǎn)折頻率的頻率響應(yīng)；并且一個(gè)具有低于第一和第二轉(zhuǎn)折頻率的單位增益頻率的極大時(shí)間常數(shù)(VLTC)積分器，VLTC積分器在第一采樣數(shù)據(jù)積分器的負(fù)反饋通路內(nèi)耦合，VLTC積分器的單位增益頻率控制著頻率響應(yīng)的預(yù)定低端轉(zhuǎn)折頻率的極點(diǎn)，VLTC積分器提供頻率響應(yīng)的直流處的零點(diǎn)。
7.如權(quán)利要求6所描述的一個(gè)采樣數(shù)據(jù)濾波器集成電路，其中VLTC積分器的單位增益頻率，頻率響應(yīng)的預(yù)定低端轉(zhuǎn)折頻率是可調(diào)的。
8.一個(gè)集成濾波器，包括多個(gè)采樣數(shù)據(jù)積分器以梯形配置耦合提供一個(gè)高端轉(zhuǎn)折頻率并接收一個(gè)帶直流偏置的交流信號(hào)，多個(gè)采樣數(shù)據(jù)積分器至少含有一個(gè)第一采樣數(shù)據(jù)積分器；并且一個(gè)極大時(shí)間常數(shù)(VLTC)積分器在第一采樣數(shù)據(jù)積分器的反饋通路內(nèi)耦合，上述(VLTC)積分器控制集成濾波器的低端轉(zhuǎn)折頻率響應(yīng)，并提供直流的一個(gè)零點(diǎn)。
9.如權(quán)利要求8所描述的一個(gè)集成濾波器，其中通過(guò)改變VLTC積分器的預(yù)定時(shí)間常數(shù)，集成濾波器的低端轉(zhuǎn)折頻率響應(yīng)是可調(diào)的。
10.如權(quán)利要求8所描述的一個(gè)集成濾波器，其中多個(gè)采樣數(shù)據(jù)積分器包含開(kāi)關(guān)電容積分器。
全文摘要
一個(gè)采樣數(shù)據(jù)濾波器(400)提供片上直流信號(hào)的隔離。加在第一采樣數(shù)據(jù)積分器(402)的負(fù)反饋通路(414)的極大時(shí)間常數(shù)(VLTC)積分器(412)提供了在直流處具有零點(diǎn)的低端轉(zhuǎn)折頻率(502)。低端轉(zhuǎn)折頻率(502)在保持理想頻率響應(yīng)不變的同時(shí)是可調(diào)的。
文檔編號(hào)H03H11/00GK1214571SQ9712005
公開(kāi)日1999年4月21日 申請(qǐng)日期1997年10月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月10日
發(fā)明者拉杰士·H·澤勒, 沃爾特·H·克勒, 諾曼·T·羅林斯 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司