通過調節阻抗來控制頻率響應的器件的製作方法
2023-05-13 01:29:46
專利名稱：通過調節阻抗來控制頻率響應的器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種信號濾波器，具體涉及使用阻抗調節(scaling)來控制頻率響應的器件。
背景技術：
一般，具有特定頻率響應的信號濾波器包括諸如電阻器、電感器或電容器的阻抗元件。具有高值的阻抗元件通常比具有低值的阻抗元件大，並且會變得難於合併到集成電路(IC)中。結果，具有高值的阻抗元件通常提高了產品成本，並且導致高的寄生電容，所述寄生電容可能引起信號失真或衰減。
一種這樣的使用高值的阻抗元件的IC的示例(例如高值電阻器)是直流(DC)偏移消除電路，可以在用於移動通信系統的直接變換接收器中發現這種電路。
因為DC偏移可能飽和在直接變換接收器中的基帶輸出終端，因此它應當被包括電阻器和電容器的高通濾波器消除。但是，在多數情況下，從基帶輸出終端接收的信號具有在大約0的頻率的信息。因此高通濾波器具有低截止頻率。
圖1圖解了一般一階電阻器-電容器(RC)高通濾波器。為了使得高通濾波器具有低截止頻率，電容器C1和/或電阻器R1必須大。電容器C1和電阻器R1的較大的尺寸增加了所述一般高通濾波器所在的半導體晶片的尺寸。結果產生的大晶片尺寸由於至少兩個原因而不利(1)由於它增加的尺寸而導致的集成問題；(2)由於在高通濾波器的輸出節點的高寄生電容而導致的的所接收的信號的降低。
圖2圖解了一般有源RC低通濾波器。可以通過使用兩個電阻器R1、R2和電容器C1來改變圖2的低通濾波器的頻率響應。為了使得圖2的低通濾波器獲得期望的頻率響應，電阻器R1、R2和電容器C1應當被保持在期望的水平上。一般，電阻器的值和電容器的值依賴於製造過程或溫度而改變。在半導體晶片中，例如，由於製造過程、壓力和溫度的變化，電阻改變30-100％，電容改變10-30％。因此，必須調節電阻或電容以從濾波器獲得期望的頻率響應。圖3中示出了可以用於調節電容的一種示例電路。如圖3所示，多個電容器C11-C1n彼此並聯，而串聯到電容器C11-C1n的開關SW1-SWn被接通或關斷。因此，使得經由開關操作能夠控制電路的電容。但是，這種方法需要諸如開關SW1-SWn的附加元件和用於控制開關SW1-SWn的幾個控制比特B1-Bn。結果，電路變得複雜，並且由電容器的數量和控制比特來限定電容器的調節精度和範圍。
一種公共的電阻和/或電容控制電路會變得複雜，因此使得難於控制其頻率響應。另外，如果在電阻和/或電容控制電路中的濾波器需要高電阻或多個電容器，則所述電路所在的IC的尺寸增大。
因此，需要一種可以通過調節阻抗而容易地控制電路的頻率響應的器件。
發明內容
按照本發明的一個方面，一種用於控制頻率響應的器件包括濾波器和佔空率控制器。濾波器在從輸入信號消除一個頻率後產生輸出信號，並且所述濾波器包括第一阻抗元件和開關，其中所述開關與第一阻抗元件串聯，並且響應於佔空率受控時鐘信號而通斷。佔空率控制器接收時鐘信號，控制時鐘信號的佔空率，並且產生佔空率受控時鐘信號。
佔空率控制器另外包括觸發器，它接收在將時鐘信號延遲一個延遲時間後獲得的延遲信號；延遲元件，其中所述延遲元件接收時鐘信號，產生延遲信號並且響應於佔空率控制信號而控制所述延遲時間。
濾波器另外包括放大器；第二阻抗元件，它連接到放大器的一端和濾波器的一個輸出節點，並且連接到濾波器的一個輸入節點和一個輸出節點；第三阻抗元件，它連接到放大器的一端和濾波器的一個輸入節點，其中第一阻抗元件和開關在放大器的一個終端和濾波器的輸出節點之間串聯。
按照本發明的另一個方面，一種用於控制頻率響應的器件包括濾波器和佔空率控制器。濾波器在從輸入信號消除一個頻率後產生輸出信號，並且包括阻抗元件和開關，其中所述開關與阻抗元件串聯，並且通過佔空率受控時鐘信號而通斷。佔空率控制器產生佔空率受控時鐘信號。濾波器的頻率響應響應於佔空率受控時鐘信號的佔空率而改變。佔空率控制器還接收時鐘信號，並且響應於佔空率控制信號而產生佔空率受控時鐘信號。當在所述器件的輸入節點和輸出節點之間存在另一個傳輸路徑時，所述開關可以另外被布置在所述器件的輸入節點和輸出節點之間的傳輸路徑上。
通過參照附圖詳細說明本發明的示範實施例，本發明的上述方面將會變得更加清楚，其中圖1圖解了一般一階RC高通濾波器；圖2圖解了一般有源RC低通濾波器；圖3圖解了可以電開關的電容器陣列；圖4圖解了根據本發明的一個示範實施例的、通過調節阻抗而控制頻率響應的器件；圖5圖解了佔空率受控時鐘信號DC_CLK的波形；圖6是圖1的一般一階RC高通濾波器的頻率響應的伯德圖；圖7圖解了當500kHz的正弦波被輸入到圖1的一般一階高通濾波器並且輸出波形被快速傅立葉變換的時候獲得的結果；圖8圖解了當500kHz的正弦波被輸入到圖4的一般一階高通濾波器並且輸出波形被快速傅立葉變換的時候獲得的結果；圖9圖解了圖4的高通濾波器的頻率響應；圖10圖解了按照本發明的另一個示範實施例的、用於通過調節阻抗而控制頻率響應的器件；圖11是佔空率控制器的電路圖；圖12圖解了根據本發明的另一個示範實施例的、用於通過調節阻抗而控制頻率響應的器件；圖13圖解了根據本發明的另一個替代示範實施例的、用於通過調節阻抗而控制頻率響應的器件；圖14圖解了根據本發明的另一個替代示範實施例的、用於通過調節阻抗而控制頻率響應的器件。
具體實施例方式
圖4圖解了根據本發明的一個示範實施例的、通過調節阻抗而控制頻率響應的器件。參見圖4，圖4的器件包括佔空率控制器100和濾波器400。
佔空率控制器100響應於佔空率控制信號CS而控制時鐘信號CLK的佔空率，並且產生佔空率受控的時鐘信號DC_CLK。在這個實施例中，時鐘信號CLK具有佔空率50％。具有佔空率50％的時鐘信號CLK從高電平狀態到低電平狀態保持在同一比率上。換句話說，在高電平的時鐘信號CLK的比率是50％。圖5圖解了佔空率受控時鐘信號DC_CLK的波形。參見圖5，佔空率受控時鐘信號DC_CLK的佔空率由Ton/Ts定義。在圖5中當Ton是Ts的一半時，佔空率是50％。佔空率受控時鐘信號DC_CLK具有至少為輸入信號的頻帶的兩倍的頻率。
如圖4所示，濾波器400是高通濾波器，其包括電阻器R1、電容器C1和開關SW。電容器C1連接在輸入電壓VIN節點和輸出電壓VOUT節點之間。電阻器R1和開關SW串聯在輸出電壓VOUT節點和地電壓之間。開關SW響應於從佔空率控制器100輸出的佔空率受控時鐘信號DC_CLK而通斷。
如圖4所示，電阻器R1串聯到開關SW，並且開關SW響應於佔空率受控時鐘信號DC_CLK而通斷，由此相對於輸出電壓VOUT節點而調節等效電阻ZOUT。
如圖1所示，當開關未連接到電阻器R1時，等效電阻ZOUT被定義如下。
ZOUT=VOUTI1---(1)]]>其中VOUT表示在輸出節點的輸出電壓，而I1表示流過電阻器R1的電流。
而如圖4所示當開關SW響應於佔空率受控時鐘信號DC_CLK來通斷時，等效電阻ZOUT被定義如下。
ZOUT=VOUTIavg=VOUTI1(TonTs)=VOUTI1(TsTon)=R1(TsTon)---(2)]]>其中VOUT表示在輸出節點的輸出電壓，Iavg表示流過電阻器R1的平均電流，I1表示當開關SW在接通狀態時流過電阻器R1的電流，而Ton/Ts表示佔空率受控時鐘信號DC_CLK的佔空率。
在圖4中，當開關SW處於接通狀態時，即，當時間是Ton/時，電流I1流過電阻器R1。當開關處於關斷狀態時，電流不流過電阻器R1。因此通過以Ton/Ts的比率調節電流I1來獲得平均電流Iavg。因此，可以通過控制佔空率受控時鐘信號DC_CLK的佔空率(Ton/Ts)來改變等效電阻ZOUT，即阻抗。
在圖4中，如果佔空率受控時鐘信號DC CLK的佔空率(Ton/Ts)下降，則等效電阻ZOUT上升。因此，即使電阻器R1具有低值，等效電阻ZOUT也可以高。於是，等效電阻ZOUT隨著佔空率受控時鐘信號DC_CLK的佔空率而改變，這使得能夠通過濾波器400的截止頻率來實施控制。
通過下列來驗證其中通過調節電阻器來控制濾波器400的頻率特性的本發明。
首先，在圖1中，電容器C1的電容被設置為10pF，並且電阻器R1的電阻被設置為10kΩ。然後，圖1的高通濾波器的截止頻率可以被表達如下。
fc=12R1C1=1210k10p1.6MHz---(3)]]>在圖6中示出了圖1的一般一階RC高通濾波器的頻率響應的伯德圖。圖1的高通濾波器的幅度響應可以表達如下。
20log|T(jw)|=20log[ffc]-10log[1+(ffc)2]---(4)]]>20log|T(j2500k)|=20log[500k1.6M]-10log[1+(500k1.6M)2]]]>因此，當500kHz的正弦波被輸入到圖1的高通濾波器時，它的輸出波形的幅度被降低到-10.5dB。
另一方面，在圖4的高通濾波器400中，電容器C1的電容和電阻器R1的電阻與圖1的電容器C1的電容和電阻器R1的電阻相同。假定佔空率受控時鐘信號DC_CLK的佔空率被設置為10％，即Ton/Ts＝25n/250n＝1/10。然後，圖4的電阻器R1的電阻被提高到原值的10倍，因此圖4的高通濾波器的截止頻率必須被降低到160kHz如下。
fc=12R1[TsTon]C1=1210k1010p160kHz---(5)]]>因此，當500kHz的正弦波被輸入到圖4的高通濾波器時，按照方程4，輸出波形的幅度被降低到-0.4dB。換句話說，在相同的條件下，期望在圖1和4的輸出波形之間的幅度差是大約10dB。
為了確認這個期望，當500kHz的正弦波被輸入到圖1和圖4的高通濾波器時，輸出波形被快速傅立葉變換。結果如圖7和圖8所示。圖7圖解了當500kHz的正弦波被輸入到圖1的一般一階高通濾波器並且輸出波形被快速傅立葉變換的時候獲得的結果。圖8圖解了當500kHz的正弦波被輸入到圖4的一般一階高通濾波器並且輸出波形被快速傅立葉變換的時候獲得的結果。如圖7和8所示，x軸表示頻率，並且y軸表示輸出信號的幅度。
如所期望的那樣，在圖1和圖4的高通濾波器的輸出信號之間的幅度差是10dB。而且，連接到開關SW的電阻器R1的電阻已經被驗證以調節到原值的10倍。因此，通過調節阻抗，圖6的頻率響應改變為圖9的頻率響應。如圖6和9所示，通過將阻抗調節到原始阻抗的10倍而將截止頻率降到原始頻率的1/10。圖9圖解了圖4的高通濾波器的頻率響應。
在圖4所示的本發明的示範實施例中，通過調節電阻而控制頻率響應，但是也可以通過調節諸如電容器C1或電阻器R1的阻抗元件來控制頻率響應。
圖4的高通濾波器400可以產生如圖8所示的諧波，因為圖4的開關SW是採用0.18μm工藝製造的MOS電晶體。
當使用MOS電晶體來作為開關SW時，傳送函數響應於輸出電壓和時間而非線性改變，因此產生圖8所示的諧波。為了降低諧波，圖4的高通濾波器可以被配置為圖13所示的全差分電路。稍後說明圖13的示範實施例。
圖10圖解了按照本發明的另一個示範實施例的、用於通過調節阻抗而控制頻率響應的器件。參見圖10，所述器件包括佔空率控制器100和濾波器500。
佔空率控制器100等效於圖4的佔空率控制器100，在此不詳細說明。
濾波器500是低通濾波器，包括第一和第二電阻器R1和R2、電容器C1、開關SW和放大器510。輸入電壓VIN經由第二電阻器R2被輸入到放大器510的負端。電容器C1和開關SW串聯在放大器510的負端和輸出電壓VOUT節點之間。第一電阻器R1與電容器C1和開關SW並聯。開關SW響應於從佔空率控制器100輸出的佔空率受控時鐘信號DC_CLK而通斷。
在圖10所示的本發明的示範實施例中，開關SW串聯到電容器C1。因此，整體電容被調節，這改變了濾波器500的頻率響應。
圖11是圖4和圖10所示的佔空率控制器100的電路圖。參見圖11，佔空率控制器100包括觸發器110和延遲元件120。時鐘信號被輸入到觸發器110的時鐘端子CK。通過將時鐘信號CLK延遲預定的延遲時間而獲得的被延遲的時鐘信號DEL_CLK被輸入到觸發器110的復位端子RESET。電源電壓連接到觸發器110的輸入端D。延遲元件120響應於佔空率控制信號CS而將時鐘信號CLK延遲預定的延遲時間。圖11的延遲元件120包括兩個反相器121、122。佔空率控制信號CS控制由反相器121、122引入的延遲時間。因此，由反相器121、122引入的延遲時間來確定從觸發器110的輸出端Q輸出的佔空率受控時鐘信號DC CLK的佔空率。可以通過控制施加到反相器121、122的電源電壓或通過控制流過反相器121、122的電流來控制由反相器121、122引入的延遲時間。
圖12圖解了根據本發明的另一個示範實施例的、用於通過調節阻抗而控制頻率響應的器件。圖12的器件包括佔空率控制器100(參見圖10)和濾波器600。佔空率控制器100等效於圖10的佔空率控制器100，在圖12中未示出，並且在此不詳細說明。濾波器600類似於圖10的濾波器500，但是與圖10的濾波器500不同在開關SW不與電容器C1串聯，而是與電阻器R1串聯。
換句話說，電阻器R1和開關SW串聯在放大器610的負端和輸出電壓VOUT節點之間。電容器C1與電阻器R1和開關SW並聯。因此，可以調節整體電容，從而改變濾波器600的頻率響應，如在圖4的示範實施例中所述。在圖10的示範實施例中，濾波器500的增益固定，並且僅僅控制截止頻率。相反，在圖12的示範實施例中，也可以控制濾波器600的增益。
圖13圖解了按照本發明的一個替代示範實施例的、用於通過調節阻抗而控制頻率響應的器件。所述器件包括佔空率控制器100(參見圖10)和濾波器700。佔空率控制器100等效於圖10的佔空率控制器100，在此不說明。
濾波器700是低通濾波器，包括第一和第二電阻器R1和R2、第一和第二電容器C1和C2、第一和第二開關SW1和SW2。第一電容器C1正輸入節點和正輸出節點之間。第二電容器C2連接在負輸入節點和負輸出節點之間。第一電阻器R1和第一開關SW1串聯在正輸出節點和偏壓VBIAS節點之間。第二電阻器R2和第二開關SW2串聯在負輸出節點和偏壓VBIAS節點之間。
輸入電壓VIN被施加到負輸入節點上，並且通過正輸出節點被輸出為輸出電壓VOUT。施加到偏壓VBIAS節點的偏壓VBIAS偏置輸出電壓VOUT。佔空率受控時鐘信號DC CLK被施加到第一開關SW1和第二開關SW2。第一開關SW1和第二開關SW2是MOS電晶體。
圖13的器件通過以與圖10的器件相同的方式調節整個電阻來控制頻率響應。
圖14圖解了按照本發明的另一個替代示範實施例的、用於通過調節阻抗而控制頻率響應的器件。圖14的器件包括佔空率控制器100(參見圖10)和AC耦合電路800。佔空率控制器100等效於圖10的佔空率控制器100，在此不說明。
AC耦合電路800去除被提供到輸入節點的輸入信號VIN的直流，向輸出節點NO發送在高於預定的截止頻率的電平的AC，並且將輸出節點NO偏置到預定的DC電壓電平。AC耦合電路800包括AC耦合電容器C1和偏置電路810。偏置電路810包括開關SW1、電阻器R1、電流源811、MOS電晶體M2。開關SW1串聯到電阻器R1並且調節電阻器R1的電阻。
MOS電晶體M2的柵極和漏極彼此連接，並且MOS電晶體M2作為二極體。通過流過MOS電晶體M2的電流來確定在MOS電晶體M2的柵極節點N1的DC電壓。MOS電晶體M2的柵極經由電阻器R1和開關SW1連接到輸出節點NO。因此，通過在MOS電晶體M2的柵極節點N1的DC電壓來確定在輸出節點NO的DC電壓。
在圖14中，如果使用具有低電阻的電阻器來取代電阻器R1和開關SW1並且輸入信號VIN被傳送到MOS電晶體M2的柵極，則在輸入信號VIN中發生大量的信號損失。這是因為輸入信號VIN被傳送到偏置電路810。為了降低在輸入信號VIN中的損失，偏置電路810應當具有高電阻。但是，高電阻導致高寄生電容和大晶片尺寸。可以通過將電阻器R1連接到開關和將電阻調節到大值來解決這些問題。另外可以通過調節電阻來控制頻率特性，從而使得可以傳輸低頻的輸入信號。
串聯到諸如R1的阻抗元件的開關SW1由具有足夠的開路電阻的MOS電晶體構成。如果開路電阻小，則電流洩漏增加，並且由輸出電壓引起的電阻的非線性改變量提高，這引起諧波的增加。佔空率受控時鐘信號DC_CLK的佔空率足夠小，以便輸出信號的諧波小於預定的電平。隨著佔空率受控時鐘信號DC_CLK的佔空率的提高，輸出信號的諧波降低。這是因為，當開關接通時，MOS電晶體的傳輸特徵隨著輸出信號而非線性改變。因此，如果對應於開關處於接通狀態時的時間量的減少，則諧波也與時間量的降低成比例地減少。
當在輸入節點和輸出節點之間僅僅存在一條傳輸路徑時，配置串聯到阻抗元件的開關以使得它不位於所述傳輸路徑上。換句話說，開關應當位於除了在輸入節點和輸出節點之間的傳輸路徑以外的傳輸路徑上，以用於控制頻率響應。但是，當在器件的輸入節點和輸出節點之間存在另一條傳輸路徑時，所述開關位於在所述器件的輸入節點和輸出節點之間的傳輸路徑上。因此，當所述器件的輸入節點和輸出節點通過傳輸路徑連接時，可以在所述器件的輸入節點和輸出節點之間的另一條傳輸路徑上布置所述開關。進行這些布置是因為當輸入信號通過所述開關被發送到所述器件的輸出節點時，連續信號改變為離散信號。
如上所述，有可能通過控制施加到與小阻抗元件連接的開關的時鐘的佔空率來將小阻抗元件調節為大阻抗元件。換句話說，有可能通過控制時鐘信號的佔空率來容易地獲得在晶片中的大的阻抗。另外，隨著製造過程或溫度改變的阻抗可以被調節。因此，可以將具有阻抗元件的頻率響應控制到期望的頻率響應。
而且，根據本發明，因為由在晶片中的時鐘信號的佔空率來確定阻抗，因此在阻抗中的誤差可以被降低。按照本發明的用於控制頻率響應的器件的編程性能優越於用於控制頻率響應的傳統器件。因此，可以使用阻抗調節來容易地控制具有阻抗元件的電路的頻率響應。
雖然已經參照本發明的實施例具體示出和說明了本發明，本領域的技術人員會明白，在不脫離所附的權利要求所限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以進行形式和細節上的各種改變。
權利要求
1.一種用於控制頻率響應的器件，包括濾波器，其中所述濾波器在從輸入信號消除一個頻率後產生輸出信號；佔空率控制器，其中所述佔空率控制器控制時鐘信號的佔空率，並且產生佔空率受控時鐘信號。
2.如權利要求1所述的器件，其中所述濾波器還包括第一阻抗元件；開關，它與第一阻抗元件串聯，其中所述開關響應於佔空率受控時鐘信號而通斷。
3.如權利要求1所述的器件，其中佔空率控制器還包括觸發器，其中所述觸發器在通過時間延遲或的所述時鐘信號後接收一個延遲信號。
4.如權利要求3所述的器件，其中佔空率控制器還包括延遲元件，其中所述延遲元件接收時鐘信號，產生延遲信號並且響應於佔空率控制信號而控制所述延遲時間。
5.如權利要求1所述的器件，其中第一阻抗元件和開關串聯在濾波器的輸出節點和電壓節點之間。
6.如權利要求1所述的器件，其中濾波器還包括第二阻抗元件，它連接到濾波器的輸入節點和輸出節點。
7.如權利要求1所述的器件，其中所述濾波器還包括放大器；第二阻抗元件，它連接到放大器的一端和濾波器的一個輸出節點；第三阻抗元件，它連接到放大器的一端和濾波器的一個輸入節點，其中第一阻抗元件和開關串聯在放大器的一個終端和濾波器的輸出節點之間。
8.如權利要求7所述的器件，其中第一阻抗元件是電容器，並且第二和第三阻抗元件是電阻器。
9.如權利要求7所述的器件，其中第一和第三阻抗元件是電阻器，並且第二阻抗元件是電容器。
10.如權利要求1所述的器件，其中響應於佔空率控制信號而控制佔空率受控時鐘信號的佔空率。
11.如權利要求1所述的器件，其中所述開關是MOS電晶體。
12.如權利要求1所述的器件，其中所述開關位於一個傳輸路徑中。
13.如權利要求1所述的器件，其中當在所述器件的輸入節點和輸出節點之間存在另一個傳輸路徑時，所述開關位於在所述器件的輸入節點和輸出節點之間的一個傳輸路徑上。
14.如權利要求1所述的器件，其中在從輸入信號去除了預定頻帶的頻率後產生輸出信號。
15.一種用於控制頻率響應的器件，包括濾波器，其中所述濾波器在從輸入信號消除一個頻率後產生輸出信號，其中濾波器的頻率響應響應於佔空率受控時鐘信號的佔空率而改變；佔空率控制器，其中所述佔空率控制器產生佔空率受控時鐘信號。
16.如權利要求15所述的器件，其中濾波器還包括阻抗元件；開關，它與阻抗元件串聯，其中所述開關由佔空率受控時鐘信號進行通斷。
17.如權利要求15所述的器件，其中佔空率控制器接收時鐘信號，並且響應於佔空率控制信號而產生佔空率受控時鐘信號。
18.如權利要求15所述的器件，其中所述開關位於一個傳輸路徑上。
19.如權利要求15所述的器件，其中當在所述器件的輸入節點和輸出節點之間存在另一個傳輸路徑時，所述開關可以被布置在所述器件的輸入節點和輸出節點之間的一個傳輸路徑上。
20.如權利要求15所述的器件，其中在從輸入信號去除預定頻帶的頻率後產生輸出信號。
全文摘要
本發明提供了一種用於通過調節阻抗而控制頻率響應的器件。所述器件包括濾波器和佔空率控制器。所述濾波器在從輸入信號消除一個頻率後產生輸出信號，並且包括第一阻抗元件和開關。所述開關與第一阻抗元件串聯，並且響應於佔空率受控時鐘信號而通斷。佔空率控制器接收時鐘信號，控制時鐘信號的佔空率，並且產生佔空率受控時鐘信號。所述佔空率控制器包括觸發器，它具有接收時鐘信號的時鐘端；復位端，它接收在將時鐘信號延遲一個延遲時間後獲得的延遲信號。佔空率控制器還包括延遲元件，它接收時鐘信號，產生延遲信號並且響應於佔空率控制信號而控制所述延遲時間。
文檔編號H03H19/00GK1525641SQ200410002969
公開日2004年9月1日 申請日期2004年1月21日 優先權日2003年2月28日
發明者金栽完 申請人:三星電子株式會社