基準電壓濾波裝置及包含此裝置的行動電話的製作方法

2023-04-27 10:32:41

專利名稱：基準電壓濾波裝置及包含此裝置的行動電話的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於提供濾波電壓的裝置以及使用該裝置的行動電話。
背景技術：
帶隙電壓基準用於許多混合信號集成電路中。此帶隙電壓可表現出幹擾。為抑制幹擾，通常使用如圖1所示的內部電阻器11和外部濾波電容器13。為了上述目的，各個晶片都包括焊盤，以允許具有適當電容的外部濾波電容器13連接到晶片。輸出節點14上的電壓被濾波，並在此示例中，用作多個緩衝器12的輸入信號。
需要進行濾波的另一電路如圖2所示。例如，所述電路將電源電壓VDD分成其數值的一半，然後用於控制輸出級22的最佳工作點。電源電壓VDD的分壓通過兩個電阻器21來實現，其中一個電阻器可用兩個CMOS電晶體代替。而且如圖2所示，在此電路中，也使用了外部濾波電容器23。
另一電路如圖3所述，其中需要對由帶隙電壓源30提供的電源電壓VDD進行濾波。在此電路中，也需要外部電容器33。運用可編程增益級32，對由帶隙電壓源30提供並經外部電容器33濾波的基準電壓進行放大。增益級32的輸出可用於與圖2所示相同的目的。
這些現有系統是有缺點的。圖1到圖3的外部元件給各自的晶片增加了焊盤，並給晶片的封裝增加了管腳。此外，這些方法增加了印刷板的面積和材料單的成本。如圖3所示的電路的缺點在於，必須結合由電池提供的電壓的測量結果，通過軟體，對增益級32進行編程。這需要簡單的程序。如果沒有可用的程序，將選擇標準設置，所述標準設置無法保證在極端供電電壓時的最佳輸出級工作點。
以上總結了在技術文獻以及相關專利中描述過的技術方法。在美國專利6,657,481中，提出了特定的電流鏡電路。所述專利中所公開的電路只包括PMOS電晶體。如果用在濾波器結構中，此類電路的主要缺點在於所述電路只能給電容器充電。如果幹擾存在，這將導致電容器電壓上升。美國專利6,657,481並未提供對基準電壓進行濾波的解決方案。
因而，普遍需要提供一種實現基準電壓的片內濾波的解決方案。另外，存在對於能夠用於行動電話的特殊電路的需求，在所述行動電話中，如果行動電話處於發射模式時，由電池供給的供電電壓將發生波動。
因此，本發明的一個目的是提供一種改進的供電電壓濾波裝置，優選地，所述裝置無需外部電容器。
本發明的另一個目的是提供一種改進的供電電壓濾波裝置，應用於包括行動電話在內的電池應用。

發明內容
可以通過這裡描述和要求保護的發明減少或消除已知系統的上述缺點。
依照本發明的裝置如權利要求1所述。權利要求2到9要求保護各種有利的實施例。在獨立權利要求10中要求保護根據本發明的行動電話，並且在權利要求11和12中要求保護有利的實施例。
根據本發明，提供了一種裝置，也稱為片內濾波裝置(on-chip filterapparatus)，包括用於施加未濾波電壓的電壓輸入端和用於接收偏置電流的電流輸入端。還採用了包含第一電流鏡(如PMOS電流鏡)和第二電流鏡(如NMOS電流鏡)的差分濾波電阻元件。這些電流鏡位於公共輸出節點和電壓輸入端之間。設置具有第一鏡像電路和第二鏡像電路的濾波級。濾波電容器位於所述裝置的輸出側，連接在公共輸出節點和地之間。所述裝置在公共輸出節點提供濾波輸出電壓。
所提出的片內濾波裝置可用於需要對帶隙基準電壓進行濾波(參見圖1)的應用場合、需要分壓器(參見圖2)的應用場合、以及與圖3所示類似的應用場合。所述裝置可通過除去焊盤和外部電容器來節約成本，但也可以與外部電容器一起使用。
本發明的附加特點和優點將在下面的描述中加以說明，並在描述中顯而易見。


結合以下附圖，並參考下面的描述，對本發明及其更多目的和優點進行更為全面的描述圖1是示出了傳統電壓基準電路的示意方框圖；圖2是示出了用於提供基準電壓的傳統電壓基準電路的示意方框圖，所述基準電壓由供電電壓(VDD)分壓得到；圖3是示出了另一傳統電壓基準電路的示意方框圖，所述電路提供可編程的基準電壓；圖4是示出了根據本發明的第一裝置的示意方框圖；圖5A是示出了根據本發明的第二裝置的詳細方框圖；圖5B是示出了可用於連接根據本發明的第二裝置的開關電路；圖6是示出了行動電話中的電池電壓和濾波電壓的示意圖；圖7是示出了在根據本發明的行動電話中時隙定時和採樣定時的示意圖；圖8是示出了根據本發明的第三裝置的示意方框圖；圖9是示出了根據本發明的第四裝置的示意方框圖。
具體實施例方式
根據本發明，第一裝置40如圖4所示。所述裝置40包括用於施加未濾波電壓V_unfil的電壓輸入端49和用於接收偏置電流Ib(如從全局電流源)的電流輸入端48。採用了包括PMOS電流鏡44和NMOS電流鏡43的差分濾波電阻元件。所述電流鏡43、44位於公共輸出節點50和電壓輸入端49之間。設置具有第一鏡像電路42和第二鏡像電路41的濾波級。濾波電容器51位於裝置40的輸出側。如圖4所示，電容器51可以是連接在公共輸出節點50和地之間的外部電容器C。所述裝置40在公共輸出節點處提供濾波輸出電壓V_fil。但是，在優選實施例中，所述電容器作為所述裝置的一部分(例如，參見圖6)。在這種情況下，無需外部電容器，或僅需一個很小的外部電容器。
第一鏡像電路42通過連接47為第二鏡像電路41提供電流，並通過連接46為PMOS電流鏡44提供電流。設置PMOS電流鏡44和NMOS電流鏡43，使得電流能夠通過輸出節點50流入或者流出電容器51，以對其進行充電或放電。即，對於本裝置40，也可以接收從電容器51輸出的電流。在這種情況下，電流對電容器進行放電，並流入裝置40。由此可知，如果未濾波電壓V_unfil升高，則濾波電壓V_fil將隨之發生適當的變化。
裝置40還具有這樣的優點對於變化的未濾波電壓V_unfil(可能發生在供電變化或偽瞬態變化(spurious transient)時)，具有較長的穩定時間。即，變化的未濾波電壓V_unfil對於輸出節點50處的濾波電壓V_fil沒有或幾乎沒有影響。
未濾波電壓V_unfil可由帶隙源提供。偏置電流Ib可由全局電流源提供，所述全局電流源可從採用了所述裝置的電路中得到。然而，在裝置40內部提供電流源也是可能的。供電電壓VDD可由調節源從電池提供，如(VDD＝Vbat)。在優選實施例中，所述供電電壓VDD大約為2.7V，未濾波(帶隙)電壓V_unfil為1.2或1.25V。
與圖4所示的實施例相似的實施例的細節如圖5A所示。裝置60包括電壓輸入端49，將未濾波電壓V_unfil施加於所述電壓輸入端49。此外，裝置60包括用於接收偏置電流Ib的電流輸入端48。在本實施例中，存在用於提供偏置電流Ib的電流源58。輸出級包括具有PMOS電流鏡44和NMOS電流鏡43的互補結構的差分濾波電阻元件。電流鏡44、43位於公共輸出節點50和電壓輸入端49之間。設置具有第一鏡像電路42和第二鏡像電路41的濾波級，其中第一鏡像電路42將偏置電流Ib鏡像到PMOS電流鏡44，以及第二鏡像電路41將電流Ix鏡像到NMOS電流鏡43。濾波電容器C1位於裝置60的外部。在本實施例中，所述電容器C1為電路的集成部分(片內電容器)，即，無需連接外部電容器的接觸焊盤。濾波電容器C1一側連接到公共輸出節點50，另一側接地。在所述公共輸出節點50處提供濾波輸出電壓V_fil。
如圖5A所示，NMOS電流鏡42可包括三個NMOS電晶體MN1、MN2以及MN4。第一NMOS電晶體MN1具有柵極寬度W＝40μm和柵極長度L＝2μm。MN2和MN4兩個電晶體具有柵極寬度W＝2μm和柵極長度L＝10μm。在這種情況下，鏡像比例相當小(大概為1/100)，並且鏡像電流Ix大概為Ib/100。由於電晶體MN2和MN4的尺寸相同，流入連接46和47的電流Ix大致相同。
第二電流鏡41為PMOS電流鏡。本實施例中，第二電流鏡41包括兩個PMOS電晶體MP0和MP3。兩個電晶體的尺寸相同，而且電流鏡41通過連接45為電流鏡43提供鏡像電流Iy，其中Iy≈Ix。
兩個電流鏡43和44也具有高鏡像比例，使得PMOS電流鏡44能夠通過節點50將非常小的電流Izp饋入電容器C1，以對其進行充電。然而，NMOS電流鏡43能夠通過節點50接收流出電容器C1的非常小的電流Izn。電流鏡43能夠對電容器C1進行放電。裝置60的兩個電路43、44是對稱的，並以類似的方式，對未濾波電壓V_unfil的上升下降瞬態變化作出反應。兩個電流鏡43、44中的一個具有傳導性，直至輸出節點50處的電壓V_fil達到V_unfil。在所述情況下，由於沒有任何漏極電壓(VDS)，則無電流Iz流動。
電壓V_unfil的快速(上升和下降)瞬態變化需要持續一段時間直至達到輸出電壓V_fil，因為瞬態變化必須通過電流鏡43、44耦合。電流鏡43、44提供了對未濾波電壓V_unfil的濾波，因為電流鏡43、44和電容器C1的組合具有較長的時間常數(τ＝RC)(如，τ＝40ms到160ms)。由於如圖5A所示的串聯元件MP2和MN3的非線性特性，裝置40和60對大瞬態變化反應快而對小瞬態變化反應較慢。這有利於濾出(小的)不需要的電源(VDD)紋波或噪聲。
圖4和圖5A所示的兩個實施例包括第一電流鏡44和第二電流鏡43的互補結構，其中第一電流鏡44為PMOS電流鏡，而第二電流鏡43為NMOS電流鏡。可用雙極型電晶體的互補結構代替PMOS和NMOS電流鏡。
圖6示出了在如GSM行動電話中發生的典型問題。由於電池操作行動電話發射短脈衝串(burst)，在行動電話中的發射機正在發射脈衝串時，電池電壓Vbat下降。如圖6所示，其中電池電壓(電源電壓)Vbat在電話發射脈衝串時減小。典型地，GSM電話在長約0.58ms(0.577ms的GSM時隙，以4.615ms的幀速率重複)的時間段內發射脈衝串。在剩餘時間中(「安靜」部分A)，由於行動電話的其他處理並未給電池帶來較大的負擔，電池電壓Vbat達到標稱值。如果對如圖6所示意的濾波輸出電壓V_fil進行分析，這類電源電壓波動也是可見的。濾波電壓V_fil的變化小得多，但是仍能看到脈衝串發射的影響。
這裡描述了本發明的另一改進實施例。所述實施例基於圖4和圖5A所示的實施例。所述實施例為應用於行動電話的優選實施例，因為該實施例能夠減少或避免上述脈衝串發射的影響。脈衝串發射的影響是一種以有規律的時間間隔發生的幹擾。在改進的實施例中，使用同步時鐘，並且在幹擾時間段的「安靜」部分A期間，對本發明的濾波器裝置進行採樣。這是可行的，因為對於行動電話的電路，時隙定時信息是可知的。根據此改進的實施例，在0.58ms時隙以外的時間，對濾波器裝置進行採樣。
如圖7所示，在「安靜」部分A期間的時間段74(具有一些餘量)可用於採樣。曲線72表示GSM電話的時隙定時，曲線73表示採樣定時。由於行動電話的電路可分辨何時發射脈衝串(如圖7所示，在0.58ms時隙期間)，僅在短採樣時間段74(如，144μs的時間段)期間，對未濾波電壓V_unfil進行濾波。在剩餘時間裡，濾波功能關閉，而且電池電壓Vbat的波動70對於濾波電壓V_fil沒有影響。
採樣也可通過切換圖5所示的一個或多個電晶體來進行。如果在電話發射脈衝串的時間段內，將電流鏡43、44關閉，則即使電源電壓(Vbat)表現出波動，電容器C1仍將保持輸出電壓V_fil恆定不變。脈衝串發射結束時，可重新接通電流鏡43、44(具有較短的延遲餘量)，並繼續濾波。例如，可通過開關PMOS電晶體MP2和開關NMOS電晶體MN3來進行切換。圖5B所示為一可能的開關電路，所述開關電路可插入在圖5A所示的電路中的兩個端子K1和K2之間。開關電路為包括PMOS電晶體MP4和NMOS電晶體MN6的互補開關。此開關電路位於輸入節點49和兩個電晶體MP2、MN3之間。可通過向節點A1施加接近VDD的邏輯信號以及向節點A2施加接近地的邏輯信號來控制所述開關電路。
代替圖5B所示的開關電路，可採用電晶體MP3和MN5之間的NMOS開關以及電晶體MP1和MN2之間的PMOS開關。這些開關允許對電流鏡41、42進行切換。
由於輸出節點50上的負載為非電阻負載，電容器C1能夠保持電壓V_fil恆定不變。因此，所述負載不會對電容器C1造成顯著的放電。由於採樣，可得到更長的時間常數τ。可以將τ增加大約30dB。應用於圖4和圖5的實施例的基準濾波可通過所描述的採樣方案得到進一步改進。
需要注意的是，上述參數僅用於舉例。本發明也可工作於其他參數。
片內電容器(如圖5A所示的電容器C1)可為柵極電容器或金屬電容器。
圖8中示出了另一個實施例。所述實施例類似於圖1的實施例。圖8示出了諸如行動電話的混合信號集成電路的一部分的方框圖。使用帶隙電壓基準10。在輸出端49處提供的帶隙電壓可表現出幹擾。為抑制幹擾，可採用如圖5A所示的濾波器裝置60。由於相應的電容器為裝置60的一部分，無需外部濾波電容器。對輸出節點50處的電壓進行濾波，並在本示例中作為多個緩衝器12的輸入信號。
圖9還示出了另一實施例。所述實施例與圖2中的實施例類似。圖9是另一行動電話的混合信號集成電路的一部分的方框圖。所述實施例將電源電壓VDD分壓為電壓值的一半(或其他值)，並且使用該電壓來控制輸出級22的最佳工作點。電源電壓VDD的分壓通過兩個電阻器21或兩個CMOS電晶體來實現。同樣如圖9所示，也可在所述電路中採用具有片內電容器的濾波器裝置60。
根據本發明，為了能夠提供乾淨的(濾波的)輸出電壓V_fil，需要對帶隙噪聲和電源噪聲進行濾波。根據優選實施例，切換差分濾波電阻電路以在幹擾低的時刻進行採樣。如果用於行動電話，本發明能夠防止電話的模擬音頻部分受到幹擾的影響。
可以理解的是，在獨立實施例的上下文中清晰描述的本發明的多種特徵也可在單個實施例中組合提供。相反地，在單個實施例的上下文簡要描述的本發明的多種特徵也可單獨提供或以任意適當的子組合提供。
本發明的優選實施例已在附圖和說明中加以說明，雖然使用了特定術語，但是給出的描述僅在普遍以及描述性的意義上使用給定術語，而非限制性的目的。
權利要求
1.一種裝置(40；60)，包括—電壓輸入端(49)，用於施加未濾波電壓(V_unfil)，—電流輸入端(48)，用於從電流源(58)接收偏置電流(Ib)，—差分濾波電阻電路，包括第一電流鏡(44)和第二電流鏡(43)的互補結構，所述差分濾波電阻電路位於公共輸出節點(50)和所述電壓輸入端(49)之間，—濾波級，具有第一鏡像電路(42)和第二鏡像電路(41)，所述第一鏡像電路(42)用於將所述偏置電流(Ib)鏡像到所述第一電流鏡(44)，第二鏡像電路(41)用於將電流(Ix)鏡像到所述第二電流鏡(43)，—濾波電容器(C1)，位於所述裝置(40；60)的輸出側，所述濾波電容器(51；C1)一側連接到所述公共輸出節點(50)，而另一側接地，所述裝置(40；60)在所述公共輸出節點(50)處提供濾波輸出電壓(V_fil)。
2.如權利要求1所述的裝置(40；60)，其中，所述第一電流鏡(44)為PMOS電流鏡(44)，而所述第二電流鏡(43)為NMOS電流鏡(43)。
3.如權利要求2所述的裝置(40；60)，其中，所述PMOS電流鏡(44)包括第一PMOS電晶體(MP1)和第二PMOS電晶體(MP2)，所述第一和第二PMOS電晶體的柵極共同連接到所述第一鏡像電路(42)的第一輸出端(46)，所述第一和第二PMOS電晶體的源極共同連接到所述電壓輸入端(49)，而且所述第一PMOS電晶體(MP1)的漏極也連接到所述第一鏡像電路(42)的所述第一輸出端(46)，以及所述第二PMOS電晶體(MP2)的漏極連接到所述公共輸出節點(50)。
4.如權利要求2或3所述的裝置(40；60)，其中，所述NMOS電流鏡(43)包括第一NMOS電晶體(MN5)和第二NMOS電晶體(MN3)，所述第一和第二NMOS電晶體的柵極共同連接到所述第二鏡像電路(41)的第一輸出端(45)，所述第一和第二NMOS電晶體的源極共同連接到所述電壓輸入端(49)，而且所述第一NMOS電晶體(MN5)的漏極也連接到所述第二鏡像電路(41)的所述第一輸出端(45)，以及所述第二NMOS電晶體(MN3)的漏極連接到所述公共輸出節點(50)。
5.如權利要求4結合權利要求3所述的裝置(40；60)，其中，所述第二PMOS電晶體(MP2)和所述第二NMOS電晶體(MN3)中的每一個均用作直通電阻器(pass resistor)。
6.如權利要求1到5之一所述的裝置(40；60)，其中，所述互補結構設計成使電流(Izp)流入所述濾波電容器(51；C1)或接收流出所述濾波電容器(51；C1)的電流(Izn)。
7.如權利要求1到6之一所述的裝置(40；60)，其中，在所述裝置(40；60)的供電電壓(VDD；Vbat)由於反覆加載而降低的時間段(A)期間，關閉所述裝置(40；60)。
8.如權利要求7所述的裝置(40；60)，其中，所述切換通過開關PMOS電晶體(MP2)和開關NMOS電晶體(MN3)來進行。
9.如權利要求7所述的裝置(40；60)，其中，所述切換通過開關電流鏡(41，42)或開關電壓輸入端(49)來進行。
10.一種行動電話，包括如上述權利要求1到9之一所述的裝置(40；60)。
11.如權利要求10所述的行動電話，其中，所述電話包括提供供電電壓(VDD，Vbat)的電池，在所述電話反覆發射脈衝串的時間段期間，所述供電電壓降低。
12.如權利要求11所述的行動電話，其中，在所述時間段期間，關閉所述裝置(40；60)。
全文摘要
一種裝置(40)包括電壓輸入端(49)和電流輸入端(48)，所述電壓輸入端用於施加未濾波電壓(V_unfil)，所述電流輸入端用於從電流源接收偏置電流(Ib)。所述裝置(40)還包括具有第一電流鏡(44)和第二電流鏡(43)的差分濾波電阻電路，所述差分濾波電阻電路位於公共輸出節點和所述電壓輸入端(49)之間。採用將偏置電流(Ib)鏡像到所述第一電流鏡(44)的第一鏡像電路(42)，以及將電流(Ix)鏡像到所述第二電流鏡(43)的第二鏡像電路(41)。濾波電容器(51)位於所述裝置(40)的輸出側，所述濾波電容器一側連接到所述公共輸出節點(50)，而另一側接地。所述裝置(40)在所述公共輸出節點(50)處提供濾波輸出電壓(V_fil)。
文檔編號H03F3/50GK101057199SQ200580039154
公開日2007年10月17日 申請日期2005年11月10日 優先權日2004年11月16日
發明者威勒姆·亨德裡克·格勒內維格 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司