使用有損積分器的多頻帶Gm－C狀態可變濾波器的製作方法
2023-10-07 21:31:09
專利名稱：使用有損積分器的多頻帶Gm－C狀態可變濾波器的製作方法
背景技術：
低功耗、尺寸小、重量輕以及低成本已經成為開發諸如便攜電話之類的行動裝置的主要要求。這些無線通信設備的收發器都含有濾除多餘信號的濾波器，並將這些濾波器集成在單個晶片上，以減少外部元件的數量並使重量和形狀因數顯著減小。
在收發器中，天線接收到的高頻信號被調製到中頻，並且行動電話的接收器有選擇地提取它所需要的信號。從所選擇的信號中提取出數字信息，在加上進一步的數字處理之後，輸出清晰的語音。已經開發出CMOS電路來捕獲基帶信號。
為了協助這種解調過程，不同類型的濾波器可以被完全集成在晶片上，例如有源RC(電阻-電容)濾波器、開關電容濾波器和Gm-C(跨導-電容)濾波器。可以就線性、面積、噪聲和功率等幾方面在各種類型的濾波器之間進行比較和折衷。有源RC濾波器具有線性高的優點，但是在IC處理步驟中受到元件精度的困擾。開關電容濾波器可以很精確並且提供線性，但是具有高噪聲指數，並且需要高的時鐘頻率來對信號進行抽樣。在用於IF(中頻)段的高性能電子電路中，優選使用模擬濾波器以為高速應用提供低成本和低功耗。Gm-C濾波器可以提供頻率可調性，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換過程中的濾波，同時為操作高數據率的無線收發器提供靈活性。
在本申請文件的結論部分特別指出並清楚地要求了本發明的保護主題。然而，本發明關於操作的組織和方法，以及本發明的目的、特徵和優點在結合附圖參考以下詳細描述時可以得到最好的理解，其中圖1圖示了可被合併到無線通信設備的收發器中的本發明的特徵；圖2圖示了根據本發明使用多個有損積分器部分的Gm-C濾波器，其中每個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圖示了根據本發明的Gm增強電路的一個實施方案；圖4圖示了具有阻抗ZLOAD的負載電路，該電路設置公共模式電壓VCM；圖5圖示了用於有損積分器的負反饋(degeneration)阻抗的實施方案；圖6圖示了對於理想積分器k＝0的濾波器響應以及對於有損積分器k＝0.3的濾波器響應；圖7圖示了具有k＝1的Gm-C濾波器的具體實施方案；以及圖8圖示了在具有k＝1的Gm-C濾波器中使用的用於有損積分器的負反饋阻抗。
可以理解，為了圖示簡單和清楚，在附圖中示出的元件不一定是按比例繪製的。例如，為清楚起見，有些元件的尺寸可能相對於其他元件被誇大了。另外，在適當的地方，在各個附圖之間重複一些標號以表示相對應或相似的元件。
具體實施例方式
在以下詳細描述中，闡述了很多具體的細節，以提供對本發明的完整理解。然而，本領域的技術人員將會理解，沒有這些具體的細節也可以實現本發明。此外，沒有詳細描述公知的方法、過程、組件和電路，以免模糊了本發明。
在說明書和權利要求書中，可能會使用術語「耦合到」和「連接到」及其衍生詞。應當理解，這些術語不想彼此成為同義詞。相反，在具體的實施方案中，「連接到」可以用來表示兩個或兩個以上的元件彼此直接物理接觸或電接觸。「耦合到」可以指兩個或兩個以上的元件直接物理接觸或電接觸。但是，「耦合到」也可以指兩個或兩個以上的元件彼此不直接接觸，但仍然相互協作或交互。
圖1圖示了可被合併到無線通信設備10中的本發明的特徵。在模擬前端20中的收發器通過天線30接收或者發送調製信號。低噪聲放大器(LNA)40放大所接收的信號，並且混頻器電路50轉換調製信號的載波頻率，即在發射器中對調製信號的頻率進行上變頻(up-converting)，在接收器中對調製信號的頻率進行下變頻(down-converting)。根據本發明的實施方案，可以通過濾波器60對下變頻後的信號進行濾波，並且由模數轉換器70轉換成數字表示。基帶和應用處理器80與模擬前端20相連，一般而言，用於在通信設備10中提供對所接收的數據的數字處理。
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可以是一個獨立的射頻(RF)集成電路。因此，本發明的實施方案可以用在多種應用中，其中將所要求保護的主題合併到微控制器、通用微處理器、數位訊號處理器(DSP)、精簡指令集計算(RISC)、複雜指令集計算(CISC)以及其他電子元件中。具體地說，本發明可以用在智慧型電話、通信裝置和個人數字助手(PDA)、基帶和應用處理器、醫學或生物技術器械、汽車安全和保護裝備和汽車信息娛樂產品中。然而，應當理解，本發明的範圍並不限於這些實施例。
此外，可以在以下無線設備中實現本發明的原理，所述無線設備在碼分多址(CDMA)蜂窩網絡(例如IS-95、CDMA 2000和UMTS-WCDMA)中相互連接，並且分布在某一區域中用於提供小區(cell)覆蓋以實現無線通信。另外，可以在無線區域網(WLAN)、802.11、正交頻分復用(OFDM)和超寬帶(UWB)等當中實現本發明的原理。
存儲器器件90可被連接到處理器80，以存儲數據和/或指令。在一些實施方案中，存儲器器件90可以是易失性存儲器，例如靜態隨機訪問存儲器(SRAM)、動態隨機訪問存儲器(DRAM)或同步動態隨機訪問存儲器(SDRAM)，雖然所要求保護主題的範圍在這方面並不受限。在替換性的實施方案中，存儲器器件可以是非易失性存儲器，例如電可編程只讀存儲器(EPROM)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)、快閃記憶體(NAND或NOR型，每單元包括多個位)、鐵電介質隨機訪問存儲器(FRAM)、聚合物鐵電隨機訪問存儲器(PFRAM)、磁性隨機訪問存儲器(MRAM)、相變化存儲器(OUM)、盤存儲器(例如電機械式硬碟、光碟、磁碟)或者能夠存儲指令和/或數據的任何其他器件。然而，應當理解，本發明的範圍不受限於這些實施例。
圖2圖示了使用多個Gm-C濾波器部分的跨導-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。跨導體基本上是要求輸出電流與輸入電壓具有線性關係的跨導單元(輸入電壓產生輸出電流)。這個輸出電流被施加到積分電容器。跨導-C濾波器可以容易地以全集成的形式實現，與大多數期望技術中的其餘的、通常數字式的，系統兼容。放大器和電容器為跨導-C或Gm-C濾波器提供了簡單的構建模塊，它們被很好地調適來提供快速並且容易調諧的連續時間濾波器。電阻器形成放大器的有限輸出阻抗。
濾波器60表現出低功耗和高頻操作，並且為了實現準確性，可以對濾波器進行調節，調節的任務是使本發明的特徵提供一種簡單但高準確性的方法。Gm-C濾波器60在跨導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，並且減少濾波器級數。利用Gm-C濾波器60來補償Gm電路中的輸出阻抗，就可以減小濾波器與頻率相關的失真，並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級聯。狀態可變濾波器結構具有反饋係數-a2、-a1和-a0和前饋係數b2、b1和b0，其中求和電路210對三個反饋係數求和，求和電路250對三個前饋係數求和。
注意，單個積分器的傳輸函數由下式給出H(s)=Gm/Cs+1/(R0C),]]>其中Gm是積分器的跨導，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積分器的極點位於以下頻率處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，根據本發明的特徵，在跨導體模塊中使用有損積分器的Gm-C濾波器60的傳輸函數由下式給出VoutVin=bnn+bn-1n-1+....+b1+b0n+1+ann+an-1n-1+....+a1+a0]]>方程(2)方程(1)代表無損傳輸函數，通過對方程(1)進行頻率變換，它可以被轉換成代表有損傳輸函數的方程(2)，所述頻率變換為1s0+p010]]>或者sΩ-k，其中，0=GmC;]]>k=p0,]]>並且Ω是新的頻率變量。
因此，新提出的改進濾波器傳輸特性的調節方法是基於對結構係數的修改。通過進行頻率變換，由跨導體輸出電阻引起的單位增益頻率處的相位領先可以通過適當地調節與信號前饋路徑相關聯的正零點的頻率來補償。
圖3圖示了Gm增強電路的一個實施方案，該電路具有大約為1/ZDEG的等效Gm，其中ZDEG是負反饋阻抗334。濾波器60是一個放大器(Gm放大器)，它將輸入電壓信號轉換成輸出電流信號。差分輸入電壓VIN-和VIN+是在各自的電晶體328和340的柵極處接收到的。輸出電流I01和102是從各自電晶體320和346的漏極端提供的。
P溝道電晶體322和348被連接到各自的電晶體320和346，用P溝道電晶體的柵極來接收公共模式反饋信號(VCMFB)。公共模式反饋電路通過調整公共模式輸出電流，為全差分模擬系統穩定公共模式電壓。被供給電晶體312的電壓VCM與被供給電晶體314的公共模式參考電壓VREF之間進行比較，而將差分電壓VCMFB提供給電晶體322和348。
圖4圖示了具有阻抗為ZLOAD的公共模式負載電路310，該電路設置被供給電晶體312(見圖3)的電壓VCM。多個N溝道電晶體串行連接並且與多個串行連接的P溝道電晶體並聯，所述N溝道電晶體的柵極接收電壓VDD，所述P溝道電晶體的柵極接收電壓VSS。公共模式負載電路310接收差分輸入電壓VIN-和VIN+，並且生成被提供給積分器的公共模式信號VCM。
圖5圖示了用級聯的電晶體實現的負反饋阻抗334，其運行在三極體區中並且具有阻抗ZDEG。N溝道電晶體接收控制電壓VTUNE，通過串行排列，為每個電晶體提供最小的漏源電壓降，並且提供基本線性的操作。
圖6圖示了對於理想積分器k＝0的濾波器響應，以及對於有損積分器k＝0.3的濾波器響應。根據本發明所提供的方法例如可以為具有10MHz轉角頻率(corner frequency)的三階基帶橢圓低通濾波器改善濾波器傳輸特徵。包括有損積分器的Gm-C濾波器60的設計可以是k值為0.3的情形，但是注意，如果使用理想積分器的話，濾波器響應可以基本上是k值為0的濾波器的響應。波形610對應於k＝0.3的濾波器響應，而波形620對應於k＝0的濾波器響應。因此，通過施加在方程2中所示的變換，被設計為k＝0.3的、使用有損Gm-C積分器的濾波器響應可以複製被設計為k＝0並且具有無損Gm-C積分器的理想濾波器的濾波器頻率響應。
參考方程2，在分子中的係數在變換之後沒有實質性的改變，但是在分母中的係數被實質性地改變了。舉例來說，在分子中的係數對於k＝0的情況來說可以具有{0.016，0，0.584}的值，對於k＝0.3的情況來說可以具有{0.016，-0.009，0.585}的值。但是，在變換之後，分母中的係數對於k＝0來說可以具有{1，1.094，1.35，0.58}的值，對於k＝0.3來說具有{1，0.19，0.96，0.25}的值。因此，根據本發明，係數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的具體實施方案以及同樣對應於k＝1情形的負反饋阻抗334(見圖3)的實施方案。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聯的電晶體之間。具體地說，圖8示出了位於負反饋阻抗334中的積分電容器814通過電晶體810和812被耦合到節點332(見圖3)，並且通過電晶體816和818被耦合到節點336。在這個實施方案中，與圖2中所示的實施方案相比，當k＝1時，積分電容器被從積分器的輸出端移走，並被放置在負反饋阻抗334中。
為簡化起見，濾波器60的幾個實施方案所示出的積分器都具有單端信號。在大多數集成應用中，希望使信號保持為全差分的。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。
雖然這裡已經圖示並描述了本發明的某些特徵，但是本領域的技術人員將會作出很多修改、替換、改變和等同物。因此，可以理解，所附權利要求想要覆蓋落入本發明真正精神內的所有這些修改和改變。
權利要求
1.一種方法，包括通過對濾波器傳輸函數的頻率變換，為跨導濾波器選擇反饋係數，以在所述跨導濾波器中形成有損積分器，所述反饋係數不同於無損積分器的反饋係數。
2.如權利要求1所述的方法，其中，當為所述跨導濾波器選擇反饋係數時，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濾波器的k值。
3.如權利要求1所述的方法，還包括為所述跨導濾波器選擇前饋係數，對於所述有損積分器和所述無損積分器來說，所述前饋係數基本相同。
4.如權利要求1所述的方法，其中，通過對濾波器傳輸函數的頻率變換，為跨導濾波器選擇反饋係數還包括定義新的頻率變量。
5.如權利要求1所述的方法，還包括在所述跨導濾波器中級聯多個有損積分器。
6.一種方法，包括對於使用有損積分器的跨導濾波器，合併反饋係數和前饋係數，以基本上複製使用無損積分器的跨導濾波器響應。
7.如權利要求6所述的方法，還包括對於與具有無損積分器的跨導濾波器的濾波器k值不同的濾波器k值，通過選擇所述反饋係數，形成所述有損積分器的有限輸出阻抗。
8.如權利要求6所述的方法，還包括用串行連接的有損積分器來構建所述跨導濾波器。
9.如權利要求6所述的方法，其中，所述跨導濾波器還包括對所述反饋係數求和。
10.一種方法，包括提供Gm-C濾波器，其中所述Gm-C濾波器的係數被設計為使得有損積分器的有限阻抗提供濾波器頻率響應，該濾波器頻率響應基本上複製理想Gm-C濾波器。
11.如權利要求10所述的方法，還包括提供具有有損積分器傳輸函數的Gm-C濾波器，其中所述Gm-C濾波器的反饋係數實質上不同於理想Gm-C濾波器的反饋係數。
12.如權利要求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電晶體的負反饋阻抗，並且將積分電容器放置在所述電晶體之間。
13.如權利要求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建所述Gm-C濾波器。
14.一種系統，包括混頻器電路，該電路被耦合來接收被下變頻的調製信號，從而提供信號；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，其係數使該Gm-C濾波器提供的濾波器頻率響應基本上複製理想Gm-C濾波器；以及位於所述處理器之外，並且經由總線被耦合到所述處理器的靜態隨機訪問存儲器(SRAM)存儲器件。
15.如權利要求14所述的系統，其中，所述Gm-C濾波器包括一串有損積分器，其中每一個積分器都具有負反饋阻抗。
16.如權利要求15所述的系統，其中，所述負反饋阻抗包括級聯的電晶體。
17.如權利要求16所述的系統，其中，所述級聯電晶體中至少有一個通過電容器與所述級聯電晶體中的至少另一個電晶體相互隔離。
18.如權利要求17所述的系統，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生的輸出電流。
19.如權利要求14所述的系統，還包括具有阻抗的公共模式負載電路，該電路為所述有損積分器設置公共模式電壓，其中所述公共模式負載電路包括級聯的N溝道和P溝道電晶體。
全文摘要
本發明提供了一種具有接收混頻器信號的跨導濾波器(Gm－C濾波器)的基帶電路。所述Gm－C濾波器包括有損積分器，其係數使得該濾波器所提供的濾波器頻率響應基本上複製理想Gm－C濾波器的頻率響應。
文檔編號H03H11/12GK1748365SQ200480003936
公開日2006年3月15日 申請日期2004年2月4日 優先權日2003年3月13日
發明者莫斯塔法·埃爾瑪拉, 克裡舍納默西·索米亞納斯 申請人:英特爾公司