调谐电路

本发明涉及模拟信号处理系统，具体涉及模拟信号处理系统的 调谐。

模拟信号处理系统经常使用由运算放大器(op-amp)、电阻和 电容构成的有源模拟滤波器。对于廉价的混合信号集成电路(IC)工 艺，诸如数字互补对称金属氧化物半导体(CMOS)，大阻值的集成电 阻典型地具有较低的制造公差(大约25％)和相对高的大约 5000ppm/℃的温度系数。

现在参考图1，该图示出了被称作＂二阶Saylen-Keye有源RC 滤波器＂的一个现有技术的集成有源电阻—电容(RC)滤波器100。 电阻R102、R104、R106和电容C108、C110控制滤波器100的-3dB 带宽，这些电阻典型地被集成在作为在微处理器控制下的电阻矩 阵的芯片上。这些电阻阵列呈现了与具有较低的制造公差有关的问 题，并且-3dB带宽能在接近于整个数量级变化。对于这种复杂的有 源RC滤波器，使用外部精密电阻替代内部扩散电阻是不实际的。 与使用这些电阻阵列有关的其他缺点包括所需模片空间(die space)的量和该模拟工艺相对高的费用。滤波器电路，例如Saylen- Keye滤波器100，经常需要人工调谐该电阻阵列(通常是在工厂以 程序的形式)，以便补偿工艺特性中的差异。这进一步抬高了费用和 生产这些电路所耗用的时间。

据此，现在需要调谐模拟集成电路诸如有源RC滤波器100的 一种改进电路和方法，以便该电路保持不受工艺差异和温度的影响， 和减小人工调谐的负担。

图1示出Saylen-Keye滤波器的现有技术电路图。

图2示出按照本发明的电路图。

图3示出按照本发明的另一电路图。

图4示出按照本发明图3电路的带宽变化的曲线图。

在超大规模集成(VLSI)电路中，多至80％的IC可以是数字 的。在数字工艺中模拟元件特性诸如薄膜电阻，不能很好地控制。因 此，只要可能最好使用数字技术。在数字CMOS技术中，只有涉及 数字转换的工艺需要仔细考虑。因为CMOS器件能做的很小(在一 块IC片上，它仅占一块很小的硅面积)，和因为其制造工艺相对简 单(与模拟工艺比较)，所以大多数VLSI电路使用CMOS技术来制 造。

图2示出了一个用于有源RC模拟滤波器200的自校准(self- calibrating)电阻电路的电路框图。电路200最好使用CMOS技术设 计，它包括一个自校准电阻部分，即电子调谐电路202和一个RC滤 波部分204。在本发明的最佳实施例中，RC滤波部分204包括一个 类似于图1的二阶Saylen-Keye有源RC滤波器。该调谐电路202 包括一个内部带隙(bandgap)电压基准206和一个单独的外部精密 电阻(例如1％的公差)R208，该电阻用于实现稳定的电流基准 (Iref)。该电流基准被耦合到一个外部“校正”调谐电阻R210，产生 一个直接与该电阻值成比例的电压降。在本最佳实施例中，R210跟 随该有源RC滤波器204中的所有其它内部电阻R212、R214、R216 (即，在温度和工艺范围内)。R210两端的电压可用来调谐滤波器的 RC时间常数。这是通过使用一个模/数转换器电路(ADC)218将该 R210的电压转换成一个m比特的数字编码228来实现的。

来自ADC208的数字输出驱动数字编程电容阵列(即C- DAC)C220、C222，它们对于电子调谐电路202和RC滤波部分是公 用的。该阵列(C-DAC)C220、C222这样构造，即ADC218中的输 入电压增加(相应于电阻增大)与由C-DAC中电容的C220和 C222的相应减少相匹配，这样保持了一个较恒定的滤波带宽。当m 比特字228随ADC218的输入电压的变化而变化时，该电容阵列将 相对于调谐电阻R210中的变化相反地变化。例如，当到达ADC218 的输入处的电压上升到正常值以上时(例如，如果R210已加倍)，则 该电容的一半被接入，以保持一个恒定的RC乘积，这样在该RC滤 波器204的整个-3dB带宽期间保持控制。

本发明的最佳实施例中，带隙电压基准206相对于电源电压 Vcc设定了一个稳定的带隙电压Vbg，以便该电压增量Vcc-Vbg在 整个温度和工艺期间保持稳定。该电压Vbg然后最好通过一个op -amp224缓冲，op-amp224提供相同的电压到其负端子。稳定的 增量电压Vcc-Vbg和精密的外部电阻R208建立了稳定的基准电 流(Iref)。稳定的基准电流和内部调谐电阻R210产生了一个模拟 电压信号，该模拟电压信号被耦合到ADC218的输入端。

包括在自校准电阻部分202中的还有一个由带隙电压Vbg控 制的稳定基准电压发生器226，它为ADC218提供一稳定的电压基 准Vref。ADC218的输入通过设置在该ADC218内的比较器(未示 出)与Vref比较。该基准电压Vref为ADC218设定一个最大值，并 且该ADC的输入最好由Vref导出。

在本发明的最佳实施例中，内部调谐电阻R210基本上由与其 他内部电阻R212、R214、R216相同的电阻材料构成，以便该调谐电 阻与有源滤波器204的内部电阻匹配(相同的几何面积)。并且，调 谐电阻R210实际上最好靠近内部电阻R212、R214、R216。因为 R210是一个变化的电阻，所以通过迫使固定的稳定电流通过R210， 在ADC218输入处产生的电压将与R210的变化成比例地变化。根 据处于室温的正常薄膜电阻，ADC218输入处的正常电压被设定。

在本最佳实施例中，RC滤波器204是一个二阶滤波器，因此有 两个由C-DAC  C220和C222以及电阻R212、R214、R216级连 和控制的单极点时间常数。

如对本发明的描述，通过特自校准电阻电路202接到RC滤波 器204，电阻中的变化被感知并由一个适当的电容补偿，从而该RC 滤波器204的电阻与电容的乘积(时间常数)可以被校准。

图3给出了按照本发明的一个集成2比特自校准单极点RC滤 波器的例子，滤波器输出带宽对ADC输入电压的相应曲线如图4 所示。电阻R302是对工艺和温度变化显著变化的内部电阻，并与C -DAC C304构成该单极点RC滤波器306。调谐电路310与图2 的调谐电路202相似并控制RC滤波器306的带宽。内部调谐电阻 R306最好被设计成具有与电阻302相同的几何形状。这里，ADC输 入电压308与正常电阻值R312的双倍相对应，以便：

最大ADC输入电压＝2×(Iref×R312)＝Vref 其中Vref是由Vref发生器320为ADC318设定的最大基准电压。 ADC318的输入电压被作为该基准电压Vref的导数给出。

在本例中，假设为一个全并联ADC结构，该ADC输入比较器 阈值设定在3Vref/8，5Vref/8和7Vref/8。如图4的曲线中所示，在 0和3Vref/8之间的ADC输入电压308设定在C304＝2C的电容 值内，在3Vref/8和5Vref/8之间的ADC输入电压308设定在 C304＝C的电容值内。在5Vref/8和7Vref/8之间的ADC输入电 压308设定在C304＝2C/3的电容值内。最后，在7Vref/8和Vref 之间的ADC输入电压308设定在C304＝C/2的电容值内。在这个 2比特的例子中，如由SAW锯齿波402所示的，电阻值R312中一 个8倍的变化(即，从0.25R至2R)在正常滤波器带宽(BW)中仅引 起+/-25％的变化。这个例子描述了一个使用调谐电路310的单 极点滤波器306，以控制调整C-DAC C304的电容值的数字自 校准字314。为了保持例如1MHz的恒定带宽。当由于温度和工艺 变化内部电阻R302可能变化时，电容将利用调谐电阻R312反向 跟踪该电阻，从而该乘积保持受控。如果电容不被调谐，则会存在至 少8倍带宽的误差。

图3和4中所述的2比特ADC保持了带宽变化，从而对于电阻 中9倍至1倍的变化(R0/4至9R0/4)，带宽变化不超过+/-25％。 虽然本发明仅描述了一个2比特的ADC，但是，如果增加该ADC的 分辨率，可以实现甚至更大的带宽控制。例如，一个4比特分辨率会 减少带宽变化至BW+/-6.25％，比2比特分辨率有4倍的改进。 一个6比特分辨率将实现一个BW+/-1.5％的带宽控制。然而，通 过增加分辨率也会使差错增加(即，图4的SAW锯齿波402会变 宽)，但对于给定的分辨率，能够覆盖一个电阻变化的较宽区域。图3 的例子说明了内部电阻一个数量级的变化，它表示了甚至是差的受 控IC工艺的一个良好近似。

本发明所述的调谐电路提供了一种在有源集成电路中数字地校 正内部电阻变化的方法，首先，设定一个稳定的基准电流和响应该稳 定的基准电流及内部电阻变化提供一个模拟电压信号。然后，将该 模拟电压信号转换成表示内部电阻变化的数字码字，它代表内部 电阻变化，根据该数字码字能够改变一个电容值，从而数字地校准该 内部电阻。

本发明所述的调谐电路，即自校准电阻电路利用了一个精密的 电流基准连同一个模/数转换器以产生基本上表示电阻偏离正常设 计值变化的数字输出码。以整个RC时间常数不改变这样一种方 式，该数字输出设定了一个电容阵列。这样，对于电阻变化将执行一 种开环校正。

此外，本发明所述的自校准电阻电路能用于任何使用RC滤波 器的模拟信号处理电路中。它对于其中内部电阻数量超过2或3的 高阶滤波器特别有用。例如，目前基带脉冲成形调制器电路使用开 关电容取样数字滤波器作为主脉冲成形低通滤波器。这种类型的滤 波器必须跟一个“连续时间“(即未取样数据)低通滤波器以除去取样 数据频谱图形。3阶或4阶有源RC巴特沃茨(Butterworth)滤波器 用于这一功能。由于确切的-3dB半功率点频率对于这种滤波器不 是关键的，所以本发明所述的2比特校正电路将是足够的。

本发明所述的调谐电路不仅仅限于滤波器电路，而且可适用于 其他使用电阻的混合信号集成电路。这种自校准电阻提供了一种自 动校正方法，对机载集成电路的模拟信号处理电路进行内部的自 调谐。这样免去了工厂必须人工调谐这些电路和降低了在开发模拟 信号处理电路中的时间和费用。该自校准电阻电路调出电阻变化中 的变化和提供一种数字地校准集成电路中内部电阻变化的方法。