CN112332803B - 有源低通滤波器带宽校准电路 - Google Patents

有源低通滤波器带宽校准电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种有源低通滤波器带宽校准电路,旨在较宽的范围内对带宽进行调整,并能保持精准恒定。本发明通过下述技术方案实现:在I/Q两路正交通道的输入端分别产生两个幅度和频率均不相同的正弦信号,其中I路信号的频率为要校准的目标带宽频率。两路信号通过两路有源滤波器后,峰值检测电路检测出两路信号的幅度信息,送入比较器进行比较,比较结果送入有限状态机进行处理。通过有限状态机中的算法控制改变有源滤波器中的可调电容单元的电容值,对滤波器的带宽进行探测。多次根据比较器输出的结果,对滤波器的带宽进行探测迭代,直到可调电容单元所有比特位遍历,停止迭代。最终可以得到对电路PVT变化不敏感的更为精确的滤波器带宽。

Description

有源低通滤波器带宽校准电路
技术领域
本发明属于滤波器校准技术领域,涉及一种可以适用于无线射频收发机片上***(SOC)中,有源低通滤波器带宽的校准电路。
背景技术
低通滤波(Low-passfilter)是一种过滤方式,规则为低频信号能正常通过,而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。但是阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波程序(目的)而改变。它有的时候也被叫做高频去除过滤(high-cutfilter)或者最高去除过滤(treble-cutfilter)。低通滤波器有很多种。其中,最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。有源低通滤波电路可以消除高频噪声信号,保留直流与低频响应信号,比 RC滤波电路具有更强的抑制高频能力与更高的响应速度。有源低通滤波电路通常由集成运放和无源元件电阻和电容构成。它允许从零到某个截止频率的信号无衰减地通过,而对其它频率的信号有抑制作用。有源低通滤波电路可以用来滤除高频干扰信号,它被广泛应用于数模混合片上***(SOC)芯片中。近年来随着集成电路技术的突飞猛进,电路性能也不断的得到提升,尤其是片上***(SOC)的不断发展,数模混合电路和射频集成电路可以集成在一个芯片上实现完整的收发和信号处理功能。目前国内外对集成有源滤波器的研究主要集中在:宽带滤波器设计,自动调谐滤波器设计,可重构滤波器,电流模滤波器,以及兼有上述几种特点的滤波器设计。在一些要求宽带应用场合下,如新的IEEE通信标准,功耗成为主要考虑因素,运算放大器的高增益带宽积可以抑制通带内的增益纹波,而高的增益带宽积意味着高功耗,为了降低其功耗,往往用到Q值调谐技术,集成有源滤波器的带宽受到工艺影响变化较大,集成电路中常利用数字辅助自动调节Q值和滤波器的截止频率。收发机的架构选取与通信标准和收发机的性能要求有关,在保证性能的前提下,收发机要求具有低功耗、高集成度、小尺寸和低价格的特点,射频前端对收发机性能有决定性作用,滤波器一般位于下变频的后级可变增益放大器的前级,以及上变频混频器预失真放大器的前级。滤波器的增益、带宽、噪声和线性度会直接影响收发机的性能,不同的收发机需要的滤波器结构往往不同。
随着独立元器件慢慢的向***的高度集成化发展,集成有源滤波器也在从独立芯片向复杂***高度集成的方向发展。由此,设计适合***集成的高性能滤波器成为迫切任务。目前,集成有源滤波器有多种实现形式,而有源RC滤波器以其高线性度高动态范围特点更加适用于现代收发机***。现代通信***中,有用信号受到大量带外信号的干扰,因此接收机通常需要一个信道选择滤波器来选择有用信号。选择具有高动态范围特点的有源RC滤波器电路结构,利用蛙跳式结构综合无源滤波器,使滤波特性对电路中的反馈电阻电容的灵敏度最小。而在实际电路中,受集成电路器件工艺、环境温度和器件寿命的影响,往往相位和幅频特性与理想情况相差很大。随着CMOS工艺和集成电路设计的发展,集成电路的尺寸不断缩小,PVT(Process,Voltage andTemperature)波动对集成电路的影响也越来越严重。而集成电路进入深亚微米后,晶体管的漏电日益严重,加上广泛使用的便携式电子设备绝大部分时间处于待机状态。PVT波动主要来源于集成电路的制造流程和电路运行的实际环境,因为PVT波动会影响集成电路的性能、稳定性和功耗,所以进行电路设计时必须考虑PVT波动。滤波器的带宽主要由其时间常数RC来确定。如果滤波器设计时间常数的标准值为RC,但由于工艺和温度等不确定因素,会受芯片工艺偏差(ΔP)、电源电压波动(ΔV)、温度的变化(ΔT),简称PVT的影响,以及芯片上器件的老化,使得实际的RC将发生偏离,造成芯片上滤波器带宽偏离设计要求。而通过适当的算法,自适应调整R或者C的值,可以对偏离的带宽进行补偿校准。这样滤波器带宽可以灵活且精准调节,会使收发机的应用范围更加广范。
本发明公开一种有源低通滤波器带宽校准电路,滤波器带宽可以针对PVT的影响进行校准,同时滤波器带宽可以灵活地精准调节。
发明内容
为解决以上问题,本发明的目的是针对PVT的影响,提供一种能够在较宽的范围内对带宽进行调整,并能保持精准恒定的有源低通滤波器带宽校准电路。
本发明的上述目的可以通过以下技术方案予以实现:一种有源低通滤波器带宽校准电路,包括:I、Q正交通道上设置的可调带宽二阶有源低通滤波器LPF和与所述I、Q通道上的两路有源低通滤波器LPF及其并联端接的有限状态机FSM,其特征在于:在I、Q两路正交通道输入端分别输入两个幅度和频率均不相同的正弦信号,两路正弦信号首先分别通过I、 Q两路上的可调带宽二阶有源低通滤波器LPF,LPF输出的两路正弦信号分别送入I、Q两路LPF输出端上的两个峰值检测电路,检测出两路信号的幅度信息,并送入两个峰值检测电路输出端共同连接的比较器进行比较,比较器将比较结果送入比较器输出端连接的有限状态机 FSM进行处理;FSM根据比较结果,通过FSM中的算法电路控制并改变LPF中的可调电容单元的电容值,对滤波器的带宽进行探测和调整,将I路信号被LPF衰减后的幅度值逼近Q路信号的幅度值,同时根据比较器多次输出的结果,对LPF的带宽进行探测和不断迭代,直到可调电容单元所有比特位被遍历,停止迭代,得到对PVT变化不敏感的更为精确的滤波器带宽。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
通过该校准方法,可以使有源低通滤波器的带宽根据输入信号的滤波要求,在较宽的范围内进行调整;
本发明可以使有源低通滤波器的设计指定带宽不受PVT影响,保持精准恒定。
附图说明
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
图1是本发明有源低通滤波器带宽校准电路总体电路框图。
图2是图1中LPF实际带宽与校准目标带宽相等时,I/Q通道输出信号频谱对比图。
图3是图1中LPF实际带宽大于校准目标带宽时,I/Q通道输出信号频谱对比图。
图4是图1中LPF实际带宽小于校准目标带宽时,I/Q通道输出信号频谱对比图。
图5是图1中LPF二阶有源低通滤波器组成示意图。
图6是图1中可调电容阵列的基本组成示意图。
图7是图1中校准算法的流程图。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的优选实施例中,一种有源低通滤波器带宽校准电路,包括:I、 Q正交通道上设置的可调带宽二阶有源低通滤波器LPF和与所述I、Q通道上的两路有源低通滤波器LPF及其并联端接的有限状态机FSM。在I、Q两路正交通道输入端分别输入两个幅度和频率均不相同的正弦信号,两路正弦信号首先分别通过I、Q两路上的可调带宽二阶有源低通滤波器LPF,LPF输出的两路正弦信号分别送入I、Q两路LPF输出端上的两个峰值检测电路,检测出两路信号的幅度信息,并送入两个峰值检测电路输出端共同连接的比较器进行比较,比较器将比较结果送入比较器输出端连接的有限状态机FSM进行处理;FSM根据比较结果,通过FSM中的算法电路控制并改变LPF中的可调电容单元的电容值,对滤波器的带宽进行探测和调整,将I路信号被LPF衰减后的幅度值逼近Q路信号的幅度值,同时根据比较器多次输出的结果,对LPF的带宽进行探测和不断迭代,直到可调电容单元所有比特位被遍历,停止迭代,得到对PVT变化不敏感的更为精确的滤波器带宽。
I路LPF输入端输入的正弦信号频率与要校准的标准带宽BW=f-3dB相同,Q路LPF输入端输入的正弦信号频率为f-3dB/32,幅度为I路正弦信号幅度的
Figure BDA0002752639430000031
倍。整个带宽校准电路I、Q两路输入端用作校准的正弦信号利用是可以由LPF的前级电路的数模转换器(DAC)产生的。I路正弦信号频率与要校准的标准带宽BW=f-3dB相同,幅度VI=V1;Q路正弦信号频率为f-3dB/32,幅度
Figure BDA0002752639430000041
参阅图2、图3和图4。I/Q两路正弦信号通过I/Q两路LPF后,如果LPF实际带宽 BW0没有受PVT的影响,仍然是要校准的标准带宽f-3dB,那么,由于LPF在其3dB带宽处,增益将下降3dB,这样I路输出信号的幅度VI_out将会被衰减为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
而Q路信号由于频率远低于f-3dB,其通过LPF后幅度VQ_out不会被衰减,仍然会是
Figure DEST_PATH_IMAGE002
这样I/Q两路信号通过LPF后幅度是相等的,即VI_out=VQ_out,如图2所示。但是,如果LPF受到PVT 的影响,其实际带宽BW0可能大于或者小于f-3dB,这样对应VI_out也可能大于或者小于
Figure BDA0002752639430000044
分别如图3和图4所示。
接下来,分别用峰值检测电路检测出两路滤波器输出信号的幅度信息VI_out和VQ_out,然后送入比较器进行比较。比较器根据VI_out和VQ_out的大小情况,输出1或者0,再将比较结果送入有限状态机进行处理,有限状态机中的算法根据比较结果,控制改变有源低通滤波器中的可调电容阵列单元的电容值,使滤波器的带宽向减小VI_out和 VQ_out之间差距的方向变化。这样继续根据比较器输出的结果,对滤波器的带宽进行多次探测迭代,直到遍历结束,可以做到使VI_out逼近VQ_out,即使滤波器的实际带宽BW0逼近要校准的目标带宽BW可得到一个较精准的带宽校准结果。迭代的总次数与滤波器中可调电容阵列基本单元的总比特位数相等,
参阅图5、图6。如图5所示。有源低通滤波器LPF可以采用片上差分结构的二阶有源巴特沃兹滤波器构。二阶有源巴特沃兹滤波器由包含跨阻运算放大器OP1和OP2的两级滤波节级联构成。第一级滤波节对称有两两并联的基本可调电容单元C0,构成总电容为2C0的电容阵列;第二级滤波节对称有单个基本可调电容单元C0构成的电容阵列和电阻RF。第一级OP1的反向比例放大电路正负输出端通过两个交叉分压电阻RC串联第二级OP2的反向比例放大电路负正输入端,第一级OP1的输入端分别通过两个电阻RA并联第二级OP2的输出端。该二阶有源巴特沃兹滤波器的3dB带宽可以表示为:
Figure BDA0002752639430000045
可以看出,改变电阻或者C0的值,可以调节滤波器的3dB带宽。在实际数模混合芯片中,电阻多为固定值,而C0一般为可调的,其内部电容阵列构成如图6所示。阵列的电容呈2 的M次方倍数递增关系(M取值从0到N),除一个很小的固定电容Cfix外,其余电容阵列都由开关控制信号ADJ<N:0>控制。如果开关控制信号ADJ<N:0>对应的十进制整数为k(0 ≤k≤2N+1-1),则C0可以表示为Cfix+kΔC,从而可实现基本电容单元ΔC的整数k倍范围内电容值的遍历。
参阅图7。在一次校准过程中,校准算法根据比较器输出的值,采用“二分法”控制改变可调电容单元,对滤波器带宽进行试探。首先将可调电容单元的电容值设置为最大电容可变范围的中值,初始化开关控制信号ADJ<N:0>=100…000,即最高位置1,其余位保持为 0。此时I通道LPF输出的信号幅度VI_out和Q通道LPF输出的信号幅度VQ_out如果满足:VI_out>VQ_out,则比较器输出结果COMP_OUT=1,表明滤波器目前带宽BW0大于校准的标准值f-3dB,这样需要增加电容C0的值来调低BW0。因此,下一次探测将在最大电容可变范围中值的左半区,即高位区进行,这个区域对应着比当前电容值大的范围。这样, ADJ<N:0>的最高位为1就被确定下来,保存当前寄存器。同理,如果VI_out<VQ_out, COMP_OUT=0,则ADJ<N:0>的最高位将被置为0,保存当前寄存器。接下来进行次高位的探测,仍然首先将ADJ<N:0>次高位置为1,然后重复前面的校准过程,判断是否是最低位,是则结束,将开关控制信号ADJ<N:0>的最终码锁存在对滤波器带宽进行配置的寄存器中,否则重新设置开关控制信号ADJ<N:0>当前位为1,重复前面的校准过程,直至ADJ<N:0> 的最低位值被确定下来,然后根据ADJ<N:0>的最终码值对可调电容单元进行配置,确定C0的最终值,完成校正过程。此时VI_out和VQ_out的值在误差允许的范围内近似相等。这个误差由比较器本身的判断误差和电容阵列的总比特位决定。最终可以使滤波器的实际带宽 BW0与校准标准带宽f-3dB相等,消除PVT变化对滤波器带宽的影响。注意的是,I/Q通道的有源低通滤波器是同时被校准的。
以上所述为本发明较佳实施例,应该注意的是上述实施例对本发明进行说明,然而本发明并不局限于此,并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种有源低通滤波器带宽校准电路,包括:I、Q正交通道上设置的可调带宽二阶有源低通滤波器LPF和与所述I、Q通道上的两路有源低通滤波器LPF及其并联端接的有限状态机FSM,其特征在于:在I、Q两路正交通道输入端分别输入两个幅度和频率均不相同的正弦信号,两路正弦信号首先分别通过I、Q两路上的可调带宽二阶有源低通滤波器LPF,LPF输出的两路正弦信号分别送入I、Q两路LPF输出端上的两个峰值检测电路,检测出两路信号的幅度信息,并送入两个峰值检测电路输出端共同连接的比较器进行比较,比较器将比较结果送入比较器输出端连接的有限状态机FSM进行处理;FSM根据比较结果,通过FSM中的算法电路控制并改变LPF中的可调电容单元的电容值,对滤波器的带宽进行探测和调整,将I路信号被LPF衰减后的幅度值逼近Q路信号的幅度值,同时根据比较器多次输出的结果,对LPF的带宽进行探测和不断迭代,直到阵列的可调电容单元所有比特位被遍历,停止迭代,得到对PVT变化不敏感的更为精确的滤波器带宽。
2.如权利要求1所述的有源低通滤波器带宽校准电路,其特征在于:峰值检测电路连接在有源低通滤波器输出端,有限状态机(FSM)连接在比较器输出端,两个峰值检测电路连接在比较器之间。
3.如权利要求1所述的有源低通滤波器带宽校准电路,其特征在于:整个带宽校准电路I、Q两路输入端用作校准的正弦信号利用是利用LPF的前级电路的数模转换器(DAC)产生的。
4.如权利要求1所述的有源低通滤波器带宽校准电路,其特征在于:I路正弦信号频率与要校准的标准带宽BW=f-3dB相同,并且幅度VI=V1;Q路正弦信号频率为f-3dB/32,幅度
Figure FDA0002752639420000011
5.如权利要求3所述的有源低通滤波器带宽校准电路,其特征在于:I、Q两路信号通过LPF后幅度是相等的,即VI_out=VQ_out,如果LPF受到PVT的影响,其实际带宽BW0大于或者小于f-3dB,对应VI_out也大于或者小于
Figure FDA0002752639420000012
6.如权利要求1所述的有源低通滤波器带宽校准电路,其特征在于:峰值检测电路检测出两路滤波器输出信号的幅度信息VI_out和VQ_out,送入比较器进行比较,比较器根据VI_out和VQ_out的大小,输出1或者0,再将比较结果送入有限状态机FSM进行处理,有限状态机FSM中的算法根据比较结果,控制并改变有源低通滤波器中的可调电容阵列单元的电容值,使滤波器的带宽向减小VI_out和VQ_out之间差距的方向变化,FSM继续根据比较器输出的结果,对滤波器的带宽进行多次探测迭代,直到VI_out逼近VQ_out,使滤波器的实际带宽BW0逼近要校准的目标带宽BW,直到遍历结束,得到一个较精准的带宽校准结果,其中,迭代的总次数与滤波器中可调电容阵列基本单元的总比特位数相等。
7.如权利要求1所述的有源低通滤波器带宽校准电路,其特征在于:阵列的电容呈2的M次方倍数递增关系,并且M取值从0到N,除一个固定电容Cfix外,其余电容阵列都由开关控制信号ADJ<N:0>控制,如果开关控制信号ADJ<N:0>对应的十进制整数为k(0≤k≤2N+1-1),则C0表示为Cfix+kΔC,从而实现基本电容单元ΔC的整数k倍范围内电容值的遍历。
8.如权利要求1所述的有源低通滤波器带宽校准电路,其特征在于:有源低通滤波器LPF采用片上由包含跨阻运算放大器OP1和OP2两级滤波节级联构成的二阶有源巴特沃兹滤波器的差分结构,其中,第一级滤波节对称有两两并联的基本可调电容单元C0和构成总电容为2C0的电容阵列;第二级滤波节对称有单个基本可调电容单元C0构成的电容阵列和电阻RF
9.如权利要求8所述的有源低通滤波器带宽校准电路,其特征在于:第一级OP1的反向比例放大电路正负输出端通过两个交叉分压电阻RC串联第二级OP2的反向比例放大电路负正输入端,第一级OP1的输入端分别通过两个电阻RA并联第二级OP2的输出端,该二阶有源巴特沃兹滤波器的3dB带宽表示为:
Figure FDA0002752639420000021
10.如权利要求6所述的有源低通滤波器带宽校准电路,其特征在于:在一次校准过程中,校准算法根据比较器输出的值,采用“二分法”控制改变可调电容单元,对滤波器带宽进行试探,首先将可调电容单元的电容值设置为最大电容可变范围的中值,初始化开关控制信号ADJ<N:0>=100…000,即最高位置1,其余位保持为0,此时I通道LPF输出的信号幅度VI_out和Q通道LPF输出的信号幅度VQ_out如果满足:VI_out>VQ_out,则比较器输出结果COMP_OUT=1,下一次探测将在最大电容可变范围中值的左半区,即高位区进行,这个区域对应着比当前电容值大的范围,ADJ<N:0>的最高位为1被确定下来,保存当前寄存器,同理,如果VI_out<VQ_out,COMP_OUT=0,则ADJ<N:0>的最高位将被置为0,保存当前寄存器;接下来进行次高位的探测,仍然首先将ADJ<N:0>次高位置为1,然后重复前面的校准过程,判断是否是最低位,是则结束,将开关控制信号ADJ<N:0>的最终码锁存在对滤波器带宽进行配置的寄存器中,否则重新设置开关控制信号ADJ<N:0>当前位为1,重复前面的校准过程,直至ADJ<N:0>的最低位值被确定下来,然后根据ADJ<N:0>的最终码值对可调电容单元进行配置,确定C0的最终值,完成校正过程。
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