DE102006034581A1

DE102006034581A1 - Filtervorrichtung

Info

Publication number: DE102006034581A1
Application number: DE102006034581A
Authority: DE
Inventors: Igor Ullmann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2008-01-31
Also published as: CN101127515B; CN101127515A; US7719348B2; US20080084242A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Filtervorrichtung mit einem Operationsverstärker (101) und einem Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113), der zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Operationsverstärkers (101) angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES UMFELD
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Filtervorrichtungen, insbesondere auf analoge Filtervorrichtungen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die gegenwärtigen analogen Filter-Designs, beispielsweise analoge Phasenregelschleifen-Designs (PLL, Phase Locked Loop) basieren meistens auf kontinuierlichen Zeitschleifen-Filtern mit R-C-Elementen. Eine PLL dritter Ordnung wird beispielsweise oft verwendet, da sie einen optimalen Kompromiss zwischen der Jitter-Performance und der Stabilität liefert, insbesondere bei auftretenden Signalspitzen oder Über- bzw. Unterschwingen.
2 zeigt ein Schleifenfilter zweiter Ordnung mit zwei Kondensatoren Cs und Cb sowie mit einem Widerstand R, der in Serie mit dem Kondensator Cb geschaltet ist. Darüber hinaus umfasst das Schleifenfilter einen Operationsverstärker. Die in 2 dargestellte Filterstruktur kann z.B. als eine aktive Vorrichtung (z.B. MOSFET), insbesondere für selbstausrichtende PLL-Strukturen implementiert werden. Phasenregelschleifen werden verwendet für beispielsweise vollständig oder für teilweise vollständig integrierte Anwendungen, wie z.B. Hochgeschwindigkeits-CDR, Frequenzsynthesizer, Taktgeneratoren usw., falls es vorteilhaft ist, eine hochgradig Prozess- und temperaturunabhängige Schleifenfilterstruktur für z.B. Phasenregelschleifen-Architekturen zu erhalten, die eine nahezu konstante Schleifencharakteristik, wie z.B. Schleifenbandbreite, Stabilität, Jitter-Performance, aufweisen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt liefert die vorliegende Erfindung eine Filtervorrichtung mit einem Operationsverstärker und einem Switched-Capacitor-Schaltkreis, der zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Operationsverstärkers angeordnet ist.
Der Switched-Capacitor-Schaltkreis kann einen Kondensator und eine Schaltanordnung umfassen, die beispielsweise mit einer Schaltfrequenz schaltbar ist. Der Kondensator kann beispielsweise einen Kapazitätswert aufweisen, der von der Schaltfrequenz abhängig ist. Da die Schaltfrequenz zumindest teilweise den Kapazitätswert des Kondensators bestimmt, besteht ein Zusammenhang zwischen dem Kapazitätswert und der Schaltfrequenz.
Gemäß einem Aspekt kann die Filtervorrichtung einen Controller umfassen, der die Schaltanordnung derart steuert, dass diese mit der Schaltfrequenz schaltbar ist. Die Schaltanordnung kann einen oder mehrere Schalter umfassen, die beispielsweise als Transistoren ausgeführt sind, die mit der Schaltfrequenz in einen leitenden oder in einen nichtleitenden Zustand schaltbar sind. Gemäß einem Aspekt kann der Controller beispielsweise ein Steuersignal mit der Schaltfrequenz bereitstellen, das die Schalter steuert.
Gemäß einem Aspekt kann der Switched-Capacitor-Schaltkreis einen weiteren Kondensator aufweisen, wobei der Kapazitätswert auf der Basis der folgenden Formel bestimmt werden kann: Cr = Cb/(1.1·(Cb·Rcr·fclk – 1)), (1)wobei Cr den Kapazitätswert des Kondensators bezeichnet, Cb ist ein Kapazitätswert des weiteren Kondensators und Rcr ist der gewünschte Impedanzwert, der durch den Switched- Capacitor-Schaltkreis emuliert wird. Darüber hinaus bezeichnet fclk (Fclk) die Schaltfrequenz. Diese ist bevorzugt fclk > 1.5/(Cb·Rcr). (2)
Gemäß einem Aspekt ist die Schaltanordnung ausgebildet, um den weiteren Kondensator schaltbar parallel zu dem Kondensator zu schalten.
Die Erfindung liefert ferner eine Filtervorrichtung mit einem Switched-Capacitor-Schaltkreis, der vorgesehen ist, um einen Wiederstand nachzubilden. Der Switched-Capacitor-Schaltkreis umfasst einen Kondensator und eine Schaltanordnung, wobei ein Kapazitätswert des Kondensators von der Schaltfrequenz abhängt. Die Abhängigkeit zwischen dem Kapazitätswert und der Schaltfrequenz sowie der Wert der Schaltfrequenz können wie vorstehend beschrieben gewählt werden.
Darüber hinaus kann die Filtervorrichtung einen weiteren Kondensator aufweisen, wobei die Schaltanordnung beispielsweise ausgebildet ist, um den weiteren Kondensator schaltbar parallel zu dem Kondensator zu schalten.
Die Erfindung liefert ferner eine Vorrichtung zum Filtern mit einer Einrichtung zum Verstärken und einer Einrichtung zum Bereitstellen einer Switched-Capacitor-Charakteristik, die zwischen einen Eingang und einen Ausgang der Einrichtung zum Verstärken geschaltet ist.
Gemäß einem Aspekt kann die Einrichtung zum Bereitstellen der Switched-Capacitor-Charakteristik einen Kondensator und eine Schaltanordnung umfassen, wobei die Schaltanordnung mit einer Schaltfrequenz schaltbar ist und wobei ein Kapazitätswert des Kondensators von dieser Schaltfrequenz abhängt.
Die Einrichtung zum Bereitstellen der Switched-Capacitor-Charakteristik kann einen weiteren Kondensator umfassen, wobei der Kapazitätswert von der Schaltfrequenz und/oder von einem weiteren Wert des weiteren Kondensators gemäß der vorstehend genannten Formel abhängen kann. Die Schaltfrequenz kann beispielsweise gemäß der vorstehend genannten Formel gewählt werden.
Die vorliegende Erfindung liefert darüber hinaus eine Einrichtung zum Filtern mit einer Einrichtung zum Bereitstellen einer Switched-Capacitor-Charakteristik, um die Wirkung eines Widerstandes nachzubilden. Die Einrichtung zum Bereitstellen der Switched-Capacitor-Charakteristik umfasst ferner einen Kondensator und eine Schaltanordnung, die mit einer Schaltfrequenz schaltbar ist, wobei ein Kapazitätswert des Kondensators von der Schaltfrequenz abhängt.
Gemäß einem Aspekt kann die Einrichtung zum Bereitstellen der Switched-Capacitor-Charakteristik einen weiteren Kondensator aufweisen, wobei der Kapazitätswert von einem weiteren Kapazitätswert des weiteren Kondensators und/oder von der Schaltfrequenz gemäß der vorstehend genannten Formel abhängen kann. Die Schaltfrequenz kann beispielsweise gemäß der vorstehend genannten Formel für die Schaltfrequenz gewählt werden.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner ein Verfahren zum Filtern mit dem Schritt eines Verstärkens eines Signals unter Verwendung eines Operationsverstärkers, um ein verstärktes Signal zu erhalten, und dem Schritt des Rückkoppelns des verstärkten Signals durch einen Switched-Capacitor-Schaltkreis zu einem Eingang des Operationsverstärkers.
Das Verfahren kann ferner das Einstellen eines Kapazitätswertes eines Kondensators umfassen, der von dem Switched-Capacitor-Schaltkreis umfasst ist, in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz der Schaltanordnung, die ebenfalls von dem Switched-Capacitor-Schaltkreis umfasst ist.
Das Verfahren kann ferner das Auswählen der Schaltfrequenz gemäß der vorstehend genannten Formel und/oder das Auswählen des Kapazitätswertes gemäß der vorstehenden Formel umfassen. Die Erfindung liefert ferner ein Verfahren zum Filtern unter Verwendung eines Switched-Capacitor-Schaltkreises, der einen Widerstand bzw. dessen Wirkung nachbildet. Der Switched-Capacitor-Schaltkreis kann beispielsweise einen Kondensator und eine Schaltanordnung aufweisen. Das Verfahren kann ferner das Schalten der Schaltanordnung mit der Schaltfrequenz umfassen, wobei der Kapazitätswert des Kondensators von der Schaltfrequenz abhängt.
Der Kapazitätswert und die Schaltfrequenz können gemäß den vorstehend genannten Formeln gewählt werden.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Ausführungsbeispiele werden bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild der Filtervorrichtung;
2 ein Blockschaltbild einer Filtervorrichtung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt eine Filtervorrichtung mit einem Operationsverstärker 101, einem Kondensator 103 (Cr), einem weiteren Kondensator 105 (Cb) und einem optionalen Kondensator 107 (Cf). Die Filtervorrichtung umfasst ferner eine Schaltanordnung 109 mit einem ersten Schalter 111 und einem zweiten Schalter 113.
Die Schaltanordnung 109, der Kondensator 103 und der weitere Kondensator 105 formen einen Switched-Capacitor-Schaltkreis, der zwischen einen Ausgang und einen Eingang des Operationsverstärkers 101 geschaltet ist. Der erste und der zweite Schalter 111, 113 der Schaltanordnung 109 sind beispielsweise gleichzeitig schaltbar mit einer Schaltfrequenz fclk (Fclk). Ist die Schaltanordnung 109 geschlossen, so sind die Kondensatoren 103 und 105 parallel geschaltet, wobei ein Anschluss des Kondensators 103 mit einem Knotenpunkt zwischen dem ersten Schalter 111 und dem zweiten Schalter 113 verbunden ist. Ein Anschluss des weiteren Kondensators 105 ist verbunden mit einem weiteren Anschluss des Schalters 111, welcher in einem geschalteten Zustand mit dem Knotenpunkt zwischen den Schaltern 111 und 113 verbunden ist. Der optionale Kondensator 107 ist zwischen den Ausgang und den Eingang des Operationsverstärkers 101 geschaltet.
Der Kondensator 103 kann beispielsweise einen Wert Cr = 6 pF aufweisen, der weitere Kondensator 105 kann einen Wert Cb = 20 pF aufweisen und der Kondensator 107 kann einen Kapazitätswert von Cs = 0,25 pF aufweisen. Die obigen Werte gelten beispielsweise für die Frequenz fin = fclk = 250 MHz, fout = 1 GHz und fn = 10 MHz.
Der Switched-Capacitor-Schaltkreis kann ausgebildet sein, um ein Widerstandselement zu emulieren, dessen Widerstandswert auf der Basis der folgenden Formel berechnet werden kann: Rcr = (1.1·Cr + Cb)/(1.1·Cr·Cb·fclk). (3)
Zum Beispiel ergibt sich bei Verwendung der vorstehend genannten Werte Rcr = 800 Ω. In diesem Fall ist Ron näherungsweise 100 Ω.
Die Filtervorrichtung kann beispielsweise ein PLL-Schleifenfilter zweiter Ordnung sein (z.B. single ended Filter).
Erfindungsgemäß wird das passive, hoch prozessabhängige Widerstandselement R aus 2 durch einen Switched-Capacitor-Pfad ersetzt. Dieses Konzept hat die folgenden Vorteile:

– Die Prozessabhängigkeit der Schleifenfilter-Impedanz wird reduziert, sodass eine stabile Schleifencharakteristik erhalten werden kann;
– eine verbesserte Rauschen-Jitter-Performance der PLL ist möglich aufgrund der Abwesenheit des Widerstandes; und
– die Einstellbarkeit des Schleifenfilters durch einen Switched-Capacitor-Takt kann für optionales Bandbreiten-Tracking eingesetzt werden.

Bevorzugt wird ein Switched-Capacitor-Schaltkreis zum Ersetzen des Widerstandes in beispielsweise einem aktiven Schleifenfilter zweiter Ordnung aus 2 verwendet. Das aktive Schleifenfilter ist bevorzugt ein vollständig differentielles Filter, was eine Reduktion der Einflüsse des Schaltungsrauschens auf die Jitter-Performance der PLL ermöglicht. Die SC-Takt-Quelle kann beispielsweise der PLL-Eingangstakt, der PLL-Ausgangstakt oder irgendein Nicht-PLL- oder PLL-basierter Takt sein. Der Takt kann beispielsweise überlappend oder nicht überlappend sein. Bevorzugt ist der Takt symmetrisch.
Die erfindungsgemäße Switched-Capacitor-Schleifenfilterstruktur ermöglicht des Weiteren einen hochgradig Prozess- und temperaturunabhängigen Betrieb und kann beispielsweise zu Einstellzwecken oder Tracking-Zwecken beim stabilen Betrieb mit geringem Rauschen eingesetzt werden.
Gemäß einem Aspekt kann die Spannung über dem Kondensator 105 (Cb), der beispielsweise in 1 gezeigt ist, rekursiv auf der Basis der folgenden Formel für Ub berechnet werden: Ub1 = (Cr·Ur0 + Cb·Ub0)/(Cr + Cb) Ub0 = 0V, Ur0 = Ui Ub1 = Cr·Ui/(Cr + Cb). (4)
Der Anstieg bei t = 0 für eine Sprungantwort eines RC-Filters bestimmt den Anstieg von 0 bis Ui gemäß: Src = Ui/(R·C) (5)
Der Anstieg bei t = 0 für eine Sprungantwort eines SC-Filters, was in einem Anstieg von O bis Ui resultiert, ist: Ssc = Ub1·fclk (6)
Wird Sb = Src gesetzt, so folgt: 1/(Rcr·Cb) = Cr·fclk/(Cr + Cb) → Rcr = (1.1·Cr + Cb)/(1.1·Cr·Cb·fclk (7)
Erfindungsgemäß wird ein Korrekturfaktor von 1.1 eingesetzt, um den Kapazitätswert derart einzustellen, dass der gewünschte Widerstandswert Rcr erhalten wird.

Claims

Filtervorrichtung, mit: einem Operationsverstärker (101); und einem Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113), der zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Operationsverstärkers (101) angeordnet ist.
Filtervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113) einen Kondensator (103, 105) und eine Schaltanordnung (111, 113) umfasst, wobei die Schaltanordnung (111, 113) mit einer Schaltfrequenz schaltbar ist und wobei ein Kapazitätswert (103, 105) des Kondensators von der Schaltfrequenz abhängt.
Filtervorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei ein Kapazitätswert Cr des Kondensators (103) gemäß Cr = Cb/(1.1·(Cb·Rcr·fclk – 1))bestimmbar ist, wobei Rc ein durch den Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113) zu emulierender Widerstandswert ist, wobei fclk die Schaltfrequenz ist und wobei Cb ein weiterer Kapazitätswert eines weiteren Kondensators (107), den der Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113) umfasst, ist.
Filtervorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Schaltfrequenz fclk gemäß fclk > 1.5/(Cb·Rcr)bestimmbar ist, wobei Rcr ein durch den Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113) zu emulierender Widerstandswert ist und wobei Cb ein weiterer Kapazitätswert eines weiteren Kondensators (107) ist, den der Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113) umfasst.
Filtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113) einen Kondensator (103) und einen weiteren Kondensator (105) umfasst und wobei die Schaltanordnung (111, 113) ausgebildet ist, um den weiteren Kondensator (105) parallel zu dem Kondensator (103) schaltbar zu verbinden.
Filtervorrichtung, mit: einem Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113) zum Nachbilden eines Widerstandes, wobei der Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113) einen Kondensator (103) und eine Schaltanordnung (111, 113) umfasst, die mit einer Schaltfrequenz schaltbar ist, wobei ein Kapazitätswert des Kondensators (103) von der Schaltfrequenz abhängt.
Filtervorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei ein Kapazitätswert Cr des Kondensators (103) gemäß Cr = Cb/(1.1·(Cb·Rcr·fclk – 1))bestimmbar ist, wobei Rcr ein durch den Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113) zu emulierender Widerstandswert ist, wobei fclk die Schaltfrequenz ist und wobei Cb ein weiterer Kapazitätswert eines weiteren Kondensators (105) ist, den der Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113) umfasst.
Filtervorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Schaltfrequenz gemäß fclk > 1.5/(Cb·Rcr) bestimmbar ist, wobei Rcr ein durch den Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113) zu emulierender Widerstandswert ist und wobei fclk ein weiterer Kapazitätswert eines weiteren Kondensators (105) ist, den der Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113) umfasst.
Filtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113) einen weiteren Kondensator (105) aufweist und wobei die Schaltanordnung (111, 113) ausgebildet ist, um den weiteren Kondensator (105) mit dem Kondensator (103) parallel schaltbar zu verbinden.
Filtervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, die ferner einen Operationsverstärker (101) aufweist, wobei der Switched-Capacitor-Schaltkreis (103, 105, 109, 111, 113) zwischen einem Ausgang und einem Eingang des Operationsverstärkers (101) angeordnet ist.
Vorrichtung zum Filtern, mit: einer Einrichtung zum Verstärken eines Signals unter Verwendung eines Operationsverstärkers (101), um ein verstärktes Signal zu erhalten; und einer Einrichtung (103, 105, 109, 111, 113) zum Bereitstellen einer Switched-Capacitor-Charakteristik; wobei das verstärkte Signal über die Einrichtung (103, 105, 109, 111, 113) zum Bereitstellen der Switched-Capacitor-Charakteristik auf einen Eingang des Operationsverstärkers (101) rückkoppelbar ist.
Vorrichtung zum Filtern gemäß Anspruch 11, wobei die Einrichtung (103, 105, 109, 111, 113) zum Bereitstellen der Switched-Capacitor-Charakteristik einen Kondensator (103, 105) und eine Schaltanordnung (111, 113) umfasst, wobei die Schaltanordnung (111, 113) mit einer Schaltfrequenz schaltbar ist und wobei ein Kapazitätswert des Kondensators (103, 105) von der Schaltfrequenz abhängt.
Vorrichtung zum Filtern gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Einrichtung (103, 105, 109, 111, 113) zum Bereitstellen der Switched-Capacitor-Charakteristik einen Kondensator (103) mit einem Kapazitätswert Cr = Cb/(1.1·(Cb·Rcr·fclk – 1))umfasst, wobei Rcr ein durch die Einrichtung (103, 105, 109, 111, 113) zum Bereitstellen der Switched-Capacitor-Charakteristik zu emulierender Widerstandswert ist, wobei fclk die Schaltfrequenz ist und wobei Cb ein weiterer Kapazitätswert (105) eines weiteren Kondensators ist, den die Einrichtung (103, 105, 109, 111, 113) zum Bereitstellen der Switched-Capacitor-Charakteristik aufweist.
Vorrichtung zum Filtern gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Schaltfrequenz fclk gemäß fclk > 1.5/(Cb·Rcr)bestimmbar ist, wobei Rcr ein durch die Einrichtung (103, 105, 109, 111, 113) zum Bereitstellen der Switched-Capacitor-Charakteristik zu emulierender Widerstandswert ist und wobei Cb ein weiterer Kapazitätswert eines weiteren Kondensators (105) ist, den die Einrichtung (103, 105, 109, 111, 113) zum Bereitstellen der Switched-Capacitor-Charakteristik aufweist.
Verfahren zum Filtern mit: Verstärken eines Signals unter Verwendung eines Operationsverstärkers, um ein verstärktes Signal zu erhalten; und Rückkoppeln des verstärkten Signals über einen Switched-Capacitor-Schaltkreis zu einem Eingang des Operationsverstärkers.
Verfahren zum Filtern gemäß Anspruch 15, wobei der Switched-Capacitor-Charakteristik einen Kondensator und eine Schaltanordnung umfasst, wobei ein Kapazitätswert des Kondensators von einer Schaltfrequenz abhängt, mit: Schalten der Schaltungsanordnung mit einer Schaltfrequenz.
Verfahren zum Filtern gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei der Switched-Capacitor-Schaltkreis einen Kondensator mit einem Kapazitätswert Cr = Cb/(1.1·(Cb·Rcr·fclk – 1))umfasst, wobei Rcr ein durch den Switched-Capacitor-Schaltkreis zu emulierender Widerstandswert ist, wobei fclk die Schaltfrequenz ist und wobei Cb ein weiterer Kapazitätswert eines weiteren Kondensators ist, den der Switched-Capacitor-Schaltkreis aufweist.
Verfahren zum Filtern gemäß einem der Ansprüche 16 bis 17, wobei die Schaltfrequenz fclk gemäß der folgenden Formel fclk > 1.5/(Cb·Rcr)bestimmbar ist, wobei Rcr ein durch den Switched-Capacitor-Schaltkreis zu emulierender Widerstandswert ist und wobei Cb ein weiterer Kapazitätswert eines weiteren Kondensators ist, den der Switched-Capacitor-Schaltkreis aufweist.
Verfahren zum Filtern unter Verwendung eines Switched-Capacitor-Schaltkreises zum Nachbilden einer Wirkung eines Widerstandes.
Verfahren zum Filtern gemäß Anspruch 19, wobei Switched-Capacitor-Schaltkreis einen Kondensator und eine Schaltanordnung aufweist, wobei ein Kapazitätswert des Kondensators von einer Schaltfrequenz abhängt, mit: Schalten der Schaltanordnung mit der Schaltfrequenz.