专利名称：使用有损积分器的多频带Gm－C状态可变滤波器的制作方法
背景技术：
低功耗、尺寸小、重量轻以及低成本已经成为开发诸如便携电话之类的移动设备的主要要求。这些无线通信设备的收发器都含有滤除多余信号的滤波器，并将这些滤波器集成在单个芯片上，以减少外部元件的数量并使重量和形状因数显著减小。
在收发器中，天线接收到的高频信号被调制到中频，并且移动电话的接收器有选择地提取它所需要的信号。从所选择的信号中提取出数字信息，在加上进一步的数字处理之后，输出清晰的语音。已经开发出CMOS电路来捕获基带信号。
为了协助这种解调过程，不同类型的滤波器可以被完全集成在芯片上，例如有源RC(电阻-电容)滤波器、开关电容滤波器和Gm-C(跨导-电容)滤波器。可以就线性、面积、噪声和功率等几方面在各种类型的滤波器之间进行比较和折衷。有源RC滤波器具有线性高的优点，但是在IC处理步骤中受到元件精度的困扰。开关电容滤波器可以很精确并且提供线性，但是具有高噪声指数，并且需要高的时钟频率来对信号进行抽样。在用于IF(中频)段的高性能电子电路中，优选使用模拟滤波器以为高速应用提供低成本和低功耗。Gm-C滤波器可以提供频率可调性，但是这种滤波器可能也要忍受Gm模块的元件偏差以及低线性的影响。
因此，一直以来都需要更好的方式来提供在频率转换过程中的滤波，同时为操作高数据率的无线收发器提供灵活性。
在本申请文件的结论部分特别指出并清楚地要求了本发明的保护主题。然而，本发明关于操作的组织和方法，以及本发明的目的、特征和优点在结合附图参考以下详细描述时可以得到最好的理解，其中图1图示了可被合并到无线通信设备的收发器中的本发明的特征；图2图示了根据本发明使用多个有损积分器部分的Gm-C滤波器，其中每个有损积分器部分都具有放大器、积分电容器C和电阻器R0；图3图示了根据本发明的Gm增强电路的一个实施方案；图4图示了具有阻抗ZLOAD的负载电路，该电路设置公共模式电压VCM；图5图示了用于有损积分器的负反馈(degeneration)阻抗的实施方案；图6图示了对于理想积分器k＝0的滤波器响应以及对于有损积分器k＝0.3的滤波器响应；图7图示了具有k＝1的Gm-C滤波器的具体实施方案；以及图8图示了在具有k＝1的Gm-C滤波器中使用的用于有损积分器的负反馈阻抗。
可以理解，为了图示简单和清楚，在附图中示出的元件不一定是按比例绘制的。例如，为清楚起见，有些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大了。另外，在适当的地方，在各个附图之间重复一些标号以表示相对应或相似的元件。
具体实施例方式
在以下详细描述中，阐述了很多具体的细节，以提供对本发明的完整理解。然而，本领域的技术人员将会理解，没有这些具体的细节也可以实现本发明。此外，没有详细描述公知的方法、过程、组件和电路，以免模糊了本发明。
在说明书和权利要求书中，可能会使用术语“耦合到”和“连接到”及其衍生词。应当理解，这些术语不想彼此成为同义词。相反，在具体的实施方案中，“连接到”可以用来表示两个或两个以上的元件彼此直接物理接触或电接触。“耦合到”可以指两个或两个以上的元件直接物理接触或电接触。但是，“耦合到”也可以指两个或两个以上的元件彼此不直接接触，但仍然相互协作或交互。
图1图示了可被合并到无线通信设备10中的本发明的特征。在模拟前端20中的收发器通过天线30接收或者发送调制信号。低噪声放大器(LNA)40放大所接收的信号，并且混频器电路50转换调制信号的载波频率，即在发射器中对调制信号的频率进行上变频(up-converting)，在接收器中对调制信号的频率进行下变频(down-converting)。根据本发明的实施方案，可以通过滤波器60对下变频后的信号进行滤波，并且由模数转换器70转换成数字表示。基带和应用处理器80与模拟前端20相连，一般而言，用于在通信设备10中提供对所接收的数据的数字处理。
模拟前端20可以与处理器80嵌入在一起，作为混合模式集成电路，可替换地，模拟前端20可以是一个独立的射频(RF)集成电路。因此，本发明的实施方案可以用在多种应用中，其中将所要求保护的主题合并到微控制器、通用微处理器、数字信号处理器(DSP)、精简指令集计算(RISC)、复杂指令集计算(CISC)以及其他电子元件中。具体地说，本发明可以用在智能电话、通信装置和个人数字助手(PDA)、基带和应用处理器、医学或生物技术器械、汽车安全和保护装备和汽车信息娱乐产品中。然而，应当理解，本发明的范围并不限于这些实施例。
此外，可以在以下无线设备中实现本发明的原理，所述无线设备在码分多址(CDMA)蜂窝网络(例如IS-95、CDMA 2000和UMTS-WCDMA)中相互连接，并且分布在某一区域中用于提供小区(cell)覆盖以实现无线通信。另外，可以在无线局域网(WLAN)、802.11、正交频分复用(OFDM)和超宽带(UWB)等当中实现本发明的原理。
存储器器件90可被连接到处理器80，以存储数据和/或指令。在一些实施方案中，存储器器件90可以是易失性存储器，例如静态随机访问存储器(SRAM)、动态随机访问存储器(DRAM)或同步动态随机访问存储器(SDRAM)，虽然所要求保护主题的范围在这方面并不受限。在替换性的实施方案中，存储器器件可以是非易失性存储器，例如电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存(NAND或NOR型，每单元包括多个位)、铁电介质随机访问存储器(FRAM)、聚合物铁电随机访问存储器(PFRAM)、磁性随机访问存储器(MRAM)、相变化存储器(OUM)、盘存储器(例如电机械式硬盘、光盘、磁盘)或者能够存储指令和/或数据的任何其他器件。然而，应当理解，本发明的范围不受限于这些实施例。
图2图示了使用多个Gm-C滤波器部分的跨导-C滤波器，所述Gm-C滤波器部分由放大器、电容器C和电阻器R0组成。跨导体基本上是要求输出电流与输入电压具有线性关系的跨导单元(输入电压产生输出电流)。这个输出电流被施加到积分电容器。跨导-C滤波器可以容易地以全集成的形式实现，与大多数期望技术中的其余的、通常数字式的，系统兼容。放大器和电容器为跨导-C或Gm-C滤波器提供了简单的构建模块，它们被很好地调适来提供快速并且容易调谐的连续时间滤波器。电阻器形成放大器的有限输出阻抗。
滤波器60表现出低功耗和高频操作，并且为了实现准确性，可以对滤波器进行调节，调节的任务是使本发明的特征提供一种简单但高准确性的方法。Gm-C滤波器60在跨导体模块中使用有损积分器来减小通带中的衰减，最大化阻带中的衰减，并且减少滤波器级数。利用Gm-C滤波器60来补偿Gm电路中的输出阻抗，就可以减小滤波器与频率相关的失真，并且可以减少滤波器功耗。图2示出了有损积分器，图中有损Gm-C积分器220与有损Gm-C积分器230和有损Gm-C积分器240级联。状态可变滤波器结构具有反馈系数-a2、-a1和-a0和前馈系数b2、b1和b0，其中求和电路210对三个反馈系数求和，求和电路250对三个前馈系数求和。
注意，单个积分器的传输函数由下式给出H(s)=Gm/Cs+1/(R0C),]]>其中Gm是积分器的跨导，C是在积分器的输出端的容抗，R0是放大器的有限输出阻抗。
有损Gm-C积分器的极点位于以下频率处ωP＝1/(R0C)。
注意，不考虑积分器的输出阻抗，所述传输函数由下式给出
Vout(s)Vin(s)=bnsn+bn-1sn-1+...+b1s+b0sn+1+ansn+an-1sn-1+...+a1s+a0]]>方程(1)然而，根据本发明的特征，在跨导体模块中使用有损积分器的Gm-C滤波器60的传输函数由下式给出Vout(Ω)Vin(Ω)=b‾nΩn+b‾n-1Ωn-1+....+b‾1Ω+b‾0Ωn+1+a‾nΩn+a‾n-1Ωn-1+....+a‾1Ω+a‾0]]>方程(2)方程(1)代表无损传输函数，通过对方程(1)进行频率变换，它可以被转换成代表有损传输函数的方程(2)，所述频率变换为1sω0+ωpω0⇔1Ωω0]]>或者sΩ-k，其中，ω0=GmC;]]>k=ωpω0,]]>并且Ω是新的频率变量。
因此，新提出的改进滤波器传输特性的调节方法是基于对结构系数的修改。通过进行频率变换，由跨导体输出电阻引起的单位增益频率处的相位领先可以通过适当地调节与信号前馈路径相关联的正零点的频率来补偿。
图3图示了Gm增强电路的一个实施方案，该电路具有大约为1/ZDEG的等效Gm，其中ZDEG是负反馈阻抗334。滤波器60是一个放大器(Gm放大器)，它将输入电压信号转换成输出电流信号。差分输入电压VIN-和VIN+是在各自的晶体管328和340的栅极处接收到的。输出电流I01和102是从各自晶体管320和346的漏极端提供的。
P沟道晶体管322和348被连接到各自的晶体管320和346，用P沟道晶体管的栅极来接收公共模式反馈信号(VCMFB)。公共模式反馈电路通过调整公共模式输出电流，为全差分模拟系统稳定公共模式电压。被供给晶体管312的电压VCM与被供给晶体管314的公共模式参考电压VREF之间进行比较，而将差分电压VCMFB提供给晶体管322和348。
图4图示了具有阻抗为ZLOAD的公共模式负载电路310，该电路设置被供给晶体管312(见图3)的电压VCM。多个N沟道晶体管串行连接并且与多个串行连接的P沟道晶体管并联，所述N沟道晶体管的栅极接收电压VDD，所述P沟道晶体管的栅极接收电压VSS。公共模式负载电路310接收差分输入电压VIN-和VIN+，并且生成被提供给积分器的公共模式信号VCM。
图5图示了用级联的晶体管实现的负反馈阻抗334，其运行在三极管区中并且具有阻抗ZDEG。N沟道晶体管接收控制电压VTUNE，通过串行排列，为每个晶体管提供最小的漏源电压降，并且提供基本线性的操作。
图6图示了对于理想积分器k＝0的滤波器响应，以及对于有损积分器k＝0.3的滤波器响应。根据本发明所提供的方法例如可以为具有10MHz转角频率(corner frequency)的三阶基带椭圆低通滤波器改善滤波器传输特征。包括有损积分器的Gm-C滤波器60的设计可以是k值为0.3的情形，但是注意，如果使用理想积分器的话，滤波器响应可以基本上是k值为0的滤波器的响应。波形610对应于k＝0.3的滤波器响应，而波形620对应于k＝0的滤波器响应。因此，通过施加在方程2中所示的变换，被设计为k＝0.3的、使用有损Gm-C积分器的滤波器响应可以复制被设计为k＝0并且具有无损Gm-C积分器的理想滤波器的滤波器频率响应。
参考方程2，在分子中的系数在变换之后没有实质性的改变，但是在分母中的系数被实质性地改变了。举例来说，在分子中的系数对于k＝0的情况来说可以具有{0.016，0，0.584}的值，对于k＝0.3的情况来说可以具有{0.016，-0.009，0.585}的值。但是，在变换之后，分母中的系数对于k＝0来说可以具有{1，1.094，1.35，0.58}的值，对于k＝0.3来说具有{1，0.19，0.96，0.25}的值。因此，根据本发明，系数值的变换可以是分母中的很大改变，以便获得理想的传输特性。
图7和图8图示了k＝1的Gm-C滤波器60的具体实施方案以及同样对应于k＝1情形的负反馈阻抗334(见图3)的实施方案。注意，在k＝1的这一具体情况下，可以将积分电容器插入在级联的晶体管之间。具体地说，图8示出了位于负反馈阻抗334中的积分电容器814通过晶体管810和812被耦合到节点332(见图3)，并且通过晶体管816和818被耦合到节点336。在这个实施方案中，与图2中所示的实施方案相比，当k＝1时，积分电容器被从积分器的输出端移走，并被放置在负反馈阻抗334中。
为简化起见，滤波器60的几个实施方案所示出的积分器都具有单端信号。在大多数集成应用中，希望使信号保持为全差分的。全差分电路具有更好的抗噪声特性和失真特性。因此，在这些实施方案中所使用的Gm-C积分器可以是单端的或者全差分的。
虽然这里已经图示并描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员将会作出很多修改、替换、改变和等同物。因此，可以理解，所附权利要求想要覆盖落入本发明真正精神内的所有这些修改和改变。
权利要求
1.一种方法，包括通过对滤波器传输函数的频率变换，为跨导滤波器选择反馈系数，以在所述跨导滤波器中形成有损积分器，所述反馈系数不同于无损积分器的反馈系数。
2.如权利要求1所述的方法，其中，当为所述跨导滤波器选择反馈系数时，形成所述有损积分器的有限输出阻抗还包括修改所述跨导滤波器的k值。
3.如权利要求1所述的方法，还包括为所述跨导滤波器选择前馈系数，对于所述有损积分器和所述无损积分器来说，所述前馈系数基本相同。
4.如权利要求1所述的方法，其中，通过对滤波器传输函数的频率变换，为跨导滤波器选择反馈系数还包括定义新的频率变量。
5.如权利要求1所述的方法，还包括在所述跨导滤波器中级联多个有损积分器。
6.一种方法，包括对于使用有损积分器的跨导滤波器，合并反馈系数和前馈系数，以基本上复制使用无损积分器的跨导滤波器响应。
7.如权利要求6所述的方法，还包括对于与具有无损积分器的跨导滤波器的滤波器k值不同的滤波器k值，通过选择所述反馈系数，形成所述有损积分器的有限输出阻抗。
8.如权利要求6所述的方法，还包括用串行连接的有损积分器来构建所述跨导滤波器。
9.如权利要求6所述的方法，其中，所述跨导滤波器还包括对所述反馈系数求和。
10.一种方法，包括提供Gm-C滤波器，其中所述Gm-C滤波器的系数被设计为使得有损积分器的有限阻抗提供滤波器频率响应，该滤波器频率响应基本上复制理想Gm-C滤波器。
11.如权利要求10所述的方法，还包括提供具有有损积分器传输函数的Gm-C滤波器，其中所述Gm-C滤波器的反馈系数实质上不同于理想Gm-C滤波器的反馈系数。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述有损积分器还包括提供具有至少两个晶体管的负反馈阻抗，并且将积分电容器放置在所述晶体管之间。
13.如权利要求12所述的方法，还包括利用串行连接的有损积分器和放大器来构建所述Gm-C滤波器。
14.一种系统，包括混频器电路，该电路被耦合来接收被下变频的调制信号，从而提供信号；包括Gm-C滤波器的处理器，所述Gm-C滤波器具有有损积分器，其系数使该Gm-C滤波器提供的滤波器频率响应基本上复制理想Gm-C滤波器；以及位于所述处理器之外，并且经由总线被耦合到所述处理器的静态随机访问存储器(SRAM)存储器件。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述Gm-C滤波器包括一串有损积分器，其中每一个积分器都具有负反馈阻抗。
16.如权利要求15所述的系统，其中，所述负反馈阻抗包括级联的晶体管。
17.如权利要求16所述的系统，其中，所述级联晶体管中至少有一个通过电容器与所述级联晶体管中的至少另一个晶体管相互隔离。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述电容器是积分电容器，其被耦合来接收由所述有损积分器之一产生的输出电流。
19.如权利要求14所述的系统，还包括具有阻抗的公共模式负载电路，该电路为所述有损积分器设置公共模式电压，其中所述公共模式负载电路包括级联的N沟道和P沟道晶体管。
全文摘要
本发明提供了一种具有接收混频器信号的跨导滤波器(Gm－C滤波器)的基带电路。所述Gm－C滤波器包括有损积分器，其系数使得该滤波器所提供的滤波器频率响应基本上复制理想Gm－C滤波器的频率响应。
文档编号H03H11/12GK1748365SQ200480003936
公开日2006年3月15日 申请日期2004年2月4日 优先权日2003年3月13日
发明者莫斯塔法·埃尔玛拉, 克里舍纳默西·索米亚纳斯 申请人:英特尔公司