专利名称：利用跨导稳定截止频率的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用跨导稳定截止频率的装置，尤其是涉及一种利用跨导稳定截止频率，能够保持恒定的频率特性而与在IC(集成电路)中安装滤波器电路造成的温度变化、电源电压变化、以及装配误差都无关的装置。
从七十年代末以来，作为对电子工业有重要影响的在集成电路中装配滤波器的需求已经使SCF(开关电容滤波器)受到了高度的重视。目前，在所有的MOS IC(金属氧化物半导体集成电路)技术中已经普遍采用了SCF。
从装配的过程来看，用有源元件构成的有源滤波器一般是通过在最后的工序中调节电阻来确定其精度特性的，这种调节严重地妨碍了在一个完整的IC中装配有源滤波器的工作。
为了克服这各障碍，有人建议采用由开关器件，电容及运算放大器构成的SCF。SCF的操作性能可以由适合在IC中容易装配滤波器的电容比来确定。
有源滤波器中所采用的电阻可以用按照预定的开关频率切换的开关器件和电容来代替。用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)可以很容易构成这种开关器件。因此，实现了滤波器的集成化。
图1A是用现有技术的开关1和现有技术的电容CR实现的电阻的电路示意图。图1B是图1A的等效电路图。开关1按照预定的开关频率导通/关断。
图1C是图1A的实际电路图。彼此相位相反的时钟信号分别被提供给晶体管Q1和Q2的栅极端。然后按照异逻辑使晶体管Q1和Q2导通/关断。输入到电路的电压V1被反复地充、放电，从而输出经滤波的频率电压V2。
当晶体管Q1被导通时，电容CR被充电到CR×V1。当在晶体管Q1被关断的同时晶体管Q2被导通时，电容CR被放电到CR×V2。
从输入传递到输出的电荷量q的值是q＝CR(V1-V2) (1)电荷量q是在开关周期TC期间传递的，平均电流i(t)是i(t)≈ΔqΔt=CR(V1-V2)TC=V1-V2(TC/CR)-----(2)]]>当在输入和输出端之间连接一个相当于TC/CR的电阻时，公式2表示流动电流与电压降之间的关系。因此，可假设在输入和输出端之间连接了一个用公式3近似计算出的等效电阻。RC≈TCCR=1fCCR,fC=1TC------(3)]]>其中的fC是开关周期TC的倒数，即，开关频率。
根据这种理论，可以用开关器件和电容来代替妨碍集成化的电阻。
图2A是用电阻来实现的有源滤波器的电流图。该有源滤波器包括电阻RC，用于控制输入电压V1；运算放大器2，用于通过放大由电阻RC产生的信号来输出一个输出电压Vout；以及电容C1，用于反馈运算放大器2的输出。输出电压Vout是Vout=-1RCC1jωV1,ω=2πfi------(4)]]>其中的ω是输入信号的角频率，而fi是输入信号的频率。
图2B是用图1A实现的SCF的电路图，它包括开关1，用于按照预定频率对输入电压V1进行采样；电容CR，用于对输入到开关1的电压充电和放电；运算放大器3，用于通过放大由开关1产生的信号来输出一个输出电压Vout；以及电容C2，用于反馈从运算放大器3输出中待滤除的某一频率的电压。用于对输入到开关1的电压进行充电和放电的电容CR与电阻RC具有公式3的关系。输出的电压Vout是Vout=-fCCRC2jωV1,ω=2πfi------(5)]]>其中的ω是输入信号的角频率，而fi和fc分别是输入信号的频率和开关频率。
当把图2A和2B的滤波器电路安装在IC中时，由于装配误差，电阻和电容分别会造成大约±20％的误差。因此，可以通过改变开关频率fC来获得的所需的滤波器电路截止频率。根据采样理论，开关频率应至少要是输入信号频率的二倍。为了获得充分近似的电阻，通常需要使开关频率达到输入信号频率的十倍以上。
然而，由于在普通IC中安装的滤波器电路不能采用无限制增加的开关频率fC，因此，它只能限制为低频滤波器。另外，在开关频率fC中不可避免地存在噪声，因此会造成电路不稳定。
本发明的目的是提供一种利用跨导稳定截止频率的装置，这种装置特别适用于高频，它能够保持恒定的频率特性而与在IC(集成电路)中安装滤波器电路造成的由时钟频率引起的噪声、温度变化、电源电压变化、以及装配误差都无关。
为了实现所述和其它目的，这种利用跨导稳定截止频率的装置包括滤波单元，它具有跨导单元，其可变电阻当跨导随着输入控制电压变化时发生变化；具有容抗的电容，该滤波单元仅能通过所提供的输入信号中由电阻和容抗所确定的一定的频带；跨导设定单元，用于通过提供作为输入控制的可变输出以改变跨导单元的跨导，用连接到差动放大器第一输入的第一晶体管与连接到该差动放大器第二输入的第二晶体管之间的跨导差来改变可变的输出；以及控制单元，用于使差动放大器的第一晶体管或第二晶体管的跨导发生变化。
该滤波单元最好包括跨导单元，它具有输入晶体管，它还具有漏极，它通过电阻连接到电源；栅极，通过它提供输入信号；和源极；以及可变跨导的晶体管，它还具有漏极，它连接到输入晶体管的源极；栅极，通过它提供控制电压；和接地的源极，可变跨导晶体管的跨导按照控制电压的变化而变化；运算放大器，用于滤波，其反相端连接到输入晶体管的漏极；以及电容，其一端同时连接到输入晶体管的漏极和运算放大器的反相端，而另一端连接到运算放大器的输出端。
该跨导设定单元最好包括电流镜像器(current mirror)，它连接到电源，用于使流过差动放大器第一输入的电流与流过差动放大器第二输入的电流相同；偏置电压源，用于向差动放大器的第一晶体管和第二晶体管提供第一偏置电压和第二偏置电压；可变跨导单元，它具有第一晶体管，其第一跨导与第一偏置电压成正比；和第二晶体管，其第二跨导与第二偏置电压成正比；第一跨导控制器，它连接在电流镜像器和可变跨导单元之间，用于执行电流镜像器的功能，并且通过放大和输出由于第一跨导与第二跨导之差而产生的电压来提供控制电压；以及第二跨导控制器，它连接到可变跨导单元，用于通过改变第二晶体管的漏极-源极电压以改变第二跨导，从而控制待改变的第一跨导控制器的输出。
该控制单元最好包括外部电阻，用于按照预定的电阻来改变第一晶体管或第二晶体管的跨导；以及外部电压源端子，用于按照输入的调节电压来改变第一晶体管或第二晶体管的跨导。
更具体地说，该偏置电压源包括偏置运算放大器，它具有反相端，通过它输入直流电压；和同相端，它通过第一，第二和第三电阻接地；以及偏置晶体管，它具有栅极，它连接到偏置运算放大器的输出端；源极，它连接到电源；和漏极，它通过第四电阻连接到偏置运算放大器的同相端。
该电流镜像器包括第一电流镜像器晶体管，其源极连接到电源；
第二电流镜像器晶体管，它具有栅极，它同时连接到第一电流镜像器晶体管的栅极和第二电流镜像器晶体管的漏极；和源极，它连接到电源；第三电流镜像器晶体管，其源极连接到第一电流镜像器晶体管的漏极；以及第四电流镜像器晶体管，它具有栅极端，它连接到第三电流镜像器晶体管的栅极端和第四电流镜像器晶体管的漏极；和源极，它连接到第二电流镜像器晶体管的漏极。
该第一跨导控制器包括控制晶体管，它具有源极，它连接到第四电流镜像器晶体管的漏极；和漏极，它通过控制单元接地；以及控制运算放大器，它具有同相端，它连接到外部电压源端子，并由此提供调节电压；反相端，它连接到控制晶体管的源极；和输出端，它连接到控制晶体管的栅极。
该可变跨导单元包括第一晶体管，它具有栅极端，它同时连接到偏置晶体管的漏极和第四电阻；漏极，它连接到电流镜像器晶体管的源极；和接地的源极；以及第二晶体管，它具有栅极端，它连接在第一和第二电阻的连接位置上；漏极，它连接到电流镜像器晶体管的源极；和接地的源极。
该第二跨导控制器包括第五电流镜像器晶体管，其漏极连接到第三电流镜像器晶体管的漏极；第六电流镜像器晶体管，其漏极连接到第四电流镜像器晶体管的漏极；以及电流镜像器/输出运算放大器，它具有同相端，它同时连接到第三电流镜像器晶体管的漏极和第五电流镜像器晶体管的漏极；反相端，它同时连接到第四电流镜像器晶体管的漏极和第六电流镜像器晶体管的漏极；和输出端，它同时连接到第五电流镜像器晶体管的栅极和第六电流镜像器晶体管的栅极。
通过以下结合附图的说明可以了解本发明的进一步特征和优点。
图1A是表示采用现有技术的开关和现有技术的电容实现电阻的电路示意图；图1B是图1A的等效电路图；图1C是图1A的实际电路图；图2A是一个通用有源滤波器的电路图；图2B是由图1A实现的一个滤波器电路图；图3是本发明的采用跨导稳定截止频率的装置的优选实施例的电路框图；以及图4是图3中的跨导设定单元和外部控制单元的一个实施例的电路图。
以下将参照附图详细说明本发明的利用跨导稳定截止频率的装置。
图3是本发明的利用跨导稳定截止频率的装置的优选实施例的电路框图。由图可见，截止频率稳定装置包括滤波单元100，用于仅通过具有预定频带的信号；跨导设定单元200，用于确定滤波单元100的跨导；以及外部控制单元300，用于控制跨导设定单元200的跨导。
滤波单元100包括跨导单元10，它按照流动电流来改变电阻值；运算放大器20，用于接收和放大由跨导单元10产生的信号；以及电容器30，用于反馈运算放大器20的输出。跨导单元10最好用MOSFET10a和10b构成。
如图4所示，跨导设定单元200包括偏置电压源210，用于提供偏置电压；电流镜像器220，用于接收电源电压VDD并且从其两个输出端A和B输出等量的电流；第二跨导控制器230，它连接到电流镜像器220的两个输出端A和B，用于控制晶体管Q7和Q8的跨导，并且向滤波单元100的跨导单元10提供工作电压；第一跨导控制器240，它连接到电流镜像器220的输出端B的节点B上，用于通过对流动电流进行分流和控制来控制晶体管Q7和Q8的跨导；以及可变跨导单元250，用于改变跨导。
偏置电压源210由运算放大器211和晶体管Q9构成。运算放大器211具有反相端(-)，通过它输入预定的直流电压；同相端(+)，它通过串联电阻R1、R2、和R3接地；以及输出端，它连接到晶体管Q9的栅极端。晶体管Q9的源极端被连接到电源电压VDD。晶体管Q9的漏极端通过电阻R4连接到运算放大器211的同相端(+)和电阻R1的连接点上。
电流镜像器220包括晶体管Q1、Q2、Q3和Q4，并且使晶体管Q3的集电极电流与晶体管Q4的集电极电流相同。
晶体管Q1的源极端被连接到电源电压VDD。晶体管Q1的栅极端被连接到晶体管Q2的栅极端。晶体管Q1的漏极端被连接到晶体管Q3的源极端。
晶体管Q2的栅极端被同时连接到晶体管Q1的栅极端和晶体管Q2的漏极端。晶体管Q2的源极端被连接到电源电压VDD。晶体管Q2的漏极端被连接到晶体管Q4的源极端。
晶体管Q3的源极端被连接到晶体管Q1的漏极端。晶体管Q3的栅极端被连接到晶体管Q4的栅极端。晶体管Q3的漏极端被连接到节点A，也就是运算放大器231的同相端(+)。
晶体管Q4的栅极端被连接到晶体管Q3的栅极端和晶体管Q4的漏极端。晶体管Q4的源极端被连接到晶体管Q2的漏极端。晶体管Q4的漏极端被连接到节点B，也就是运算放大器231的反相端(-)。
第二跨导控制器230包括运算放大器231和晶体管Q5及晶体管Q6。
运算放大器231的同相端(+)连接到晶体管Q3的漏极端。运算放大器231的反相端(-)连接到晶体管Q4的漏极端。运算放大器231的输出端被连接到滤波单元100的跨导单元10。
晶体管Q5的漏极端被同时连接到晶体管Q3的漏极端和运算放大器231的同相端(+)。晶体管Q5的栅极端被同时连接到运算放大器231的输出端和晶体管Q6的栅极端。晶体管Q5的源极端被连接到晶体管Q7的漏极端。
晶体管Q6的栅极端被同时连接到运算放大器231的输出端和晶体管Q5的栅极端。晶体管Q5的漏极端被同时连接到晶体管Q4的漏极端和运算放大器231的反相端。晶体管Q6的源极端被连接到晶体管Q8的漏极端。
第一跨导控制器240由晶体管Q10和运算放大器241构成。晶体管Q10的源极端被连接到节点B，也就是晶体管Q4的漏极端。晶体管Q10的栅极端被连接到运算放大器241的输出端。晶体管Q10的漏端被连接到外部电阻R的一端。运算放大器241的同相端(+)连接到用于控制跨导的外部电压源端子E。运算放大器241的反相端(-)连接到晶体管Q10的漏极端。运算放大器241的输出端被连接到晶体管Q10的栅极端。
可变跨导单元250包括晶体管Q7和Q8。晶体管Q7的栅极端连接到晶体管Q9的漏极端。晶体管Q7的漏极端连接到晶体管Q5的源极端。晶体管Q7的源极端接地。晶体管Q8的栅极端连接到电阻R1和R2相连接的节点D。晶体管Q8的漏极端连接到晶体管Q6的源极端。晶体管Q8的源极端接地。
以下将详细说明本发明的截止频率稳定装置的操作。
首先，在说明这种截止频率稳定装置的操作之前将简要说明通过调节晶体管的跨导就能够稳定截止频率的理论基础。电导对应着电阻的倒数。为了说明，以FET(场效应晶体管)为例。
FET的电导gm是gm=∂ID∂VGS------(6)]]>其中ID是偏置点上的漏极电流，而VGS是栅极和源极之间的电压。
FET的跨导gm对应着FET传输曲线中一个工作点Q上的斜率。当通过电路中的电压改变跨导时，就可以获得电阻变化的类似效果。这种效果被称为VVR(电压-可变电阻)效果。
参照FET的ID-VDS输出曲线(其中VDS是漏极和源极之间的电压)，可以看出，当VDS较小时，输出曲线几乎是直的，并且其斜率取决于VGS。
换句话说，这表明当FET工作在线性区时，有可能通过改变VGS来以电子学的方法改变电阻。
源极和漏极之间的直流电阻RDS是1RDS=IDVDS≈gm------(7)]]>如公式7所示，在线性区域内相对于给定VGS的直流电阻RDS的倒数与线性区域内相对于VGS的跨导gm是相同的。因此，可以通过改变VGS或VDS的电压来改变电阻。VVR效果就是这样实现的。
如图3所示，在IC内安装了滤波单元100和跨导设定单元200之后，在IC外部安装外部电阻R和外部控制单元300的外部电压源端子F。如果按照以下方式控制跨导，就可以获得所需稳定的截止频率，而与在IC中安装滤波器电路造成的温度变化、电源电压变化、以及装配误差都无关。
首先，向偏置电压源210中的运算放大器211的反相端(-)提供2.5伏电压。此时，运算放大器211的同相端(+)在此时变为2.5伏，这是运算放大器211的特性。串联电阻各端上的电压按照各自的电阻比例分压。结果，节点C变为3伏，而节点D变为2伏。
节点C和D上产生的电压分别被提供给晶体管Q7和Q8。
晶体管Q7和Q8具有相同的特性，并且在提供给各自栅极端的电压之间存在1伏的差别。因此，流过晶体管Q7的电流I2大于流过晶体管Q8的电流I3，因此，节点A上的电压大于节点B上的电压。
流过晶体管Q7和Q8的电流从节点A和B获得，节点A和B是构成两个单元的电流镜像器220的两个输出端。
此时，节点A和B之间的电压差被运算放大器231放大，并且输出到输出端，以便补偿节点A和B之间的电压差。结果，连接到运算放大器231输出端的晶体管Q5和Q6的栅极端电压随之增加。
当晶体管Q5和Q6的栅极端电压增加时，晶体管Q5和Q6的源极端电压随之增加，其中具有一个门限电压的电压差。
因此，晶体管Q7和Q8的漏极端和源极端之间的电压VDS就会增加，从而使电流增加。
换句话说，由于跨导是电阻的倒数，可以改变跨导就意味着可以把电阻控制在一个所需的值。因此，通过把运算放大器231的输出端，即，跨导设定单元200的输出端，连接到滤波单元100的跨导单元10的栅极端，就可以把滤波单元100的跨导改变成所需的值。这样，即使滤波单元100内部包括的电容的电荷量在±20％的范围内变化，仍可以构成稳定的滤波器电路。
通过控制根据节点A和B之间的电压差流出的电流I1就可以把跨导改变到所需的值。
通过改变设置在IC外部的外部电阻R就可以控制电流I1。通过控制电流I1就可以控制跨导。
当外部电阻R的值比较小时，流过电阻R的电流就会增加。结果，晶体管Q6的漏极电压就会下降。可变跨导单元250的晶体管Q8的漏极电压也会下降。因此，晶体管Q8的跨导随之下降。
此时，节点A和B之间的电压差被运算放大器231放大，并且把放大的电压输出到输出端子OUT。被放大和输出的电压被提供给滤波单元100的跨导单元10的栅极端(未示出)。因此，可以把跨导控制在所需的值。当使用的外部电阻具有1％的误差，滤波器的设计误差就是1％。
另外，当对提供给第二跨导控制器240的外部电压源端子F的电压进行控制时，节点E上的电压就会改变。结果就使流过外部电阻R的电流随之改变，因此可以按照与改变电阻值相同的方式来改变晶体管Q8的跨导。通过控制运算放大器231的输出就可以改变滤波单元100的跨导单元10，并且可以获得具有所需频带和所需放大倍数的滤波器结构。
当通过晶体管10b的栅极输入运算放大器231的输出时，运算放大器231的输出就会改变。栅极电压随之改变，并且晶体管10b的跨导也会随之改变。因此能设计出一种滤波器，只有经晶体管10a输入的信号中的所需信号才能够通过这种滤波器。
本发明的利用跨导稳定截止频率的装置不仅限于上述滤波器电路，显然，本领域的技术人员可以在本发明的范围和精神内实现各种变更。例如，如果用电阻来代替滤波单元100的反馈电容30，在不影响任何性能的条件下，本装置可作为放大电路来使用。
权利要求
1.一种利用跨导稳定截止频率的装置，包括滤波单元，它具有跨导单元，其可变电阻在跨导随着输入控制电压变化时发生变化，和具有容抗的电容，所述滤波单元仅能通过所提供的输入信号中由电阻和容抗所确定的频带的信号；跨导设定单元，用于通过提供作为输入控制的可变输出以改变跨导单元的跨导，用连接到差动放大器第一输入的第一晶体管与连接到该差动放大器第二输入的第二晶体管之间的跨导差来改变所述的可变输出；以及控制单元，用于控制该差动放大器的第一晶体管或第二晶体管的跨导发生变化。
2.如权利要求1所述的利用跨导稳定截止频率的装置，其中所述滤波单元包括跨导单元，它具有输入晶体管，它还具有漏极，它通过电阻连接到电源；栅极，通过它提供输入信号；和源极；以及可变跨导的晶体管，它还具有漏极，它连接到所述输入晶体管的所述源极；栅极，通过它提供控制电压；和接地的源极，所述可变跨导晶体管的跨导按照控制电压的变化而变化；运算放大器，用于滤波，其反相端连接到所述输入晶体管的所述漏极；以及电容，其一端同时连接到所述输入晶体管的所述漏极和所述运算放大器的所述反相端，而另一端连接到所述运算放大器的输出端。
3.如权利要求1所述的利用跨导稳定截止频率的装置，其中所述跨导设定单元包括电流镜像器，它连接到电源，用于使流过所述差动放大器第一输入的电流与流过所述差动放大器第二输入的电流相同；偏置电压源，用于向所述差动放大器的所述第一晶体管和所述第二晶体管提供第一偏置电压和第二偏置电压；可变跨导单元，它具有第一晶体管，其第一跨导与第一偏置电压成正比；和第二晶体管，其第二跨导与第二偏置电压成正比；第一跨导控制器，它连接在所述电流镜像器和所述可变跨导单元之间，用于执行所述电流镜像器的功能，并且通过放大和输出由于所述第一跨导与所述第二跨导之差而产生的电压来提供控制电压；以及第二跨导控制器，它连接到所述可变跨导单元，用于通过改变所述第二晶体管的漏极-源极电压以改变所述第二跨导，从而控制待改变的所述第一跨导控制器的输出。
4.如权利要求1所述的利用跨导稳定截止频率的装置，其中所述控制单元包括外部电阻，用于按照预定的电阻来改变第一晶体管或第二晶体管的跨导。
5.如权利要求1所述的利用跨导稳定截止频率的装置，其中所述控制单元包括一个外部电压源端子，用于按照输入的调节电压来改变第一晶体管或第二晶体管的跨导。
6.如权利要求3所述的利用跨导稳定截止频率的装置，其中所述偏置电压源包括偏置运算放大器，它具有反相端，它通过它输入直流电压；和同相端，它通过第一、第二和第三电阻接地；以及偏置晶体管，它具有栅极，它连接到所述偏置运算放大器的输出端；源极，它连接到电源；以及漏极，它通过第四电阻连接到所述偏置运算放大器的所述同相端。
7.如权利要求5所述的利用跨导稳定截止频率的装置，其中所述第一电阻是5KΩ；所述第二和第三电阻是10KΩ；并且所述第四电阻是5KΩ。
8.如权利要求3所述的利用跨导稳定截止频率的装置，其中所述电流镜像器包括第一电流镜像器单元，它具有第一电流镜像器晶体管，其源极连接到电源；第二电流镜像器晶体管，它还具有栅极，它同时连接到所述第一电流镜像器晶体管的栅极和所述第二电流镜像器晶体管的漏极；和源极，它连接到电源；以及第二电流镜像器单元，它具有第三电流镜像器晶体管，其源极连接到所述第一电流镜像器晶体管的所述漏极；和第四电流镜像器晶体管，它还具有栅极端，它连接到所述第三电流镜像器晶体管的栅极端和所述第四电流镜像器晶体管的漏极；和源极，它连接到所述第二电流镜像器晶体管的所述漏极。
9.如权利要求8所述的利用跨导稳定截止频率的装置，其中所述第一跨导控制器包括控制晶体管，它具有源极，它连接到所述第四电流镜像器晶体管的漏极；和漏极，它通过控制单元接地；以及控制运算放大器，它具有同相端，它连接到外部电压源端子，并由此提供调节电压；反相端，它连接到所述控制晶体管的所述源极；和输出端，它连接到所述控制晶体管的栅极。
10.如权利要求9所述的利用跨导稳定截止频率的装置，其中所述可变跨导单元包括第一晶体管，它具有栅极端，它同时连接到所述偏置晶体管的所述漏极和所述第四电阻；漏极，它连接到所述电流镜像器晶体管的所述源极；和接地的源极；以及第二晶体管，它具有栅极端，它连接在所述第一和所述第二电阻的连接位置上；漏极，它连接到所述电流镜像器晶体管的所述源极；和接地的源极。
11.如权利要求8所述的利用跨导稳定截止频率的装置，其中所述第二跨导控制器包括第五电流镜像器晶体管，其漏极连接到所述第三电流镜像器晶体管的所述漏极；第六电流镜像器晶体管，其漏极连接到所述第四电流镜像器晶体管的所述漏极；以及电流镜像器/输出运算放大器，它具有同相端，它同时连接到所述第三电流镜像器晶体管的所述漏极和所述第五电流镜像器晶体管的所述漏极；反相端，它同时连接到所述第四电流镜像器晶体管的所述漏极和所述第六电流镜像器晶体管的所述漏极；和输出端，它同时连接到所述第五电流镜像器晶体管的栅极和所述第六电流镜像器晶体管的栅极。
全文摘要
一种利用跨导稳定截止频率的装置,该装置特别适用于高频滤波器电路,它能够保持恒定的频率特性而与在IC(集成电路)中安装滤波器电路造成的由时钟频率引起的噪声、温度变化、电源电压变化、以及装配误差都无关。该装置包括滤波单元,它仅能通过具有在IC中预定的频带的信号;跨导设定单元,用于控制滤波单元的跨导;以及控制单元,它安装在IC外面,用于控制跨导设定单元的跨导。
文档编号H03H11/06GK1175127SQ97115960
公开日1998年3月4日 申请日期1997年7月12日 优先权日1996年7月12日
发明者金天燮 申请人:三星电子株式会社