专利名称：用于采样数据滤波器的隔直流装置和技术的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及集成采样数据滤波器以及具体的采样数据滤波器中使用的集成电路的隔直流。
采样数据积分器的一个例子是开关电容积分器。如
图1所示的无损耗开关电容积分器在集成电路(IC)设计中得到广泛应用，使用开关电容克服了其它的电阻和电容组合产生的加工容许偏差。运行时，通过以时间常数近似为τ=C2fclock·C1]]>的用于开关电容积分器100的交替充电通路，对电容C1以周期速率fclock充电。
由于时间常数是电容比的函数，所有加工偏差消掉了。开关电容积分器100的附加输入可用，耦合附加电容实现，比如节点102处的电容C3。电容C3的值被选择为与电容C1的值等效，并且被以相同的周期速率fclock，维持相同的时间常数开闭。在多路输入端
，Vin1,
,Vin2之间产生了一个求和点。
开关电容积分器常用于积分式梯形滤波器设计，图2显示了一个简易的集成采样数据梯形滤波器200的框图，其中每一块表示一个用ki表示它的单位增益频率的开关电容积分器，滤波器200代表了一个普通的开关电容低通滤波器，滤波器200可在多种应用中使用，比如无线电接收机中噪音和声频的信号处理。
图3显示了一个两极点开关电容低通滤波器的典型的仿真的频率响应曲线300。频率响应曲线300以频率用赫兹(Hz)沿横轴与增益用分贝(dB)沿纵轴的形式显示，具有一个转折频率fd302。
无线电设备的各个级(stage)会产生直流偏置，并且许多无线电电路，比如静噪和音频电路，会由于这些偏置的存在造成性能下降。梯形滤波器耦合于其间的两级，其中一级产生带直流偏置的交流信号而同时另一级对这偏置敏感的情况并非不常见。在滤波器200前后，在梯形滤波器200的输入处引起的任何直流偏置Vin，将在输出的Vout中再现。过去，这些直流偏置通过使用在滤波器200的前面或后面位于芯片外部的分立电容隔离掉。当无线电电路的不同级位于分离的诸集成电路(IC)时这样做是适当的，当这些电路存在于片上(on-chip)时，这就是一个问题，因为这些需要实现一个低转折频率的太大的隔直电容或难以集成。
由于发展方向趋于增加集成度，在片外(off-chip)耦合外部元件的能力产生了许多设计问题。空间和尺寸约束被限定，并且每个管脚引出线增加集成电路的成本。因此需要一个用于集成采样数据滤波器的片上隔直流电路。
图1是一个现有技术的开关电容积分器；图2是一个现有技术的采样数据梯形滤波器；图3是一个两极点开关电容梯形滤波器的典型频率响应曲线；图4根据本发明的一个带有隔直流的集成采样数据滤波器；图5是根据本发明的两极点集成开关电容梯形滤波器的频率响应直线；图6是使用本发明滤波器的无线电接收机框图。
参考图4，其中显示了根据本发明的一个提供了片上隔直流的采样数据滤波器400的框图。滤波器400由多个采样数据积分器402,404,406,408,410构成，配置为一个梯形结构并提供了有转折频率fd的低通传输功能。多个采样数据积分器402,404,406,408,410最好由开关电容积分器构成，但其它的采样数据积分器，例如开关电流积分器也可使用。但在本发明的最佳实施例中，用开关电容积分器的形式讨论。
每个开关电容积分器402,404,406,408,410由一个表示为ki的单位增益频率表征。根据本发明，滤波器400包含了一个极大时间常数(VLTC)积分器412用于充分地消除出现在滤波器400输出信号Vout处的直流偏置。VLTC积分器的时钟频率和积分器的单位增益频率之间比值极大。VLTC积分器412提供了直流处的一个零点和低频f1处的一个极点，其中f1低于高端转折频率fd(f1＜fd)。例如，频率在300赫兹(HZ)以下可以用在低端转折频率，同时频率高于3千赫(KHZ)可以用在高端转折频率。
图4中，积分器412显示为由其单位增益频率kL所表征。根据本发明，低端转折频率f1可通过改变单位增益频率kL而按要求调整，而不改变通带中其他部分的频率响应和高端转折频率fd。反馈通路414中VLTC积分器412的单位增益频率被选择为低于诸采样数据积分器的单位增益频率。
根据本发明，VLTC积分器412被耦合到第一开关电容积分器402的负反馈通路414。一个带直流偏置的交流信号可被视为一个输入信号Vin，连到第一开关电容积分器402的非反相输入端，并且一个集成输出418被产生并通过极大时间常数积分器412被反馈到反馈输入端420。直流偏置分别在非反相416和反相输入420的求和结点被减掉。因此，直流从根本上从滤波器400的输出信号Vout中被消除。如具有多个采样数据积分器的滤波器的配置所显示的，本发明的隔直流技术也应用于单个采样数据积分器构成的滤波器。VLTC积分器被耦合到采样数据积分器的负反馈通路去阻塞直流。
VLTC积分器412可包含任何已知技术的极大时间常数积分器，例如T单元(T-cell)积分器或者由K.Nagaraj完成的发表于IEEE电路与系统期刊(IEEE-T-CASI)1989年36卷第九期上，题为“实现开关电容电路极大时间常数的非寄生敏感区域有效方法”的论文，这里一并作为参考。在第一数据采样积分器402的反馈通路中使用一个VLTC积分器提供了阻塞出现在滤波器输出端的直流偏置的优点。
图5显示了根据本发明的一个带有VLTC积分器的集成两极点开关电容滤波器的频率响应曲线500的仿真图。这个仿真图使用了与图3使用的仿真图相同的两极点开关电容滤波器，但在反馈通路中附加了VLTC积分器。频率以赫兹(HZ)沿横轴表示，同时增益以分贝(dB)沿纵轴表示。根据本发明，VLTC积分器在直流处理提供了一个零点，在低频(f1)502处提供了一个极点，其中f1低于fd504(f1＜fd)。当与图3的图形比较，很明显的是通带和高端转折频率fd被保持了。因此，没有显著地改变感兴趣的诸理想频率的频率响应就完成了片上耦合。带有本发明的VLTC积分器的开关电容滤波器允许任意地灵活控制低端转折频率并阻塞直流。所有这些优点都在片上完成，并保持信号的完整性。
因此，通过提供一个至少具有一个由时间常数控制高端转折频率来表征的采样数据积分器的集成采样数据滤波器，并且在采样数据积分器的反馈通路产生一个预定的时间常数，此“反馈”时间常数比涉及采样数据积分器的时间常数要长，这就提供了隔直流技术，它控制了滤波器的低端转折频率。改变VLTC积分器的预定时间常数控制此低频并且在直流处提供一个零点而不妨碍滤波器高端通带的响应。如果需要移动低端转折频率更靠近高端转折频率(在通带内)，则采样数据积分器的单位增益频率的预畸变可用于向上移动低端转折点同时保持其余的通带。
本发明的开关电容滤波器可与多种集成电路技术结合起来，比如双极互补金属氧化物半导体，砷化镓，以及许多其它技术。与增加管脚和使用附加的外部元件这两者比较，极大时间常数积分器的费用是极少的。使用本发明的隔直流技术通过提供增加的集成度和电路各个级之间的片上耦合使技术向前发展。
现在参考图6，它显示了一个无线电接收机600的简略框图。一个射频(RF)信号被天线602接收，在前置放大级604处被放大，并在混频器606处与本机振荡器信号608混频产生一个中频(IF)信号610。中频信号610在解调器612处被解调，并且在由根据本发明构成的滤波器400处被滤波，以除去从解调信号来的任何直流偏置。一个经滤波的信号614被送到音频和噪声处理电路616,618，不合任何会降低噪声抑制的直流偏置，并且音频性能在扬声器620处提供。这些直流偏置在滤波器400内部消掉了，没有使用任何外部元件。
因此，提供了允许片上电路的耦合的集成采样数据滤波器，消除了至少一个集成电路焊盘和一个外部耦合电容。所需分立元件数目的减少获得了制造费用的减少以及周期时间改进的好处。
在本发明的最佳实施例被说明和描述的同时，很清楚本发明是没有限制的。如所附权利要求定义的为数众多的技术上技巧性的调整，修改，变化，精减和等效将出现而没有脱离本发明的宗旨和范围。
权利要求
1.一个集成的梯形滤波器，包括一个具有一个同相输入端和第一及第二反相输入端和一个输出端的第一采样数据积分器，同相输入端接收一个带有直流偏置的交流信号；并且一个第二采样数据积分器具有耦合到第一采样数据积分器的输出端的同相输入端，第二采样数据积分器具有耦合到第一采样数据积分器的第一反相输入端的输出端，第二采样数据积分器具有耦合到第二采样数据积分器的输出端的反相输入端并提供了集成滤波器的输出，第一和第二采样数据积分器提供了一个具有预定的高端转折频率的低通频率响应；并且一个第三采样数据积分器具有耦合到第一采样数据积分器的输出端的输入端，并且第三采样数据积分器具有耦合到第一采样数据积分器的第二反相输入端的输出端，第三采样数据积分器由一个单位增益频率表征，单位增益频率选择使集成滤波器的传递函数提供一个在直流处有一个零点，在低于预定的高端转折频率的频率处有一个极点。
2.一个如权利要求1所描述的集成梯形滤波器，其中第一和第二采样数据积分器包含一个开关电容积分器。
3.一个如权利要求1所描述的集成梯形滤波器，其中集成梯形滤波器的低端转折频率可由改变第三采样数据积分器的单位增益频率来调整。
4.一个提供在集成采样数据滤波器内隔直流的方法，包括的步骤为提供一种具有第一采样数据积分器和第二采样数据积分器以梯形配置耦合的采样数据梯形滤波器，所述第一和第二采样数据积分器分别提供第一和第二时间常数；由第一和第二时间常数控制采样数据滤波器的高端转折频率；提供一个极大时间常数(VLTC)积分器；产生一个预定的时间常数，预定的时间常数比第一和第二时间常数长；并且在第一采样数据积分器的反馈通路内提供预定的时间常数来为采样数据滤波器产生一个低端转折频率和直流处的零点。
5.权利要求4的方法，进一步地包括改变预定的时间常数来调整采样数据滤波器的低端转折频率的步骤。
6.一个采样数据滤波器集成电路，包括分别由第一和第二单位增益频率表征的第一和第二积分器电路，第一和第二采样数据积分器以梯形配置耦合并提供一个具有预定高端转折频率的频率响应；并且一个具有低于第一和第二转折频率的单位增益频率的极大时间常数(VLTC)积分器，VLTC积分器在第一采样数据积分器的负反馈通路内耦合，VLTC积分器的单位增益频率控制着频率响应的预定低端转折频率的极点，VLTC积分器提供频率响应的直流处的零点。
7.如权利要求6所描述的一个采样数据滤波器集成电路，其中VLTC积分器的单位增益频率，频率响应的预定低端转折频率是可调的。
8.一个集成滤波器，包括多个采样数据积分器以梯形配置耦合提供一个高端转折频率并接收一个带直流偏置的交流信号，多个采样数据积分器至少含有一个第一采样数据积分器；并且一个极大时间常数(VLTC)积分器在第一采样数据积分器的反馈通路内耦合，上述(VLTC)积分器控制集成滤波器的低端转折频率响应，并提供直流的一个零点。
9.如权利要求8所描述的一个集成滤波器，其中通过改变VLTC积分器的预定时间常数，集成滤波器的低端转折频率响应是可调的。
10.如权利要求8所描述的一个集成滤波器，其中多个采样数据积分器包含开关电容积分器。
全文摘要
一个采样数据滤波器(400)提供片上直流信号的隔离。加在第一采样数据积分器(402)的负反馈通路(414)的极大时间常数(VLTC)积分器(412)提供了在直流处具有零点的低端转折频率(502)。低端转折频率(502)在保持理想频率响应不变的同时是可调的。
文档编号H03H11/00GK1214571SQ9712005
公开日1999年4月21日 申请日期1997年10月10日 优先权日1997年10月10日
发明者拉杰士·H·泽勒, 沃尔特·H·克勒, 诺曼·T·罗林斯 申请人:摩托罗拉公司