CN101330284A - 时间常数校正装置及其相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种时间常数校正装置，其包含有：一第一电压产生电路，其使用一第一电流流经一电容元件以产生一第一电压；一第二电压产生电路，其使用一第二电流流经一阻抗元件以产生一第二电压；以及一比较电路，用来比较该第一电压以及该第二电压以产生一比较信号，其中，该第一电压产生电路设置有一模拟调整元件，用来依据该比较信号调整该第一电压，直到该第一电压等于该第二电压而使该第一电流流过该电容元件所对应的一等效电容值与该第二电流流过该阻抗元件所对应的一等效阻抗值所对应的一时间常数达到一预定值为止。

Description

时间常数校正装置及其相关方法

技术领域

本发明涉及一种时间常数校准电路，特别涉及一种应用模拟调整机制来调整电容或电流源的时间常数校准电路及其相关方法。

背景技术

在许多的通信传输应用电路中都需要使用滤波器，其中，电阻电容滤波器(R.C.filter)因其变异性比主动滤波器(gmC filter)小，所以在设计上较易控制，因此广受各方青睐，然而，电阻电容元件在工艺上往往存在着变异，使得电阻电容时间常数(RC time constant)的实际值与设计值有所出入，进而影响电路的效能及频率响应的准确度。在不经校正的情况之下，电阻电容时间常数的实际值与设计值之间的差距甚至可高达±30％50％(视所用的电容与电阻种类)；相对地，该电路的频率响应也将有如此惊人幅度的偏移，这将非常不利于需要准确的频率响应的电路。

针对此一因工艺变异所造成的电阻电容时间常数误差，发展出了许多自动频率调校的电路与方法。请参照图1，图1为现有时间常数校正装置100的电路结构图。如图1所示，时间常数校正装置100包含有一第一电压产生电路110、一第二电压产生电路120以及一比较电路130。第一电压产生电路110包含有一时钟信号产生器112、一固定电流源114(用来提供一定电流I_c)以及一切换式电容电路140。切换式电容电路140包含有一第一电容元件C1(其是可变电容元件)、第一开关元件142、第二开关元件143、第二电容元件Cs1以及第三开关元件145。时钟信号产生器112会分别产生一第一时钟信号ψ₁以及一第二时钟信号ψ₂，其中，第一时钟信号ψ₁以第二时钟信号ψ₂不互相重迭(non-overlapped)的时钟，用来驱动切换式电容电路140以产生第一电压Vc。第二电压产生电路120包含一差动电路122、一固定电流源123(用来提供一定电流Ic)、一晶体管124以及另一固定电流源125(用来提供一定电流K*Ic流经一阻抗元件R1以产生一第二电压Vr。比较电路130包含有一比较器132以及一数字逻辑134，其中，比较器132会比较第二电压Vr以及能带隙参考电压Vref以产生一比较信号并送到数字逻辑134以产生一数字句柄来打开或关闭每一单位电容，进而调整电容C1的最后电容值大小。请注意，现有技术必须有一能带隙参考电压电路(bandgap referencevoltage circuit)来产生所需的能带隙参考电压Vref，然而，由于该能带隙参考电压电路已广泛地应用于各类应用范围，以便在一温度范围内提供一稳定的参考电压，其运作与功能是熟知此项技艺者所知，故在此不另赘述。

请注意，现有时间常数校正装置100的目的在于藉由调整可变电容C1来维持固定的时间常数R1×C1，简单来说，在此电路中使用两个数学恒等式，首先，从第二电压电路120的观点来看，参考电压Vr是：Vr＝K×Ic×R1，将参考电压V_r与能带隙参考电压Vref比较，在稳态时可得Vref＝K×Ic×R1，接着，从第一电压电路110的观点来看，时钟信号产生器112会产生第一时钟信号ψ₁以及第二时钟信号ψ₂，而第一时钟信号ψ₁以及第二时钟信号ψ₂是不互相重迭的时钟(其周期为T)，用来驱动切换式电容电路140以产生第一电压Vc，因此当电流Ic在一个周期内对电容C1充电时，电容C1上会产生第一电压Vc是：Vc＝Ic×T/(2×C1)，当时钟对电容C1放电时，电容Cs1会维持电压Vc，而当Vc＝Vref时，R1×C1＝T/2K，由于T以及K均为已知的常数，因此时间常数为定值，此电路的控制方式为使用比较器132来产生数字句柄以打开或关闭每一单位电容进而调整最后电容值的大小，然而，此种利用数字句柄来调整电容值的电路，如果分辨率要好，就必须设计相当多加上开关的单位电容分支，因此不适合于应用电容放大技术。

可是，系统单芯片(SoC)目前已成为集成电路设计的主流，而锁相环或是以锁相环为基础的应用对系统单芯片而言是不可或缺的。熟知此项技艺者应可轻易地了解，当互补式金属氧化物半导体工艺进步时，晶体管的面积也会随着缩小，但并不包括芯片内的被动元件。低通滤波器是锁相环的其中一部份，它是由电阻跟电容所组成，在过去几年，低通滤波器总是设计在芯片外来降低芯片面积和节省生产成本，在今天，将低通滤波器整合至芯片内则是较符合系统单芯片的潮流，然而，这些被动元件却仍需占用大部份的芯片面积，所以如何降低这些被动元件的面积，已经成为电路设计上一个很重要的课题。

发明内容

本发明的主要一目的在于提供一种时间常数校正装置及其相关方法以解决上述的问题。在本发明一实施例中揭露一种时间常数校正装置，其包含有：一第一电压产生电路，其使用一第一电流流经一电容元件以产生一第一电压；一第二电压产生电路，其使用一第二电流流经一阻抗元件以产生一第二电压；以及一比较电路，用来比较该第一电压以及该第二电压以产生一比较信号，其中，该第一电压产生电路设置有一模拟调整元件，用来依据该比较信号调整该第一电压，直到该第一电压等于该第二电压而使该第一电流流过该电容元件所对应的一等效电容值与该第二电流流过该阻抗元件所对应的一等效阻抗值所对应的一时间常数达到一预定值为止。

本发明另揭露一种时间常数校正方法，其包含有：提供一第一电流以及一电容元件；利用该第一电流流经该电容元件以产生一第一电压；提供一第二电流以及一组抗元件；利用该第二电流流经该阻抗元件以产生一第二电压；以及比较该第一电压以及该第二电压以产生一比较信号，并依据该比较信号而经由一模拟调整方式来调整该第一电压，直到该第一电压等于该第二电压而使该第一电流流经该电容元件所对应的一等效电容值与该第二电流流经该阻抗元件所对应的一等效阻抗值所对应的一时间常数达到一预定值为止。

附图说明

图1为现有时间常数校正装置的电路结构图。

图2为本发明时间常数校正装置的简单功能方块图。

图3为本发明第一实施例的时间常数校正装置的电路结构图。

图4为本发明第二实施例的时间常数校正装置的电路结构图。

图5为本发明时间常数校正方法的一广义流程图。

附图符号说明

100、200、300、400	时间常数校正装置
		110、210、310、410	第一电压产生电路
212	模拟调整元件
		120、220、320、420	第二电压产生电路
130、230、330、430	比较电路
		112、312、412	时钟信号产生器
114、125、314	固定电流源

142、342、442	第一开关元件
		143、343、443	第二开关元件
145、345、445	第三开关元件
		122	差动电路
124	晶体管
		132	比较器
134	数字逻辑
		140、340、440	切换式电容电路
341、441	第一电容元件
		344、444	第二电容元件
414	压控电流源

具体实施方式

在说明书及后续的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及后续的申请专利范围并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的请求项当中所提及的「包含」是一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。以外，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

请参照图2，图2为本发明时间常数校正装置200的简单功能方块图。如图2所示，时间常数校正装置200包含有一第一电压产生电路210、一第二电压产生电路220以及一比较电路230。第一电压产生电路210利用一第一电流I₁流经一电容元件以产生一第一电压V₁，而第二电压产生电路220则利用一第二电流I₂(例如，I₂＝K×I₁)流经一阻抗元件以产生一第二电压V₂，此外，比较电路230电连接于第一电压产生电路210以及第二电压产生电路220，用来比较第一电压V₁以及第二电压V₂以产生一比较信号V_adj，其中，第一电压产生电路210中设置有一模拟调整元件212，用来依据比较信号V_adj调整第一电压V₁，直到第一电压V₁等于第二电压V₂而使第一电流I₁流经该电容元件所对应的一等效电容值(例如C1)与第二电流I₂流经该阻抗元件所对应的一等效阻抗值(例如R1)所对应的一时间常数达到一预定值(例如，R1×C1＝T/2K)为止。

请参照图3，图3为本发明第一实施例的时间常数校正装置300的电路结构图。如图3所示，时间常数校正装置300包含有一第一电压产生电路310、一第二电压产生电路320以及一比较电路330。第二电压产生电路320利用一固定电流源322提供一第二电流I₂(在本实施例中，I₂＝K×I₁))流经一阻抗元件R₁(例如一电阻)以产生一第二电压V_r，此外，第一电压产生电路310包含有时钟信号产生器312、固定电流源314以及切换式电容电路340。时钟信号产生器312是用来产生一第一时钟信号ψ1以及一第二时钟信号ψ2，其中，第一时钟信号ψ1以及第二时钟信号ψ2不互相重迭，且两者的周期为T；固定电流源314的一端耦接于一第一电压电平(V_dd)；切换式电容电路340包含有第一电容元件341、第一开关元件342、第二开关元件343、第二电容元件344以及第三开关元件345，其中，第一电容元件341的第一端耦接于电流源314，而第二端则耦接于一第二电压电平(接地端)，用来依据电流源314所提供的第一电流I₁进行充电以产生第一电压V₁，其中，第一电容元件341是一模拟式可变电容器而作为前述的模拟调整元件，如图3所示，第一电容元件341(模拟式可变电容器)耦接于比较电路330，用来依据一比较信号V_adj调整其电容值；第一开关元件342，其第一端耦接于该第二电压电平，其第二端耦接于第一电容元件341的第一端，用来依据第二时钟信号ψ₂而选择性地将第一开关元件342的第二端耦接于第一电容元件341的第一端，以使第一电容元件341进行放电；第二开关元件343，其一第一端耦接于第一电容元件341的第一端，用来依据第一时钟信号ψ₁而选择性地让第二开关元件343的第一端耦接于第一电容元件341的第一端；第二电容元件344，其一第一端耦接于第二开关元件343的第二端，以及其一第二端耦接于该第二电压电平；以及第三开关元件345，其第一端耦接于第二电容元件344的第一端，而其第二端耦接于比较电路330，用来依据第二时钟信号ψ2而选择性地让第三开关元件345的第二端耦接于第二电容元件344的第一端；比较电路330电连接于第一电压产生电路310以及第二电压产生电路320，用来比较第一电压V₁以及第二电压V₂以产生上述的比较信号V_adj。时间常数校正装置300依据比较信号V_adj调整第一电容元件341的电容值(亦即，由于第一电压V₁＝I_c×T/(2×N×C_a)，因此可藉由调整N而达到调整第一电压的目的)，直到第一电压V₁等于第二电压V₂而使第一电流I₁流经第一电容元件341所对应的等效电容值与第二电流I₂流经阻抗元件R₁所对应的等效阻抗值所对应的一时间常数达到一预定值(R₁×C₁＝T/2K)为止。

请注意，模拟式可变电容器(亦即第一电容元件341)包含具有一第一电容值C_a的一预定电容，并应用一电容放大技术来使该模拟式可变电容器的电容值对应大于第一电容值C_a的一第二电容值N×C_a(N大于1)，在本实施例中，使用一电容放大技术来调整第一电容元件341，该电容放大技术可将小电容所具有的电容值Ca放大N倍来得到第一电容元件341所要的电容值，在相同的电容值C₁之下，随着N值越大，电容面积就越小(亦即所需的第一电容值C_a便越小)，举例来说，如果N可以设计为10，因此电容面积便可以缩减10倍，请注意，由于第一电容元件341的电容值必须适当地调整来补偿阻抗元件R₁以及本身的工艺变异，所以N值的可变化范围必须涵盖阻抗元件R₁以及第一电容元件341工艺的变异量。

请参照图4，图4为本发明第二实施例的时间常数校正装置400的电路结构图。如图4所示，时间常数校正装置400包含有一第一电压产生电路410、一第二电压产生电路420以及一比较电路430。第二电压产生电路420利用一第二电流I₂(I₂＝K×I_c)流经一阻抗元件R₁以产生一第二电压V_r；而第一电压产生电路410包含有一时钟信号产生器412、压控电流源414以及切换式电容电路440。时钟信号产生器412用来产生一第一时钟信号ψ₁以及一第二时钟信号ψ₂，其中，第一时钟信号ψ₁以及第二时钟信号ψ₂不互相重迭，且两者的周期为T；压控电流源414，其一端耦接于一第一电压电平(V_dd)，其中，压控电流源414是作为上述的模拟调整元件并耦接于比较电路430，用来依据比较信号V_adj调整压控电流源414所输出的第一电流I₁(I₁＝I_c/N)；切换式电容电路440包含有第一电容元件441(其电容值为上述的C_a，亦即第一电容元件441是以一小电容来加以实作)、第一开关元件442、第二开关元件443、第二电容元件444以及第三开关元件445。第一电容元件441，其第一端耦接于压控电流源414，而其第二端则耦接于一第二电压电平(接地端)，用来依据压控电流源414所输出的第一电流I₁进行充电以产生第一电压V₁；第一开关元件442，其第一端耦接于该第二电压电平，而其第二端耦接于第一电容元件441的第一端，用来依据第二时钟信号ψ₂而选择性地将第一开关元件442的第二端耦接于第一电容元件441的第一端以使第一电容元件441进行放电；第二开关元件443，其第一端耦接于第一电容元件441的第一端，用来依据第一时钟信号ψ1而选择性地让第二开关元件443的第一端耦接于第一电容元件441的第一端；第二电容元件444，其第一端耦接于第二开关元件443的第二端，而其第二端则耦接于该第二电压电平；以及第三开关元件445，其第一端耦接于第二电容元件444的第一端，而其第二端耦接于比较电路430，用来依据第二时钟信号ψ₂而选择性地让第三开关元件445的第二端耦接于第二电容元件444的第一端；比较电路430电连接于第一电压产生电路410以及第二电压产生电路420，用来比较第一电压V₁以及第二电压V_r以产生比较信号V_aj，并依据比较信号V_adj调整压控电流源414所输出的第一电流I₁(亦即，由于第一电压V₁＝(I_c/N)×T/(2×C_a)，因此可藉由调整N而达到调整第一电压V₁的目的)，直到第一电压V₁等于第二电压V₂而使第一电流I₁流经第一电容元件441所对应的等效电容值与第二电流I₂流经阻抗元件R₁所对应的等效阻抗值所等效的一时间常数达到一预定值(R₁×C₁＝T/2K)为止。

综上所述，本发明的第一实施例是固定一电流源所提供的电流并利用一电容放大技术以模拟方式通过比较信号V_adj来调整可变电容器的电容值以校准时间常数，然而，在某些特定应用电路上并不适合直接调整电容值，所以本发明的第二实施例是固定一电容器的电容值而以比较信号V_adj来调整压控电流源的输出电流以同样地达到校准时间常数的功效。请注意，若同时结合上述两实施例的技术特征(亦即一并使用压控电流源与可变电容器)，亦可经由适当的控制来达到校正时间常数的目的，亦属本发明的范畴。

请参照图5，图5为本发明时间常数校正方法的一广义(generalized)流程图。请注意，假设可大致上获得相同的结果，图5所示的流程并不一定要遵循图标的步骤执行顺序。依据上述实施例，本发明时间常数校正方法的运作可简单地归纳如下：

步骤500：校正流程开始。

步骤502：提供一第一电流以及一电容元件。

步骤504：提供一第二电流以及一组抗元件。

步骤506：利用该第一电流流经该电容元件以产生一第一电压。

步骤508：利用该第二电流流经该阻抗元件以产生一第二电压。

步骤510：比较该第一电压以及该第二电压以产生一比较信号。

步骤512：该比较信号是否指示该第一电压等于该第二电压？若是，执行步骤516；否则，执行步骤514。

步骤514：依据该比较信号而经由一模拟调整机制(例如调整由可变电容器所实作的该电容元件或者调整用来提供该第一电流的压控电流源)来调整该第一电压。接着，回到步骤510。

步骤516：校正流程结束(该第一电流流经该电容元件所对应的一等效电容值与该第二电流流经该阻抗元件所对应的一等效阻抗值所对应的一时间常数达到一预定值)。

相较于现有技术，本发明不但可以节省电路面积以及功率消耗，而且不需能带隙参考电压电路来产生能带隙参考电压V_ref，也因为不需要能带隙参考电压电路，所以在电路设计上可以更简化以及更有弹性，此外，本发明利用模拟的电压控制信号配合模拟控制的可变电容器，并结合电容放大技术，因而可大幅度节省电容所占用的芯片面积。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种时间常数校正装置，其包含有：

一第一电压产生电路，其使用一第一电流流经一第一电容元件以产生一第一电压；

一第二电压产生电路，其使用一第二电流流经一阻抗元件以产生一第二电压；以及

一比较电路，电连接于该第一电压产生电路以及该第二电压产生电路，用来比较该第一电压以及该第二电压以产生一比较信号，其中，该第一电压产生电路设置有一模拟调整元件，用来依据该比较信号调整该第一电压，直到该第一电压等于该第二电压而使该第一电流流经该第一电容元件所对应的一等效阻抗值与该第二电流流经该阻抗元件所对应的一等效阻抗值所对应的一时间常数达到一预定值为止。

2.如权利要求1所述的装置，其中，该第一电压产生电路包含有：

一时钟信号产生器，用来产生一第一时钟信号以及一第二时钟信号，该第一时钟信号以及该第二时钟信号不互相重迭；

一固定电流源，其一端耦接于一第一电压电平，用来提供该第一电流；

该第一电容元件，其一第一端耦接于该电流源，其一第二端耦接于一第二电压电平，用来依据该第一电流进行充电以产生该第一电压，其中，该第一电容元件是一模拟式可变电容器而作为该模拟调整元件，该模拟式可变电容器耦接于该比较电路，用来依据该比较信号调整该模拟式可变电容器的电容值；

一第一开关元件，其一第一端耦接于该第二电压电平，其一第二端耦接于该第一电容元件的该第一端，用来依据该第二时钟信号而选择性地将该第一开关元件的该第一端耦接于该第一电容元件的该第一端以使该第一电容元件进行放电；

一第二开关元件，其一第一端耦接于该第一电容元件的该第一端，用来依据该第一时钟信号而选择性地让该第二开关元件的一第二端耦接于该第一电容元件的该第一端；

一第二电容元件，其一第一端耦接于该第二开关元件的该第二端，其一第二端耦接于该第二电压电平；以及

一第三开关元件，其一第一端耦接于该第二电容元件的该第一端，其一第二端耦接于该比较电路，用来依据该第二时钟信号而选择性地让该第三开关元件的该第二端耦接于该第二电容元件的该第一端。

3.如权利要求2所述的装置，其中，该模拟式可变电容器包含具有一第一电容值的一预定电容，并应用一电容放大技术来使该模拟式可变电容器的电容值对应大于该第一电容值的一第二电容值。

4.如权利要求1所述的装置，其中，该第一电压产生电路包含有：

一时钟信号产生器，用来产生一第一时钟信号以及一第二时钟信号，该第一时钟信号以及该第二时钟信号不互相重迭；

一压控电流源，其一端耦接于一第一电压电平，用来提供该第一电流，其中，该压控电流源是作为该模拟调整元件并耦接于该比较电路，用来依据该比较信号调整该第一电流；

该第一电容元件，其一第一端耦接于该压控电流源，其一第二端耦接于一第二电压电平，用来依据该电流源进行充电以产生该第一电压；

一第一开关元件，其一第一端耦接于该第二电压电平，其一第二端耦接于该第一电容元件的该第一端，用来依据该第二时钟信号而选择性地将该第一开关元件的该第一端耦接于该第一电容元件的该第一端以使该第一电容元件进行放电；

一第二开关元件，其一第一端耦接于该第一电容元件的该第一端，用来依据该第一时钟信号而选择性地让该第二开关元件的一第二端耦接于该第一电容元件的该第一端；

一第二电容元件，其一第一端耦接于该第二开关元件的该第二端，其一第二端耦接于该第二电压电平；以及

一第三开关元件，其一第一端耦接于该第二电容元件的该第一端，其一第二端耦接于该比较电路，用来依据该第二时钟信号而选择性地让该第三开关元件的该第二端耦接于该第二电容元件的该第一端。

5.一种时间常数校正方法，其包含有：

提供一第一电流以及一电容元件；

利用该第一电流流经该电容元件以产生一第一电压；

提供一第二电流以及一组抗元件；

利用该第二电流流经该阻抗元件以产生一第二电压；以及

比较该第一电压以及该第二电压以产生一比较信号，并依据该比较信号而经由一模拟调整方式来调整该第一电压，直到该第一电压等于该第二电压而使该第一电流流经该电容元件所对应的一等效电容值与该第二电流流经该阻抗元件所对应的一等效阻抗值所对应的一时间常数达到一预定值为止。

6.如权利要求5所述的方法，其中，该电容元件是一模拟式可变电容器，其包含具有一第一电容值的一预定电容，并应用一电容放大技术来使该模拟式可变电容器的电容值对应大于该第一电容值的一第二电容值，以及该模拟调整方式依据该比较信号来调整该模拟式可变电容器所对应的该第二电容值以调整该第一电压。

7.如权利要求5所述的方法，其中，该模拟调整方式依据该比较信号来调整一压控电流源所提供的该第一电流以调整该第一电压。

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