一种宽带有源rc滤波器带宽校准电路和方法
阅读说明：本技术 一种宽带有源rc滤波器带宽校准电路和方法 (Bandwidth calibration circuit and method for broadband active RC filter ) 是由 李松亭 赵勇 陈利虎 杨磊 宋新 绳涛 白玉铸 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种宽带有源RC滤波器带宽校准电路和方法。所述电路包括：分频器、电阻网络、电容网络、电容充放电开关、比较器、二进制搜索算法、译码器以及数模转换器。与滤波器带宽相对应的带宽调整控制信号通过数模转换器产生一个参考电压送入比较器的其中一个输入端,电阻网络与电容网络的充放电节点连接至比较器的另一个输入端,二进制搜索算法根据比较器的输出结果产生相应的滤波器带宽搜索码,译码器将滤波器带宽搜索码转换为对应的电阻电容网络调整值。该校准方法具备：1)显著减小宽带有源RC滤波器中无源元件的数量,节省芯片面积,减小电路设计复杂度；2)支持宽的晶振输入频率范围；3)电路结构简单,便于工业实现等优点。(The application relates to a broadband active RC filter bandwidth calibration circuit and a method. The circuit comprises: the device comprises a frequency divider, a resistor network, a capacitor charge-discharge switch, a comparator, a binary search algorithm, a decoder and a digital-to-analog converter. The bandwidth adjustment control signal corresponding to the bandwidth of the filter generates a reference voltage through a digital-to-analog converter and is sent to one input end of a comparator, charge and discharge nodes of a resistor network and a capacitor network are connected to the other input end of the comparator, a binary search algorithm generates a corresponding filter bandwidth search code according to an output result of the comparator, and a decoder converts the filter bandwidth search code into a corresponding resistor-capacitor network adjustment value. The calibration method comprises: 1) the number of passive elements in the broadband active RC filter is obviously reduced, the chip area is saved, and the circuit design complexity is reduced; 2) the wide input frequency range of the crystal oscillator is supported; 3) the circuit has the advantages of simple structure, convenience for industrial realization and the like.)
技术领域
本申请涉及模拟集成电路领域，特别是涉及一种面向软件定义无线电的宽带滤波器带宽校准电路和方法。
背景技术
有源RC滤波器具有的优良线性性能使其在射频收发机中得到了广泛的应用。软件定义无线电射频收发机中通常集成具有较高线性性能的宽带有源RC滤波器，其主要用于避免采样过程中的混叠现象(接收链路)以及抑制基带信号中周期性频谱的作用(发射链路)。
PVT引入的偏差会严重影响有源RC滤波器的带宽精度，导致混叠现象的发生或者对周期性频谱的抑制不够，严重时还会抑制有效信号的高频部分，导致信号的失真。
要保证滤波器带宽的高精度，通常需要对RC时间常数进行校准，专利《用于滤波器的带宽校准》(申请号201210558928.2，授权号CN103078630A)中，在时钟CLK的驱动下，通过改变开关电容的容值来保证RC时间常数的稳定性，此方法虽然可以获得较高的校准精度，但是并不适合于宽带滤波器应用场景。主要因为：1)仅使用电容网络进行校准，电阻网络用于调整宽带滤波器的带宽，这样会导致滤波器中的无源器件数量非常庞大，尤其是应用于软件定义无线电多通道射频收发机中；2)RC时间常数依赖于恒定的CLK时钟频率(通常来自于外部晶振)，在软件定义无线电应用场景中，通常需要支持非常宽的晶振输入频率范围，传统的校准结构无法正常工作。
专利《一种滤波器带宽校准电路》(申请号201410024682.X)针对上述问题提出了一种适用于软件定义无线电应用场景的宽带有源RC滤波器带宽校准方案，通过对分频后的外部时钟一个周期内高电平持续时间进行计数，并与寄存器中的预设值进行比较来保证RC时间常数的稳定性(不同的带宽对应不同的时间常数)。相较于传统方案的优点在于：1)振荡器中的RC网络均可用来调整滤波器的带宽，增大了带宽调整的自由度，可以明显减少滤波器中无源元件的数量；2)外部时钟CLK的产生不依赖于外部晶振，而是通过内部集成的频率综合器通过小数分频提供，不同的滤波器带宽对应不同的外部时钟频率，可以适用软件定义无线电应用场景中要求的宽晶振输入频率范围。但是该校准方法仍具有明显的局限性：1)需要额外构造RC振荡器电路及计数器，增大了电路设计的复杂度；2)滤波器带宽的校准依赖于内部的频率综合器和小数分频器，校准过程复杂，且小数分频器产生的时钟抖动会影响计数精度，恶化滤波器的带宽校准精度。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够校准效率和效果更好的的宽带有源RC滤波器带宽校准电路和方法。
一种宽带有源RC滤波器带宽校准电路，其特征在于，所述校准电路包括：分频器、电阻网络、电容网络、电容充放电开关、比较器、二进制搜索算法模块、译码器以及数模转换器；
所述分频器将外部TCXO晶振的输入频率分频得到时钟信号；
所述电容充放电开关用于控制所述电阻网络和所述电容网络的充放电的通断；
所述电阻网络与所述电容网络的充放电节点与所述比较器的一个输入端连接，所述数模转换器的输出与所述比较器的另一个输入端连接；所述数模转换器用于将带宽调整控制信号转换成参考电压；
所述二进制搜索算法模块的输入与所述比较器的输出连接，所述二进制搜索算法的输出与所述译码器的输入连接；所述二进制搜索算法模块用于根据所述比较器的输出结果生成滤波器带宽搜索码；
所述译码器用于将所述滤波器带宽搜索码转换为对应的所述电阻网络和所述电容网络的调整值。
在其中一个实施例中，还包括：所述电阻网络由串联电阻网络和并联电阻网络串联而成；所述电容网络由串联电容网络和并联电容网络并联而成；
在其中一个实施例中，还包括时钟反相器，所述时钟反相器用于将所述时钟信号反相后与所述充放电节点连接。
在其中一个实施例中，还包括：当所述时钟信号为低电平时，所述电容网络处于充电状态，当所述时钟信号为高电平时，所述电容网络处于放电状态。
在其中一个实施例中，还包括：所述比较器和所述二进制搜索算法模块工作在所述时钟信号的上升沿。
在其中一个实施例中，还包括：所述比较器为具有直流失配补偿功能的自校准比较器。
在其中一个实施例中，还包括：所述译码器的输出还连接到主滤波器中。
一种宽带有源RC滤波器带宽校准方法，其特征在于，所述方法包括：
根据外部TCXO晶振的输入频率设置分频器的分频比，得到宽带有源RC滤波器带宽校准电路的时钟信号；
根据预设的查找表，确定预设带宽的带宽调整控制信号；所述查找表为滤波器带宽与所述电容网络和所述电阻网络的时间常数值之间关系的数据表；
通过数模转换器将所述带宽调整控制信号转换为参考电压，将所述参考电压输入到比较器的一个输入端；
将所述电阻网络与所述电容网络的充放电节点连接至所述比较器的另一个输入端；
根据所述比较器的输出结果，通过二进制搜索算法模块生成对应的滤波器带宽搜索码；
根据所述查找表，通过译码器将所述滤波器带宽搜索码转换为对应的所述电阻网络和所述电容网络的调整值；
根据所述调整值对所述电阻网络和所述电容网络进行调整，实现宽带滤波器带宽的校准。
在其中一个实施例中，还包括：确定滤波器带宽范围和设计带宽精度；
选取一段最低频段带宽范围，固定所述电阻网络的电阻值，按照设计精度确定电容网络；
固定所述电容网络，所述电阻网络的电阻依次减倍，直到覆盖所有的带宽范围，并确定最终的电阻网络；
根据确定的最终电容电阻网络等比例复制至校准电路的电容电阻网络中；
按照带宽的大小顺序依次对校准电路中的所述电容网络和所述电阻网络进行编码，建立带宽、所述电阻网络与所述电容网络的时间常数值两者之间的查找表。
在其中一个实施例中，还包括：确定滤波器带宽范围和设计带宽精度；
选取一段最低频段带宽范围，固定所述电容网络的电容值，按照设计精度确定电阻网络；
固定所述电阻网络，所述电容网络的电容依次减倍，直到覆盖所有的带宽范围，并确定最终的电容网络；
根据确定的最终电容电阻网络等比例复制至校准电路的电容电阻网络中；
按照带宽的大小顺序依次对校准电路中的所述电容网络和所述电阻网络进行编码，建立带宽、所述电阻网络与所述电容网络的时间常数值两者之间的查找表。
上述宽带有源RC滤波器带宽校准电路和方法，具有以下有益效果：
1)电阻网络和电容网络均可用于对滤波器的带宽进行校准，增大了带宽校准的自由度，极大地节省了滤波器中无源元件的数量，尤其是当滤波器的阶数较高且应用于软件定义无线电多通道射频收发机中，并详细给出了电阻网络及电容网络的设计流程；
2)支持宽范围的晶振输入频率范围；
3)与传统的带宽校准电路硬件开销相似，且电路结构简单，实现容易，方便工业化使用。
附图说明
图1为一个实施例中适用于宽带滤波器带宽校准的电路结构图；
图2为一个实施例中宽带有源RC滤波器带宽校准方法的流程示意图；
图3为一个具体实施例中宽带滤波器带宽校准流程图；
图4为一个具体实施例中宽带滤波器带宽校准电路的一个设计实例电路结构图；
图5为一个实施例中电阻电容网络的充电时间常数与输入参考电压之间的关系图；
图6为一个具体实施例中设计的5阶有源RC滤波器的带宽校准结果。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
一种宽带有源RC滤波器带宽校准电路，如图1所示，其特征在于，校准电路包括：分频器、电阻网络、电容网络、电容充放电开关、比较器、二进制搜索算法模块、译码器以及数模转换器；
分频器将外部TCXO晶振的输入频率分频得到时钟信号；
电容充放电开关用于控制电阻网络和电容网络的充放电的通断；
电阻网络与电容网络的充放电节点与比较器的一个输入端连接，数模转换器的输出与比较器的另一个输入端连接；数模转换器用于将带宽调整控制信号转换成参考电压；
二进制搜索算法模块的输入与比较器的输出连接，二进制搜索算法的输出与译码器的输入连接；二进制搜索算法模块用于根据比较器的输出结果生成滤波器带宽搜索码；
译码器用于将滤波器带宽搜索码转换为对应的电阻网络和电容网络的调整值。
在其中一个实施例中，还包括：电阻网络由串联电阻网络和并联电阻网络串联而成；电容网络由串联电容网络和并联电容网络并联而成；
在其中一个实施例中，还包括时钟反相器，时钟反相器用于将时钟信号反相后与充放电节点连接。
在其中一个实施例中，还包括：当时钟信号为低电平时，电容网络处于充电状态，当时钟信号为高电平时，电容网络处于放电状态。
在其中一个实施例中，还包括：比较器和二进制搜索算法模块工作在时钟信号的上升沿。
在其中一个实施例中，还包括：比较器为具有直流失配补偿功能的自校准比较器。
在其中一个实施例中，还包括：译码器的输出还连接到主滤波器中，确保校准过程结束后主滤波器能够完成相应的带宽设置。
其工作原理如下：当时钟CLK下降沿到来时，电容网络处于充电状态，充电时间常数为RC，其中R和C分别为实际工况下电阻网络和电容网络的值，当时钟CLK的上升沿到来时，电阻电容网络的输出电压值(调节电压值)Vadj为：
Vadj(t)|t＝T/2＝VDD-VDDexp(-t/RC)|t＝T/2 (1)
其中T为CLK的时钟周期。当Vadj比预设定的参考电压值Vref大时，二进制搜索算法的输出结果通过译码器调整电阻电容网络的值，朝着带宽频率减小的方向搜索，当Vadj比预设定的参考电压值Vref小时，二进制搜索算法朝着带宽频率增大的方向搜索。
Vref的确定是通过计算查找的方式确定的，计算对应公式为：
Vref＝VDD-VDDexp(-t/RdomCdom)|t＝T/2 (2)
其中Rdom和Cdom分别为典型工艺角以及常温条件下电阻网络和电容网络的值，不同的带宽频率对应的Rdom和Cdom的值也不一样，通过SPI接口(或者其它类型的芯片配置接口)产生的带宽调整控制信号经DAC产生参考电压值Vref。为了避免比较器本身引入的直流偏移造成校准精度的降低，可采用具有直流失配补偿功能的自校准比较器。
一种宽带有源RC滤波器带宽校准方法，如图2所示，其特征在于，方法包括：
步骤202，根据外部TCXO晶振的输入频率设置分频器的分频比，得到宽带有源RC滤波器带宽校准电路的时钟信号；
步骤204，根据预设的查找表，确定预设带宽的带宽调整控制信号；查找表为滤波器带宽与电容网络和电阻网络的时间常数值之间关系的数据表；
步骤206，通过数模转换器将带宽调整控制信号转换为参考电压，将参考电压输入到比较器的一个输入端；
步骤208，将电阻网络与电容网络的充放电节点连接至比较器的另一个输入端；
步骤210，根据比较器的输出结果，通过二进制搜索算法模块生成对应的滤波器带宽搜索码；
步骤212，根据查找表，通过译码器将滤波器带宽搜索码转换为对应的电阻网络和电容网络的调整值；
步骤214，根据调整值对电阻网络和电容网络进行调整，实现宽带滤波器带宽的校准。
上述宽带有源RC滤波器带宽校准电路和方法，具有以下有益效果：
1)电阻网络和电容网络均可用于对滤波器的带宽进行校准，增大了带宽校准的自由度，极大地节省了滤波器中无源元件的数量，尤其是当滤波器的阶数较高且应用于软件定义无线电多通道射频收发机中，并详细给出了电阻网络及电容网络的设计流程；
2)支持宽范围的晶振输入频率范围；
3)与传统的带宽校准电路硬件开销相似，且电路结构简单，实现容易，方便工业化使用。
应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在其中一个实施例中，如图3所示为基于本发明提出的宽带滤波器带宽校准流程图，包括：
1)确定滤波器带宽范围和带宽精度；
2)根据工作温度范围及工艺偏差对实际带宽的影响在典型工艺角及常温条件下确定最终的设计带宽精度；
3)选取一段最低频段带宽范围，固定电阻(电容)值，按照设计精度确定电容(电阻)网络；
4)固定电容(电阻)网络，电阻(电容)依次减倍，直到覆盖所有的带宽范围，并确定最终的电阻(电容)网络；
5)根据确定的最终电容电阻网络等比例复制至校准电路的电容电阻网络中；
6)按照带宽的大小顺序依次对校准电路中的电容电阻网络进行编码，并将相应的编码与译码器的输入对应起来，另外建立带宽、电阻网络与电容网络的时间常数值两者之间的查找表；
7)根据TCXO频率设置合适的分频比N，根据上述查找表及公式(2)产生相应的带宽调整控制信号。
另一个具体实施例，如图4所示，包括：
1)确定滤波器带宽范围和带宽精度；
滤波器覆盖的基带带宽频率范围为1～30.4MHz，滤波器带宽精度小于10％。
2)根据工作温度范围及工艺偏差对实际带宽的影响在典型工艺角及常温条件下确定最终的设计带宽精度；
根据选取工艺的工艺偏差及对温度的敏感性，最终确定在典型工艺角及常温条件下按照5％的滤波器带宽精度进行设计。
3)选取一段最低频段带宽范围，固定电阻值，按照设计精度确定电容网络；
选取的最低频段带宽范围为1～1.9MHz，考虑到带宽精度为5％，因此可确定其步进为0.1MHz，共计有10个频点，因此在电阻阻值固定的情况下，电容网络需要10个不同的容值。
4)固定电容网络，电阻依次减倍，直到覆盖所有的带宽范围，并确定最终的电阻网络；
电阻减倍，带宽及步进增倍，覆盖所有的带宽范围后共需1～1.9MHz/0.1MHz、2～3.8MHz/0.2MHz、4～7.6MHz/0.4MHz、8～15.2MHz/0.8MHz、16～30.4MHz/1.6MHz 5个频段范围。图中采用由1个电阻组成的串联电阻网络串联由4个并联电阻网络组成的并联电阻网络形成总的电阻网络，电阻网络的值可以生成5种情况：8R0、4R0、2R0、R0、R0/2，每种电阻值仅需依次匹配10个不同的并联电容网络值便可覆盖1～30.4MHz的滤波器带宽频率。
5)根据确定的最终电容电阻网络等比例复制至校准电路的电容电阻网络中；
等比例复制后的电阻电容网络如图4中所示。
6)按照带宽的大小顺序依次对校准电路中的电容电阻网络进行编码，并将相应的编码与译码器的输入对应起来，另外建立带宽、电阻网络与电容网络的时间常数值两者之间的查找表；
滤波器一共可以提供50个带宽值，按照从小到大的顺序依次编码，可对应6bit的译码器输入。其中“000000”对应滤波器带宽的最小带宽，“110001～111111”对应滤波器带宽的最大值。并依次提供带宽、电阻网络与电容网络的时间常数值两者之间的查找表；
7)根据TCXO频率设置合适的分频比N，根据上述查找表及公式(2)产生相应的带宽调整控制信号。
软件定义无线电应用场景需要的TCXO频率输入范围为7.5～120MHz，根据式(2)可知，为了避免Vref的较大波动幅度，分频比N可提供四种分频情况：×2、×1、/2、/4，以确保充放电时钟CLK的频率范围位于15～30MHz之间。根据带宽、电阻网络与电容网络的时间常数值两者之间的查找表，找出预设带宽对应的时间常数值，代入式(2)中可得到预设的Vref值，最终得出应输入的带宽调整控制信号。
图5给出了电阻电容网络的充电时间常数与输入参考电压Vref之间的关系图(充放电时钟频率为15MHz，VDD＝1.8V)。
在时钟频率最小且要求Vref最小为0.15V的情况下可以得出电阻电容网络时间常数的最大值，也即RdomCdom＝4*10-7s，这是设计电阻电容网络的一个重要限制条件。
图6给出了一个按照上述设计实例进行设计的5阶有源RC滤波器的带宽校准结果(预设基带带宽为20.8MHz)。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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