一种有源滤波器的RC常数自动调节电路及其算法
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【摘要】有源RC滤波电路时间常数随集成电路制造工艺变化，为此我们设计了一种高精度RC常数调节电路。提出了一种RC常数自动调节的算法。在SMIC 0.18um工艺中实现了对中心频率为2.2MHz，信号带宽为100kHz的6阶带通滤波器的RC常数的自动调节。在全工艺角范围内，调节精度达0.5～1%。
RC有源滤波器广泛应用于现代大规模集成电路中。特别RF收发器等无线通讯电路中，带通滤波器和低通滤波器的性能直接决定了收发器的选择性和抗干扰性能。然而集成的RC有源滤波器，由于集成电路制造工艺的原因，RC常数波动较大，达±30%之多。
许多RC常数调节电路的精度只有±2～ 10%[1]，[2]。在一些无线通讯的接收机中，信号带宽只有100kHz左右，相对于2MHz左右的中频信号，中频带通滤波电路的RC常数需要达到1%的精度。本文设计了一种高精度RC常数调节电路。提出了一种RC常数自动调节的算法。在SMIC 0.18um工艺中实现了对中心频率为2.2MHz，信号带宽为100kHz的6阶带通滤波器的RC常数的自动调节。在全工艺角范围内，调节精度达0.5～1%。
图1 RC常数调节电路框图
1.RC常数调节电路
本文提出的RC常数调节电路结构如图1所示，包括RC张驰振荡器电路、计数器、数字算法和上电复位等。RC张驰振荡器电路产生与RC常数成反比的时钟频率，当RC常数大于设计值时，振荡器输出频率低于设计值，反之亦然;计数器模块根据输入晶振时钟信号对RC振荡器输出频率级数，计算出RC常数值;逐次逼近式数字算法把计数器的结果同设定的目标值进行比较，判断RC常数大于、等于还是小于目标设定值。如果RC常数大于目标值，则减小RC振荡器的电容;如果RC常数小于目标值，则增加RC振荡器的电容;等于目标值，则输出最终的滤波器RC常数控制信号，RC常数调节完成。
RC常数调节的精度由RC张驰振荡器精度、计数器精度和可调电容阵列的调节精度决定。12位的计数器，考虑RC常数变化范围，计数精度可达11位，对RC常数调节精度的影响几乎可以忽略;采用8位数字控制位调节电容的大小，结合±30%的调节范围，其理论调节精度约为0.25%;RC张驰振荡器的调节精度需要达到0.2%才能使RC常数调节的精度达到0.5%以内。
2.RC张驰振荡器
RC张驰振荡器是RC常数自动调节电路的关键模块，其性能直接决定了RC常数调节的精度。RC张驰振荡器包括充放电网络、比较器和数字控制逻辑等。图2给出了RC张驰振荡器的电路结构、振荡波形和控制开关时序图。
RC张驰振荡器的频率由RC常数确定，理想条件下，RC张驰振荡器的周期可表示为：
上式中，VREF为充电电压，VGND为放电电压，VH和VL分别为高低比较电压。从OSC周期的公式可以看出，VH和VL的偏差会影响OSC的频率值。设计中，VH和VL均由VREF分压得到，精心匹配过的电阻，匹配精度可达0.1%，对OSC的频率影响不大。
比较器失调电压Vos，比较器和逻辑控制电路的延时造成RC充放电网络的过充电和过放电，最终导致振荡器输出频率变小。
为减小比较器失调电压对RC张驰振荡器振荡频率的影响，从振荡器结构上，本文采用了单个比较器结构的张驰振荡器。相比两个振荡器结构的张驰振荡器[]，比较器失调电压的影响几乎可以忽略。
图2 （a）RC张驰振荡器结构图;
（b）RC振荡波形及控制信号
图3 自偏置输出比较器电路图
自偏置是一种将输出反馈到偏置模块的偏置结构[3]，本文提出的自偏置输出级的比较器如图3所示，由高增益的前级放大器和自偏置输出级组成。高增益前级放大器减小比较器的增益误差，自偏置输出级减小比较器的延时。仿真显示，自偏置输出级比较器的延时时间可减小到0.1ns以内。
3.RC常数自动调节算法
3.1 输出反馈式自动调节算法
RC常数自动调节算法的关键是计数器结果和目标值比较完成后，RC振荡器电容阵列控制信号的调节，即电容控制位调整步长的选择。本文引入逐次逼近的概念，根据计数器输出与目标值比较的结果，不断调节控制位的步长，当RC常数计算值与目标值差别较大时，增大控制位的步长;反之，减小控制位的步长。次算法有效减少了系统迭代次数，缩短了调节时间。图4给出了RC常数最大（+30%）和RC常数最小（-30%）两种条件下，RC自动调节数字算法的收敛过程。结果显示，调节算法的迭代次数约为9次。
图4 RC自动调节数字算法收敛过程
图5 RC常数自动调节算法
3.2 RC自动调节过程
本文提出的RC常数自动调节的流程如图5所示。其自动调节步骤如下：
1）上电复位和目标值设定，将计数器复位清零并设定RC常数调节目标值（通常为典型工艺条件下RC张驰比较器输出频率值）;
2）OSC初始化，电容阵列复位开关使能，然后充电开关S1使能，充电电压VREF通过串联电阻对电容阵列充电，OSC开始工作;
3）计数器通过外部输入高频率晶振时钟计算OSC的频率;
4）计数器计算的OSC频率与目标设定值进行比较：a）OSC频率高于目标值，说明RC常数小于目标值，则增加OSC电容阵列控制位的值，返回到OSC初始化，重新计算新的OSC振荡频率，b）OSC频率低于目标值，说明RC常数大于目标值，则减小OSC电容阵列控制位的值，返回到OSC初始化，重新计算新的OSC振荡频率，c）OSC频率等于目标值，说明RC常数等于目标值，输出最终的滤波器电容阵列调节控制位的值，RC常数调节完成。
5）关闭OSC电路，等待系统下次调节的指令。
4.电路实现和测试结果
本文在SMIC 0.18um 1P6M混合信号工艺下，实现了RC自动调节电路，并用于调节一个中心频率为2.2MHz的六阶RC带通滤波电路。用Spectre-Verilog数模混合仿真了不同电源电压和工艺角下，RC带通滤波器中心频率自动调节的结果。图6的仿真结果显示，在最差工艺角下，RC常数调节精度为0.77%。虚线表示的是芯片测试结果，RC常数自动调节的精度为1%。
图6 RC常数自动调节仿真结果
5.总结
针对有源滤波器的RC常数随工艺角变化的问题，本文提出一种高精度RC常数自动调节电路及其算法。采用了单一比较器结构的RC张驰振荡器有效减小了比较器失调电压对振荡器频率的影响;高速自偏置输出级比较器使比较器延时减小到0.1ns以内。在SMIC 0.18um工艺下实现了对6阶带通滤波器的RC常数自动调节。芯片测试结果显示其调节精度达0.7～1%。
参考文献
[1]Bo Xia，et al.An RC time constant auto-tuning structure for high linearity continuous-time ΣΔ modulators and active filters.Circuits and Systems I：Regular Papers，IEEE Transactions on Volume：51，Nov.2004：2179-2188.
[2]T Oshima，et al.Novel automatic tuning method of RC filters using a digital-DLL technique.Solid-State Circuits，IEEE Journal of Volume：39，Nov.2004：2052-2054.
[3]CMOS Analog circuit Design（second edition），Phillip E.Allen，Douglas R.Holberg.
作者简介：
郑泉智（1977―），男，硕士，毕业于西安电子科技大学微电子学与固体电子学专业，杭州士兰微电子股份有限公司资深设计师，主要从事模拟混合集成电路设计。
胡铁刚（1978―），男，杭州士兰微电子股份有限公司混合信号技术部经理，长期从事集成电路设计、研发管理与指导工作，在集成电路研发设计方面有很深造诣。