CN102215030A - 电荷域滤波器以及传递函数决定方法 - Google Patents

Abstract

一种电荷域滤波器以及传递函数决定方法。电荷域滤波器具有多个开关电容网络，开关装置，以及电流加法器。开关电容网络以交错形式控制，各自具有输入端子以及输出端子，且开关电容网络的输入端子彼此电性连接并耦接于输入信号。其开关装置用以作传递函数控制，并根据开关控制信号操作。开关装置决定开关电容网络输出端子间的电性连接以及开关电容网络的输出端子如何耦合至电流加法器以产生至少一个电流加法器输入。电流加法器接收到所述至少一个电流加法器输入，并输出对应的输出信号。

Description

电荷域滤波器以及传递函数决定方法

技术领域

本发明主要涉及电荷域滤波器(charge domain filter)，特别涉及具有可控制传递函数的电荷域滤波器。

背景技术

开关电容网络(switched-capacitor networks)一般应用于信号滤波。具有开关电容网络的信号滤波器(signal filter)也称作电荷域滤波器。

图1A显示了一开关电容网络的实施例。图1B显示了图1A中电路的控制信号。如其图显示，N个控制信号clk1～clkN用于控制开关电容网络100。图1B显示N个时钟信号clk1～clkN为周期信号且启动于不同时间。因此，提供了N种控制相位(control phase)。上述控制信号clk1～clk(N-2)提供了信号输入相位(signal input phase)。根据上述控制信号clk1～clk(N-2)，使输入信号IN依序对电容C1～C(N-2)充电。上述控制信号clk(N-1)提供一电荷总和相位(charge summation phase)。根据上述控制信号clk(N-1)，可将储存于电容C1～C(N-2)的电荷传送至开关电容网络100的输出电容Cout上，进而产生对应的输出信号(OUT)。控制信号clkN提供一重置相位(reset phase)。根据上述控制信号clkN，将电容C1～C(N-2)放电以接收后续的信号输入相位。图1B所显示的第一波形表示一系统时钟clk。输入时钟频率(input clock rate，ICR)用以计算出一时钟周期(1/ICR)的长度。因为更新上述输出信号(OUT)需要一时间周期(N/ICR)，开关电容网络100会造成采样率下降(sample rate decimation)。

为解决采样率下降的问题，已发展出许多种类的技术。其中一普遍熟知的技术是“时钟交错技术”(time interleaving technique)。图2显示了应用时钟交错技术的一电荷域滤波器200。有六个电路202_1～202_6皆为理想的且共享一输出电容Cout，并各自需要六个相位信号(clk1～clk6)。需注意到电路202_1～202_6是以时钟交错形式控制，使电路202_1～202_6在不同时间电性连接至输出电容Cout。电路202_1的开关以及电路202_2的开关导通顺序，具有一相位位移(phase shift)。相同地，电路202_2和电路202_3间，电路202_3和电路202_4间，电路202_4和电路202_5间，电路202_5和电路202_6间以及电路202_6和电路202_1间，其开关导通顺序皆具有一相位位移。电路202_1、202_2、202_3、202_4、202_5以及202_6分别根据控制信号clk5、clk6、clk1、clk2、clk3和clk4而电性连接至输出电容Cout。输出信号OUT于每个控制相位皆会更新，因此电荷域滤波器不会发生采样率下降。

除了上述基本的开关电容网络100或图2所显示的时钟交错技术外，还有多种变化和类型的电荷域滤波器。关于电荷域滤波器的设计，具有两个重要的议题：时钟泄露抑制(leakage reduction)以及可控制传递函数(controllable transfer function)。上述这些规格可提供具有好的时钟泄露抑制以及可控制传递函数的电荷域滤波器。

发明内容

本发明提供具有可控制传递函数的电荷域滤波器。

根据本发明一实施例所述的电荷域滤波器包括多个开关电容网络，开关装置(switch device)，以及电流加法器(current adder)。上述多个开关电容网络以交错形式控制，各自具有输入端子以及输出端子，且上述所有开关电容网络的输入端子彼此电性连接并耦接于输入信号。上述开关装置用作传递函数控制，并根据多个开关控制信号操作。上述开关装置决定开关电容网络输出端子间的电性连接以及开关电容网络的输出端子如何耦合至电流加法器从而产生至少一个电流加法器输入(current adder input)。电流加法器接收到上述至少一个电流加法器输入，并输出对应的输出信号。

由设定开关控制信号可控制输出信号和输入信号之间的传递函数。

在本发明一实施例中，开关装置电性连接每P个开关电容网络的输出端子，并分别耦接开关电容网络的输出端子至电流加法器以提供M个电流加法器输入。参数M表示开关电容网络的数量。参数P为参数M的因数。注意到具有已电性连接的输出端子的P个开关电容网络操作于时钟交错形式。电流加法器可总和M个电流加法器输入的电荷等效电压值以产生输出信号。

在本发明另一实施例中，开关装置电性将每P个开关电容网络的输出端子连接在一起以产生Q个电流加法器输入至电流加法器。其中参数P以及参数Q是整数，P大于1且P和Q的乘积等于开关电容网络的数量。注意到具有已电性连接的输出端子的P个开关电容网络操作于时钟交错形式。电流加法器可总和Q个电流加法器输入的电荷等效电压值以产生输出信号。

在本发明其它实施例中，提出一种决定电荷域滤波器的传递函数的方法。

在接下来的实施例中配合附图作详细说明。

附图说明

由阅读以下详细说明及配合所附图式的举例，可更完整地了解本发明所提出的内容，如下：

图1A显示出一开关电容网络的一实施例；

图1B图显示了图1A所示电路的控制信号波形；

图2显示了使用时钟交错技术的一电荷域滤波器200；

图3显示出本发明提出的电荷域滤波器的一实施例；

图4A、4B以及4C表示电荷域滤波器300的一实施例的相关讨论；

图5显示出一特殊的开关电容网络，称做时钟效率电荷域滤波器(CECDF)；

图6A显示了根据图3所示电路构成的一电荷域滤波器600，其中开关电容网络应用图5所提出的时脉效率电荷域滤波器；以及

图6B显示出图6A所示电路提供的可用的传递函数。

主要元件符号说明

100、302_1、302_2～302_(M-1)、302_M开关电容网络；

200、300、600电荷域滤波器；

202_1、202_2、202_3、202_4、202_5、202_6电路；

304、604开关装置；

308电流加法器信号；

500、500_1、500_2～500_6、500_7时钟效率电荷域滤波器；

606电流加法器；

610控制器；

C1、C2、C3、C4、C5、C6～C(N-2)、Cout电容；

CS控制信号；

clk_series_1、clk_series_2～clk_series_(M-1)、clk_series_M时钟序列；

clk1、clk2、clk3、clk4、clk5、clk6、clk7～clk(N-2)、clk(N-1)、clkN控制信号；

IN输入信号；

OUT输出信号；

SW1，1、SW1，2～SW1，6、SW1，7、SW2，1、SW2，2～SW2，6、SW2，7开关。

具体实施方式

以下叙述显示许多根据本发明完成的实施例。其叙述用以说明本发明的基本概念并不带有限定的含意。本发明的范围在权利要求书中有最佳的界定。

图3显示了本发明实施例的一电荷域滤波器。该电荷域滤波器300包括多个开关电容网络302_1～302_M，开关装置304，以及电流加法器306。

每个开关电容网络302_1～302_M各自具有输入端子以及输出端子，且所有开关电容网络302_1～302_M的输入端子可电性连接在一起以接收输入信号IN，其中上述输入信号IN可直接电性连接所有开关电容网络302_1～302_M的输入端子，或者，在本发明其它实施例中，输入信号IN可通过其它电子元件或装置间接耦接至开关电容网络302_1～302_M的输入端子。注意到开关电容网络302_1～302_M以时钟交错(time interleaving)控制。各开关电容网络302_1～302_M分别使用N个控制相位信号(clk1～clkN)。上述开关电容网络302_1～302_M可有相同的电路，但开关导通顺序是不同的。每个开关电容网络302_1～302_M的信号输入接脚(pin)以不同顺序耦接至上述控制信号clk1～clkN。时钟序列(clock series)clk_series_1～clk_series_M用以表示顺序的不同。时钟序列clk_series_1将上述控制信号以一顺序：控制信号clk1、clk2～clkN传送至开关电容网络302_1的控制信号接脚。上述时钟序列clk_series_2将上述控制信号以一顺序：控制信号clk(1+N/M)、clk(2+N/M)～clkN，clk1，clk2～clk(N/M)传送至开关电容网络302_2的控制信号接脚。相同地，上述时钟序列clk_series_M-1将上述控制信号以一顺序：控制信号clk(1+(M-2)N/M)、clk(2+(M-2)N/M)～clkN，clk1，clk2～clk((M-2)N/M)传送至开关电容网络302_M-1的控制信号接脚。上述时钟序列clk_series_M将上述控制信号以一顺序：控制信号clk(1+(M-1)N/M)、clk(2+(M-1)N/M)～clkN，clk1，clk2～clk((M-1)N/M)传送至开关电容网络302_M的控制信号接脚。

参数N可等于参数M，或者，参数M可为参数N的因数。必须注意到上述规格并非用以限定开关电容网络302_1～302_M的电路。任何熟知的开关电容网络皆可适用本发明。此外，在一些实施例中，开关电容网络302_1～302_M可具有不同的输出电容，或者，可分别由不同的结构组成。

开关装置304用以作传递函数的控制，并至少根据一控制信号CS操作。开关装置304决定开关电容网络302_1～302_M输出端子间的电性连接以及开关电容网络302_1～302_M的输出端子如何耦接至电流加法器306，从而产生至少一个电流加法器输入308至电流加法器306。根据接收到上述至少一个电流加法器输入308，电流加法器306相应的输出输出信号OUT。在某些实施例，电流加法器306可由至少一个电流加法器输入308计算电荷等效电压和，且输出信号OUT可为上述至少一个电流加法器输入308的电荷等效电压和。注意到具有已电性连接的输出端子的开关电容网络操作于时钟交错形式。

在某些实施例，所产生的电流加法器输入308数量等于开关电容网络302_1～302_M的数量，其因为开关电容网络302_1～302_M的输出端子分别耦接至电流加法器306而作为M个电流加法器输入，无论开关电容网络302_1～302_M的输出端子彼此如何电性连接。例如，开关装置304可预先电性连接至每P个开关电容网络302_1～302_M的输出端子(其中参数P为参数M的因数)，并分别耦接上述M个开关电容网络302_1～302_M的输出端子至电流加法器306以作为M个输入。在一特殊例子(P＝1)中，上述开关装置304可分别耦接开关电容网络302_1～302_M的输出端子至电流加法器306，而不需预先将开关电容网络302_1～302_M的输出端子彼此电性连接。

在其它实施例中，其产生的电流加法器输入308的数量不等于开关电容网络302_1～302_M的数量。开关电容网络302_1～302_M输出端子间的电性连接降低传送至电流加法器306的信号数量。已电性连接的输出端子提供一合并信号作为电流加法器306的输入。例如，开关装置304可电性连接至每P个开关电容网络302_1～302_M的输出端子以产生输入至电流加法器306的Q个电流加法器输入308，其中P和Q是整数且P大于1，并且P与Q的乘积等于开关电容网络的数量(PxQ＝M)。在一特殊例子(P＝M)中，开关装置304可电性连接(例如，直接短路)至所有开关电容网络302_1～302_M的输出端子以产生一单一信号作为至少一个电流加法器输入308。

由设定开关控制信号CS可控制输出信号OUT和输入信号IN之间的传递函数。

图4A、4B以及4C表示本发明实施例的电荷域滤波器300的相关讨论，其中控制相位信号的数量N为16，以及开关电容网络的数量M为8。参考图4A，由设定开关控制信号CS呈现4种实例，其中开关装置304预先电性连接每P个开关电容网络302_1～302_M(其中参数P为参数M的因数，可为1、2、4或8)，并各自耦接八个开关电容网络的输出端子至电流加法器306以作为八个输入，无论该开关电容网络的输出端子彼此如何电性连接。于第一种实例，P＝8，在八个开关电容网络的输出端子耦接至电流加法器306作为八个输入前，开关装置304电性连接(直接短路)八个开关电容网络的输出端子。于第二种实例，P＝4，在八个开关电容网络的输出端子耦接至电流加法器306作为八个输入前，开关装置304电性连接每四个开关电容网络的输出端子。于第三种实例，P＝2，在八个开关电容网络的输出端子耦接至电流加法器306作为八个输入前，开关装置304电性连接每二个开关电容网络的输出端子。于第四种实例，P＝1，开关装置304单独耦接第八个开关电容网络的输出端子至电流加法器306以产生八个电流加法器输入(308)而不需预先将八个开关电容网络的输出端子彼此电性连接。

接着关于信号传递函数，在四种实例中零点(zero)数量的变化。图4B，图4B显示不同实例下的信号传递函数。在此实施例中，输入时钟频率为1200MHz(ICR＝1200MHz)。实例一提供最广的频宽(bandwidth)，而实例四提供最佳的阻带(stop-band)信号衰减(signal attenuation)。使用者可由设定开关装置304的开关控制信号CS简单地控制传递函数的效能。上述可控制传递函数对使用者相当方便，因为在传统技术下电荷域滤波器在制造后其传递函数是固定的。本发明提出的技术验证滤波器系数(filter coefficient)具有弹性。

关于时钟泄露传递函数(leakage transfer function)(上述时钟泄露可能为工艺变异或基底耦合等等)，本发明提出的技术在此条件下有好的时钟泄露抑制效能。图4A，此四个实例有相似的时钟泄露传递函数。图4C显示传递函数的时钟泄露，其中输入时钟频率ICR为1200MHz。图4C的波形显示本发明提出的技术有好的折叠噪声(folding noise)抑制效能。

本发明实施例中，其中产生的电流加法器输入总数不等于开关电容网络302_1～302_M的总数，可能会影响上述时钟泄露传递函数。然而，使用者至少可利用控制信号CS对当前的应用选择最佳的结构。

图5显示了一特殊的开关电容网络，称作时钟效率电荷域滤波器(CECDF)。上述时钟效率电荷域滤波器CECDF 500提供六个电容系数(电容C1’、C2～C6，其中电容C1’的电容值为电容C1的电容值的两倍)且可由七个控制相位信号(控制信号clk1～clk7)控制。相较于图1A显示的传统技术，单一控制相位信号(重置相位信号)已被省略。根据图3所提出的结构，在图6中表示一电荷域滤波器600，其中时钟效率电荷域滤波器应用于开关电容网络的实施。在上述电荷域滤波器600中，需要七个时钟效率电荷域滤波器CECDF 500_1～500_7且上述时钟效率电荷域滤波器以时钟交错控制。开关装置604包含开关SW1，1～SW1，7以及开关SW2，1～SW2，7。根据从控制器610输出的至少一个控制信号CS控制上述开关SW1，1～SW1，7以及开关SW2，1～SW2，7。在实例一，所有开关SW1，1～SW1，7导通以直接短路时钟效率电荷域滤波器CECDF 500_1～500_7的输出端子，而所有开关SW2，1～SW2，7导通以电性连接七个时钟效率电荷域滤波器CECDF 500_1～500_7的输出端子至电流加法器606以作为七个电流加法器输入。实例一提出的结构验证了一信号传递函数H₁(z)。在实例二，所有开关SW1，1～SW1，7不导通而所有开关SW2，1～SW2，7为导通。因此，时钟效率电荷域滤波器CECDF 500_1～500_7的输出端子分别电性连接至电流加法器606而无彼此预先电性连接。实例二提出的结构验证了一信号传递函数H₂(z)。

图6B描绘出传递函数H₁(z)以及H₂(z)，其中输入时钟频率ICR为600MHz。上述传递函数H₁(z)等于一时钟效率电荷域滤波器CECDF电路的传递函数H_CECDF(z)。与传递函数H₁(z)比较，传递函数H₂(z)更引出额外的零点，以及不同于传递函数H₁(z)的频宽与信号衰减。使用者可由设定开关控制信号CS选择一信号滤波方案而不需增加额外的工作。此外，当滤波器发生不匹配(mismatch)，上述图中的实线显示由实例一以及实例二可提供的一时钟泄露传递函数。

此外，图6A所示的电荷域滤波器600可进一步提供另一结构(实例三)，其中所有开关SW1，1～SW1，7为导通，而开关SW2，1～SW2，7仅其中之一为导通，其余皆为不导通。实例三仍可提供一信号传递函数H₁(z)但无法抑制不匹配。实例三提供另一种信号滤波方案供使用者选择。

当所有时钟效率电荷域滤波器CECDF 500_1～500_7为相同的电路，电荷域滤波器600具有另一优点为在输出信号(OUT)上不会造成采样率下降。然而，在本发明其它实施例中，时钟效率电荷域滤波CECDF500_1～500_7的输出电容大小可能不相同。于是，输出信号OUT的采样率可能不再为采样率非下降状态。

注意到时钟效率电荷域滤波器CECDF 500控制相位信号的数量并非用以限制本发明所提出的范围。其它结构的CECDF仍可作为本发明所提出的电荷域滤波器的开关电容网络使用。

本发明虽已叙述优选的实施例如上，但因了解上述所提出并非用以限制本发明实施例。相反地，其涵盖多种变化以及相似的配置(本领域技术人员可明显得知)。此外，应根据权利要求书作最广义的解读以包含所有上述的变化以及相似的配置。

Claims (16)

1.一种电荷域滤波器，具有可控制传递函数，该电荷域滤波器包括：

多个开关电容网络，各开关电容网络具有输入端子以及输出端子，其中所有所述开关电容网络的输入端子耦接以共同接收输入信号，以及所述开关电容网络以时钟交错控制；

电流加法器，接收至少一个电流加法器输入以输出输出信号；以及

开关装置，用以控制传递函数，根据开关控制信号操作，决定所述开关电容网络的输出端子间的电性连接以及所述开关电容网络的输出端子如何耦接至所述电流加法器，从而产生所述至少一个电流加法器输入。

2.如权利要求1所述的电荷域滤波器，其中，通过设定所述开关控制信号，所述开关装置将每P个所述开关电容网络的输出端子彼此电性连接，以及分别耦接所述开关电容网络的输出端子至所述电流加法器以提供M个电流加法器输入，其中M为所述开关电容网络的总数，P为M的因数，以及具有输出端子电性连接的每P个所述开关电容网络操作于时钟交错形式。

3.如权利要求2所述的电荷域滤波器，其中所述电流加法器总和M个所述电流加法器输入的电荷等效电压值以产生所述输出信号。

4.如权利要求1所述的电荷域滤波器，其中，通过设定所述开关控制信号，所述开关装置将每P个所述开关电容网络的输出端子彼此电性连接，以及分别耦接所述开关电容网络的输出端子至所述电流加法器以提供Q个所述电流加法器输入，其中P与Q为整数，P大于1且P与Q的乘积为所述开关电容网络的总数，以及具有输出端子电性连接的每P个所述开关电容网络操作于时钟交错形式。

5.如权利要求4所述的电荷域滤波器，其中所述电流加法器总和Q个所述电流加法器输入的电荷等效电压值以产生所述输出信号。

6.如权利要求1所述的电荷域滤波器，其中所有所述开关电容网络具有相同的电路。

7.如权利要求1所述的电荷域滤波器，其中一些所述开关电容网络具有不同的电路。

8.如权利要求1所述的电荷域滤波器，其中所述开关电容网络具有不同大小的输出电容。

9.一种传递函数决定方法，适用于电荷域滤波器，该方法包括：

提供多个开关电容网络，各开关电容网络具有输入端子以及输出端子，其中将所有所述开关电容网络的输入端子耦接以共同接收输入信号，以及所述开关电容网络以时钟交错控制；

提供电流加法器，接收至少一个电流加法器输入以输出输出信号；以及

决定所述开关电容网络的输出端子间的电性连接以及所述开关电容网络的输出端子如何耦接至所述电流加法器，从而产生所述至少一个电流加法器输入。

10.如权利要求9所述的传递函数决定方法，其中，通过设定所述开关控制信号，所述开关装置将每P个所述开关电容网络的输出端子彼此电性连接，以及分别耦接所述开关电容网络的输出端子至所述电流加法器以提供M个电流加法器输入，其中M为所述开关电容网络的总数，P为M的因数，以及具有输出端子电性连接的每P个所述开关电容网络操作于时钟交错形式。

11.如权利要求10所述的传递函数决定方法，其中所述电流加法器总和M个所述电流加法器输入的电荷等效电压值以产生所述输出信号。

12.如权利要求9所述的传递函数决定方法，其中，将每P个所述开关电容网络的输出端子彼此电性连接，以及分别耦接所述开关电容网络的输出端子至所述电流加法器以提供Q个电流加法器输入，其中P与Q为整数，P大于1且P与Q的乘积为所述开关电容网络的总数，以及具有输出端子电性连接的每P个所述开关电容网络操作于时钟交错形式。

13.如权利要求12所述的传递函数决定方法，其中所述电流加法器总和Q个所述电流加法器输入的电荷等效电压值以产生所述输出信号。

14.如权利要求9所述的传递函数决定方法，其中所述所有开关电容网络具有相同的电路。

15.如权利要求9所述的传递函数决定方法，其中所述一些开关电容网络具有不同的电路。

16.如权利要求9所述的传递函数决定方法，其中所述开关电容网络具有不同大小的输出电容。

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