CN85100788B - 滤波集成电路频率特性的自动控制 - Google Patents

Abstract

一滤波集成电路包括：一参考电路，用来衰减输入信号及产生一参考电平信号；一伪滤波电路，其中含有作为滤波元件的电阻及可变电容；以及，一误差放大器单元，用来比较参考电平发生器的输出信号电平和伪滤波器的输出信号电平，并根据此输出信号的电平差而产生一自动调整控制信号。此自动调整控制信号接至伪滤波电路以改变伪滤波电路中可变电容的电容值，因此，伪滤波电路的输出信号电平便能与参考信号电平相等。此自动调整控制信号并接至至少一个滤波电路上，以改变此电路中一可变电容的电容值。

Description

本发明是关于一滤波集成电路，该电路是在硅等晶片上将一滤波器集成一单块集成电路制成的。

在常用的电子线路中，当用低通、高通及带通滤波器或相位均衡器产生所需信号时，使用较广的是具有分离元件电感器L、电容器C及电阻器R的滤波单元。随着越来越多的电子线路以集成电路(单块集成电路)形式制成，这些滤波器便成了降低成本，减少电子线路体积与重量的障碍，特别是在手提式设备中，可移动性是一重要因素，故减小体积与重量是非常重要的，这样就使滤波器需要以集成电路的形式来实现。

由于以集成电路来实现电感器L是困难的，故适宜集成的滤波器为有源滤波器，有源滤波器可以只用电容器C与电阻器R构成。例如，双T形陷波器可以只用电容器与电阻器形成。其陷波频率f_r表示为：

$f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}{C}_a{R}_a}$

其中C_a是在双T形陷波器中所使用电容器的电容值C，而R_a是陷波器中所使用电阻的电阻值R。

当将此陷波器集成后，电容值与电阻值的偏差便成了问题。亦即说，集成电路中的电容值与电阻值会受杂质浓度与掩模对准等偏差的影响。例如，电容器的绝对值会有±10至15％改变，而电阻器的绝对值会有±10％的改变，这些偏差值是相当大的，上述例子中，在最坏情况下便会使双T形陷波器的陷波频率改变±20至25％，因此实际使用便会极为困难。根据第58083/82号日本专利公开(JapanesePatent Publication)所揭示的对策，可以使用激光改变位于集成电路上电阻器的电阻值，以修正偏差。虽然一直在使用这对策，但仍然存在很多有关准确性与生产率的问题。

在第58083/82号日本专利公开(Japanese Pat-ent Publication)与美国专利第3761741号所揭示的可变衰减电路中，事实上是通过改变直流电流来改变晶体管射极电阻。利用相似技术，是可以修正由集成电路元件值的偏差而使滤波特性改变。然而，这技术很难应用于包括陷波器的所有滤波器上。再者，通过外部调整来修正集成电路元件的偏差会增加成本。

本发明目的是提供一滤波集成电路，它能够自动修正因集成电容器及集成电阻器值的偏差而导致滤波器特性的偏差，而且不须任何外部调整来保证预期效果，同时不存在上述现有技术中的问题。

根据本发明制成的滤波集成电路，其中包括：一参考电平产生电路，以接收一具有参考频率的输入信号，并产生一参考电平信号；一以过滤所说输入信号的伪滤波电路，此电路包含一集成电阻器及一具有可变电容值的集成电容器；一误差放大器单元，以接收所说参考电平产生器的输出信号及所说伪滤波电路的输出信号，并根据这些输出信号间的电平差而产生一自动调整控制信号；用以将自动调整控制信号接至伪滤波电路的装置，该装置还改变可变电容器的电容值，从而使伪滤波电路的输出信号电平能与参考电平信号的电平相等；一滤波电路，此电路含有一集成电阻器及一集成可变电容器，它们对应伪滤波器各自的对应元件，伪滤波器的电阻器与电容器的比率精确度是很高的。自动调整控制信号是接至滤波电路，以改变可变电容的电容值，从而修正滤波器特性曲线的偏移。

在这里，比率精确度(ratio precision)是指电路元件数值之间比率的精确度。例如，尽管会有个别电阻值会偏离其正常值，但若两电阻器的电阻值的比例依然保持不变的话，这便是高的比率精确度对电容值也是一样的。在半导体集成电路中，虽然会有各别电路元件的值偏离其正常值，但仍可在一晶片上的电路元件之间获得高的比率精确度。

在根据本发明制成的滤波集成电路中，产生的自动调整控制信号是要使伪滤波电路的输出信号电平与参考电平相等，这就是说，自动调整控制信号修正因元件值的偏差所导致伪滤波电路的滤波特性的偏差，并且该自动调整控制信号同时输至滤波电路上。滤波电路的元件值与伪电路的对应元件值之间的比率精确度是高的。当伪滤波电路的滤波特性因元件值的偏离而改变时，滤波电路的滤波特性将会与伪滤波电路一样而改变。借此，可利用一用于修正伪滤波电路特性偏差的自动调整控制信号来修正滤波电路的特性偏差。

滤波集成电路中，参考电平产生电路由多个具有高比率精确度的集成电阻或外部电阻构成，以利用该等电阻来衰减参考输入信号，产生参考电平信号。误差放大器单元可由一用来检测参考电平产生电路输出信号的检波电路，另一用于检测伪滤波电路输出信号的检波电路以及一用来接收两检波电路的输出信号、放大这两输出信号的电平差、产生自动调整控制信号的放大器组成的。输入滤波集成电路的输入信号频率可能是可变的。在这情况下，自动调整控制是对信号各个频率而实施的。

根据本发明，由包括作为元件而包含在一半导体集成电路中的一集成电阻及一集成可变电容的滤波器，其特性偏差是自动调整的。从而，有可能改善滤波器的精准度并免除以前所采用的对滤波器进行一个一个的调校。因而根握本发明，以前作为外部元件使用的大体积块滤波器便可无需调校地集成。结果，便可使滤波单元中的电路成本、单元体积、重量及元件数目下降。

参考以下描述及附图，本发明的优点及其它目的将会显而易见。其中：

图1是双T形陷波器的电路图；

图2是一特性曲线图，用来表示图1所示滤波器的频率特性偏差；

图3是一方块图，用来表示根据本发明而成的滤波集成电路的实施方案结构；

图4所示为图3中滤波集成电路中所使用的一参考电平产生电路的具体例子；

图5所示为滤波集成电路中，所用的伪滤波电路的一具体例子；

图6所示为出现在滤波集成电路各点上的波形信号；

图7是使用于伪滤波电路中一可变电容器的特性曲线图；

图8表示伪滤波电路的频率特性偏移；

图9表示在集成电路中所用滤波电路的具体例子；

图10表示滤波集成电路中使用滤波电路的另一具体例子；

图11是根据本发明制成的滤波集成电路中的滤波器电路的另一实施方案电路图；

图12是根据本发明制成的滤波集成电路的另一实施方案的电阻器。

在将本发明实施方案描述以前，先描述一下一适合于集成的双T形滤波器结构。图1所示为一熟知的双T形陷波器结构，如果图1的电阻及电容值选为：

R₁＝R₂＝2R₃＝R_a

C₁＝C₂＝C₃/2＝C_a

则图1中，V_i为输入信号，而V₀为输出信号。

当将一陷波器集成时，由于集成电路的电容及电阻值偏差的缘故，使陷波频率产生偏差。集成电路中，电容器的绝对值最多变化±10％至15％，而电阻器的绝对值最多变改±10％。在这情况下，图1所示陷波器的陷波频率在最坏情况下大约变化±20至25％。图2表示了因图1所示滤波电路的电阻和电容值变动使陷波频率变动，其范围自a伸展到b。本发明是提供一滤波集成电路，它具有自动地修正该陷波器陷波频率变动的功能。

下面参考附图对本发明实施方案加以描述。图3为一方块图，用来表示根据本发明制成的一滤波电路实施方案的结构。图3中，具有恒定参考频率f_in的输入信号3加至集成电路的集成电路脚2。由此，输入信号3加至一参考电平产生电路4及伪滤波电路5。参考电平产生电路4衰减输入信号，以产生一参考电平信号。参考电平信号由检波电路6检波，而检波输出接入误差放大器7的一输入端。伪滤波电路5是含有电阻器及可变电容器元件的滤波电路。伪滤波电路5将输入信号滤波，并将滤波后的信号输至检波电路8。检波电路8检波信号，并将检波后的信号输至误差放大器7的另一输入端。误差放大器7将检波电路6的输出与检波电路8的输出之间的电平差放大。此合成的电压信号通过导线9输至伪滤波电路5的可变电容器。伪滤波电路5中，误差放大器7提供的电压信号通过改变可变电容器的电容值来改变滤波特性，从而使其滤波信号电平能与由参考电平产生电路4所提供的参考信号电平相等。参考信号电平产生电路4、伪滤波电路5、检波电路6和8、以及误差放大器7便构成一自动调整控制信号产生电路10。误差放大器7输出的自动调整控制电压信号修正滤波特性偏差，此偏差是由伪滤波电路5中电阻值及电容值的偏差所导致的。该自动调整控制电压信号是输至IC_t中的滤波电路11及12。电路11及12的每一个均包含一电阻器及可变电容器元件。每个滤波电路11及12中的电阻器及电容器分别与伪滤波电路的对应电阻器及电容器有一极高的比率精确度，在各个滤波电路11及12中，自动调整控制电压信号改变可变电容器的电容值，以调整因电阻值及电容值的偏差而导致滤波特性的偏离。滤波电路11的输入端及输出端分别接至集成电路脚13及14，以供集成电路1外部使用。滤波器12为供集成电路1内的电路所用。

现更加详细地描述图3的实施方案。图4为一参考电平产生电路4的具体电路实例，图5为示一伪滤波电路5的具体电路实例。图6(a)表示输入信号2的波形。图6(b)为于参考电平产生电路4的输出端的波形及检波电路6的输出端的波形，它们分别以实线及虚线来表示。图6(c)为伪滤波电路5的输出端的波形及检波电路8输出端的波形，它们分别以实线及虚线来表示。图7表示伪滤波电路5中所包含的可变电容器的特性曲线图。图8表示伪滤波电路5的频率特性曲线。图9为滤波电路11一具体实例的线路图。图10表示滤波电路12一具体实例的线路图。

参考电平产生电路4以一固定精确比率来衰减输入信号3。在图4所示的例子中，参考电平产生电路4可由集成电阻15及16构成。由于IC中元件值的比率可以非常高的精确度来实现，参考电平产生电路

上式可以极高的精确度来实现。伪滤波器5是一含有集成电阻及集成可变电容的滤波电路，其中集成电容的电容值是由所加电压来改变的。例如，图5所示的伪滤波电路5可由集成电阻17及18、可变电容19及一固定电压源20构成。集成电阻18的电阻值R₁₈及可变电容19的电容值C₁₉构成一阶电容一电阻滤波器。其截止频率f_c为：

$f_c=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_{18}{C}_{19}}$

固定电压源20通过集成电阻17及18将直流电压加至可变电容19的阳极，另一方面，误差放大器7的输出电压以负反馈方式加至可变电容19的阴极。

可变电容19的电容值是用加至其两端的电压来改变。当基极-射极结的电容被用作可变电容器19时，电容值可表示为：

$\mathrm{Cj}=\frac{\mathrm{Cj}\left(0\right)}{{(1+\frac{\mathrm{Vj}}{\mathrm{\φ}})}^{\mathrm{\α}}}$

$=\mathrm{Cj}\left(0\right){\mathrm{\φ}}^{\mathrm{\α}}\·\frac{1}{{(\mathrm{\φ}+\mathrm{Vj})}^{\mathrm{\α}}}$

或：

logC_j＝K-αlog(φ+V_j)

其中：

C_j＝基极-射极结电容值

C_j(0)＝基极-射极结在偏压为0时的电容值

V_j＝基极-射极电压(反偏二极管电压)

φ＝内电压

α＝电压相关系数

K＝log〔C_j(0)φ^a〕

图7所示为基极-射极结电容特性曲线的实例。当电源电压为5V时，V_j可为0-3V，而C_j可能在其典型数值附近偏移±20％至25％。

参考电平产生电路4与伪滤波电路5的输出分别在图6(b)及6(c)中以实线表示，它们分别接至上述检波电路作峰值检波，成了分别以图6(b)及6(c)的虚线表示的信号。这些检波电路的输出信号被接至误差放大器7。当自动滤波调整控制电压信号9供作负反馈时，误差放大器7的输出接至可变电容器19的一端，以固定伪滤波电路5的滤波特性，使到检波电路6与8的输出可以彼此相等，亦即，分别于图6(b)及6(c)所示的电平21及22可以彼此相等。利用自动调整控制电压信号，可变电容19的电容值是自动变化以吸收伪滤波电路5的偏差。

每个滤波电路11及12均包含一集成电阻及可变电容，以获得理想的滤波特性，并且接有自动调整控制信号9。

由于集成在一晶片上的元件可以以高的比较精确度构成，伪滤波电路5的频率特性偏差可以做到差不多与滤波电路11及12相等。由此，利用自动控制信号9便可以自动吸收滤波电路11及12的频率特性偏差。

现将图3电路的操作更详细的描述。现假设集成电阻15及16为固定，以使参考电平产生电路4有3dB的衰减损失。如果集成电阻和可变电容的总偏差为-20％，伪滤波电路5具有图8中23所代表的特性。如果这时将具有频率f_in的输入信号接至电路3，伪滤波电路5的输出便会较参考电平产生电路4的输出为大。而伪电路5及参考电平产生电路4的输出是透过检波电路6和8以及误差放大器7反馈回伪电路5，以减低接至伪电路5的可变电容上的电压。由于接至可变电容器的电压下降，如图7所示，其电容值上升，图8的频率特性23左移以产生图8的频率特性24。这就是说，可变电容的电容值改变，以使参考电平产生电路4及伪滤波电路5的输出彼此在频率f_in相等。由于可变电容的电容值是根据V_j而作±20至25％的变化，最大偏差便可以被吸收。如果集成电阻和可变电容的总偏差为+20％的最大值，伪滤波电路5假设有图8所示的特性25。在这情况下，在伪滤波电路5接收f_in输入时，最后当然会有图8的频率特性。

如以上所述，用来自动吸收集成电阻18与可变电容19之间的偏差的自动调整控制信号9便可达成。由于在同一晶片存在的关系，集成电阻18和可变电容19便可分别对应图9所示集成电阻30和可变电容32，以及分别对应图10所示的集成电阻31及可变电容33来达成高的比率精确度。图9与10所举例的滤波电路11与12的截止频率f_c(11)与f_c(12)可表示为：

$f_c\left(11\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_{30}{C}_{32}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{n}_1{n}_2{R}_{18}{C}_{19}}$

以及

$f_c\left(12\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_{31}{C}_{33}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{n}_3{n}_4{R}_{18}{C}_{19}}$

其中n₁至n₄为常数。

因此滤波电路11和12内，在没有调整要求的集成滤波器内，偏差可以自动吸收。

再者，如上所述，由于负反馈的参考基准为上述参考电平产生电路4的衰减

滤波特性并不取决于温度、电源电压或输入信号3的电平变化。结果，理想的稳定滤波特性便可经常达到。

上述实施方案中输入信号3自集成电路1外部输入。然而，就算输入信号3是由包含在同一集成电路内的一电路来供应，当然可以达到相似的效果。在视频信号(磁带)记录器中，例如，利用一晶体振荡器在彩色信号处理电路中所产生的具体信号源为色度副载波(在NTSC制中为3.58MHz)。

以上描述中，检波电路6与7送出半波整波波形。如果全波整波波形是供作峰值检波，更稳定的滤波电路便可达成。

图11表示本发明的另一实施方案。与图3参考数字相同的参考数字归于相同的部件。与图3中参考数字一样的参考数字归于类似部件。固定电压源40、41与42供应相同的电压。此电压减去晶体管约为0.7V的基极-射极电压而接至可变电容19、43、44与45的阳极侧，并且还接至检波电路6与8。参考数字46至48表示集成电容。参考数字471至521与53至61分别表示npn晶体管与集成电阻。

滤波电路11为前述一双T形陷波器。如果元件被选为：

R₅₈＝R₅₉＝2R₆₀＝R_b

$C_{44}=C_{45}=\frac{C_{43}}{2}=C_b$

于是陷波频率f_r可表示为：

$f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_b{C}_b}$

由于一晶体上的元件可以高的比率精确度来达成，

R_b与C_b可表示为：R_b＝n₅R₁₈及C_b＝n₆C₁₉

其中n₅与n₆为常数。因此，继有：

$f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}{n}_5{n}_6{R}_{18}{C}_{19}}$

所述的常数一般取决于R₁₈和C₁₉，在本发明中，n₅的取值最好在3左右，即( n₅＝3)，n₆最好也取值在3左右即( n₆＝3)。

透过伪滤波电路5的自动调整，该双T形电路中部件的偏差在不需要任何调整的情况下亦可被吸收。

图12仍是本发明的另一实施方案。与图3和11中参考数字相同的参考数字归于类似部件。图12中表示了可变电容62与63、npn晶体管641至671、恒流源68与69、集成电阻70至77、恒压源78、交流信号旁路电容79、此及集成电路脚80。具有高电阻值的电阻器74只让直流电压信号通过以作供应偏压之用。由于电阻74具有高电阻值，流过电阻器74的一交流信号若与经电容器79而流至可变电容器62的交流信号比较，其值大大地衰减，故可略去不计。来自误差放大电路7的自动调整控制信号是透过电阻74而接至可变电容62。参考数字81表示一差动放大器。差动放大器81构成二次正反馈式低通滤波器，并借可变电容器62与63接至电阻器72与73。本发明的效果可同样地以这实施方案获得。

图12的实施方案中，滤波电路构成一低通滤波器，另一方面，可以使用一高通滤波器或带通滤波器。这情况下，伪滤波电路以类似图12方式构成。而含有高通滤波器或带通滤波器的滤波电路中，可变电容器的电容值是由自动调整控制信号来改变，以修正滤波特性的偏差。

以上描述的实施方案中，输入信号具有固定频率。然而，一具有可变频率的输入信号亦可使用。

虽然本发明的个别实施方案已表示及描述过，可以明白的是，对于熟悉本工艺的人而言，在不离本发明更广泛的观点下，可作各种各样的变动与修正。

Claims (4)

1.一个包括含电阻器及电容器的滤波集成电路，包括：

一参考电平产生电路，以用来衰减一输入信号及产生一参考电平信号；

一伪滤波电路，以将所说输入信号滤波，而所说伪滤波电路含有作为滤波元件的一电阻及一可变电容；

一误差放大单元，以接收所说参考电平产生电路的输出信号及所说伪滤波电路的输出信号，比较两输出信号的信号电平，并根据所说信号电平差来产生一自动调整控制信号；

用来提供所说调整控制信号至所说伪滤波电路的装置，以改变所说可变电容的电容值，从而改变所说伪电路的滤波特性，以减低所说信号电平差，

其特征在于，

一含有电阻及可变电容的滤波电路，此等元件以较所说伪滤波电路的滤波元件为高的比率精确度而构成，而所说可变电容的电容值是以所说自动调整控制信号来改变，以改变所说滤波电路的滤波特性。

2.权利要求1所述的滤波集成电路，其特征在于所说误差单元包括：

一检波电路，以将所说参考电平产生电路的输出信号检波；

另一检波电路，用来将所说伪滤电路的输出信号检波；以及

一放大器，以接收所说检波电路的输出信号，放大该等输出信号的电平差，并产生所说自动调整控制信号；

3.权利要求1所述的滤波集成电路，其特征在于所说参考电平产生电路含有电阻器，所说伪滤波电路含有电阻器及可变电容器，以及所说滤波电路含有电阻器及可变电容器。

4.权利要求1所述的滤波集成电路，其特征在于所说参考电平产生电路，所说伪滤波电路及所说滤电路还分别包括有晶体管作为有源元件。

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