專利名稱：電壓電流轉(zhuǎn)換器、微分電路、積分電路、使用該轉(zhuǎn)換器的濾波器電路、及電壓電流轉(zhuǎn)換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在轉(zhuǎn)換增益方面具有有限沖擊響應(yīng)濾波器特性的電壓電流轉(zhuǎn)換技術(shù)。
背景技術(shù)：
近幾年，每種東西都裝配有無線電通信功能，并且對于可以通過單個單元來遵循 多個無線電通信標準的多模式收發(fā)信機的需求增加了。圖1示出了多模式接收機的配置示例。低噪聲放大器(LNA)對天線接收的高頻接 收信號進行放大。混頻器電路通過對具有與高頻接收信號相同頻率的本地振蕩器輸出和由 LNA放大后的高頻接收信號進行積分，對高頻信號進行下變頻。可變增益放大器(VGA)執(zhí)行 信號電平的調(diào)整。濾波器對期望信號頻帶外的干擾波進行大致地衰減。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 將通過濾波器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并在數(shù)字處理電路中執(zhí)行諸如解調(diào)之類的各種 信號處理。安裝在多模式收發(fā)信機中的濾波器的諸如通帶的寬度和次序的濾波器特性需要 能夠根據(jù)通信標準在較大范圍內(nèi)變化。因此，以開關(guān)電容濾波器為代表的離散時間處理濾波器作為多模式可變?yōu)V波器而 受到關(guān)注。由于離散時間處理濾波器的帶寬與采樣頻率成比例，所以通過控制采樣頻率，帶 寬很容易在較大的范圍內(nèi)變化。圖2所示的相關(guān)技術(shù)1通過對電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流進行采樣并將其積分到 一電容來獲得有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器特性或者無限沖擊響應(yīng)(IIR)濾波器特性，其被 作為離散時間處理濾波器的實施例(非專利文獻1)。另外，在圖3所示的相關(guān)技術(shù)2中，為了移除與期望信號相鄰的干擾波，更高階的 濾波器被配置，以獲取陡峭的截止特性(非專利文獻2)。另外，公開了一種技術(shù)，其中當從多個通道中的每個通道輸入的模擬電壓源的電 壓被轉(zhuǎn)換為數(shù)字值時，通過切換通道并且在具有采樣電容器的連續(xù)漸近型采樣保持電路中 連續(xù)且重復(fù)地執(zhí)行采樣，當連接至特定通道的模擬電壓源的電壓被采樣時，首先，采樣電容 器被以對應(yīng)于先前的轉(zhuǎn)換結(jié)果(其中連接至特定通道的模擬電壓源的電壓被轉(zhuǎn)換為數(shù)字 值)的模擬電壓充電，然后所述采樣電容器被以連接至前述特定通道的模擬電壓源的電壓 充電，從模擬電壓源流入A/D轉(zhuǎn)換器部分的電流被衰減，從而由于輸出阻抗導致的模擬電 壓源中的壓降被最小化(例如，參見專利文獻1)。專利文獻1 日本專利早期公開No. 2002-176358非專利文獻1:IEEE JSSC Vol. 39. No. 12，pp. 2278-2291，2004 年 12 月非專利文獻2: IEEE JSSC Vol. 35. No. 2，pp. 212-220，2000 年 2 月

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將要解決的問題
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然而，上述相關(guān)技術(shù)具有這樣的問題當更高階的濾波器被配置以獲取陡峭的截 止特性時，使用的電容性元件的數(shù)目增加并且面積變大。因此作出本發(fā)明用于解決上述問題，并且本發(fā)明的一個目的在于提供一種能夠以 小面積實現(xiàn)具有陡峭的截止特性的可變?yōu)V波器的電壓電流轉(zhuǎn)換器、微分電路、積分電路、使 用該轉(zhuǎn)換器的濾波器電路、以及電壓電流轉(zhuǎn)換方法。解決問題的手段為了實現(xiàn)該目的，本發(fā)明具有以下特征根據(jù)本發(fā)明的電壓電流轉(zhuǎn)換器是用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流并輸出該電流的電 壓電流轉(zhuǎn)換器，包括一個或多個采樣和保持單元，每個采樣和保持單元具有對輸入電壓進 行采樣和保持的功能；一個或多個單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元，每個單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元輸 出與由所述采樣和保持單元采樣和保持的電壓相對應(yīng)的電流；以及控制單元，該控制單元 控制采樣和保持單元對輸入電壓進行采樣和保持的時序。該電壓電流轉(zhuǎn)換器的特征在于 從單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元輸出的電流的部分或全部被疊加在一起，并且疊加后的電流被輸 出ο另外，根據(jù)本發(fā)明的微分電路的特征在于包括一個或多個電壓電流轉(zhuǎn)換器。另外， 根據(jù)本發(fā)明的積分電路的特征在于包括一個或多個電壓電流轉(zhuǎn)換器。另外，根據(jù)本發(fā)明的 濾波器電路的特征在于包括一個或多個電壓電流轉(zhuǎn)換器。另外，根據(jù)本發(fā)明的電壓電流轉(zhuǎn)換方法的特征在于包括對輸入電壓進行采樣和 保持的步驟；以及當輸出對應(yīng)于所采樣和保持的電壓的電流時疊加所輸出電流的部分或者 全部并輸出疊加后的電流，以針對轉(zhuǎn)換增益的頻率特性表現(xiàn)出有限沖擊響應(yīng)濾波器特性或 無限沖擊響應(yīng)濾波器特性的步驟。本發(fā)明的有益效果根據(jù)本發(fā)明，可以實現(xiàn)小面積的具有陡峭的截止特性的可變?yōu)V波器。


圖1是示出用于多模式的一般接收機的配置的示圖。圖2是示出相關(guān)技術(shù)1的電路圖。圖3是示出相關(guān)技術(shù)2的電路圖。圖4是示出本發(fā)明的第一實施例的電路圖。圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的時鐘信號的時序的示圖。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的頻率特性的示圖。圖7是示出本發(fā)明的第一實施例的電路圖。圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的控制單元的示圖。 圖9是示出本發(fā)明的第二實施例的電路圖。圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的時鐘信號的時序的示圖。圖11是示出本發(fā)明的第三實施例的電路圖。圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的時鐘信號的時序的示圖。圖13是示出本發(fā)明的第四實施例的電路圖。
圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的時鐘信號的時序的示圖。
圖15是示出本發(fā)明的第五實施例的電路圖。圖16是示出本發(fā)明的第六實施例的電路圖。圖17是示出本發(fā)明的第七實施例的電路圖。圖18是示出本發(fā)明的第八實施例的電路圖。
具體實施例方式下面，參考附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例。圖4是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的配置的示圖。電壓電流轉(zhuǎn)換器包括輸入端11、輸出端12、N個單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元131至 13N(其中，N是大于等于2的整數(shù)，它們的轉(zhuǎn)換增益分別為GmOl至GmON)、N個串聯(lián)連接在 電壓電流轉(zhuǎn)換輸入端11和單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元的各輸入端之間的N個開關(guān)器件141至 14N、連接在單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元131至13N輸入端和固定電勢之間的N個電容器151至 15N、以及控制開關(guān)器件141至14N的開關(guān)的控制單元16。單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元131至 13N的輸出端全部被連接至電壓電流轉(zhuǎn)換輸出端12。開關(guān)器件141至14N或者電容器151 至15N是采樣保持單元的示例。開關(guān)器件141至14N中的每一個在控制時鐘信號代表1時處于閉合(接通)狀態(tài)， 并且在控制時鐘信號代表0時處于斷開(關(guān)斷)狀態(tài)。控制單元16生成圖5中所示的具有N個相位CLKBl至CLKBN的控制時鐘信號，并 且分別控制開關(guān)器件141至14N的開關(guān)。CLKBl至CLKBN中的每一個不同時取1，并且是時 鐘信號，其中上升和下降時序是錯開的。作為獲取CLKBl至CLKBN的方法，存在內(nèi)部生成的 方法以及從外部供應(yīng)的多個時鐘信號中選擇的方法。下面將描述電壓電流轉(zhuǎn)換器的操作。首先，當CLKBl取1時，開關(guān)器件141變?yōu)殚] 合狀態(tài)，并且與輸入電壓Vin成比例的電荷被積累在電容器151中。即使在CLKBl變?yōu)殛P(guān) 斷之后，由于在開關(guān)器件141轉(zhuǎn)向斷開狀態(tài)時刻的電荷被保持在電容器151中，所以單獨電 壓電流轉(zhuǎn)換單元131的輸入裝置的電壓在Vin處保持恒定。所以，在CLKBl下一次取1之 前，從單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元輸出的電流在GmOl*Vin/N處保持恒定。單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單 元132至13N、開關(guān)器件142至14N、以及電容器152至15N分別以不同的時序執(zhí)行與以上 所述操作類似的操作。因此，電壓電流轉(zhuǎn)換單元在采樣周期Tsample = l/(N*fCLK)中執(zhí)行一個采樣。例 如，當CLKBl為1時，單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元132保持對應(yīng)于時間間隔Tsample前的輸入電 壓的電壓，并且單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元13N保持對應(yīng)于時間間隔(N-I)Tsample前的輸入電 壓的電壓。通過分別連接所有的輸出端，將單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元131至13N的輸出電流 疊加在一起，并將它們從電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出端12輸出。然后，電壓電流轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換增 益GmFIR由以下等式(1)表示。[等式1]Gmpm = (1 + z-1+z-2+...+z-(N-1))Gm0/n這里，z-1 = exp H2 π fTsample)，其指示一個采樣的延遲。另外，我們假設(shè)GmOl =Gm02 =…GnON = GmO/4。等式(1)意味著電壓電流轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換增益的頻率特性是移動平均濾波器(其是FIR濾波器的實施例)。移動平均濾波器頻率特性在圖6中示出，其中N = 4，fCLK = 250MHz。第η階移動平 均濾波器在帶寬小于或等于N*fCLK的區(qū)域中具有(N-I)個零點，并且零點頻率由k*fCLK(k 是任意整數(shù))表示。另外，N*fCLK的附近是通帶。所以，在簡單濾波器(諸如RC濾波器) 的幫助下對N*fCLK周圍的噪聲進行衰減，利用大量零點的有效濾波被執(zhí)行。另外，盡管單 獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元131至13N的轉(zhuǎn)換增益在這里被設(shè)置為GmO/N，但是它們不必為相同的 值。另外，它們可以為正值或負值。圖4中的N = 4時的電路示例在圖7中示出。單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元131至134 可以由CMOS反相器實現(xiàn)，并且開關(guān)器件141至144可以由CMOS傳輸門實現(xiàn)。另外，由于電 容器151至154可以由寄生于單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元和開關(guān)器件的電容器代替，所以沒有 必要明確地添加電容元件。結(jié)果，電壓電流轉(zhuǎn)換器僅由有源元件組成，并且相比于利用開關(guān) 電容器的FIR濾波器，它變成了小面積。期望CLKBl至CLKBN中的導通時間大約7倍于由開關(guān)器件141至14N的導通電阻 和電容器151至15N的電容值確定的時間常數(shù)。如果短于此，則對于電容器151至15N的 充電不充分，從而波形變差。另一方面，如果長于此，則包括在輸出電流波形中的連續(xù)時間 信號的比例增加，從而不能獲得零點處的充分的衰減特性。另外，當輸入信號是預(yù)先采樣的 離散時間信號時，其可能等于或大于該時間常數(shù)的7倍。當作為CMOS工藝的90nm CMOS工藝被使用時，具有大約數(shù)百ps的導通時間以及 大約數(shù)百MHz的頻率的CLKBl至CLKBN可以利用相對于濾波器電路較低的功耗生成。導通 電阻和電容值分別大約數(shù)百歐姆和數(shù)百fF就足夠了，并且其可以簡單地由簡單CMOS反相 器或傳輸門配置。另一方面，為了通過相對較慢的RC濾波器來充分衰減N*fCLK周圍的噪聲，N*fCLK 需要具有比信號帶寬高大約100倍的頻率。從以上所述可以看出，在90nm CMOS工藝的情況下，期望信號帶寬等于或小于數(shù)十 MHz, fCLK等于或小于數(shù)百MHz，并且N等于或大于3。這是因為，對于N = 2，使用FIR濾波 器的周期性零點的優(yōu)勢比較小。一般，期望fCLK為后級(例如ADC)的采樣頻率的整數(shù)倍。 這是因為，通過FIR濾波器具有的零點，可以在ADC中的采樣上充分衰減折疊在信號帶寬中 的噪聲。另外，由于隨著CMOS的進一步精細化，可以以相同的精度或消耗電流生成更高頻 率的CLKBl至CLKBN，所以本實施例可以被應(yīng)用于更大帶寬中的信號?，F(xiàn)在，在圖8中示出了控制單元16的配置示例。設(shè)置了 32相時鐘振蕩器、窄脈沖 發(fā)生器、脈沖抽取濾波器、以及矩陣切換器。在根據(jù)本實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器中，每個采樣保持單元以不同的時序?qū)斎腚?壓進行采樣和保持，并且每個單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元輸出對應(yīng)于其的電流。通過疊加單獨 電壓電流轉(zhuǎn)換單元的輸出電流的一個部分或所有部分并輸出，電壓電流轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換增益 的頻率特性具有FIR濾波器特性。通過使用單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元的輸入電容或者配線或 開關(guān)器件的對地電容，采樣保持單元可以僅由有源元件構(gòu)成。由于控制單元可以僅由邏輯 電路構(gòu)成，所以面積足夠小。所以，由于使用電壓電流轉(zhuǎn)換器的濾波器電路不是必需電容， 所以即使被做成高階以獲得陡峭的截止特性，面積也小。另外，濾波器的帶寬與采樣頻率成 比例，并且可以通過控制采樣頻率而被容易地改變。根據(jù)以上所述，可以得到實現(xiàn)具有小面
7積和陡峭的截止特性的可變?yōu)V波器的效果。[本發(fā)明的其他實施例]圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的配置的示圖。根據(jù)本發(fā) 明的電壓電流轉(zhuǎn)換器相對于第一實施例具有以下特征包括單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元1311、 1312、1321、以及1322以及分別串聯(lián)連接在單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元的輸出端和端子17之間 的開關(guān)器件1811、1812、1821、以及1822。另外，1311和1321的電壓電流轉(zhuǎn)換增益為GmO， 并且1312和1322的電壓電流轉(zhuǎn)換增益為-GmO。除了圖5的CLKBl和CLKB2之外，控制單元16還生成圖10所示的二相時鐘信號 CLKCl和CLKC2，并且控制開關(guān)器件1811、1812、1821、以及1822的開關(guān)。CLKCl和CLKC2是 不同時取1的時鐘信號，并且分別與CLKBl和CLKB2同時上升。作為獲取CLKCl和CLKC2 的方法，存在內(nèi)部生成方法和從外部供應(yīng)的多個時鐘信號中選擇的方法。在根據(jù)本實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換單元中，進行控制從而使得對于輸入信號Vin具 有轉(zhuǎn)換增益GmO的單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元(1311或1321)的輸出端和對于一個采樣之前的 輸入信號z-lVin具有轉(zhuǎn)換增益-GmO的單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元(1312或1322)的輸出端被 連接至電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出端12。例如，在圖9中，當CLKCl為1時，單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單 元1311和1312的輸入電壓為Vin，并且1321和1322的輸入電壓為z_lVin。然后，具有轉(zhuǎn) 換增益GmO的1311和具有轉(zhuǎn)換增益-GmO的1322的輸出端被連接至電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出 端12。因此，來自1311的輸出電流GmOVin和來自1322的輸出電流-Z-IGmOVin的總和是 本實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流。另一方面，當CLKC2為1時，單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單 元1321和1312的輸出端被連接至電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出端12。結(jié)果，等式(2)所示的根據(jù) 本實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換增益GmFIRlO是包括(1-Z-1)的等式，其代表離散時間 信號處理中的微分。[等式2]GmFIE10 = Cm0(l-z_1)圖11是示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的配置的示圖。本實施例 的電壓電流轉(zhuǎn)換器相對于第一實施例具有以下特征具有單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元1311至 131NU321至132N、···以及13附至13NN、以及分別串聯(lián)連接在單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元的輸 出端和端子17之間的開關(guān)器件1811至181N、1821至182N、…以及18附至18NN。然而， 1311、1321、...13N1 的轉(zhuǎn)換增益為 Gml，1312、1322、... 13N2 的轉(zhuǎn)換增益為 Gm2，并且 131N、 132N、…13NN的轉(zhuǎn)換增益為GmN。另外，在圖11中，為了避免附圖復(fù)雜，假設(shè)N = 4。除了圖5的GLKBl至GLKBN之外，控制單元16還生成圖12中所示的N階時鐘信 號CLKCl至CLKCN，并且控制開關(guān)器件1811至181N、1821至182N、…以及18附至18NN的 開關(guān)。CLKCl至CLKCN是不同時取1的時鐘信號，并且分別與CLKBl至CLKBN同時上升。作 為獲取CLKCl至CLKCN的方法，存在內(nèi)部生成的方法和從外部供應(yīng)的多個時鐘信號中選擇 的方法。在根據(jù)本實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器中，進行控制從而使得對于m個采樣之前的輸 入信號z-mVin (m是從O至N的任意整數(shù))，具有轉(zhuǎn)換增益Gmm+1的單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元 的輸出端被連接至電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出端12。例如，在圖11中，當CLKCl為1時，單獨電壓 電流轉(zhuǎn)換器1311至1314、1321至1324、1331至1334、以及1341至1344的輸入電壓分別為Vin、Z-lVin、Z-2Vin、以及z-3Vin。然后，具有轉(zhuǎn)換增益Gml的1311、具有轉(zhuǎn)換增益Gm2的 1322、具有轉(zhuǎn)換增益Gm3的1333、以及具有轉(zhuǎn)換增益Gm4的1344的輸出端被連接至電壓電 流轉(zhuǎn)換器輸出端12。因此，來自1311的輸出電流GmlVin、來自1322的輸出電流z_lGm2Vin、 來自1333的輸出電流z-2Gm3Vin、以及來自1344的輸出電流z_3Gm4Vin的總和是電壓電 流轉(zhuǎn)換器的輸出電流。另一方面，當CLKC2為1時，由于單獨電壓電流轉(zhuǎn)換器1321、1332、 1343、以及1314的輸出端被連接至電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出端12，所以來自每個單獨電壓電流 轉(zhuǎn)換單元的輸出電流中的系數(shù)z-m不變。結(jié)果，根據(jù)本實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換增 益GmFIR2是等式(3)表示的一般FIR濾波器的傳遞函數(shù)。[等式3] 除了 fCLK的整數(shù)倍位置外，根據(jù)本實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器可以通過選擇系數(shù) 來排列零點。另外，每個單獨電壓電流轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換增益Gml至GmN的符號可以為正或負。 并不要求所有的單獨電壓電流轉(zhuǎn)換器1311至131N、1321至132N、…以及13附至13NN都 一直工作。例如，單獨電壓電流轉(zhuǎn)換器1311可以僅在CLKl為導通期間工作。另外，也不總 需要并置N乘N個單獨電壓電流轉(zhuǎn)換器。例如，當集中在單獨電壓電流轉(zhuǎn)換器1311和1312 上時，只要Gml =Gm2，就可以合并為一個單獨電壓電流轉(zhuǎn)換器。另外，即使在Gml不等于 Gm2時，也可以通過組合具有較小轉(zhuǎn)換增益的單獨電壓電流轉(zhuǎn)換器和具有其差值的轉(zhuǎn)換增 益的單獨電壓電流轉(zhuǎn)換器進行配置。圖13是示出根據(jù)本發(fā)明第四實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的配置的示圖。根據(jù)本實 施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器具有以下特征添加連接在第一實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換增 益GmFIR3)輸出端17和本實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出端12之間的開關(guān)器件191、連接在 端子17和固定電勢之間的開關(guān)器件192、以及控制開關(guān)器件191和開關(guān)器件192的開關(guān)的 增益控制單元20。另外，開關(guān)器件191、開關(guān)器件192、以及增益控制單元20是電流提取單 元的示例。并且，第三實施例可以代替第一實施例被應(yīng)用。增益控制單元20生成圖14中所示的增益控制時鐘信號CLKA及其反相信號CLKA_ INV,它們分別控制開關(guān)器件191和開關(guān)器件192。CLKA是以恒定周期重復(fù)0和1的矩形波， 并且開關(guān)器件191的開關(guān)比為CLKA的導通時間比。在增益控制單元20中，作為獲取具有 期望的導通時間比的CLKA的方法，存在內(nèi)部生成的方法和從外部供應(yīng)的多個時鐘信號中 選擇的方法。將利用圖13和圖14描述根據(jù)本實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的工作原理。根據(jù) 與第一實施例相同的操作，輸入到輸入端11的電壓Vin被轉(zhuǎn)換為流入端子17的電流 GmFIR3*Vin。當開關(guān)器件191處于閉合狀態(tài)時，流入端子17的電流被從輸出端12直接輸 出，并變?yōu)楦鶕?jù)本實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出電流。另一方面，當開關(guān)器件191轉(zhuǎn)到斷開 狀態(tài)時，端子17和輸出端12被分離，并且流入端子17的電流經(jīng)由開關(guān)器件192流入固定 電勢。然后，根據(jù)本實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出電流變?yōu)?。在上述操作中，當根據(jù)本實施例的轉(zhuǎn)換器輸出電流被時間平均時，有效的電壓電 流轉(zhuǎn)換增益Gmeff由以下等式(4)表示。[等式4] 這里，在等式(3)中，TCLKA是CLKA的周期，并且TONA是CLKA的導通時間。等式 (3)意味著本實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的有效轉(zhuǎn)換增益Gmeff由開關(guān)器件191的導通時間 比(TINA與TCLKA的比)，即開關(guān)比確定。這里，開關(guān)比可以通過利用精細的CMOS工藝高度 精確地控制，并且其可以在較大范圍內(nèi)變化而不導致性能劣化，即使在低電壓的情況下。另 外，由于開關(guān)器件191、開關(guān)器件192、以及增益控制單元20可由精細的CMOS構(gòu)成，所以面 積上幾乎沒有增加。結(jié)果，即使在低電壓的情況下，轉(zhuǎn)換增益也可以在較大范圍內(nèi)變化而不 會增加面積。根據(jù)本實施例的電流提取單元以頻率fCLKA = 1/TCLKA執(zhí)行采樣處理。然后，在 電流提取單元中進行采樣之前，必須預(yù)先衰減具有等于或大于fCLKA的頻率的干擾波。然 后，通過使fCLKA與電壓電流轉(zhuǎn)換器具有的FIR濾波器的零點相符，干擾波可以被有效移 除。例如，在圖14中假設(shè)fCLKA = fCLK。圖15是示出根據(jù)本發(fā)明第五實施例的濾波器電路的配置的示圖。本實施例包括 圖4、圖9、圖11、或圖13中的電壓電流轉(zhuǎn)換器211和212。其濾波器電路的傳遞函數(shù)可以 由等式(5)表示。[等式δ] Gmpmi Gmi. + Z-lGmij +■·· + z'(N~1)Gmd 然而，等式(5)中的GmFIR4和GmFIR5分別是電壓電流轉(zhuǎn)換器211和212的轉(zhuǎn)換 增益，并且Gm41至Gm4N、Gm51至Gm5N是構(gòu)成電壓電流轉(zhuǎn)換器211和212的單獨電壓電流 轉(zhuǎn)換單元的轉(zhuǎn)換增益。由于等式(5)是一般IIR濾波器的傳遞函數(shù)，并且該濾波器的帶寬 與采樣頻率成比例，所以帶寬可以在非常大的范圍內(nèi)變化。另外，由于其因沒有使用電容元 件而位于小面積內(nèi)，所以可以通過增加并置的單獨電壓電流轉(zhuǎn)換器的數(shù)目來抬升濾波器階 數(shù)，然后可以在小面積中配置具有陡峭的截止特性的濾波器電路。
表不。
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特別地，當GmFIR5由圖9中所示的電壓電流轉(zhuǎn)換器配置時，傳遞函數(shù)由等式(6) [等式6]
H{z) = Gm4l+Z-lGm42+-- + Z-^Gm4n Gw51 (1-ζ-1)
然而，使Gm52 =-Gm51。等式(6)示出濾波器電路的傳遞函數(shù)包括l/(l_z-l)， 其表示離散時間信號處理中的積分。當采樣頻率Ι/Tsample相對于信號頻率f足夠大 時，考慮到(1-z-l)可以被近似為j2JifTsample，所以電壓電流轉(zhuǎn)換器212有效地充當 Gm51Tsample的電容。結(jié)果，在根據(jù)相關(guān)濾波器配置方法設(shè)計的濾波器中，通過用當前積分 器代替使用電容的積分器，本發(fā)明可以很容易地被應(yīng)用。 另外，通過進一步將電流鏡電路插入轉(zhuǎn)換器輸出端，可以很容易地實現(xiàn)具有相反 符號的電壓電流轉(zhuǎn)換增益?；蛘?，在完全差分類型的情況下，可以通過交換正相位和負相位 的輸入/輸出連接實現(xiàn)。另外，可以結(jié)合圖4、圖9、圖11、和圖13的電壓電流轉(zhuǎn)換器以及具
10有平坦頻率特性的一般電壓電流轉(zhuǎn)換器中的多種。例如，通過在輸入側(cè)使用圖4或圖11中 的電壓電流轉(zhuǎn)換器，在輸出側(cè)使用圖13的電壓電流轉(zhuǎn)換器，并且使輸入側(cè)的FIR濾波器的 零點頻率與圖13的電流提取單元處的采樣頻率相符，可以衰減電流提取單元的采樣操作 中的折疊噪聲。圖16是示出根據(jù)本發(fā)明第六實施例的濾波器電路的配置的示圖。本實施例包括 圖4、圖9、圖11、或圖13中的電壓電流轉(zhuǎn)換器213和214、以及電容221。其濾波器電路的 傳遞函數(shù)由等式(7)表示。[等式7] 然而，等式(7)中的GmFIR6和GmFIR7分別是電壓電流轉(zhuǎn)換器213和214的轉(zhuǎn)換 增益，并且Gm61至Gm6N和Gm71至Gm7N是構(gòu)成電壓電流轉(zhuǎn)換器213和214的單獨電壓電 流轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換增益。Cl示出了電容221的電容值。一般，圖6中所示的僅由ζ函數(shù)表示的FIR/IIR濾波器的頻率增益關(guān)于Nyquist 頻率(其是采樣頻率的一半)對稱，并且在等于或大于采樣頻率的帶寬上，等于或小于采樣 頻率的頻率特性被重復(fù)。因此，在等于或大于采樣頻率的頻率帶寬中，也存在很多通帶。根據(jù)本實施例的濾波器電路，通過添加電容元件，并且通過具有與包括電壓電流 轉(zhuǎn)換器和電容的一般Gm-C濾波器相同的濾波器配置，連續(xù)時間濾波器的頻率特性被疊加 在傳遞函數(shù)上。結(jié)果，不必要的通帶可被消除。這意味著在電壓電流轉(zhuǎn)換器214處的采樣 上，折疊在通帶中的噪聲被衰減。特別地，傳遞函數(shù)(其中GmFIR7是利用圖9中所示的電壓電流轉(zhuǎn)換器配置的)由 等式⑶表示。[等式8] 然而，使Gm72 = Gm71。當采樣頻率Ι/Tsample相對于信號頻率f足夠大時，等式 ⑶中的近似變?yōu)檎?。然后，電?21和電壓電流轉(zhuǎn)換器214有效地充當(Cl+Gm51TSample) 的電容。這樣，通過結(jié)合連續(xù)時間狀電容(continuous time like capacity) 221和離散時 間狀電容(discrete time like capacity) 214，可以限制電路的面積，并衰減折疊噪聲。然而，在根據(jù)本實施例的濾波器電路中，濾波器的帶寬不僅與采樣頻率成比例，而 且與轉(zhuǎn)換增益和電容之比Gm/C成比例。所以，當具有可變帶寬時，必須一起對轉(zhuǎn)換增益或 電容值和采樣頻率進行控制。例如，在采樣頻率被減半以將帶寬減半的情況下，轉(zhuǎn)換增益也 減半。然后，當圖13中的轉(zhuǎn)換器被使用時，通過根據(jù)采樣頻率改變CLKA的導通時間比，轉(zhuǎn) 換增益可以很容易地被改變，并且存在面積不會增大的優(yōu)點。濾波器電路也可以被應(yīng)用于具有第二階或更高階的一般Gm-C濾波器的配置。所
以，當配置更陡峭的濾波器時，可以具有兩種方法提升設(shè)置在電壓電流轉(zhuǎn)換器中的FIR濾 波器的階數(shù)、以及提升Gm-C濾波器的階數(shù)。一般，當提升Gm-C濾波器的階數(shù)時，由于電容 器數(shù)目的增加，所以面積也會增大，但是通過結(jié)合這兩種方法，可以以小面積配置更高階的 濾波器。另外，在根據(jù)本實施例的濾波器電路中，并不總是所有的電壓電流轉(zhuǎn)換器都必須 具有FIR濾波器特性。例如，當不具有FIR濾波器特性的用于連續(xù)時間處理的轉(zhuǎn)換器被用 作根據(jù)本實施例的濾波器電路的輸入側(cè)上的轉(zhuǎn)換器213，并且圖4中所示的電壓電流轉(zhuǎn)換 器被用作輸出側(cè)的轉(zhuǎn)換器214時，可以利用由電壓電流轉(zhuǎn)換器213和電容221形成的連續(xù) 時間處理濾波器來衰減N/fCLK附近的噪聲，并且將被插入前級的濾波器變得不必要。圖17是示出根據(jù)本發(fā)明第七實施例的濾波器電路的配置的示圖。本實施例包括 圖4、圖11、或圖13中的電壓電流轉(zhuǎn)換器215至216、電容222、以及運算放大器30。濾波器 電路的傳遞函數(shù)由等式(9)表示。[等式9] 然而，等式(9)中的GmFIR5和GmFIR6分別代表電壓電流轉(zhuǎn)換器215至216的轉(zhuǎn) 換增益，并且C2代表電容22 二的電容值。在本實施例中，由于電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出端被 連接至運算放大器30的虛擬地點(virtual ground point)，所以根據(jù)下面描述的兩個原 因，可以配置具有完美線性的濾波器。第一個原因是每個單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元的輸出級 不需要處理大信號。第二個原因是當電壓電流轉(zhuǎn)換器(尤其是第四實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換 器)被使用時，由于被用作開關(guān)器件的CMOS傳輸門的導通電阻取決于柵極和源極之間的電 壓而導致的失真并不會發(fā)生。另外，并不總需要使用電容222。圖18是示出根據(jù)本發(fā)明第八實施例的配置的示圖。一般，當Gm-C濾波器電路被 如圖18 (a)中所示配置時，其中的電容24被連接在電壓電流轉(zhuǎn)換器23的輸入端25和輸出 端26之間(轉(zhuǎn)換增益GmlO)的電路可以被使用。通過將這個電路結(jié)合到濾波器中，配置 具有任意傳遞函數(shù)的濾波器(諸如，帶通濾波器)成為可能。圖18(a)的傳遞函數(shù)由等式 (10)表示。[等式10] 如果根據(jù)第一至第四實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器被用作電壓電流轉(zhuǎn)換器23，則當電 容24被直接連接至輸入端25時，連續(xù)時間信號經(jīng)由電容24被混合進后級的FIR濾波器， 從而不能得到足夠量的衰減。為了對經(jīng)由電容24的信號也執(zhí)行FIR濾波，如圖18(b)中所 示，單獨電壓電流轉(zhuǎn)換器231至23N(轉(zhuǎn)換增益分別為GmlOl至GmlON，并且Gml01+Gml02+… +GmlON = Gm5N)的輸入端僅需要被分別連接至電容241至24N(電容值分別為C31至C3N， 并且C31+C32+…+C3N = C3)，并且單獨電壓電流轉(zhuǎn)換器231至23N的輸出端和電容241至 24N的另一端僅需要被連接至輸出端26。于是，圖18(b)的傳遞函數(shù)由等式(11)表示。
[等式 11] 等式(11)意味著FIR濾波也可以對經(jīng)由電容24的信號執(zhí)行。另外，在圖12中示 出了根據(jù)第一實施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的情況。另外，單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元231至23N 的所有轉(zhuǎn)換增益不必是相同的值，并且電容241至24N的電容值不必是相同的值。另外，上述實施例中的每一個都是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并且在不脫離本發(fā) 明的范圍的條件下可以作出各種改變和修改。另外，本申請基于并要求于2008年1月28日遞交的日本專利申請 No. 2008-016264和于2008年7月8日遞交的日本專利申請No. 2008-177997的優(yōu)先權(quán)，其 公開的內(nèi)容通過參考被全部結(jié)合于此。工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明例如可以被應(yīng)用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流并輸出的電壓電流轉(zhuǎn)換器。
1權(quán)利要求
一種用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流并輸出電流的電壓電流轉(zhuǎn)換器，包括一個或多個采樣和保持單元，每個采樣和保持單元具有采樣和保持所述輸入電壓的功能；一個或多個單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元，每個單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元輸出對應(yīng)于由所述采樣和保持單元采樣和保持的所述電壓的電流；以及控制單元，該控制單元控制所述采樣和保持單元對所述輸入電壓進行采樣和保持的時序，其特征在于，通過疊加由所述單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元輸出的電流的部分或全部并輸出疊加后的電流，所述電壓電流轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換增益的頻率特性表現(xiàn)出有限沖擊響應(yīng)濾波器特性或無限沖擊響應(yīng)濾波器特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓電流轉(zhuǎn)換器，其特征在于， 所述采樣和保持單元包括開關(guān)器件和電容，其中所述電容是配線或所述開關(guān)器件的對地電容、或者后級單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元的輸入 電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓電流轉(zhuǎn)換器，其特征在于， 所述采樣和保持單元中的每一個以相等的時間間隔對所述輸入電壓進行采樣和保持， 所述單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元的所有轉(zhuǎn)換增益具有相等的轉(zhuǎn)換增益，并且 通過疊加由所述單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元輸出的所述電流的部分或全部，所述電壓電流 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換增益的頻率特性具有移動平均濾波器特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓電流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，還包括電流提取單元，該電流提取單元間歇地提取從所述單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元的輸出端流 出的電流，并輸出所提取的電流，并且其特征在于電壓電流轉(zhuǎn)換的有效增益由所述電流提取單元的間歇操作比控制。
5.一種微分電路，其特征在于包括根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的一個或多個電壓電流轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微分電路，其特征在于， 電容裝置被連接至所述電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出端。
7.一種積分電路，其特征在于包括根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的一個或多個電壓電流轉(zhuǎn)換器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的積分電路，其特征在于， 電容裝置被連接至所述電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出端。
9.一種濾波器電路，其特征在于包括根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的一個或多個電壓電流轉(zhuǎn)換器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的濾波器電路，其特征在于， 電容裝置被連接至所述電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出端。
11.一種電壓電流轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，包括 對輸入電壓進行采樣和保持；以及當輸出對應(yīng)于所采樣和保持的電壓的電流時，疊加所輸出的電流的部分或全部并輸出疊加后的電流，以表現(xiàn)出對于轉(zhuǎn)換增益的頻率特性的有限沖擊響應(yīng)濾波器特性或者無限沖 擊響應(yīng)濾波器特性。
全文摘要
可以提供一種能夠以小面積實現(xiàn)具有陡峭的截止特性的可變?yōu)V波器的電壓電流轉(zhuǎn)換器。該電壓電流轉(zhuǎn)換器包括一個或多個采樣/保持單元，用于對輸入電壓進行采樣并保持采樣的電壓；一個或多個單獨電壓電流轉(zhuǎn)換單元，用于輸出對應(yīng)于由采樣/保持單元保持的電壓的電流；以及控制單元，用于控制采樣/保持單元對輸入電壓的保持和采樣的時序。
文檔編號H03H11/04GK101926091SQ20098010338
公開日2010年12月22日 申請日期2009年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月28日
發(fā)明者狐塚正樹 申請人:日本電氣株式會社