高精度電阻電容校準電路的制作方法
【專利摘要】在RC校準電路中，單一參考電流用來生成電阻元件兩端的電壓和電容元件兩端的電壓。所述電阻元件和所述電容元件中的一個元件的分量值依次改變直至電壓基本上相等。另外，在比較之前，電路中的寄生電容預(yù)充電到電阻元件電壓。RC校準電路消除現(xiàn)有技術(shù)校準電路中由電流匹配和寄生電容所引起的誤差。該電路包括比較器和數(shù)字控制電路（DCW），該DCW包括逐次逼近型寄存器（SAR），該SAR保存用于控制可調(diào)電阻元件或者可調(diào)電容元件的分量值的數(shù)字控制字的值。響應(yīng)于比較器輸出，該SAR通過迭代的逐位二進制搜索模式改變DCW。
【專利說明】高精度電阻電容校準電路
[0001]優(yōu)先權(quán)聲明
[0002]本申請要求2011年8月4日向美國專利局提交的標題為“高精度電阻電容(RC)校對電路”的第61/515，181號美國申請的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容以全文引用的方式被并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總體涉及電子電路，尤其是涉及改進的RC校準電路。
【背景技術(shù)】
[0004]在現(xiàn)代IC設(shè)計中，尤其是在便攜式無線收發(fā)器領(lǐng)域中，具有最少外部部件的高度集成對于減少成本是必須的。在沒有昂貴的微調(diào)過程的當前半導(dǎo)體加工中，未加工的無源電阻(R)和電容(C)設(shè)備的分量值可以在大范圍內(nèi)變化。溫度變化也可以引起芯片上的RC值改變。該寬RC變化使連續(xù)時間RC濾波器的設(shè)計具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)折頻率。一個已知的解決方案是在芯片內(nèi)嵌入自動校準機構(gòu)以維持RC產(chǎn)品恒定。
[0005]圖1描述了常規(guī)RC校準電路10的功能電路圖，RC校準電路10的用途是校準其他電路例如輔濾波器28的R值或者C值。例如，輔濾波器28可以用在頻率-轉(zhuǎn)換混頻器等設(shè)備中。通過校準相應(yīng)的電阻器Rkef或者電容器C。的值，以及將輔濾波器28中的R元件或C元件設(shè)置成相同的值(圖1描述C。的調(diào)節(jié))，電路10實現(xiàn)該功能。電流鏡12形成分別提供電流I.和Ikef2到電阻Rkef和電容C。的兩個電流源，以產(chǎn)生Vk和V。。在電阻器支路中，恒定電流流入電阻器Rkef以生成VK=IKEF1*RKEF。在電容器支路中，對于固定的時段TTAK，電流將積累到電容器C。上。如果電容·C。的初始電壓等于0，則在電流積累的最后，Vc=Ieef2^Ttae/Cc。Ttak是通常通過晶體振蕩器(圖中沒有示出)生成的目標時間常數(shù)，該晶體振蕩器可以有高精度，且頻率誤差遠低于1%。
[0006]比較器14和逐次逼近型寄存器SAR16是數(shù)字校準電路10使用二進制搜索算法來最小化差值Vkc=Vk-Vc的基礎(chǔ)。搜索過程通過適當調(diào)節(jié)R值或者C值最小化在比較器14的輸入端處的VK。在搜索過程的最后,VK=V。或者等價地，Ikefi=KRkef=Ikef2=KTtakA^如果Ieefi=Ieef2,則可以取消參考電流并且實現(xiàn)適當?shù)男蔜tak=Rkef*Cc。通過SAR16輸出的最后的數(shù)字控制字(DCW)代碼被分配到輔濾波器18。通過定期地重新校準電路10且調(diào)節(jié)輔濾波器18中的R值或者C值，濾波器18被調(diào)節(jié)至具有與加工和溫度變化無關(guān)的時間常數(shù)。
[0007]常規(guī)的RC校準電路10 (例如，圖1的RC校準電路10)的一個問題是，其要求ΙΚΕη適配于IKEF2。在Ikefi與Ikef2之間的任何不匹配將造成RC時間常數(shù)校準誤差。為了改善電流源匹配性能，電流源設(shè)備尺寸必須增大。增大設(shè)備尺寸帶來的問題是與電流源輸出節(jié)點關(guān)聯(lián)的寄生電容Cpm將隨著設(shè)備尺寸的增大而增大。添加到電流源輸出節(jié)點的任何額外的電容將會導(dǎo)致RC時間常數(shù)校準誤差，這是因為電流源釋放的電荷將由(^和Cpm共享。因此，即使電路布局尺寸不受限制，常規(guī)的RC時間常數(shù)校準電路10(例如，圖1所示的RC校準電路10)也不能被優(yōu)化以實現(xiàn)高校準精度，。[0008]常規(guī)RC校準電路10的另一個問題是在電流源晶體管和C。之間的支路中存在的任何寄生電容(例如，來自比較器輸入端的寄生電容Cp)將導(dǎo)致校準誤差，這是由于來自電流源的總電荷被C。和寄生電容共享。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)本文中描述和要求保護的一個或者多個實施方式，電流引導(dǎo)結(jié)構(gòu)消除了電流源匹配需求。與常規(guī)RC校準電路相比較，本發(fā)明的實施方式從相同的參考電流生成Vk和\。因此，通過該結(jié)構(gòu)保證了電流匹配性能。
[0010]本發(fā)明的實施方式還將寄生電容預(yù)充電到ikef*rkef (電阻的電壓)。該過程消除了寄生電容，這樣消除了與電流源輸出端的寄生電容Cpm和來自比較器的輸入端負載的電容負載Cp相關(guān)的精度損失。
[0011]一個實施方式涉及RC校準電路。該電路包括電阻元件和電容元件，其中，所述電阻元件和所述電容元件中的至少一個元件是可調(diào)的。該電路還包括電流源，該電流源提供選擇性地通過所述電阻元件或者所述電容元件的單一參考電流。該電路還包括比較器和控制電路，該比較器通過比較所述電阻元件兩端的電壓降和所述電容元件兩端的電壓降以確定電壓差。該控制電路可操作用于調(diào)節(jié)所述電阻元件和所述電容元件中的至少一個元件，以最小化由所述比較器確定的電壓差。
[0012]另一個實施方式涉及調(diào)節(jié)RC校準電路中的電阻元件或者電容元件中的一個元件的分量值的方法，以使所述電阻元件兩端的電壓降和所述電容元件兩端的電壓降相等。提供單一參考電流。所述參考電流在預(yù)定時間內(nèi)被導(dǎo)向通過所述電容元件以將所述電容元件充電至第一電壓。所述參考電流被導(dǎo)向通過所述電阻元件以生成第二電壓。比較所述第一電壓和所述第二電壓。響應(yīng)于所述比較，改變所述電阻元件和所述電容元件中的一個元件的分量值。使用不同的分量值重復(fù)所述過程直至所述第一電壓和所述第二電壓基本上相
坐寸ο
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的RC校準電路的功能示意圖。
[0014]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的RC校準電路的功能示意圖。
[0015]圖3是可變電容器作為可調(diào)元件的功能示意圖。
[0016]圖4是可調(diào)電阻器作為可調(diào)元件的功能示意圖。
[0017]圖5是示出RC校準電路的操作的時序圖。
[0018]圖6是在重置階段中的RC校準電路的功能示意圖。
[0019]圖7是在積累階段中的RC校準電路的功能示意圖。
[0020]圖8是在比較階段中的RC校準電路的功能示意圖。
[0021]圖9是操作RC校準電路的方法的流程圖。
[0022]圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的RC校準電路的功能示意圖。
[0023]圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的RC校準電路的功能示意圖。
[0024]圖12是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的的RC校準電路的功能示意圖。【具體實施方式】
[0025]圖2描述了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的RC校準電路20的功能示意圖。在該實施方式中，實現(xiàn)電流引導(dǎo)結(jié)構(gòu)以去除匹配需求的電流源。與常規(guī)RC校準電路10對比，圖2中的電路20從同一電流源Ml產(chǎn)生Vk和\，因此該結(jié)構(gòu)保證了極好的電流匹配性能。
[0026]在最初的重置階段中，RC校準電路20對寄生電容預(yù)充電至Ikef*Rkef。該過程將抵消寄生電容，這消除了與在電流源輸出端的寄生電容Cpm和從比較器輸入端的加載的電容Cp有關(guān)的精度損失。這一點將在本文更全面地描述。
[0027]如圖2所示的根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的RC校準電路20包括:可調(diào)電阻器30或者可調(diào)電容器32 (電容器32在圖2中被示出為可調(diào)元件)；電流引導(dǎo)開關(guān)SWk ；比較器24 ;數(shù)字控制電路27，其包括逐次逼近寄存器(SAR) 26 ;輔濾波器28，和電流鏡22，其包括產(chǎn)生一個參考電流Ikef的單一電流源Ml。
[0028]可調(diào)元件30、32是可以基于存儲在SAR26中的數(shù)字控制字(DCW)被調(diào)節(jié)的器件。在圖2的實施方式中，電容器Cc32已經(jīng)被實施成可調(diào)元件。
[0029]圖3示出使用電容和開關(guān)的可變電容調(diào)節(jié)元件32的代表性6-位實施方式。在這個實施例中，電容器Ctl-C5的尺寸以二進制方式增大，通過將二進制代碼施加到位開關(guān)來選擇電容。在另一實施方式中，電容值可以相等，并將溫度計代碼提供到開關(guān)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以看出，其他實施方式也是可以的。
[0030]可調(diào)兀件不限于電容。例如，電阻器RKEF30可以實施為可調(diào)兀件，圖4不出了一個代表性示例。在這個實施方式中，通過打開相關(guān)的旁通開關(guān)，電阻R_1至R_5選擇性地以串聯(lián)方式添加到固定電阻R_FIX;以及，通過關(guān)閉相關(guān)的旁通開關(guān)，選擇性從該電阻去除電阻R_1至1?_5。如上所述，電阻R_1至1?_5可以被二進制加權(quán)，開關(guān)通過二進制值來控制，或者電阻可以相等，開關(guān)通過溫度計·代碼值來控制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以看出，數(shù)控的可調(diào)電阻可以通過其他方式來實現(xiàn)。
[0031]再次參考圖2，單刀雙擲(STOT)開關(guān)SWk?？刂艻kef的電流流動。當INT=O (如圖2所示)時，開關(guān)SWk將電流導(dǎo)入電阻器30以生成參考電&Vk=Ikef*Rkef。當INT=I時，開
關(guān)SWkc將電流導(dǎo)入電容器Cc32 ；電容器將電流轉(zhuǎn)換為電壓，且電壓變化量等于，其中，C=Cc+CPM+CP_。
[0032]響應(yīng)于控制信號CMP，比較器24比較VdP \。當時，比較器輸出端設(shè)置為1，當VK〈VC時，比較器輸出端設(shè)置為O。
[0033]數(shù)字控制電路27接收時鐘信號(圖中沒有示出)，并生成所需的數(shù)字控制信號來控制所有的開關(guān)，以及RC校準電路20的狀態(tài)。
[0034]通過將DCW的MSB (最高有效位)設(shè)置為I且將DCW的其他位設(shè)置為0，數(shù)字控制電路27內(nèi)的SAR電路26開始二進制搜索過程。RC校準電路20基于電流DCW代碼生成一組Vk和V。。比較器24比較Vk和V。。如果Vq=I，則通過DCW代碼設(shè)置的電流RC時間常數(shù)Reef^Cc高于目標值。這使得SAR26將MSB重置返回到O。如果Vtj=O,則SAR26保持將MSB設(shè)置為I。然后通過依次從MSB向DCW代碼的LSB移動，然后將電流位設(shè)置為1，并且基于比較器24的輸出值更新該位值，SAR26繼續(xù)二進制搜索過程。
[0035]圖5是示出用于3-位RC校準電路20的該過程的示例的時序圖。ENABLE是啟動校準電路20的信號(圖2中沒有示出)。如下文所述，RST、INT和COMP是由數(shù)字邏輯27輸出的控制信號。IAC是將電容器32輸出端耦合到電壓比較器24的控制信號，以及\分別是電阻器30和電容器32兩端的電壓降。Vkc是比較器24的輸入端處的電壓差，V。是比較器24的輸出電壓。單獨描述數(shù)字控制字DCW的三位。首先(從圖5的左邊開始)，MSB或者DCW〈2>被設(shè)置為1，所有其他位被設(shè)置為O。
[0036]如同應(yīng)用到每個數(shù)字控制字DCW位校準，RC校準電路20在三個不同的階段中操作:重置階段、積累階段和比較階段。這些階段在圖5中分別通過信號(通過數(shù)字邏輯27)RST、INT和COMP的交替顯示來描述。
[0037]圖6示出在重置階段期間電路20的配置(圖6至圖8示出校準電路20的多個階段，為了清楚，省略了輔濾波器28)。在重置階段(在圖5中RST=I)期間，電流引導(dǎo)開關(guān)SWk將電流Ikef導(dǎo)入Rkef30。寄生電容Cpm和CP_將被充電直到Ikef*Rkef。可調(diào)電容器Cc32也被放電。
[0038]圖7示出積累階段期間的電路20的配置。積累階段在重置階段之后(在圖5中，INT=D0在積累階段期間，電流引導(dǎo)開關(guān)SWK。將電流Ikef導(dǎo)入Ce32。Cc32將電流積累持續(xù)Ttak秒。在積累階段的最后，電流引導(dǎo)開關(guān)SWdf電流導(dǎo)向流回電阻器(即，ΙΝΤ=0)。注意，在圖5中，VK=0，VC升高，同時INT=10
[0039]圖8示出在比較階段期間電路20的配置。比較階段在積累階段之后(在圖5中，CMP=I),在比較階段，比較器24比較Vk和V。。比較結(jié)果送入SAR26以更新DCW代碼。
[0040]再次參考圖5，在重置階段、積累階段和比較階段的最后，對于DCW〈2>的MSB，VE<VC, DCff<2>依然為I。下一位重復(fù)進行上述過程，DCKI>設(shè)置為I。在該位的比較過程的最后，VE>VC, DCW〈1>被重置為O。最后,再一次重復(fù)該過程，LSB DCW〈0>被重置為I。再一次，在比較階段中，VK>VC，DCff<0>被重置為O。DCff的最終值然后是‘blOO。對于Cc32，這個值被“鎖定”，并被提供到輔濾波器28。
[0041]在每一位的校準過程期間，由于Ikef來自電流鏡22中的相同電流源Ml，故用于生成Vr和V。的電流是相同的，且不存在電流不匹配問題。
[0042]在常規(guī)RC校準電路(例如圖1)中，在電流積累階段期間，C。與CP_和Cpm共享電荷。
[0043]源自電流源Ml的總電荷以
【權(quán)利要求】
1.一種電阻電容RC校準電路，包括: 電阻元件； 電容元件； 其中，所述電阻元件和所述電容元件中的至少一個是可調(diào)的； 電流源，其提供選擇性地通過所述電阻元件或者所述電容元件的單一參考電流； 比較器，用于通過比較所述電阻元件和所述電容元件兩端的電壓降來確定電壓差； 控制電路，其可操作以調(diào)節(jié)所述電阻元件和所述電容元件中的至少一個元件，以最小化由所述比較器確定的電壓差。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述控制電路是數(shù)字電路。
3.如權(quán)利要求2所述的電路，其中，所述控制電路包括逐次逼近寄存器，所述逐次逼近寄存器可操作以存儲數(shù)字控制字，所述數(shù)字控制字控制所述可調(diào)電阻元件或者可調(diào)電容元件的分量值。
4.如權(quán)利要求3所述的電路，其中，所述控制電路執(zhí)行校準過程，所述校準過程包括:使用數(shù)字控制字來二進制搜索，以調(diào)節(jié)所述可調(diào)電阻元件或者可調(diào)電容元件的分量值。
5.如權(quán)利要求4所述的電路，其中，在所述校準過程之后，數(shù)字控制字被提供到關(guān)聯(lián)電路。
6.如權(quán)利要求4所述的電路，其中，對于N位數(shù)字控制字，所述校準過程的二進制搜索包括: 首先將至少(N-1)個最低有效位設(shè)置成第一二進制值； 將第一位設(shè)置成第二二進制值并且比較所述電阻元件兩端產(chǎn)生的電壓降和所述電容元件兩端產(chǎn)生的電壓降； 響應(yīng)于所述比較，保持或者重置所述第一位的值；并且 對于其余的每個連續(xù)的位重復(fù)所述過程。
7.如權(quán)利要求6所述的電路，其中，所述第一位是最高有效位，其中，重復(fù)所述過程包括:對從最高有效位到最低有效位的每個連續(xù)的位，重復(fù)所述過程。
8.如權(quán)利要求6所述的電路，其中，對于每個位，所述校準過程包括: 重置階段，在所述重置階段中，所述參考電流流過所述電阻元件，所述電容元件放電，在所述電路中的寄生電容被充電達到所述電阻元件兩端的電壓降； 積累階段，在所述積累階段中，在預(yù)定持續(xù)時間內(nèi)，所述參考電流流過所述電容元件；以及 比較階段，在所述比較階段中，所述參考電流又一次流過所述電阻元件，并且比較所述電阻元件兩端的電壓降和所述電容元件兩端的電壓降。
9.如權(quán)利要求8所述的電路，其中，在所述重置階段期間，在所述電容元件放電之后，所述電容元件的兩端設(shè)定為所述電阻元件兩端的電壓降，以對所述電容元件本身的寄生電容充電。
10.如權(quán)利要求9所述的電路，其中，在所述校準過程之后，所述數(shù)字控制字被提供到關(guān)聯(lián)的RC積分電路。
11.如權(quán)利要求8所述的電路，還包括與所述電阻元件并聯(lián)的采樣電容器，且所述采樣電容器可操作成在所述重置階段充電以達到所述電阻元件兩端的電壓降。
12.如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述電流源包括級聯(lián)晶體管。
13.—種調(diào)節(jié)電阻電容RC校準電路中的電阻元件和電容元件中的一個元件的分量值的方法，用于使所述電阻元件兩端的電壓降和所述電容元件兩端的電壓降相等，所述方法包括: 提供單一參考電流； 將所述參考電流在預(yù)定時間內(nèi)導(dǎo)向通過所述電容元件以將所述電容元件充電至第一電壓； 將所述參考電流導(dǎo)向通過所述電阻元件以生成第二電壓； 比較所述第一電壓和所述第二電壓； 響應(yīng)于所述比較，改變所述電阻元件和所述電容元件中的一個元件的分量值；以及 使用不同的分量值重復(fù)所述過程，直至所述第一電壓和所述第二電壓基本上相等。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括: 在比較所述第一電壓和所述第二電壓之前，將所述電路中的寄生電容充電至所述第二電壓。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，比較所述第一電壓和所述第二電壓包括:將所述第一電壓和所述第二電壓輸入到比較器，其中，所述寄生電容與所述比較器的輸入有關(guān)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述寄生電容還與所述電流源有關(guān)。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述寄生電容與所述電容元件本身有關(guān)。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，使用不同的分量值重復(fù)所述過程包括: 將N位控制字的(N-1)個最低有效位初始設(shè)置為O，所述控制字可操作用于調(diào)節(jié)所述電阻元件或者所述電容元件的分量值； 將所述控制字的最高有效位設(shè)置為I并且執(zhí)行所述電壓的比較； 響應(yīng)于所述比較，保持或者重置所述最高有效位的值；以及 對于其余的每個連續(xù)的位重復(fù)所述過程。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，對于每個位，所述電壓的比較包括: 重置階段，在所述重置階段中，所述參考電流流過所述電阻元件，所述電容元件放電，并且在所述電路中的寄生電容被充電達到所述電阻元件兩端的電壓降； 積累階段，在所述積累階段中，在預(yù)定的持續(xù)時間內(nèi)，所述參考電流流過所述電容元件；以及 比較階段，在所述比較階段中，所述參考電流又一次流過所述電阻元件，并且所述電阻元件兩端的電壓降與所述電容元件兩端的電壓降被比較。
【文檔編號】H03H11/04GK103858340SQ201280048938
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月4日
【發(fā)明者】查爾斯·林 申請人:意法愛立信有限公司