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(wú)線電通信功能，并且對(duì)于可以通過(guò)單個(gè)單元來(lái)遵循 多個(gè)無(wú)線電通信標(biāo)準(zhǔn)的多模式收發(fā)信機(jī)的需求增加了。圖1示出了多模式接收機(jī)的配置示例。低噪聲放大器(LNA)對(duì)天線接收的高頻接 收信號(hào)進(jìn)行放大。混頻器電路通過(guò)對(duì)具有與高頻接收信號(hào)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(hào)進(jìn)行積分，對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行下變頻?？勺?cè)鲆娣糯笃?VGA)執(zhí)行 信號(hào)電平的調(diào)整。濾波器對(duì)期望信號(hào)頻帶外的干擾波進(jìn)行大致地衰減。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 將通過(guò)濾波器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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(hào)處理。安裝在多模式收發(fā)信機(jī)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(biāo)準(zhǔn)在較大范圍內(nèi)變化。因此，以開(kāi)關(guān)電容濾波器為代表的離散時(shí)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(shí)間處理濾波器的帶寬與采樣頻率成比例，所以通過(guò)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(guò)對(duì)電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流進(jìn)行采樣并將其積分到 一電容來(lái)獲得有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器特性或者無(wú)限沖擊響應(yīng)(IIR)濾波器特性，其被 作為離散時(shí)間處理濾波器的實(shí)施例(非專利文獻(xiàn)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(hào)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(xiàn)2)。另外，公開(kāi)了一種技術(shù)，其中當(dāng)從多個(gè)通道中的每個(gè)通道輸入的模擬電壓源的電 壓被轉(zhuǎn)換為數(shù)字值時(shí)，通過(guò)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(dāng)連接至特定通道的模擬電壓源的電壓被采樣時(shí)，首先，采樣電容 器被以對(duì)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(dǎo)致的模擬電 壓源中的壓降被最小化(例如，參見(jiàn)專利文獻(xiàn)1)。專利文獻(xiàn)1 日本專利早期公開(kāi)No. 2002-176358非專利文獻(xiàn)1:IEEE JSSC Vol. 39. No. 12，pp. 2278-2291，2004 年 12 月非專利文獻(xiàn)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(wèn)題
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然而，上述相關(guān)技術(shù)具有這樣的問(wèn)題當(dāng)更高階的濾波器被配置以獲取陡峭的截 止特性時(shí)，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(wèn)題，并且本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種能夠以 小面積實(shí)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(wèn)題的手段為了實(shí)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(gè)或多個(gè)采樣和保持單元，每個(gè)采樣和保持單元具有對(duì)輸入電壓進(jìn) 行采樣和保持的功能；一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元，每個(gè)單獨(dú)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(duì)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(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣和保持的時(shí)序。該電壓電流轉(zhuǎn)換器的特征在于 從單獨(dú)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(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)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(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣和 保持的步驟；以及當(dāng)輸出對(duì)應(yīng)于所采樣和保持的電壓的電流時(shí)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(duì)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(wú)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(shí)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(jī)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(shí)施例的電路圖。圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序的示圖。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的頻率特性的示圖。圖7是示出本發(fā)明的第一實(shí)施例的電路圖。圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的控制單元的示圖。 圖9是示出本發(fā)明的第二實(shí)施例的電路圖。圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序的示圖。圖11是示出本發(fā)明的第三實(shí)施例的電路圖。圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序的示圖。圖13是示出本發(fā)明的第四實(shí)施例的電路圖。
圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序的示圖。
圖15是示出本發(fā)明的第五實(shí)施例的電路圖。圖16是示出本發(fā)明的第六實(shí)施例的電路圖。圖17是示出本發(fā)明的第七實(shí)施例的電路圖。圖18是示出本發(fā)明的第八實(shí)施例的電路圖。
具體實(shí)施例方式下面，參考附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。圖4是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)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(gè)單獨(dú)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(gè)串聯(lián)連接在 電壓電流轉(zhuǎn)換輸入端11和單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元的各輸入端之間的N個(gè)開(kāi)關(guān)器件141至 14N、連接在單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元131至13N輸入端和固定電勢(shì)之間的N個(gè)電容器151至 15N、以及控制開(kāi)關(guān)器件141至14N的開(kāi)關(guān)的控制單元16。單獨(dú)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(kāi)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(kāi)關(guān)器件141至14N中的每一個(gè)在控制時(shí)鐘信號(hào)代表1時(shí)處于閉合(接通)狀態(tài)， 并且在控制時(shí)鐘信號(hào)代表0時(shí)處于斷開(kāi)(關(guān)斷)狀態(tài)?？刂茊卧?6生成圖5中所示的具有N個(gè)相位CLKBl至CLKBN的控制時(shí)鐘信號(hào)，并 且分別控制開(kāi)關(guān)器件141至14N的開(kāi)關(guān)。CLKBl至CLKBN中的每一個(gè)不同時(shí)取1，并且是時(shí) 鐘信號(hào)，其中上升和下降時(shí)序是錯(cuò)開(kāi)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(gè)時(shí)鐘信號(hào)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(dāng)CLKBl取1時(shí)，開(kāi)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(kāi)關(guān)器件141轉(zhuǎn)向斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)刻的電荷被保持在電容器151中，所以單獨(dú)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(dú)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(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單 元132至13N、開(kāi)關(guān)器件142至14N、以及電容器152至15N分別以不同的時(shí)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(gè)采樣。例 如，當(dāng)CLKBl為1時(shí)，單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元132保持對(duì)應(yīng)于時(shí)間間隔Tsample前的輸入電 壓的電壓，并且單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元13N保持對(duì)應(yīng)于時(shí)間間隔(N-I)Tsample前的輸入電 壓的電壓。通過(guò)分別連接所有的輸出端，將單獨(dú)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(gè)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(dòng)平均濾波器(其是FIR濾波器的實(shí)施例)。移動(dòng)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(dòng)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(gè)零點(diǎn)，并且零點(diǎn)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(jiǎn)單濾波器(諸如RC濾波器) 的幫助下對(duì)N*fCLK周圍的噪聲進(jìn)行衰減，利用大量零點(diǎn)的有效濾波被執(zhí)行。另外，盡管單 獨(dú)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(fù)值。圖4中的N = 4時(shí)的電路示例在圖7中示出。單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元131至134 可以由CMOS反相器實(shí)現(xiàn)，并且開(kāi)關(guān)器件141至144可以由CMOS傳輸門實(shí)現(xiàn)。另外，由于電 容器151至154可以由寄生于單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元和開(kāi)關(guān)器件的電容器代替，所以沒(méi)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(kāi)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(dǎo)通時(shí)間大約7倍于由開(kāi)關(guān)器件141至14N的導(dǎo)通電阻 和電容器151至15N的電容值確定的時(shí)間常數(shù)。如果短于此，則對(duì)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(zhǎng)于此，則包括在輸出電流波形中的連續(xù)時(shí)間 信號(hào)的比例增加，從而不能獲得零點(diǎn)處的充分的衰減特性。另外，當(dāng)輸入信號(hào)是預(yù)先采樣的 離散時(shí)間信號(hào)時(shí)，其可能等于或大于該時(shí)間常數(shù)的7倍。當(dāng)作為CMOS工藝的90nm CMOS工藝被使用時(shí)，具有大約數(shù)百ps的導(dǎo)通時(shí)間以及 大約數(shù)百M(fèi)Hz的頻率的CLKBl至CLKBN可以利用相對(duì)于濾波器電路較低的功耗生成。導(dǎo)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(jiǎn)單地由簡(jiǎn)單CMOS反相 器或傳輸門配置。另一方面，為了通過(guò)相對(duì)較慢的RC濾波器來(lái)充分衰減N*fCLK周圍的噪聲，N*fCLK 需要具有比信號(hào)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(hào)帶寬等于或小于數(shù)十 MHz, fCLK等于或小于數(shù)百M(fèi)Hz，并且N等于或大于3。這是因?yàn)?，?duì)于N = 2，使用FIR濾波 器的周期性零點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)比較小。一般，期望fCLK為后級(jí)(例如ADC)的采樣頻率的整數(shù)倍。 這是因?yàn)?，通過(guò)FIR濾波器具有的零點(diǎn)，可以在ADC中的采樣上充分衰減折疊在信號(hào)帶寬中 的噪聲。另外，由于隨著CMOS的進(jìn)一步精細(xì)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(shí)施例可以被應(yīng)用于更大帶寬中的信號(hào)。現(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(shí)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(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器中，每個(gè)采樣保持單元以不同的時(shí)序?qū)斎腚?壓進(jìn)行采樣和保持，并且每個(gè)單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元輸出對(duì)應(yīng)于其的電流。通過(guò)疊加單獨(dú) 電壓電流轉(zhuǎn)換單元的輸出電流的一個(gè)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(guò)使用單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元的輸入電容或者配線或 開(kāi)關(guān)器件的對(duì)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(guò)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(shí)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(shí)施例]圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)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(duì)于第一實(shí)施例具有以下特征包括單獨(dú)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(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元的輸出端和端子17之間 的開(kāi)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(shí)鐘信號(hào) CLKCl和CLKC2，并且控制開(kāi)關(guān)器件1811、1812、1821、以及1822的開(kāi)關(guān)。CLKCl和CLKC2是 不同時(shí)取1的時(shí)鐘信號(hào)，并且分別與CLKBl和CLKB2同時(shí)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(gè)時(shí)鐘信號(hào)中選擇的方法。在根據(jù)本實(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換單元中，進(jìn)行控制從而使得對(duì)于輸入信號(hào)Vin具 有轉(zhuǎn)換增益GmO的單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元(1311或1321)的輸出端和對(duì)于一個(gè)采樣之前的 輸入信號(hào)z-lVin具有轉(zhuǎn)換增益-GmO的單獨(dú)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(dāng)CLKCl為1時(shí)，單獨(dú)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(lái)自1311的輸出電流GmOVin和來(lái)自1322的輸出電流-Z-IGmOVin的總和是 本實(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流。另一方面，當(dāng)CLKC2為1時(shí)，單獨(dú)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(shí)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(shí)間 信號(hào)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(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的配置的示圖。本實(shí)施例 的電壓電流轉(zhuǎn)換器相對(duì)于第一實(shí)施例具有以下特征具有單獨(dú)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(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元的輸 出端和端子17之間的開(kāi)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(shí)鐘信 號(hào)CLKCl至CLKCN，并且控制開(kāi)關(guān)器件1811至181N、1821至182N、…以及18附至18NN的 開(kāi)關(guān)。CLKCl至CLKCN是不同時(shí)取1的時(shí)鐘信號(hào)，并且分別與CLKBl至CLKBN同時(shí)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(gè)時(shí)鐘信號(hào)中選擇 的方法。在根據(jù)本實(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器中，進(jìn)行控制從而使得對(duì)于m個(gè)采樣之前的輸 入信號(hào)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(dú)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(dāng)CLKCl為1時(shí)，單獨(dú)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(lái)自1311的輸出電流GmlVin、來(lái)自1322的輸出電流z_lGm2Vin、 來(lái)自1333的輸出電流z-2Gm3Vin、以及來(lái)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(dāng)CLKC2為1時(shí)，由于單獨(dú)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(lái)自每個(gè)單獨(dú)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(shí)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(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器可以通過(guò)選擇系數(shù) 來(lái)排列零點(diǎn)。另外，每個(gè)單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換增益Gml至GmN的符號(hào)可以為正或負(fù)。 并不要求所有的單獨(dú)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(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換器1311可以僅在CLKl為導(dǎo)通期間工作。另外，也不總 需要并置N乘N個(gè)單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換器。例如，當(dāng)集中在單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換器1311和1312 上時(shí)，只要Gml =Gm2，就可以合并為一個(gè)單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換器。另外，即使在Gml不等于 Gm2時(shí)，也可以通過(guò)組合具有較小轉(zhuǎn)換增益的單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換器和具有其差值的轉(zhuǎn)換增 益的單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行配置。圖13是示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的配置的示圖。根據(jù)本實(shí) 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(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換增 益GmFIR3)輸出端17和本實(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出端12之間的開(kāi)關(guān)器件191、連接在 端子17和固定電勢(shì)之間的開(kāi)關(guān)器件192、以及控制開(kāi)關(guān)器件191和開(kāi)關(guān)器件192的開(kāi)關(guān)的 增益控制單元20。另外，開(kāi)關(guān)器件191、開(kāi)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(shí)施例可以代替第一實(shí)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(shí)鐘信號(hào)CLKA及其反相信號(hào)CLKA_ INV,它們分別控制開(kāi)關(guān)器件191和開(kāi)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(kāi)關(guān)器件191的開(kāi)關(guān)比為CLKA的導(dǎo)通時(shí)間比。在增益控制單元20中，作為獲取具有 期望的導(dǎo)通時(shí)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(gè)時(shí)鐘信號(hào)中 選擇的方法。將利用圖13和圖14描述根據(jù)本實(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的工作原理。根據(jù) 與第一實(shí)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(dāng)開(kāi)關(guān)器件191處于閉合狀態(tài)時(shí)，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(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出電流。另一方面，當(dāng)開(kāi)關(guān)器件191轉(zhuǎn)到斷開(kāi) 狀態(tài)時(shí)，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(kāi)關(guān)器件192流入固定 電勢(shì)。然后，根據(jù)本實(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器輸出電流變?yōu)?。在上述操作中，當(dāng)根據(jù)本實(shí)施例的轉(zhuǎn)換器輸出電流被時(shí)間平均時(shí)，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(dǎo)通時(shí)間。等式 (3)意味著本實(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的有效轉(zhuǎn)換增益Gmeff由開(kāi)關(guān)器件191的導(dǎo)通時(shí)間 比(TINA與TCLKA的比)，即開(kāi)關(guān)比確定。這里，開(kāi)關(guān)比可以通過(guò)利用精細(xì)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(dǎo)致性能劣化，即使在低電壓的情況下。另 外，由于開(kāi)關(guān)器件191、開(kāi)關(guān)器件192、以及增益控制單元20可由精細(xì)的CMOS構(gòu)成，所以面 積上幾乎沒(méi)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(huì)增加面積。根據(jù)本實(shí)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(jìn)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(guò)使fCLKA與電壓電流轉(zhuǎn)換器具有的FIR濾波器的零點(diǎn)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(shí)施例的濾波器電路的配置的示圖。本實(shí)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(dú)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(méi)有使用電容元 件而位于小面積內(nèi)，所以可以通過(guò)增加并置的單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換器的數(shù)目來(lái)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(dāng)GmFIR5由圖9中所示的電壓電流轉(zhuǎn)換器配置時(shí)，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(shí)間信號(hào)處理中的積分。當(dāng)采樣頻率Ι/Tsample相對(duì)于信號(hào)頻率f足夠大 時(shí)，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(dāng) Gm51Tsample的電容。結(jié)果，在根據(jù)相關(guān)濾波器配置方法設(shè)計(jì)的濾波器中，通過(guò)用當(dāng)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(guò)進(jìn)一步將電流鏡電路插入轉(zhuǎn)換器輸出端，可以很容易地實(shí)現(xiàn)具有相反 符號(hào)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(guò)交換正相位和負(fù)相位 的輸入/輸出連接實(shí)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(guò)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(diǎn)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(shí)施例的濾波器電路的配置的示圖。本實(shí)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(dú)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(duì)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(shí)施例的濾波器電路，通過(guò)添加電容元件，并且通過(guò)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(shí)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(dāng)采樣頻率Ι/Tsample相對(duì)于信號(hào)頻率f足夠大時(shí)，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(dāng)(Cl+Gm51TSample) 的電容。這樣，通過(guò)結(jié)合連續(xù)時(shí)間狀電容(continuous time like capacity) 221和離散時(shí) 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(shí)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(dāng)具有可變帶寬時(shí)，必須一起對(duì)轉(zhuǎn)換增益或 電容值和采樣頻率進(jìn)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(dāng)圖13中的轉(zhuǎn)換器被使用時(shí)，通過(guò)根據(jù)采樣頻率改變CLKA的導(dǎo)通時(shí)間比，轉(zhuǎn) 換增益可以很容易地被改變，并且存在面積不會(huì)增大的優(yōu)點(diǎn)。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(dāng)配置更陡峭的濾波器時(shí)，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(dāng)提升Gm-C濾波器的階數(shù)時(shí)，由于電容 器數(shù)目的增加，所以面積也會(huì)增大，但是通過(guò)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(shí)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(dāng)不具有FIR濾波器特性的用于連續(xù)時(shí)間處理的轉(zhuǎn)換器被用 作根據(jù)本實(shí)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(shí)，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(shí)間處理濾波器來(lái)衰減N/fCLK附近的噪聲，并且將被插入前級(jí)的濾波器變得不必要。圖17是示出根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的濾波器電路的配置的示圖。本實(shí)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(yùn)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(shí)施例中，由于電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出端被 連接至運(yùn)算放大器30的虛擬地點(diǎn)(virtual ground point)，所以根據(jù)下面描述的兩個(gè)原 因，可以配置具有完美線性的濾波器。第一個(gè)原因是每個(gè)單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元的輸出級(jí) 不需要處理大信號(hào)。第二個(gè)原因是當(dāng)電壓電流轉(zhuǎn)換器(尤其是第四實(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換 器)被使用時(shí)，由于被用作開(kāi)關(guān)器件的CMOS傳輸門的導(dǎo)通電阻取決于柵極和源極之間的電 壓而導(dǎo)致的失真并不會(huì)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(shí)施例的配置的示圖。一般，當(dāng)Gm-C濾波器電路被 如圖18 (a)中所示配置時(shí)，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(guò)將這個(gè)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(shí)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(dāng)電 容24被直接連接至輸入端25時(shí)，連續(xù)時(shí)間信號(hào)經(jīng)由電容24被混合進(jìn)后級(jí)的FIR濾波器， 從而不能得到足夠量的衰減。為了對(duì)經(jīng)由電容24的信號(hào)也執(zhí)行FIR濾波，如圖18(b)中所 示，單獨(dú)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(dú)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(duì)經(jīng)由電容24的信號(hào)執(zhí)行。另外，在圖12中示 出了根據(jù)第一實(shí)施例的電壓電流轉(zhuǎn)換器的情況。另外，單獨(dú)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(shí)施例中的每一個(gè)都是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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(qǐng)基于并要求于2008年1月28日遞交的日本專利申請(qǐng) No. 2008-016264和于2008年7月8日遞交的日本專利申請(qǐng)No. 2008-177997的優(yōu)先權(quán)，其 公開(kāi)的內(nèi)容通過(guò)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(gè)或多個(gè)采樣和保持單元，每個(gè)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(gè)或多個(gè)單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元，每個(gè)單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元輸出對(duì)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(duì)所述輸入電壓進(jìn)行采樣和保持的時(shí)序，其特征在于，通過(guò)疊加由所述單獨(dú)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(wú)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(kāi)關(guān)器件和電容，其中所述電容是配線或所述開(kāi)關(guān)器件的對(duì)地電容、或者后級(jí)單獨(dú)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(gè)以相等的時(shí)間間隔對(duì)所述輸入電壓進(jìn)行采樣和保持， 所述單獨(dú)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(guò)疊加由所述單獨(dú)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(dòng)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(dú)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(xiàng)所述的一個(gè)或多個(gè)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(xiàng)所述的一個(gè)或多個(gè)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(xiàng)所述的一個(gè)或多個(gè)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(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣和保持；以及當(dāng)輸出對(duì)應(yīng)于所采樣和保持的電壓的電流時(shí)，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(duì)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(wú)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(shí)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(gè)或多個(gè)采樣/保持單元，用于對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣并保持采樣的電壓；一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)電壓電流轉(zhuǎn)換單元，用于輸出對(duì)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(duì)輸入電壓的保持和采樣的時(shí)序。
文檔編號(hào)H03H11/04GK101926091SQ20098010338
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)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(shù) 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社