Title:
ABSTIMMBARE BANDPASSFILTER
Kind Code:
A1


Abstract:

Ein abstimmbarer Einzelchip-Bandpassfilter wird bereitgestellt, der eine Bandpassfilterschaltung mit allen Abstimmkomponenten für die auf dem Einzelchip gebildete Bandpassfilterschaltung aufweist, um eine programmierte Mittenfrequenz für das abstimmbare Bandpassfilter bereitzustellen. Die Bandpassfilterschaltung kann eine Vielzahl von seriell gekoppelten einstufigen Biquad-Filterstufenschaltungen beinhalten, die mit einem Eingang gekoppelt sind, der auf dem Einzelchip ausgebildet und dazu konfiguriert ist, ein bandpassgefiltertes Ausgangssignal an einen Ausgang zu liefern, der auf dem Einzelchip gebildet ist. Die bandpassgefilterte Ausgabe kann durch einen Ausgabepuffer bereitgestellt werden, der auf dem Einzelchip gebildet ist. Der Einzelchip umfasst beinhaltet einen Abstimmeingang zum Empfangen von Daten zum Abstimmen, die in einem Datenregister gespeichert sind, das auf dem Einzelchip ausgebildet ist. Das Datenregister stellt den Abstimmkomponenten Steuerbits bereit, die einen programmierbaren Widerstand enthalten, der auf die Steuerbits anspricht, um den programmierbaren Widerstand zu variieren, um die programmierte Mittenfrequenz einzustellen. embedded image




Inventors:
Sovero, Emilio A., Calif. (Malibu, US)
Kang, Jongchan, Calif. (Malibu, US)
Ahmed, Mohiuddin, Calif. (Malibu, US)
Li, James Chingwei, Calif. (Malibu, US)
Baringer, Cynthia D., Calif. (Malibu, US)
Kuan, Yen-Cheng, Calif. (Malibu, US)
Talty, Timothy J., Mich. (Warren, US)
Application Number:
DE102018100585A
Publication Date:
07/19/2018
Filing Date:
01/11/2018
Assignee:
GM Global Technology Operations LLC (Mich., Detroit, US)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
LKGLOBAL | Lorenz & Kopf PartG mbB Patentanwälte, 80333, München, DE
Claims:
Abstimmbarer Einzelchip-Bandpassfilter, umfassend:
eine Bandpassfilterschaltung, die auf dem Einzelchip ausgebildet ist, worin die Bandpassfilterschaltung mit einem Eingang gekoppelt ist, der auf dem Einzelchip ausgebildet und dazu konfiguriert ist, ein bandpassgefiltertes Ausgangssignal an einen auf dem Einzelchip ausgebildeten Ausgang bereitzustellen;
alle Abstimmkomponenten für die auf dem Einzelchip ausgebildete Bandpassfilterschaltung; und
mindestens einen Abstimmeingang, der auf dem Einzelchip ausgebildet und mit allen Abstimmkomponenten zum Abstimmen der Bandpassfilterschaltung auf eine programmierte Mittenfrequenz gekoppelt ist;
worin keine Abstimmkomponenten außerhalb des Einzelchips liegen, um die Bandpassfilterschaltung auf die programmierte Mittenfrequenz abzustimmen.

Abstimmbarer Einzelchip-Bandpassfilter nach Anspruch 1, worin die Bandpassfilterschaltung eine Biquad-Bandpassfilterschaltung umfasst, die auf dem Einzelchip über einen BiCMOS-Prozess ausgebildet ist.

Abstimmbarer Einzelchip-Bandpassfilter nach Anspruch 1, der ferner einen Ausgangspuffer zwischen der abstimmbaren Bandpassfilterschaltung und dem auf dem Einzelchip ausgebildeten Ausgang umfasst.

Abstimmbarer Einzelchip-Bandpassfilter nach Anspruch 1, worin die gesamten Abstimmkomponenten eine programmierbare Widerstandsschaltung umfassen, die mit dem mindestens einen Abstimmeingang gekoppelt ist.

Abstimmbarer Einzelchip-Bandpassfilter nach Anspruch 4, ferner umfassend ein Datenregister, das auf dem Einzelchip zwischen dem mindestens einen Abstimmeingang und der programmierbaren Widerstandsschaltung angeordnet ist, um Abstimmdaten zum Auswählen der programmierten Mittenfrequenz bereitzustellen.

Abstimmbarer Einzelchip-Bandpassfilter nach Anspruch 5, ferner umfassend eine serielle Programmierschnittstelle, die auf dem Einzelchip zwischen dem mindestens einen Abstimmeingang und dem Datenregister ausgebildet und dazu konfiguriert ist, einen seriellen Datenstrom in die in dem Datenregister gespeicherten Abstimmdaten umzuwandeln, um die programmierbare Widerstandsschaltung zu programmieren, um die programmierte Mittenfrequenz auszuwählen.

Abstimmbarer Einzelchip-Bandpassfilter nach Anspruch 4, worin die gesamten Abstimmkomponenten ferner einen spannungsvariablen Kondensator umfassen, der mit dem mindestens einen Abstimmeingang gekoppelt ist.

Abstimmbarer Einzelchip-Bandpassfilter nach Anspruch 7, worin der mindestens eine Abstimmeingang einen Spannungseingang umfasst, der mit dem spannungsvariablen Kondensator gekoppelt ist, um die programmierte Mittenfrequenz auszuwählen.

Abstimmbarer Einzelchip-Bandpassfilter nach Anspruch 1, worin der Eingang und der Ausgang, die auf dem Einzelchip gebildet sind, ferner einen differenziellen Eingang und einen differenziellen Ausgang umfassen, die auf 50 Ohm abgestimmt sind.

Abstimmbarer Einzelchip-Bandpassfilter nach Anspruch 4, worin die Bandpassfilterschaltung eine Biquad-Bandpassfilterschaltung dritter Ordnung oder eine Biquad-Bandpassfilterschaltung fünfter Ordnung umfasst.

Description:
EINLEITUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf abstimmbare Bandpassfilter und insbesondere auf einen abstimmbares Einzelchip-Bandpassfilter mit allen Abstimmkomponenten auf dem Einzelchip.

Bandpassfilter haben eine breite Vielfalt von Anwendungen in verschiedenen Signalverarbeitungsanwendungen. Abstimmbare Bandpassfilter sind solche Filter mit einstellbarer Mittenfrequenz, die durch Einstellen verschiedener Abstimmkomponenten (z. B. Widerstände und Kondensatoren) ausgewählt werden können. In einigen Anwendungen werden aktive Bandpassfilter auf integrierten Schaltungen gebildet, jedoch ist es üblich, dass einige oder alle der Abstimmkomponenten außerhalb des Chips angeordnet sind. Wie zu erkennen ist, erhöhen chipfreie Abstimmkomponenten im Allgemeinen die physikalische Größe des abstimmbaren Bandpassfilters und können die Leistung bei höheren Frequenzen vermindern.

Dementsprechend ist es wünschenswert, einen abstimmbaren Bandpassfilter bereitzustellen, bei dem alle Abstimmkomponenten auf einem Einzelchip mit der Bandpassfilterschaltung angeordnet sind. Zusätzlich ist es wünschenswert, einen abstimmbaren Bandpassfilter bereitzustellen, der über einen weiten Frequenzbereich digital abgestimmt werden kann. Außerdem werden andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung und den hinzugefügten Ansprüchen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen und dem Hintergrund der Erfindung sichtbar.

ZUSAMMENFASSUNG

Ein abstimmbarer Einzelchip-Bandpassfilter wird bereitgestellt, der eine Bandpassfilterschaltung aufweist, die auf dem Einzelchip mit allen Abstimmkomponenten für die auf dem Einzelchip ausgebildete Bandpassfilterschaltung ausgebildet ist, um eine programmierte Mittenfrequenz für den abstimmbaren Bandpassfilter bereitzustellen. Die Bandpassfilterschaltung kann eine Vielzahl von seriell gekoppelten einstufigen Biquad-Filterstufenschaltungen beinhalten, ist aber nicht darauf beschränkt, um einen Filter dritter oder fünfter Ordnung bereitzustellen. Der Bandpassfilter ist mit einem Eingang gekoppelt, der auf dem Einzelchip ausgebildet und dazu konfiguriert ist, ein bandpassgefiltertes Ausgangssignal an einen Ausgang zu liefern, der auf dem Einzelchip ausgebildet ist. Die bandpassgefilterte Ausgabe kann durch einen Ausgangspuffer bereitgestellt werden, der auf dem Einzelchip gebildet ist. Der Einzelchip enthält mindestens einen Abstimmeingang zum Empfangen von Daten zum Abstimmen aller Abstimmkomponenten. Die Abstimmdaten können in einer seriellen Programmierschnittstelle empfangen und in einem Datenregister gespeichert werden, das auf dem Einzelchip ausgebildet ist. Das Datenregister liefert Steuerbits an alle Abstimmkomponenten, die einen programmierbaren Widerstand beinhaltet, der auf die Steuerbits anspricht, um den programmierbaren Widerstand und somit die programmierte Mittenfrequenz zu variieren. Die Abstimmkomponenten können auch einen spannungsvariablen Kondensator beinhalten, der auf eine Spannungseingabe auf dem Einzelchip reagiert, um die programmierte Mittenfrequenz einzustellen, sind aber nicht darauf beschränkt.

Es wird ein Verfahren zum Programmieren einer Mittenfrequenz eines abstimmbaren Einzelchip-Bandpassfilters bereitgestellt, bei dem alle Abstimmkomponenten auf dem Einzelchip angeordnet sind. Das Verfahren beinhaltet das Empfangen von Abstimmdaten und das Speichern der Abstimmdaten in einem Datenregister. Steuerbits von dem Datenregister werden den Abstimmkomponenten bereitgestellt, die einen programmierbaren Widerstand aufweisen, der auf die Steuerbits anspricht, jedoch nicht darauf beschränkt ist, um einen Widerstandswert des programmierbaren Widerstands zu variieren, um die Mittenfrequenz zu programmieren.

Figurenliste

Die vorliegende Offenbarung wird nachfolgend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, worin gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und

  • 1 ein Blockdiagramm des abstimmbaren Einzelchip-Bandpassfilters gemäß exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist;
  • 2 ein Blockdiagramm des abstimmbaren Einzelchip-Bandpassfilters gemäß exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist;
  • 3 ein Blockdiagramm einer Bandpassfilterschaltung dritter Ordnung für den abstimmbarem Einzelchip-Bandpassfilter von 1 oder 2 ist;
  • 4 ein Blockdiagramm einer Bandpassfilterschaltung fünfter Ordnung für den abstimmbarem Einzelchip-Bandpassfilter von 1 oder 2 ist;
  • 5 ein schematisches Diagramm des einstufigen differenziellen Biquad-Filters von 3 oder 4 ist;
  • 6 ein schematisches Diagramm einer programmierbaren Widerstandsschaltung von 5 ist;
  • 7 ein schematisches Diagramm eines spannungsvariablen Widerstands von 5 ist;
  • 8 ein schematisches Diagramm eines Ausgabepuffers von 1 oder 2 ist; und
  • 9 ein Diagramm ist, das tatsächliche Messungen des programmierbaren Frequenzbereichs der Mittenfrequenz des abstimmbaren Einzelchip-Bandpassfilters von 1 oder 2 zeigt, realisiert mit der Filterschaltung der 3. Ordnung von 3.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Die folgende ausführliche Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und soll die Erfindung oder die Anwendung und die Verwendungen der Erfindung nicht einschränken. Darüber hinaus besteht keinerlei Verpflichtung zur Einschränkung auf eine der im vorstehenden Hintergrund oder in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellten Theorien.

1 veranschaulicht einen monolithischen (Einzelchip) abstimmbaren aktiven Bandpassfilter 100 gemäß exemplarischen Ausführungsformen. Der abstimmbare aktive Bandpassfilter 100 der vorliegenden Offenbarung beinhaltet alle Abstimmkomponenten, die sich auf der Einzelchip-Filtermatrize 102 befinden. Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „alle Abstimmkomponenten“, dass sich alle Abstimmkomponenten (z. B. Widerstände und Kondensatoren) auf dem gleichen Filterchip mit der Bandpassfilterschaltung befinden und dass sich keine Abstimmkomponenten extern (oder außerhalb des Chips) der Filtermatrize 102 befinden.

Der abstimmbare aktive Bandpassfilter 100 beinhaltet eine Bandpassfilterschaltung 104, die ein zu filterndes Eingangssignal von einem Eingang 106 empfängt, der auf der Filtermatrize 102 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen umfasst der Eingang 106 einen differenziellen Eingang, der an 50 Ohm angepasst ist, obwohl andere Impedanzen in anderen Implementierungen angepasst sein können (z. B. 75 Ohm). Der Bandpassfilterausgang 108 von der Bandpassfilterschaltung 104 wird an einen Ausgangspuffer 110 bereitgestellt, um ein gefiltertes Ausgangssignal 112 mit den geeigneten Ansteuerpegeln an einen Ausgang 114 zu liefern, der auf der Filtermatrize 102 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen hat der Ausgabepuffer 110 eine Einheitsverstärkung, während in anderen Ausführungsformen einige Anwendungen bereitgestellt werden können. Gemäß exemplarischer Ausführungsformen kann die Bandpassfilterschaltung 104 als kaskadierte Stufen eines aktiven Biquad-Bandpassfilters realisiert werden, wie nachfolgend erörtert wird. In einigen Ausführungsformen implementiert die Bandpassfilterschaltung 104 Bandpassfilter der 3. Ordnung, während in anderen Ausführungsformen ein Filter der 5. Ordnung realisiert wird. Es versteht sich, dass das Filter höherer Ordnung eine Frequenzantwort mit einer steileren Steigung als ein Filter niedrigerer Ordnung aufweist, die einen schärferen oder deutlicheren Bandpassfilter bereitstellt.

Der abstimmbare aktive Bandpassfilter 100 enthält einen Abstimmeingang 116 auf der Filtermatrize 102, der einen seriellen Programmierschnittstellen(SPI) seriellen Datenübertragungsstrom 118 empfängt. Der Abstimmeingang 116 ist mit einer SPI-Schnittstelle 120 gekoppelt, die den seriellen Datenstrom 118 in Abstimmdaten 122 umwandelt, die in ein Datenregister 124 geladen werden. Die Abstimmdaten im Datenregister 124 werden als Steuerbits 126 bereitgestellt, die zu den verschiedenen Stufen der Bandpassfilterschaltung 104 geleitet werden. Die Steuerbits 126 modifizieren die chipinternen Abstimmkomponenten der Bandpassfilterschaltung 104, um die gewünschte Mittenfrequenz für das Bandpassfilter auszuwählen. In einigen Ausführungsformen werden vier Steuerbits ausgewählt, um 16 verschiedene Zustände zum Programmieren der Mittenfrequenz der Bandpassfilterschaltung 104 bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen ist ein weiterer Abstimmeingang 128 auf der Filtermatrize 102 vorgesehen, der mit einem anderen Abstimmelement der Bandpassfilterschaltung 104 gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen umfasst der Abstimmeingang 128 einen Spannungseingang, der die Kapazität eines spannungsvariablen Kondensators modifiziert, der als eines der chipinternen Abstimmelemente der Bandpassfilterschaltung 104 konfiguriert ist, wie nachstehend erörtert wird.

2 zeigt eine weitere exemplarische Ausführungsform des abstimmbaren Bandpassfilters 100', wobei gleich nummerierte Komponenten gleiche Funktionen wie oben in Verbindung mit 1 beschrieben bereitstellen. In der Ausführungsform von 2 wird die SPI-Schnittstelle 120 nicht verwendet, und der abstimmbare Bandpassfilter 100' wird direkt programmiert, indem dem Datenregister 124 Programmierdaten 122 bereitgestellt werden.

Mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1 und 2 veranschaulichen die 3-4 eine exemplarische Filterschaltung 104' und 104", die aus seriell kaskadierten Biquad-Bandpassfilterschaltungen 300 gebildet sind, um eine abstimmbare Bandpassfilterschaltung 3. Ordnung104' und abstimmbare Bandpassfilterschaltung 5. Ordnung 104" bereitzustellen. In der exemplarischen Ausführungsform der 3. Ordnung 104' empfängt jede Stufe 300 vier Steuerbits, um die chipinternen Abstimmkomponenten jeder Stufe auf die gewünschte Mittenfrequenz zu programmieren. Dementsprechend wird der Filterschaltung 104' in 3 ein 12-Bit-Steuerwort (das die Steuerbits 0-11 enthält) der Abstimmdaten 126 bereitgestellt. In ähnlicher Weise wird der Filterschaltung 104" in 4 ein 20-Bit-Steuerwort (das die Steuerbits 0-19 enthält) der Abstimmdaten 126 die bereitgestellt.

5 ist ein Schaltungsdiagramm einer exemplarischen einzelnen Stufe eines Biquad-Bandpassfilters 300, wie in 3-4 veranschaulicht. Wie zu erkennen ist, ist ein Biquad-Bandpassfilter ein Zweipolfilter, der durch eine erste Stufe 500 und eine zweite Stufe 502 erzeugt wird, die jeweils einen Operationsverstärker 504 bzw. 506 verwenden. In einer vollständig differentiellen Implementierung hat jede Stufe 500 und 502 geschlossene Rückkopplungsschleifen von dem nichtinvertierenden Eingang zu dem invertierenden Ausgang des Operationsverstärkers 504, 506 und von dem invertierenden Eingang zu dem nicht invertierenden Ausgang des Operationsverstärkers 504, 506. In der ersten Stufe 500 besteht die Rückkopplungsschleife aus einem Widerstand 508 und einem Kondensator 510. In der zweiten Stufe 502 wird der Kondensator 510 in der Rückkopplungsschleife verwendet. Zwischen der ersten Stufe 500 und der 2. Stufe 502 wird der nichtinvertierende Ausgang des Operationsverstärkers 506 über einen Abstimmwiderstand 512 zu dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 504 zurückgeführt. In ähnlicher Weise befindet sich der Widerstand 512 in der Rückkopplungsschleife von dem invertierenden Ausgang des Operationsverstärkers 506 zu dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 504. Im Betrieb ist das differentielle Eingangssignal 106 über Widerstände 514 mit dem Eingang des Operationsverstärkers 504 der ersten Stufe resistiv gekoppelt. Der Bandpassfilterausgang 108 wird von dem Differenzausgang des Operationsverstärkers 504 genommen, der durch einen Abstimmwiderstand 512 mit dem Operationsverstärker 506 der zweiten Stufe gekoppelt ist.

Wie zu erkennen ist, ist die Mittenfrequenz der Biquad-Filterschaltung 300 gegeben durch die Gleichung: Mittenfrequenz = 1/2CfRf, worin Rf der Widerstand 512 ist und Cf der Kondensator 510 ist. Demgemäß kann durch Variieren des Widerstands 512 und/oder des Kondensators 510 die Mittenfrequenz der Biquad-Filterschaltung 300 eingestellt werden. Gemäß einigen exemplarischen Ausführungsformen wird der Kondensator 510 auf einem konstanten Wert gehalten, während der Widerstand 512 inkrementell eingestellt wird, indem Steuerbits von dem Datenregister 128 (siehe 1) verwendet werden, wie in 6 dargestellt. In anderen Ausführungsformen ist der Kondensator 510 ebenfalls variabel, wie in 7 dargestellt. Wie in 7 veranschaulicht, werden Varaktoren (variable in Sperrrichtung vorgespannte pn-Übergänge) 700 mit den Kondensatoren 702 und 704 verwendet, um einen spannungsvariablen Kondensator 510 zu erzeugen. Durch Anlegen einer Spannung (z. B. 0 Volt - 4 Volt) an den Spannungseingang 128 (siehe 1) kann der Wert des Kondensators 510 variiert werden, wodurch die Mittenfrequenz der Biquad-Filterschaltung 300 eingestellt wird.

8 ist ein schematisches Diagramm des Ausgangspuffers 110 (siehe 1). Der Ausgangspuffer 110 arbeitet, um die Treiberfähigkeit des abstimmbaren Bandpassfilters zu erhöhen, um die Last mit niedriger Impedanz (z. B. 50 Ohm) anzusteuern. Wie in 8 veranschaulicht, ist der Differenzausgang 108 von der Bandpassfilterschaltung 104 durch einen Widerstand 800 und einen Operationsverstärker 802 resistiv gekoppelt. Der invertierende Ausgang 804 des Operationsverstärkers 802 wird verwendet, um einen Treibertransistor 806 vorzuspannen, während der nicht-invertierende Ausgang 808 dazu verwendet wird, den Treibertransistor 810 vorzuspannen. Die Treibertransistoren 806 und 810 liefern das Pufferausgangssignal 114 an den Differenzausgang des Filters 102 (siehe 1).

9 ist eine Darstellung 900 der abstimmbaren Bandpassausgabe, die von dem abstimmbaren Bandpassfilter 100 bereitgestellt wird (siehe 1). Wie zuvor erörtert, können unter Verwendung von vier Steuerbits 126 pro Filterstufe (siehe 3-4) aus dem Datenregister 124 sechzehn mögliche Zustände des Abstimmwiderstands 512 (siehe 6) digital programmiert werden. 9 veranschaulicht jeden der 16 möglichen Zustände (von links nach rechts), die eine Bandpassbreite von ungefähr 140 MHz über einen Abstimmbereich von ungefähr 700 MHz bis 3 GHz bereitstellen. Eine Außerband-Signalunterdrückung von mehr als 35 dB ist für einen Bandpassfilter 3. Ordnung (siehe 3) und mehr als 40 dB ist für einen Bandpassfilter 5. Ordnung (siehe 4) erreichbar, wobei sich alle Abstimmkomponenten auf dem abstimmbaren aktiven Einzelchip-Bandpassfilter 100 befinden.

Wie zu erkennen ist kann, während eine Filteranordnung einer 3. Ordnung (3) und einer 5. Ordnung (4) zur Veranschaulichung exemplarischer Ausführungsformen beschrieben wurde, ein Filter beliebiger Ordnung unter Verwendung der Lehren der vorliegenden Offenbarung erzeugt werden. Die exemplarischen Ausführungsformen sind nicht einschränkende Beispiele, die die hinzugefügter Ansprüche unterstützen.

Während mindestens ein exemplarischer Aspekt in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung dargestellt worden ist, sollte darauf hingewiesen werden, dass eine große Anzahl an Variationen existiert. Es versteht sich weiterhin, dass der exemplarische Aspekt bzw. die exemplarischen Aspekte lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Offenbarung in keiner Weise einschränken sollen. Vorstehende ausführliche Beschreibung bietet Fachleuten vielmehr eine zweckmäßige Roadmap zur praktischen Anwendung eines in der Offenbarung angegebenen exemplarischen Aspektes. Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, die in einem exemplarischen Aspekt beschrieben sind, ohne von dem Umfang der Offenbarung abzuweichen, wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.