Brevet FR2835667A1 — publié le 20030808

Procédé de réglage de la fréquence de coupure d'un système électronique de filtrage, et système correspondant. L'invention concerne les systèmes électroniques de filtrage, et plus particulièrement leur calibration, c'est-à-dire le réglage de leur fréquence de coupure. L'invention s'applique avantageusement mais non limitativement aux systèmes de communication sans fil, et plus particulièrement aux téléphones mobiles cellulaires dont la chaîne de réception et d'émission incorpore des dispositifs de filtrage. Dans les circuits de réception des téléphones mobiles cellulaires, après conversion du signal analogique haute fréquence en un signal basse fréquence, il est impératif de filtrer celui-ci pour ne conserver que l'information utile. Dans les récepteurs à conversion directe, ce filtrage est réalisé par des filtres passe-bas. Or, il est impératif que la fréquence de coupure soit connue avec une bonne précision. Et, dans les systèmes intégrés, cette fréquence de coupure peut varier jusqu'à 30%, une telle variation étant liée notamment au process de fabrication et à la température de fonctionnement. Il peut alors en résulter, lors du fonctionnement du téléphone, une perte du signal utile si la fréquence de coupure diminue trop fortement, ou bien une dégradation du signal utile due à une mauvais rejet ( rejection ) des brouilleurs si la fréquence de coupure augmente trop fortement. C'est la raison pour laquelle il convient de calibrer le filtre, c'est-à-dire d'ajuster la fréquence de coupure du filtre sur une valeur connue, en l'espèce la fréquence de coupure théorique, avec une plus grande précision. Actuellement, pour effectuer cette calibration, on peut utiliser une boucle à verrouillage de phase dont l'oscillateur est réalisé avec des éléments analogues à ceux du filtre à calibrer, en particulier un réseau résistif-capacitif. La calibration du filtre s'effectue alors en calibrant l'oscillateur, et en appliquant la même correction sur l'oscillateur et sur le filtre, par exemple en commutant des capacités du réseau résistif-capacitif. Or, il existe toujours une erreur d'appariement ( matching , en langue anglaise) entre la boucle à verrouillage de phase externe et le filtre à calibrer. En conséquence, la correction déterminée sur la boucle à verrouillage de phase externe au filtre, et appliquée sur le filtre luimême, n'est pas exacte en raison de cette erreur d'appariement. Par ailleurs, la présence de cette erreur d'appariement laisse très peu de marge d'imprécision dans la réalisation technologique du reste du circuit intégré, ce qui est particulièrement pénalisant lorsque la fréquence de coupure doit être ajustée avec une tolérance faible, légèrement supérieure à l'erreur d'appariement. Enfin, la présence d'une boucle à verrouillage de phase externe pour la calibration augmente la surface du circuit intégré, ce qui a un impact sur le coût de réalisation et l'encombrement. L'invention vise à apporter une solution à ces problèmes. Un but de l'invention est de proposer un système de filtrage dont la calibration ne soit pas entachée d'erreur d'appariement. L'invention a également pour but de proposer un système de filtrage dont la contrainte de calibration ne nécessite qu'une très faible augmentation de la surface de silicium. L'invention propose donc un procédé de commande du fonctionnement d'un dispositif de filtrage à phase monotone, ayant une fréquence de coupure théorique. Un dispositif de filtrage à phase monotone est par exemple un filtre passe-haut ou bien un filtre passebas. Selon l'invention, ce procédé de commande comporte une phase de calibration dans laquelle on fait fonctionner le dispositif de filtrage en oscillateur, on détermine la fréquence d'oscillation du dispositif de filtrage, et on corrige les caractéristiques du dispositif de filtrage compte tenu de la fréquence d'oscillation déterminée et d'une relation pré-établie entre la fréquence d'oscillation et la fréquence de coupure théorique, de façon à conférer au dispositif de filtrage une fréquence de coupure égale à la fréquence de coupure théorique à une tolérance près. Par ailleurs, le procédé de commande comporte une phase de travail dans laquelle le dispositif de filtrage réalise sa fonction de filtrage. En d'autres termes, l'invention prévoit d'utiliser le dispositif de filtrage lui-même en oscillateur. On n'utilise donc aucun dispositif externe pour la calibration, et par conséquent on supprime toute erreur d'appariement entre un tel dispositif externe et le dispositif de filtrage lui-même. Lorsque le dispositif de filtrage a un ordre supérieur ou égal à 3, on fait fonctionner le dispositif de filtrage en oscillateur en le rebouclant sur lui-même avec une inversion de phase. En effet, lorsque l'ordre est supérieur ou égal à 3, l'évolution de la phase du filtre en fonction de la fréquence est telle qu'il existe une valeur fréquentielle pour laquelle la phase du filtre est égale à +180 ou-180 , ce qui autorise son oscillation. Par contre, lorsque le dispositif de filtrage a un ordre inférieur à 3, par exemple un ordre 2, la valeur de 180 ou de-180 ne peut jamais être atteinte pour quelque valeur de fréquence que ce soit. En conséquence, pour permettre l'oscillation du dispositif de filtrage, et par conséquent sa calibration, on connecte alors avantageusement en série au dispositif de filtrage, un dispositif auxiliaire de filtrage identique. Et, on fait fonctionner l'ensemble formé des deux dispositifs de filtrage en oscillateur en rebouclant cet ensemble sur lui-même avec inversion de phase. Ceci permet de calibrer le dispositif de filtrage. Lorsque l'entrée du dispositif de filtrage est une masse virtuelle, c'est-à-dire lorsque le dispositif de filtrage est par exemple formé d'un amplificateur opérationnel, on pilote avantageusement le rebouclage avec un courant injecté sur la masse virtuelle du dispositif de filtrage, de façon à ajuster l'amplitude des oscillations. Ainsi, on choisira avantageusement la valeur du courant de manière à ce que le filtre travaille dans la zone de fonctionnement linéaire. Lorsque la fréquence de coupure du dispositif de filtrage est définie par un réseau résistif-capacitif, on corrige avantageusement les caractéristiques du dispositif de filtrage en modifiant la valeur capacitive du réseau résistif-capacitif. L'invention a également pour objet un système électronique de filtrage, comportant - un dispositif de filtrage à phase monotone ayant une fréquence de coupure théorique, - des premiers moyens commandables connectés au dispositif de filtrage et capables d'être activés ou désactivés en réponse à un signal de commande, de façon à faire fonctionner le dispositif de filtrage en oscillateur lorsqu'ils sont activés, le dispositif de filtrage réalisant sa fonction de filtrage lorsque les premiers moyens sont désactivés, des moyens de mesure aptes à déterminer la fréquence d'oscillation du dispositif de filtrage, des moyens de correction aptes à corriger les caractéristiques du dispositif de filtrage compte tenu de la fréquence d'oscillation déterminée et d'une relation préétablie entre la fréquence d'oscillation et la fréquence de coupure théorique, de façon à conférer au dispositif de filtrage une fréquence de coupure égale à la fréquence de coupure théorique à une tolérance près, et des moyens de commande aptes à délivrer le signal de commande. Selon un mode de réalisation dans lequel le dispositif de filtrage a un ordre supérieur ou égal à 3, les premiers moyens comportent un étage de rebouclage avec inversion de phase connecté entre la sortie et l'entrée du dispositif de filtrage. Selon un mode de réalisation dans lequel le dispositif de filtrage a un ordre inférieur à 3, les premiers moyens comportent un étage de rebouclage avec inversion de phase connecté entre la sortie et l'entrée du dispositif de filtrage, cet étage de rebouclage comportant un dispositif auxiliaire de filtrage identique audit dispositif de filtrage, les deux dispositifs de filtrage étant connectés en série. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'entrée du dispositif de filtrage est une masse virtuelle et l'étage de rebouclage comporte des moyens aptes à piloter le rebouclage avec un courant de façon à ajuster l'amplitude des oscillations. Selon un mode de réalisation, le dispositif de filtrage présente une structure différentielle et comporte un amplificateur opérationnel différentiel, et les moyens de pilotage comportent une paire différentielle de transistors, par exemple à effet de champ à grilles isolées, dont les sources ou émetteurs respectives sont reliées, dont les grilles ou bases respectives sont reliées aux deux sorties de l'amplificateur différentiel, et dont les drains ou collecteurs respectifs sont reliés aux deux entrées de l'amplificateur différentiel, et une source de courant capable d'être activée ou désactivée en réponse au signal de commande, et connectée aux sources des deux transistors. L'invention a également pour objet un terminal distant d'un système de communication sans fil, par exemple un téléphone mobile cellulaire, incorporant un système de filtrage tel que défini ci-avant. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation et de mise en oeuvre, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre, de façon schématique, une chaîne de réception d'un téléphone mobile cellulaire incorporant un système de filtrage selon l'invention ; - la figure 2 illustre, plus en détail mais toujours schématiquement, un mode de réalisation d'un système de filtrage selon l'invention ; et - la figure 3 illustre, plus en détail mais toujours schématiquement, une partie du système de filtrage de la figure 2. Sur la figure 1, la référence TP désigne un téléphone mobile cellulaire comportant, de façon classique, une antenne ANT suivie d'une chaîne de réception comportant en-tête un amplificateur faible bruit LNA. En aval de l'amplificateur LNA, sont connectés deux mélangeurs MIX1, MIX2, recevant respectivement deux signaux d'oscillateur local, mutuellement déphasés de 90 , et respectivement référencés OSC1 et OSC2. Ces deux mélangeurs effectuent une transposition en bande de base du signal issu de l'amplificateur LNA. On parle alors d'un récepteur à conversion directe ou à fréquence intermédiaire nulle. Les deux voies de traitement sont alors en quadrature de phase et sont respectivement dénommées par l'homme du métier voie I et voie Q . De façon classique, chaque voie de traitement comporte un amplificateur à gain commandé AGC1, AGC2, encadré par des filtres passe-bas FF10 et FF11 d'une part, et FF20 et FF21, d'autre part. La chaîne de réception analogique se termine par un étage de conversion analogique-numérique CAN qui forme l'entrée d'un bloc numérique de traitement BN, qui comporte notamment des moyens de traitement tels qu'un processeur PR, effectuant notamment la démodulation ainsi que des traitements classiques de décodage de canal. On va maintenant décrire, en se référant plus particulièrement aux figures 2 et suivantes, l'un de ces systèmes de filtrage, en l'espèce le système de filtrage FF10, étant bien entendu que les autres systèmes de filtrage ont une structure identique. Sur la figure 2, on a représenté une structure différentielle, étant bien entendu que l'invention s'applique également à une structure à entrée unique. Le système de filtrage FF10, avantageusement réalisé de façon intégré sur une puce de silicium, comporte un dispositif de filtrage proprement dit, formé ici d'un filtre actif, comportant un amplificateur opérationnel différentiel AOP associé de façon classique à un réseau résistif-capacitif RC permettant de définir sa fréquence de coupure. Le dispositif de filtrage est rebouclé sur lui-même par un étage de rebouclage ETRB, comportant ici un transducteur formé d'une paire différentielle de transistors à effet de champ à grilles isolées (transistors MOS) par exemple à canal N, et respectivement référencé MN1 et MN2, ainsi que d'une source de courant SC, pouvant être activée ou désactivée par un signal de commande EN. Plus précisément, les grilles respectives du transistor MN1 et MN2 sont reliées aux deux sorties de l'amplificateur opérationnel AOP, tandis que les drains respectifs de ces transistors sont reliés aux deux entrées de l'amplificateur AOP. Les sources des deux transistors sont reliées ensemble à la sortie de la source de courant SC. On suppose ici que l'ordre du filtre est supérieur ou égal à 3, par exemple égal à 4. En conséquence, le diagramme représentant l'évolution monotone de la phase du filtre en fonction de la fréquence, présente un point fréquentiel pour lequel la phase du filtre passe-bas passe par-180 ). En conséquence, ce filtre est capable d'osciller lorsqu'il est par exemple rebouclé sur lui-même avec une inversion de phase. Bien que ce rebouclage avec inversion de phase puisse s'effectuer directement entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur opérationnel, il est préférable d'adopter le montage illustré sur la figure 2, dans lequel la paire différentielle de transistor MOS assure une inversion de phase. Par ailleurs, l'entrée du filtre, c'est-à-dire en l'espèce l'entrée différentielle d'amplificateur opérationnel AOP étant une masse virtuelle, c'est-à-dire présentant une très forte impédance d'entrée, on peut piloter cette entrée avec le courant délivré par la source de courant SC, et ce sans modifier la caractéristique du filtre. La valeur du courant délivré par la source de courant SC, permet de déterminer l'amplitude de l'oscillation du filtre. Cette valeur de courant sera choisie de manière à ce que le filtre travaille dans la zone de fonctionnement linéaire. L'oscillation va être entretenue par l'injection du courant délivré par la source de courant SC, alternativement dans les deux branches de la paire différentielle des transistors MOS. L'invention utilise ici, notamment, le fait qu'un filtre d'ordre n déphase de n ? i :/4 à la fréquence de coupure. En d'autres termes, lorsque le filtre a un ordre égal à 4, par exemple, il déphase de +/-TE à la fréquence de coupure. En d'autres termes, la fréquence d'oscillation du filtre est alors théoriquement sa fréquence de coupure. Le système de filtrage, selon l'invention, comporte alors des moyens de mesure MM destinés à déterminer la fréquence d'oscillation du filtre, et des moyens de correction MCR aptes à corriger les caractéristiques du dispositif de filtrage, c'est-à-dire, en l'espèce, la valeur capacitive du réseau capacitif RC, compte tenu de la fréquence d'oscillation déterminée et d'une relation pré-établie entre la fréquence d'oscillation et la fréquence de coupure théorique, de façon à conférer au dispositif de filtrage une fréquence de coupure égale à la fréquence de coupure théorique à une tolérance près. Un mode de réalisation de ces moyens de mesure MM et de ces moyens de correction MCR, est illustré schématiquement sur la figure 3. Ainsi, on voit que ces moyens de mesure MM comportent, par exemple, en-tête un comparateur CMP connecté aux deux sorties de l'amplificateur opérationnel AOP. Ce comparateur CMP effectue une mise en forme du signal de sortie et délivre un signal carré SCA. Des premiers moyens de traitement MT1 recevant, d'une part, le signal SCA et, d'autre part, un signal d'horloge de référence CLKR, vont compter le nombre de périodes du signal d'horloge de référence CLKR entre deux fronts montants successifs du signal SCA. Ceci va permettre de déterminer la fréquence d'oscillation. En pratique, le signal de sortie délivré par les moyens de traitement MT1, qui peuvent être par exemple réalisés au moyen d'un compteur et de portes logiques, est un mot numérique MN3, par exemple sur 9 bits, représentatif du rapport entre la fréquence d'oscillation et la fréquence du signal d'horloge de référence. Les moyens de correction MCR comportent, par exemple, une mémoire stockant une table de correction préétablie TAB définissant, compte tenu de l'ordre du filtre et de sa fréquence de coupure théorique, la correction à apporter pour chaque mot MN3 reçu en entrée de deuxièmes moyens de traitement MT2. En pratique, les deuxièmes moyens de traitement comportent des moyens logiques d'adressage qui vont adresser la mémoire TAB avec chaque mot MN3 reçu pour en extraire un mot de correction SCR sur N bits (4, par exemple). Ce mot SCR va ensuite être délivré au réseau résistif-capacitif RC pour commuter ou non un certain nombre de capacités de ce réseau RC, de façon à modifier ou non la valeur capacitive de ce réseau RC en fonction du mot de correction SCR. La fréquence d'oscillation du filtre va ainsi pouvoir être ajustée, de façon à se rapprocher de la fréquence de coupure théorique à une tolérance près. Lorsque cette phase de calibration est terminée, des moyens de commande, qui peuvent être par exemple incorporés au sein du processeur en bande de base PR, désactivent alors la source de courant SC par l'intermédiaire du signal EN. De ce fait, le dispositif de filtrage n'oscille plus et réalise sa fonction de filtrage. A cet égard, il convient de noter que lorsque la source de courant SC est désactivée, l'amplificateur opérationnel AOP reste rebouclé par l'intermédiaire des capacités grilles/drains des transistors MOS MN1 et MN2. De ce fait, et afin de ne pas perturber la fonction de filtrage par ce rebouclage, on choisira avantageusement des transistors MOS de petite taille de façon à minimiser la valeur des capacités grilles/drains. L'homme du métier saura dimensionner les transistors MOS MN1 et MN2 à cet égard, de façon à ne pas perturber le dispositif de filtrage dans sa fonction de filtrage par un rebouclage éventuel du signal de filtrage via les capacités grilles/drains. En variante, il serait possible d'adjoindre à ce mode de réalisation un étage du type cascode entre les transistors MOS MN1 et MN2 et les entrées de l'amplificateur opérationnel AOP, de façon à réaliser dans la phase de travail du filtre, une isolation vis-à-vis des capacités grilles/drains des transistors MOS MN1 et MN2. En pratique, lorsque le système de filtrage est incorporé dans un téléphone mobile cellulaire par exemple, la phase de calibration s'effectuera avantageusement lors de la mise en marche du téléphone mobile cellulaire, et éventuellement ultérieurement en réponse à un signal de commande délivré par le processeur en bande de base PR. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et de mise en oeuvre qui viennent d'être décrits, mais en embrasse toutes les variantes. Ainsi, si l'ordre du filtre est égal à 4 ou est un multiple de 4, le filtre oscille à sa fréquence de coupure. Ce n'est pas le cas lorsque l'ordre du filtre, tout en étant supérieur ou égal à 3, est différent de 4 ou d'un multiple de 4. Dans ce cas, le filtre oscille à une fréquence différente de la fréquence de coupure, et qui dépend du coefficient de qualité du filtre. Ce coefficient de qualité étant connu, il convient alors d'en tenir compte dans la table de correction TAB contenue dans la mémoire des moyens de correction. Si l'ordre du filtre est inférieur à 3, par exemple égal à 2, on disposera alors pour la phase de calibration un autre filtre identique au filtre à calibrer, en série avec ce filtre à calibrer. En pratique, dans le cas d'un téléphone mobile cellulaire par exemple, puisque l'on dispose de deux voies de traitement 1 et Q, on connectera avantageusement en série, dans la phase de calibration, les deux filtres homologues respectivement situés sur les deux voies de traitement 1 et Q, par exemple les filtres FF10 et FF20. Cet ensemble de deux filtres sera alors rebouclé sur lui-même par l'intermédiaire de l'étage de rebouclage ETRB par exemple, de façon à osciller. Les deux filtres seront alors calibrés simultanément. Par ailleurs, afin de faciliter le démarrage de l'oscillation, on peut prévoir de connecter temporairement sur l'un des drains des transistors MN1 et MN2, une source de courant supplémentaire injectant au démarrage un courant supplémentaire dans l'une des branches de la paire différentielle, de façon à déséquilibrer le système et favoriser ainsi le démarrage de l'oscillation. L'invention a été par ailleurs décrite ici avec un filtre dit passe-bas . Bien entendu, elle peut s'appliquer à un filtre de type passe-haut . L'invention peut également s'appliquer successivement à un filtre passe-haut et à un filtre passe-bas, connectés en série et formant ensemble un filtre passe-bande. Enfin, bien que l'on ait décrit ici un filtre avec un réseau résistif-capacitif, l'invention s'applique également à un filtre ayant un réseau inductif-capacitif. REVENDICATIONS 1-Procédé de commande du fonctionnement d'un dispositif de filtrage à phase monotone ayant une fréquence de coupure théorique, comportant une phase de calibration dans laquelle on fait fonctionner le dispositif de filtrage (FF10) en oscillateur, on détermine la fréquence d'oscillation du dispositif de filtrage, et on corrige les caractéristiques du dispositif de filtrage compte tenu de la fréquence d'oscillation déterminée et d'une relation préétablie entre la fréquence d'oscillation et la fréquence de coupure théorique, de façon à conférer au dispositif de filtrage une fréquence de coupure égale à la fréquence de coupure théorique à une tolérance près, et une phase de travail dans laquelle le dispositif de filtrage réalise sa fonction de filtrage. 2-Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lorsque le dispositif de filtrage (FF10) a un ordre supérieur ou égal à 3, on fait fonctionner le dispositif de filtrage en oscillateur en le rebouclant sur lui-même avec une inversion de phase, et par le fait que lorsque le dispositif de filtrage a un ordre inférieur à 3, on connecte en série au dispositif de filtrage un dispositif auxiliaire de filtrage identique (FF20), et on fait fonctionner l'ensemble formé des deux dispositifs de filtrage en oscillateur en rebouclant cet ensemble sur lui-même avec inversion de phase. 3-Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'entrée du dispositif de filtrage est une masse virtuelle, et par le fait qu'on pilote le rebouclage avec un courant injecté sur ladite masse virtuelle de façon à ajuster l'amplitude des oscillations. 4-Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la fréquence de coupure du dispositif de filtrage est définie par un réseau résistif-capacitif (RC), et par le fait qu'on corrige les caractéristiques du dispositif de filtrage en modifiant la valeur capacitive du réseau résistif-capacitif. 5-Système électronique de filtrage, caractérisé par le fait qu'il comporte - un dispositif de filtrage à phase monotone (FF10) ayant une fréquence de coupure théorique, des premiers moyens commandables (ETRB) connectés au dispositif de filtrage et capables d'être activés ou désactivés en réponse à un signal de commande, de façon à faire fonctionner le dispositif de filtrage en oscillateur lorsqu'ils sont activés, le dispositif de filtrage réalisant sa fonction de filtrage lorsque les premiers moyens sont désactivés, des moyens de mesure (MM) aptes à déterminer la fréquence d'oscillation du dispositif de filtrage, - des moyens de correction (MCR) aptes à corriger les caractéristiques du dispositif de filtrage compte tenu de la fréquence d'oscillation déterminée et d'une relation préétablie entre la fréquence d'oscillation et la fréquence de coupure théorique, de façon à conférer au dispositif de filtrage une fréquence de coupure égale à la fréquence de coupure théorique à une tolérance près, et - des moyens de commande (PR) aptes à délivrer le signal de commande (EN). 6-Système selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le dispositif de filtrage a un ordre supérieur ou égal à 3, et par le fait que les premiers moyens comportent un étage de rebouclage avec inversion de phase (ETRB) connecté entre la sortie et l'entrée du dispositif de filtrage. 7-Système selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le dispositif de filtrage a un ordre inférieur à 3, et par le fait que les premiers moyens comportent un étage de rebouclage avec inversion de phase (ETRB) connecté entre la sortie et l'entrée du dispositif de filtrage, cet étage de rebouclage comportant un dispositif auxiliaire de filtrage identique audit dispositif de filtrage, les deux dispositifs de filtrage étant connectés en série. 8-Système selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que l'entrée du dispositif de filtrage est une masse virtuelle, et par le fait que l'étage de rebouclage comporte des moyens (SC, MN1, MN2)) aptes à piloter le rebouclage avec un courant injecté sur ladite masse virtuelle de façon à ajuster l'amplitude des oscillations. 9-Système selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le dispositif de filtrage présente une structure différentielle et comporte un amplificateur opérationnel différentiel (AOP), et par le fait que les moyens de pilotage comportent une paire différentielle de transistors (MN1, MN2), dont les sources ou émetteurs respectives sont reliées, dont les grilles ou bases respectives sont reliées aux deux sorties de l'amplificateur différentiel, et dont les drains ou collecteurs respectifs sont reliés aux deux entrées de l'amplificateur différentiel, et une source de courant (SC) capable d'être activée ou désactivée en réponse au signal de commande, et connectée aux sources des deux transistors. 10-Système selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé par le fait que le dispositif de filtrage comporte un réseau résistifcapacitif (RC) définissant la fréquence de coupure, et par le fait que les moyens de corrections sont aptes à corriger les caractéristiques du dispositif de filtrage en modifiant la valeur capacitive du réseau résistif-capacitif. 11-Système selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé par le fait qu'il est réalisé sous forme d'un circuit intégré. 12-Terminal distant d'un système de communication sans fil, en particulier téléphone mobile cellulaire, caractérisé par le fait qu'il incorpore un système de filtrage selon l'une des revendications 5 à 11.