复数滤波器及其自动频率调谐电路设计

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1、复数滤波器及其自动频率调谐电路设计复数滤波器及其自动频率调谐电路设计　　近年来，随着CMOS技术的快速发展，越来越多的射频接收机采用单芯片设计以减小功耗和成本.其中零中频和低中频结构是两种比较流行的射频接收机结构，零中频接收机由于受到直流失调，闪烁噪声等因素的影响限制了性能[1].在电路设计时需要额外的电路来消除这些影响，这无疑增加了系统的复杂度和功耗.相比较而言，低中频接收机没有这些因素的影响，因此得到广泛的应用.但低中频接收机存在镜像干扰，需要对其进行抑制[2].　　通常在混频器之后接入有源复数滤波器，实现对镜像信号的抑制.有源滤波器主要分为ActiveRC和GmC两种.Acti

2、veRC滤波器在稳定性、动态范围及灵敏度等方面有一定优势，但在频率较高的情况下，其对运放的单位增益带宽有很高的要求，这极大地增加了功耗和面积，因此ActiveRC滤波器不适合高频应用[3].GmC复数滤波器由于其开环特性，功耗低，则适合高频应用.然而，GmC滤波器对CMOS工艺偏差和温度极其敏感，这影响了滤波器的频率准确度，频率偏差最大可以达到20%～50%，在绝大多数情况下这是不允许的.所以，对于集成有源滤波器，通常还需要设计频率自动调谐电路，以补偿由于工艺偏差、温度变化等因素带来的滤波器频率参数的变化[4-6].　　湖南大学学报(自然科学版)XX年　　第8期曾健平等：一种46MH

3、zGmC复数滤波器及其自动频率调谐电路设计　　对于GmC复数滤波器，非理想效应影响滤波器的性能：寄生电容限制了中心频率和带宽;运算跨导放大器(OTA)有限的输出阻抗影响增益;寄生极点零点影响滤波器的稳定性和平坦度;这些都限制了GmC复数滤波器在高频场合的应用.目前，GmC复数滤波器主要应用在中频为20MHz以下的接收机系统中，对于中频大于20MHz的应用罕有报道.本文针对系统对高中频、宽带、高平坦度、高镜像抑制和带外抑制以及低功耗的要求，提出了一种中频为46MHz的GmC复数滤波器，探讨了高中频、宽带、高平坦度和低功耗复数滤波器的设计方法.　　1复数滤波器结构　　本文中复数滤波器由七

4、阶梯形低通滤波器组合而成，这种结构的优势是滤波器灵敏度低，元件值的变化对滤波器的通带特性影响较小.七阶梯形低通滤波器原型如图1所示，为了得到有源滤波器，需将这里的3个电感和2个电阻分别用跨导和电容进行等效替换.其等效替换公式为：　　L=C/G2mL.(1)　　电阻可以用跨导进行等效，其等效替换公式为：　　R=1/GmR.(2)　　本文设计的七阶GmC复数滤波器，如图2所示.图2中，GmC的作用是将输入的电压信号转变为电流信号，Gmif的作用是对低通传递函数进行线性频移.中心频率的表达式为：　　ωif=Gmif/C.(3)　　为了解决工艺和温度变化对滤波器中频和带宽带来的影响，滤波器设

5、计成可调谐的.由滤波器的频率关系可知，通过调谐GmC和Gmif来调谐中频和带宽，也可以通过调谐电容C的值来进行调谐.前者由于其调谐范围小，故应用受到一定的限制[7-8].本文采用调谐电容的方式进行频率调谐.所有的电容皆设计成如图3所示的6bit电容阵列，通过6bit开关控制接入到电路的总电容来调谐滤波器的频率.　　在高频的应用中，有源滤波器的相位错误在极点和零点频率处尤为敏感.在实际应用中，寄生极点至少应为滤波器截止频率的100倍[9]，这对OTA的设计提出了很高的挑战.为了解决上述问题，提出了一种OTA，如图4所示，该OTA在信号主通路上没有多余的内部节点，其寄生极点可以设计得很高

6、，适合高频应用.同时在输入管源级跨接两个偏置在线性区的MOS管来提高线性度[10].　　图4中，M1～M4构成跨导单元，其总跨导gm可表示为：　　gm=io1-io2Vd=21/gm1+1/gm2+rds3‖rds4.(4)　　式中：gm1和gm2分别为M1和M2的小信号跨导;rds3和rds4分别为M3和M4的小信号源漏电阻.由于M3和M4工作在线性区，rds3和rds4可由公式(5)给出：　　rds3=rds4=12k3VGS1-Vtn.(5)　　当输入电平升高时，rds3和rds4减小，正好趋向于抵消gm1和gm2的减小.因此能够维持总跨导的恒定.假设：　　k1，k2，k3，…

7、，ki=μnCox2WLi.(6)　　则总的等效跨导可表示为：　　gm0=4k3k1+4k3k1Iss.(7)　　不同的k1/k3，跨导有不同的线性度[11].根据实际情况，往往需要在线性度和功耗间进行折中.为了降低功耗，本文选择k1/k3=2，以获得足够的线性度.在±100mV的输入信号变化下，跨导值变化小于%.　　全差分跨导能够抑制偶次谐波，具有够高的电源抑制比.但需要共模反馈电路稳定其输出电平，图4中虚线部分为共模反馈(CMFB)电路.该电路通过M1