翻译--为实现低功耗无线接收机的集成射频带通滤波器和振荡器的设计

《翻译--为实现低功耗无线接收机的集成射频带通滤波器和振荡器的设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、实现低功耗无线接收机的集成射频带通滤波器和振荡器的设计威廉B库恩美国堪萨斯州曼哈顿堪萨斯州立大学w.kuhn@ieee.org摘要---全集成的无线接收机需要片上射频/中频带通滤波器和本地振荡器的实现技术。分析表明：如果线上电感允许附加到电路设计中，工作在甚高频到L波段频率范围内的低功率滤波器/振荡器的设计是可以实现的。工作在200Mhz的全集成LC振荡器的雏形已经提出，以及滤波器和振荡器理论的发展表明用于宽带服务的的低功耗全集成的PCS（个人通信业务）接收机可以实现了,例如DECT（数位加强式无线电通讯系统）。I引言由于AMPS/GSM/DECT和其他无线服

2、务芯片集的引入，现代的移动电话和PCS产品的集成化程度越来越高。然而，这些无线设备中含有RF/IF部分的滤波器和本地振荡器电路仍然是片外的，这样就限制了最终产品的大小和成本降低的可能性。由于高功耗、有限的动态范围以及低相位噪声的限制，试图将RF/IF滤波器和本地振荡器集成在硅集成处理工艺中的进展不大。再考虑到接收机部分，这些问题使得许多的设计者转而考虑经典的超外差式接收机的结构。尤其的在最近这些年直接的转换设计越来越受关注，理论上，所有频道的选择都可以通过集成程度较好的低通滤波器来实现。然而这样的设计需要高质量的本地振荡器，并且尤其需要一些位于前端的RF预选滤

3、波器来提高带外的抗干扰性。同样的结论也适用于亚取样的数字接收机结构，在射频段它要额外引入去假频滤波器。在发射机端，需要良好的谱纯度阻止相邻信道的干扰，并且在输出端需要采用带通或是低通滤波器来衰减谐振频率。如果集成电感获准进入IC设计活动，所有这些要求都可以解决。一旦砷化镓MMIC(微波单片集成)设备运行在几个兆赫或是更高频段,集成硅电感就变得越来越可行。随着BiCMOS（双极互补金属氧化物半导体）工作频率范围的提高，无线设备中射频和中频分别向L波段和甚高频的迁移，以及在现代的2-金属和3-金属工艺过程中金属喷镀到基质距离的提高，以上的发展使得集成在硅上应用逐渐

4、的被引用进来。这篇论文首先回顾集成LC滤波器设计理论的最新进展，然后扩展到集成接收机前端的设计，还包括高性能本地振荡器的设计。测量结果基于对用2μmCMOS工艺实现的全集成的200Mhz的本地振荡器的测试并推测2Ghz本地振荡器的设计。最后，这些结果表明一个全集成的、低功耗的PCS接收机是触手可及的。II螺旋电感和集成的LC带通滤波器电感可以使用MMIC设计中的螺旋尺寸通过硅集成工艺来实现。图片1a展示了一个传统的螺旋电感的结构。图片1b展示的改进螺旋电感通常应用在均衡电路中。图片1（a）传统的螺旋电感（b）中心抽头的螺旋电感为了说明现代CMOS工艺可以达到的

5、性能，表I列出了图片1所示传统电感形状的仿真电感值、品质因数和自谐振频率。这些仿真结果是基于集总电路SPICE模型考虑到近似的基质损耗的修正。表I对于各种各样环外大小D和匝数N的仿真电感性能8虽然对比于分布式电感设计，表中显示的Q值非常低，但是对于许多应用像RF低通滤波器、宽带调谐放大器和阻抗匹配网络，他们已经足够了。如果RF预选或者是IF的信道选择需要带通滤波器的小分数带宽，那么可以加入有源Q增大电路，如图2所示。图片2.Q增强的LC带通滤波器电路Rp代表有限Q电感及其相连电路在谐振时的等效并联阻抗，跨导gmn实现负阻抗来抵消这一损失。跨导gmi和gmo提供

6、输入输出缓冲以实现一个完整的二阶带通滤波器设计。高阶滤波器也可以通过使用耦合谐振和类似的电路结构来设计实现。A动态范围分析设计工作在低功耗下高Q电路时主要关注动态范围这一性能。因此，对图2所示电路进行噪声分析并加以简化得出动态范围DR的表达式其中P1dB是Rp在1dB压缩点处的功率，Q0和Q分别是Q提高前和提高后谐振电路的品质因数，BIF是使用滤波器的接收机的中频带带宽，F是gmn和gmi有关的噪声系数，其中gmn和gmi假定值从1到2，kT是波尔兹曼常量乘以开式温度。公式（1）表明通过Q增加，动态范围随着滤波器带宽的变窄而迅速的减小。然而Q的提高过程提供了再

7、生增益，这可以用于无线电接收机设计的开发中。因此，适度的增加Q，无线系统中滤波器的性能可以和集成了片外无源滤波器的传统接收机相比较。8图3传统接收机的前端设计图4集成接收机的前端图3和4展示了两个接收机的前端设计。图3展示的是传统的接收机前端，它包括片外预选、集成的低噪声放大器LNA和图像滤波器。虽然无源滤波器自身可以有很高的动态范围，但是LNA会限制在接收机的预选通带内所允许的最大的信号电平，因此就会在总体上影响系统的动态范围。在这种情况下，DR改写为其中Fop和G分别是LNA的运行噪声系数和增益，P1dB是在放大器输出端测量出的压缩点。把这一表达式和品质因

8、数增强的公式（1）比较，图4揭示了如果