基于伪差分结构跨导器的Gm-C复数滤波器设计

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1、第28卷第2期中国科学院研究生院学报Vol.28No.22011年3月JournaloftheGraduateSchooloftheChineseAcademyofSciencesMarch2011文章编号:1002-1175(2011)02-0235-06*基于伪差分结构跨导器的Gm-C复数滤波器设计1，21111，2钟伦贵，杨海钢，刘飞，高同强，程心(1中国科学院电子学研究所，北京100190;2中国科学院研究生院，北京100049)(

2、2010年4月26日收稿;2010年5月28日收修改稿)ZhongLG，YangHG，LiuF，etal.DesignofaGm-Ccomplexfilterbasedonasimplefrequencytuningcircuit［J］.JournaloftheGraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences，2011，28(2):235-240.摘要提出了一种可以灵活配置共模反馈模块的伪差分结构跨导器.跨导器具有高线性度以及高输入动态范围，输入输出共模可以设置在同一电平，能方便用于滤波器级联设计.

3、提出了一种频率控制方法，用于实现复数滤波器中心频率的自动调节.该频率调谐电路主要由基本数字电路和一个振荡器构成，与传统的锁相环结构相比，更加适合在低功耗应用场合.基于该方法，设计了一个3阶巴特沃斯Gm-C复数滤波器并采用Chrt35dg2P4MCMOS工艺进行流片.试验结果表明，该滤波器能够达到足够的镜像抑制能力来满足IEEE802.15.4协议的要求.关键词复数滤波器，频率调谐，Gm-C，跨导器中图分类号TN432复数滤波器是低中频接收机中的一个重要模块，作为正交混频器的后级电路，其镜像抑制能力直接［1］影响到接收机的性能.随着CMO

4、S工艺技术的发展，滤波器和其他射频电路系统模块一起进行单片［2］集成渐渐成为主流.在单片集成的复数滤波器中，需要考虑到功耗与镜像抑制能力的平衡，以适应各［3］种无线通信标准协议对低功耗和镜像抑制能力的要求.针对低功耗应用场合，与常见的运算放大器［4］结构(active-RC)滤波器相比，Gm-C滤波器是一种较为合适的选择，特别是多积分器环路结构的Gm-［5］C滤波器，特别适合用来设计集成复数滤波器.传统的Gm-C滤波器，其跨导器通常采用全差分结构以增强共模抑制能力，改善失真性能.然而，为了确定共模高阻节点的电压以及抑制其他模块产生的共模

5、信号，全差分结构需要增加额外的共模反馈［6］电路，这会导致功耗增加，电路变得复杂.基于此，本文提出了一种可以灵活配置共模反馈模块的伪差分结构跨导器，该跨导器内部自带共模前馈和共模反馈，可以减少普通跨导器电路所需要的额外共模反馈电路引入的功耗;而且，由于该跨导器的本级共模前馈可以作为上一级的共模反馈使用，可以方便地实现滤波器的级联.为克服工艺误差所导致的中心频率偏移，复数滤波器的设计一般还需要加上频率调谐电路进行中［7］［8］心频率的控制.传统的方法是采用锁相环技术，或者采用调节电阻电容的办法，前者的缺点是电路比较复杂，振荡器起振条件不容

6、易满足，而后者则保证不了精度.本文提出了一种基于简单调谐电路的频率控制方法，基于基本的数字电路进行控制就可以方便地调节复数滤波器的中心频率，而不增加设计复杂度.*国家863高技术研究发展计划课题(2008AA010701)资助通讯联系人，E-mail:yanghg@mail.ie.ac.cn236中国科学院研究生院学报第28卷1基于伪差分结构的跨导器设计全差分跨导器需要额外的共模反馈环路来确定不同高阻节点的共模电平，并抑制其他模块产生的共模信号，不仅增加电路功耗，还可能引入稳定性问题.同时，全差分结构的跨导器由于有尾电流源，输入的动态

7、范围会受到限制，不适合在低电源电压场合下应用.而伪差分结构的跨导器可以避开上述缺点，其代价是共模抑制能力较弱.如图1所示的伪差分结构跨导器，引入了共模前馈技术，其中NM3，NM4，PM3，PM4提供共模前馈.假设PM3～PM6尺寸相同，NM1～NM6尺寸相同，则输入信号产生的2路电流I1，I2，经过共模前馈后，由PM5，PM6形成共模电流(I1+I2)/2，在输出端，2路输出电流分别为(I2－I1)/2，(I1－I2)/2.由此可以推导得到跨导器的差模增益如式(1)，其中Cy为Vy节点的所有寄生电容.ggnmpm11G=g=，(1)mp

8、m1gnm+sCy1+s/ωy1(1)式表明，由该跨导构成的积分器的额外相移为－1ΔΦ=－tan(ω/ωy).(2)对于低阶滤波器而言，跨导器的额外相移并不会造成很大的影响.设计时只需要尽量减小Vy节点的寄