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基于OTA的有源Gm-C復(fù)數(shù)帶通濾波器的設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2008-06-20 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
0 引言

在射頻前端芯片的設(shè)計(jì)中,高集成度成為設(shè)計(jì)師們關(guān)注的焦點(diǎn)。就目前射頻前端芯片來說,實(shí)現(xiàn)中頻濾波器的片上集成是提高芯片集成度的最有效手段,濾波器就是一種可集成具有較高性能的濾波器。

濾波器的實(shí)現(xiàn)方式有很多種,常見的結(jié)構(gòu)主要有Biquad結(jié)構(gòu)、Gyrator結(jié)構(gòu)和Leapfrog結(jié)構(gòu)。Biquad結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于調(diào)諧,但是階數(shù)較低,Q值不夠高,一般在3左右。Leapfrog結(jié)構(gòu)受Gm單元直流偏移的影響很小,但是設(shè)計(jì)過程較為繁瑣。本文采用Gyrator結(jié)構(gòu),其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單,電路原理清晰,有較好的電性能,但Gyrator對(duì)浮地電容的復(fù)數(shù)變換在很多文獻(xiàn)中都沒有詳細(xì)的介紹和論證,在橢圓函數(shù)復(fù)數(shù)濾波器的設(shè)計(jì)中會(huì)遇到很大困難。筆者對(duì)一些類似的變換結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,經(jīng)過對(duì)電容傳輸函數(shù)的推導(dǎo),總結(jié)出浮地電容的復(fù)數(shù)變換理論和方法。

1 Gm-C低通濾波器的設(shè)計(jì)

首先介紹一種浮地電感,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

即此結(jié)構(gòu)的輸入輸出電壓電流特性等效為一個(gè)差分的浮地電感,可以利用這一特性,將LC原型濾波器中的電感進(jìn)行替換,從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)只含有和電容的濾波器。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)帶寬為1 MHz、30 dB阻帶起始頻率為3 MHz的橢圓函數(shù)低通濾波器,通帶波紋為0.5 dB,并且要求濾波器具有一定的增益。

通過ADS(advanced design system)所提供的濾波器設(shè)計(jì)功能,得到如圖2所示的低通原型濾波器。

根據(jù)濾波器實(shí)際的輸入輸出阻抗換算出各電抗元件的實(shí)際值,然后將電路中的電感用上面提到的有源電感進(jìn)行替換,得到如圖3所示的結(jié)構(gòu)。

圖中左邊第二個(gè)和最右邊的即等效為輸入輸出電阻,左邊第一個(gè)為輸入緩沖放大器,用來消除輸入信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)濾波器的影響并給電路提供適當(dāng)?shù)脑鲆?,可以并?lián)多個(gè)OTA增大其輸出電流,獲得較高的增益。通過推導(dǎo)可以得到

即濾波器的Q值正比于輸入輸出跨導(dǎo),反比于有源電感的跨導(dǎo)的平方。所以,在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)當(dāng)盡量增大輸入輸出OTA的跨導(dǎo)值,可以通過并聯(lián)N個(gè)OTA的方式實(shí)現(xiàn),總的跨導(dǎo)值即為N?Gm,這里選擇將8個(gè)OTA并聯(lián)作為輸入輸出阻抗。

在ADS環(huán)境下,AC仿真的結(jié)果如圖4所示。

圖4所示的兩條AC響應(yīng)曲線幾乎重合,分別為原型濾波器和濾波器,可見,兩者有非常好的一致性。如果輸入輸出OTA的跨導(dǎo)選擇過小,濾波器的Q值將很低,則帶內(nèi)波動(dòng)會(huì)很大。

2 復(fù)數(shù)的設(shè)計(jì)

在研究的設(shè)計(jì)問題之前,需要清楚有關(guān)復(fù)數(shù)濾波器的問題。在實(shí)數(shù)濾波器中,是不存在負(fù)頻率的,但是當(dāng)引入復(fù)數(shù)域的概念之后,負(fù)頻率就被引入進(jìn)來,實(shí)數(shù)濾波器在負(fù)頻率上的頻率響應(yīng)與正頻率是對(duì)稱的,這一點(diǎn)從拉普拉斯變換角度很容易理解。所以對(duì)于上面給出的低通濾波器來說,它在復(fù)頻域上的頻率響應(yīng)就是一個(gè)帶通的形狀,其中心頻率在零頻上,帶寬為2 MHz。將這個(gè)中心頻率在零頻的進(jìn)行一下頻率搬移,就可以獲得一個(gè)中心頻率在某一需要的頻率上的帶通濾波器。

用一個(gè)電容為例簡(jiǎn)要說明在復(fù)頻域中進(jìn)行頻率搬移的方法,如圖5所示。

用電路來實(shí)現(xiàn)就如圖5右邊所示,其中Gm=ω0C。在Gm-C濾波器中,無源元件僅存在電容,有源OTA對(duì)濾波器的復(fù)數(shù)變換不產(chǎn)生影響,所以只需要將電容進(jìn)行頻率搬移。另外,上面的方法僅適用于接地電容,對(duì)于濾波器中的浮地電容有不同的變換方法,具體如圖6所示。

為了更容易理解,這里計(jì)算流過電容的電流。對(duì)于電容C,其兩端電壓分別為V1和V2,則流過它的電流可以表示為

由此,浮地電容便被搬移到了ω0的頻率上。可見設(shè)計(jì)復(fù)數(shù)帶通濾波器需要產(chǎn)生正交信號(hào),正交信號(hào)的產(chǎn)生在射頻前端設(shè)計(jì)中并不難實(shí)現(xiàn),而且被廣泛應(yīng)用。另外,這種復(fù)數(shù)帶通濾波器還能實(shí)現(xiàn)很好的鏡像抑制,鏡像抑制度在40 dB左右,在一些通信系統(tǒng)中完全可以取代片外前置的鏡像濾波器,不僅提高系統(tǒng)集成度,而且大大降低了芯片的成本。

復(fù)數(shù)帶通濾波器的原理圖如圖7所示。

濾波器的輸入信號(hào)為差分正交信號(hào),四路信號(hào)相位互差90,這里要特別注意輸入信號(hào)的相位順序,只有按上述復(fù)數(shù)變換的相位關(guān)系輸入信號(hào)才能得到正確的輸出,如果相位順序相反則會(huì)使得輸出信號(hào)反相抵消。對(duì)于正交接收機(jī),目標(biāo)信號(hào)下變頻后的相位與鏡像信號(hào)的正好相反,如果目標(biāo)信號(hào)能從濾波器正常輸出,則鏡像信號(hào)一定會(huì)被抑制,這就是實(shí)現(xiàn)鏡像抑制的原理。

經(jīng)過仿真得到復(fù)數(shù)帶通濾波器的AC響應(yīng)如圖8所示,中心頻率在4.1 MHz,帶寬2 MHz,1.5倍帶寬處帶外抑制為42 dB和56 dB,帶內(nèi)增益13.27 dB,滿足GPS射頻前端的中頻濾波要求。如果顛倒輸入信號(hào)相位順序,需要的頻帶內(nèi)抑制達(dá)40dB以上,鏡像抑制效果明顯。

3 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)的Gm-C復(fù)數(shù)帶通濾波器有較好的性能,完全適合射頻前端芯片中的中頻濾波要求,如果對(duì)OTA的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些改進(jìn),如加入跨導(dǎo)穩(wěn)定功能及提高OTA輸出阻抗,還能進(jìn)一步提高濾波器的性能。另外,這種濾波器采用全CMOS工藝,集成度高,功耗低,特別適合SOC應(yīng)用。最后,如果將濾波器應(yīng)用于實(shí)際電路,還應(yīng)設(shè)計(jì)濾波器調(diào)諧電路,以保證在工藝容差范圍內(nèi)對(duì)濾波器實(shí)現(xiàn)中心頻率及Q值可調(diào)。



關(guān)鍵詞: Gm-C OTA 有源 帶通濾波器

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