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一种低功耗高线性Gm-C滤波器的设计

发布时间:2022-06-17 16:21:25 来源:乐鱼体育下载 作者:乐鱼体育在线直播

产品介绍

  设计了一种应用于W-CDMA零中频接收机系统的跨导-电容(Gm-C)低通滤波器及其调谐电路。该接收机中的滤波器采用截止频率为2.2 MHz的3阶巴特沃斯滤波器,在10 MHz频率处的阻带衰减达到34 dB。电路采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺模型,在电源电压为1.8 V时,滤波器的IIP3可达到21.13 dBm,电路功耗为3.31 mW。同时,该滤波器采用开关电容调谐电路来精确控制滤波器的截止频率,将截止频率的偏差降低到3%以下。

  近年来,随着CMOS集成电路技术和无线通信系统的迅猛发展,单片集成的无线接收机芯片已经成为研究和设计的焦点,它广泛应用于手机通信、蓝牙、GPS定位等通信领域。零中频接收机具有功耗低、面积小、易于集成等优点,目前得到业界的广泛采用[1]。低通滤波器作为零中频接收机的重要组成部分,要求其具有高线性度、低功耗、低噪声和对临近信道信号抑制能力强的特点。

  本文设计了一款应用于W-CDMA零中频接收机的3阶巴特沃斯跨导-电容(Gm-C)低通滤波器。系统要求滤波器的截止频率为2.2 MHz,在10 MHz频率处的阻带衰减达到34 dB,并且要求其具有低功耗、可调谐等性能。

  集成连续时间滤波器主要包括MOSFET-C滤波器、有源RC滤波器和Gm-C滤波器3种类型[2]。相对于有源RC滤波器和MOSFET-C滤波器,Gm-C滤波器具电路简单、面积小、易调谐、高频特性好、易于集成等优点,因此使用比较广泛。但由于环境变化、工艺误差以及寄生效应等因素会导致Gm-C滤波器的特性偏离设计指标[3],所以,需要设计自动调谐电路来精确控制滤波器的频率响应。

  跨导放大器(OTA)是Gm-C滤波器的核心模块,其性能的好坏直接影响滤波器的特性。在设计的过程中主要考虑的是跨导放大器的线性度、噪声性能、功耗以及工作频率。

  本文采用的跨导放大器结构如图1所示,通过采用两个工作在深线)作为源级负反馈来提高线]。当VIP-VIN=0时,M3和M4都处在深线,晶体管M3处在深线因为其漏极电压升高,同时栅极电压和源极电压下降,最终进入饱和区。所以,即使有一个负反馈MOS管(M3或M4)进入饱和区,电路仍然能够得到很好的线性度。其跨导值的表达式为:

  其中,K1,3=μCox·(W/L)1,3,由参考文献[4]可得出,当K1/K3的取值为6~10时,跨导放大器的线性范围最好。此外,可以通过调节尾电流来改变跨导值。

  完整的跨导放大器的电路如图2所示。为了能方便地在积分器的输入端进行差分电压加减运算,跨导器采用了双差分输入结构。通过改变偏置电压Vcrtl可以改变跨导放大器的跨导值。

  图2中MOS管M17~M25构成两差分对的电压共模反馈电路,能够稳定跨导放大器的静态工作电压。跨导放大器主体电路的输出电压与共模参考电压进行比较,然后通过M24将电流转换为电压Vcm反馈回M13~M16的栅极,对输出电压进行调节,从而使得输出电压达到最佳输出共模电平。

  图3给出跨导放大器的跨导值随差分输入摆幅的变化。从图3可知,跨导放大器的跨导值在差分输入范围为-300 mV~+300 mV之间时保持一个稳定值。

  常用的Gm-C滤波器结构有3种:梯形结构、级联biquad结构和谐振耦合结构。其中梯形结构电路设计简单,易于集成,元件参数灵敏度低,而且实现时无需考虑传输函数的零极点的配对的问题[5]。为了降低工艺偏差、环境变化等因素对滤波器截止频率的影响,本文采用灵敏度低的梯形结构。

  根据设计指标可确定所设计的3阶巴特沃斯无源RLC梯形网络结构如图4所示。对于如图4所示的梯形网络的结点Vin、V1、Vout,根据基尔霍夫电流电压定律:

  将式(2)~式(5)的电流量经Ii=Vi/R标度成电压量,可得到如下公式及如图5所示的信号流图。

  用Gm-C积分器结构来代替图5中的传输函数,将3阶无源巴特沃斯低通滤波器转换成如图6所示的3阶有源巴特沃斯滤波器。本设计是令该Gm-C滤波器中所有的跨导放大器的跨导值都相等,通过取不同的电容值来产生不同的零极点,从而可以实现满足系统指标要求的滤波器频率响应。

  Gm-C滤波器的截止频率是由时间常数Gm/Cfilter决定的,其中Gm为跨导放大器的跨导值,Cfilter为滤波器电容。由于Gm会受到温度变化、工艺偏差等因素的影响,使得滤波器的截止频率将有±40%以上的变化,因此需要自动调谐电路来控制滤波器的频率响应[6]。自动调谐电路的结构有很多,如开关电容调谐、压控振荡器(VCO)调谐、压控滤波器(VCF)调谐、PLL调谐等。其中开关电容调谐方法电路结构简单,具有更高的精度和较低的功耗。这是因为采用这种结构可以将滤波器的时间常数Gm/Cfilter转换成两个电容的比(CH/Cfilter),该比值在不同的工作环境中几乎保持不变,从而可以得到较精确的滤波器截止频率[7]。

  图7所示的电路为开关电容调谐电路。由CMOS互补开关S1、S2、S3和S4(或S5、S6、S7和S8)与采样电容CH组成的开关电容电路可以等效成一个电阻。其阻值由外加参考时钟的频率f确定,即:

  在两相非交叠时钟Φ1和Φ2的作用下,使开关电容电路的等效电阻Req与跨导放大器Gm的跨导值的倒数(1/Gm)相等。若Req与1/Gm不相等时,流过Gm模块的电流不等于开关电容电路的电流,会产生一个电流差,这个电流差就会导致运放-电容积分器的输入电压发生变化,从而使得输出电压Vctrl发生变化,将电压Vctrl反馈回Gm模块的n型尾电流MOS管的栅极处,通过改变n型尾电流MOS管的栅压来改变尾电流,进而调整Gm模块的跨导值,使得1/Gm始终等于开关电容电路的等效电阻Req。因此,滤波器的截止频率可表示为:

  由上式可以得出,滤波器的截止频率只与外加时钟频率、开关电容电路的电容值和滤波器的电容值有关。而时钟频率是精确的,电容的比值(CH/Cfilter)不受环境因素等的影响,因此就可以得到较精确的滤波器截止频率。

  采用SMIC 0.18 μm工艺模型,利用Cadence工具对本文设计的电路进行仿线 V时,对所设计的滤波器在不同工艺角(tt、ff、ss、snfp、fnsp)以及温度(-35 ℃、27 ℃、85 ℃)下进行AC仿真。测试结果发现,经过调谐后,滤波器的截止频率偏差在3 %以内。图8给出了工艺角和温度分别在tt(27 ℃)、ss(85 ℃)和ff(-35 ℃)的仿线可以看出,当工艺角和温度为tt(27 ℃)时,滤波器的截止频率为2.2 MHz,在10 MHz频率处的阻带衰减达到34 dB,满足系统设计要求。

  图9为线 kHz处滤波器的IIP3测试结果。采用two tone测试方法来衡量滤波器的三阶非线 kHz)信号的情况下,对输出波形做离散傅里叶变换,得到如图9所示的仿线 dBm,满足系统设计需求。

  本文设计了一款应用于W-CDMA零中频接收机的3阶巴特沃斯低通滤波器。滤波器的核心模块——跨导放大器采用两个工作在深线性区的MOS管作为源级负反馈的双差分结构,可以得到较高的线性度和较低的功耗。仿真结果显示,滤波器的截止频率为2.2 MHz,在10 MHz频率处的阻带衰减达到34 dB,当输入两个幅值都为100 mV、频率分别为200 kHz和210 kHz的正弦信号时,可得滤波器的IIP3为21.13 dBm。电路采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺模型,工作电压为1.8 V,功耗为3.31 mW。同时,采用基于开关电容电路的调谐电路,将滤波器的截止频率偏差降低到了3%以下。

  [1] 李智群,王志功.零中频射频接收机技术[J].电子产品界,2004(13):69-72.

  [7] 朱思奇,杜占坤,杨洪文,等.一种新型跨导一电容滤波器自调谐电路[J].微电子学,2008,38(4):540-543.