三阶级联复数有源RC带通滤波器

　　摘要：采用０．１８ｕｍ　ＣＭＯＳ工艺设计了一款应用在无线传网中的三阶级联有源ＲＣ复数带通滤波器，同时设计了自动频率调谐电路（ＡＦＴ）。该滤波器采用的是切比雪夫逼近函数予以实现。在５比特数字控制码开关电容阵列的控制下，ＡＦＴ电路即可完成对主体滤波器电路频率变化的校正。仿真结果显示，滤波器的中心频率稳定在２ＭＨｚ，通带带宽为２ＭＨｚ，镜像抑制比大于３４ｄＢ，相邻信道阻带衰减大于３４ｄＢ，通带纹波小于ｌｄＢ，消耗电流为２．３ｍＡ，工作电源电压为１．８Ｖ。

　　１　引言

　　集成连续时间滤波器已经采用Ｇｍ-Ｃ，有源ＲＣ和Ｇｍ-ＯＴＡ-Ｃ技术大规模实现。Ｇｍ-Ｃ技术实现的滤波器由于采用开环特性的积分器，因而能够在高频条件下工作。该种滤波器可以获得较高的线性度，然而好的线性度伴随着较高的噪声，这样在实现既定的输出动态范围时，导致比较差的电源效率。

　　同时Ｇｍ-Ｃ滤波器对杂散电容敏感，而这些杂散寄生电容与积分电容并联。这些种种因素限制了Ｇｍ-Ｃ滤波器只能丁作在高频，输出低动态范围应用中。

　　滤波器设计的另一种经典方法是采用有源ＲＣ积分器予以实现。该种方法有多个优点。如果设计中理想的运算放大器可以得到，那么滤波器的线性度是非常高的。同时滤波器的噪声是非常小的，在功耗有限制要求的应用中，仍然可以得到大的信号输出动态范围。

　　在本篇文章中，我们采用有源ＲＣ复数带通滤波器去满足设计要求。在任何应用情形中，为了克服制造工艺偏差，温度变化和元件衰老等不利因素带来的影响，且同时为了得到的滤波器频率响应特性，自动频率调谐系统是必须的选择。

　　２复数带通滤波器设计

　　２．１复数带通滤波器设计考虑

　　三阶级联复数带通滤波器的结构划分如图１所示。级联实现的滤波器中的每都可以单独实现，而且非常便于调节。

　　上述结构划分中的部分实现的一阶滤波器的品质因数Ｑ不同于第二部分。在实际应用中，级联滤波器为了获得的输出动态范围，要求每一部分滤波器的排列顺序，是根据其各自品质因数逐渐递增的方式进行依次排列，具有如下关系：

　　因而信号流经具有平坦传输函数特性的滤波器，依次类推。依据这种思想，得到的整体全差分复数带通滤波器的结构如图２所示。其由上下两路相同结构的全差分低通滤波器组成，通过在上下结构中加入３组频率搬移电阻予以实现。频率搬移电阻可以通过下述方程计算得到：

　　２．２运算放大器设计

　　本次设计采用的是Ｃｌａｓｓ-ＡＢ类运算大器，如图３所示。运算放大器的增益带宽积ＧＢＷ对于滤波器的性能来讲，起到了至关重要的作用。如果设计得到的ＧＢＷ较小不满足要求，则滤波器将在高频频段出现增益尖峰。同时为了降低滤波器的整体功耗，ＧＢＷ又不能选取的太大。根据当前业界对滤波器的研究，这里我们设定ＧＢＷ为滤波器工作截止频率的５０倍。

　　在运算放大器的设计中，有两点需要注意。首先，共模参考电平％需要连接到低阻抗输出电位生成点，因为Ｍ１４，Ｍ１５的Ｖｇ１５，的充放电建立速度，将直接影响共模负反馈电路的环路相位裕度。其次，电容Ｃ２有一个值，这意味着需要经过多次的迭代仿真，才能得到。因为较大数值的Ｃ２将恶化差模电路的相位裕度，然而较小的Ｃ２对改善共模负反馈的相位裕度作用甚微。

　　图３中，左边框代表共模负反馈电路，右边框代表差模主体电路。由该运放的结构图可知，共模负反馈电路与差模负反馈电路共用一部分电路。带来的好处是，共模负反馈电路可以获得与差模电路想比拟的电压增益和增益带宽积。同时，由于对输出共模电平的稳定独立于输入主体差分级，因此即使差分输人级关断，运算放大器的输出电平仍然可以很好的稳定在设定值。

　　图４给出了本次设计的运算放大器的仿真结果。

　　该运放工作在１．８Ｖ电源电压下，消耗的电流为３１０ｕＡ，中频电压增益为６５ｄＢ，增益带宽积ＧＢＷ为１６０ＭＨｚ，相位裕度为５５度，驱动负载为１ＯＯＫ伲？２ｐＦ。

　　２．３自动调谐电路设计

　　调谐系统的原理图如图５所示。

　　滤波器的中心频率和带宽决定于电路中用到的电阻和电容数值，而集成电路在生产过程中元件可能会偏离设计值，误差可达到２０％。为了获得一个的频率响应曲线，相应的自动频率调谐电路是必须的选择。

　　下面分析滤波器调谐电路的原理。电路流经受工艺影响的电阻％的电流为Ｉ１。电流Ｉ１经由Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５组成的电流镜镜像得到电流五。

　　电流Ｉ２将在数字电路的控制下对可编程电容阵列充放电，在此过程中数字电路将增加或者减少５位控制码。接着比较器将把电压Ｋ与参考电压％进行比较，直到电路满足Ｖｃ＝Ｖｒｅｆ。调谐过程可以描述成下述表达式：

　　这里△ｔ为外部参考时钟周期，经过调谐Ｒｒｅｆ与ｃ的乘积约等于△ｔ，终满足Ｖｃ＝Ｖｒｅｆ，完成调谐。为了降低功耗，当调谐过程结束时，调谐电路将被关闭。在图５中，Ｍ１通过Ｌａｔｃｈ＿ｕｐ控制信号，控制其关闭与打开。终调谐电路将发送５位调谐码到主体滤波器电路，从而控制主体滤波器电路中的电容阵列的电容选择性接入与释放，至此整个滤波器调谐过程结束。

　　３滤波器后仿真结果

　　本文设计的复数带通滤波器采用了０．１８ｕｍＴＳＭＣ工艺，芯片工作在１．８Ｖ电源电压下，仿真工具Ｃａｄｅｎｃｅ　Ｓｐｅｃｔｒｅ。整个芯片带焊盘后的版图如图６所示．总面积为１．２ｍｍ×１．６ｍｍ。

　　复数带通滤波器的频率响应曲线如图７所示。

　　由仿真结果可知，该滤波器的中心频率为２ＭＨｚ，带宽为２ＭＨｚ，通带纹波小于ｌｄＢ，镜像抑制大于３４ｄＢ，相邻信道阻带衰减大于３４ｄＢ。同时测得输入ｌｄＢ压缩点为１０．１ｄＢｍ。芯片工作电源电压为１．８Ｖ，测得整个滤波器消耗的电流为２．３ｍＡ。

　　４总结

　　文章描述了带自动频率校正的有源ＲＣ复数带通滤波器的设计和性能参数。根据仿真结果显示，本次设计的复数带通滤波器在获得的频率响应的同时，可以获得满足要求的较高镜像抑制比和相邻信道抑制比。整个芯片工作在１．８Ｖ电源电压下，消耗的电流为２．３ｍＡ。