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邓肯捶地:带宽可调的Gm—C低通滤波器设计

时间: 2019-01-11阅读:

摘 要本文介绍了一种跨导电容(Gm-C)滤波器的设计。文中采用有源器件替代法,實现了3阶椭圆低通滤波器。通过调节偏置电流及电容阵列,从而实现滤波器的带宽可调。仿真结果表明,在TT工艺角下,3dB带宽:≥67.92MHz;100 MHz处衰减:≥21.53dB;带内波动:≤0.11dB;1dB压缩点:≥-9.91dBm;电路功耗:≤6.47mA;芯片面积约为0.35mm2。最后给出了和本文LPF结构完全相同的某款LPF测试结果,以验证本文LPF是完全可行的。

【关键词】跨导电容滤波器 低通 椭圆 带宽可调

1 引言

在射频前端芯片中,实现中频滤波器的片上集成是提高芯片集成度最有效方法之一。模拟有源滤波器即是一种可片上集成且性能较好的滤波器。有源滤波器实现方法有多种,如RC滤波器,跨导电容(Gm-C)滤波器。RC滤波器适用于低频领域,且对RC元件值变化敏感;Gm-C滤波器主要优点是较低功耗和较高工作频率,因此普遍应用于高频领域。实现Gm-C滤波器方法有多种,如信号流图法和有源器件替代法。本文采用有源器件替代法,滤波器在功能和结构上和无源原型相同,有较好电性能。

2 滤波器的组成和工作原理

图1为本文所设计的滤波器的系统框图,恒定跨导(Constant-Gm)偏置产生50uA的基准电流,IBIAS将50uA电流转为100uA,供给低通滤波器(LPF)中的跨导(Gm)单元用作偏置电流。

Constant-Gm偏置原理图如图2所示。R采用电阻阵列的形式实现,当R发生偏差时可调节控制端CTRL_R以输出需要的电流。调节控制端CTRL_I,可调节晶体管M5、M6 以及M7的尺寸总和相对M3的尺寸比例,从而调节IREF_C的大小。通过调节CTRL_I以及CTRL_B,可较大范围的调节IREF_B的电流大小,使LPF中Gm单元的跨导值可调,从而实现LPF的带宽调节。

3 LPF电路实现

3.1 无源滤波器到有源滤波器的转换

首先根据系统指标需求,选用3阶椭圆滤波器,得到3阶椭圆LPF的RLC原型电路,如图3所示。

如图4所示,将两个Gm单元交叉连接即构成回旋器。利用回旋器的阻抗倒置作用,即可用电容实现有源电感,电容C2和电感L1的对应关系如式(1)所示。将Gm单元接成单位负反馈形式实现有源电阻。电阻值和跨导值的对应关系如式(2)所示。将图3中的电感及电阻用有源电感和有源电阻替换,即得到Gm-C滤波器的整体框图。其中Vi经过gmi单元等效为图3中的Iin。

(1)

(2)

3.2 Gm电路设计

Gm电路的功耗和线性度,直接决定了LPF的功耗和线性度。本文所采用的Gm电路如图5所示。图4中,由于滤波器无源模型的插入损耗约为6dB,将gmi的跨导值取为gmr的两倍,以提供6dB增益,这样可使滤波器的增益为0dB。晶体管M1-M4构成差分互补跨导单元,其输出电流是非互补跨导输出电流的两倍。因此功耗效率提高了一倍。M5-M6连接成二极管形式,提高了输入线性度。晶体管M9-M14构成共模反馈用于稳定输出共模电压。

3.3 电容阵列的实现

图4中,LPF的滤波特性如3dB带宽以及带内波动,受C1-C3的电容值影响很大。而电容值会由于芯片制造工艺而发生偏差,其误差值最大可达到15%。所以,为了弥补工艺偏差对滤波特性的影响,将C1-C3采用电容整列的形式实现。

4 LPF版图设计与仿真测试结果

图6为LPF电路版图,版图布局时,应使电容之间及晶体管之间尽量匹配。表1对LPF在TT工艺角不同温度下的仿真结果进行了总结。从表可知,3dB带宽≥67.92MHz,100MHz处衰减:≥21.53dB,输入1dB压缩点:≥-9.91dBm。

以下给出了和本文LPF电路结构完全相同的某款LPF的测试结果。图7为该款LPF的滤波特性测试曲线,由图可知,滤波器在阻带内衰减25.75dB。足以证明本文LPF电路是完全可行的。

5 结语

本文采用Gm-C方式实现了3阶椭圆低通滤波器。Gm单元采用互补跨导实现以提高功耗效率。将Gm单元偏置电流设计成可调,同时将电容采用阵列实现,以调节工艺偏差导致的LPF滤波特性偏差。最后给出了和本文LPF结构完全相同的某款LPF测试结果,以验证本文LPF电路完全可行。

参考文献

[1]Fei Yuan,CMOS Active Inductors and Transformers,Springer,2008.

[2]H.Voorman,H.Veenstra,“Tunable High-Frequency Gm-C Filters”,IEEE J. Solid-State Circuits,vol.35,pp. 1097–1108,Aug.2000.

作者单位

成都嘉纳海威科技有限责任公司 四川省成都市 610091

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