（微电子学与固体电子学专业论文）可变带宽模拟有源低通滤波器的设计.pdf

摘要 摘要 个人通信系统和数字卫星电视广播的迅猛发展，对重量轻、体积小、功耗低、成本小的收发器 的需求迅速增加，零中频接收器结构重新得到密切关注。零中频结构简单，无需外部滤波器，信号 处理都由集成在片上的滤波器完成，因此射频前端系统中有源集成滤波器的设计就显得十分重要。 论文实现了一个可应用于数字卫星电视零中频接收机调谐芯片中的可变带宽低通滤波器。论文 总结并分析了有源r c ，m o s f e t c ，m o s f e t - r c ，g m c ( 跨导放大器一电容) 等多种滤波器类型的 优缺点，结合数字卫星电视调谐芯片的具体要求，设计了一款七阶巴特沃兹型g m c 低通滤波器； 在研究了工艺容差和器件老化引起滤波器频率特性不稳定的问题后，论文比较了多种用于频率稳定 的方法，设计了一个频率自动调谐电路来保证低通滤波器频率特性的稳定：由于接收机调谐芯片将 应用于不同的场合，要求低通滤波器3 d b 带宽可变，论文在比较了近年来改变滤波器带宽的几种方 法后，设计了一个可用于g m c 低通滤波器的带宽可变控制电路。 采用捷智半导体( j a z zs e m i c o n d u c t o r ) 公司0 3 5 i t ms i g eb i c m o s 工艺设计了电路和版图。仿 真结果表明，该滤波器的3 d b 带宽可在4 m h z 3 2 m h z 之间变换，动态范围约为5 0 d b ，总谐波失 真在0 5 左右，该滤波器在工作电压为5 v 情况下，功耗在2 0 m w 9 0 m w 之间。该滤波器的各项 性能均可以满足系统的指标要求。 关键词；自动频率调谐；g m - c ；可变带宽；s i g eb i c m o s a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ef u r t h e rp o p u l a r i t yo fd i g i t a lb r o a d c a s t i n gt e l e v i s i o n , t h ec h i pd e s i g no ft h ed i g i t a lb r o a d c a s t i n g t e l e v i s i o nh a sb e e nm o r ea n dm o r ec o n c e r n e d t h et h i r s t yf o rl o w - c o s t , l o w - p o w e r , h i g h l e v e l i n t e g r a t i o n a n dh i g h p e r f o r m a n c et r a n s c e i v e r sm a k e sd i r e c t - c o n v e r s i o n ( z e r o i f ) t o p o l o g ya t t r a c t i v e t h es t r u c t u r eo f z e r o - i fs y s t e mi ss i m p l e ，a n di td o e s n tn e e da n yo u t - c h i pf i l t e r s t h es i g n a li sp r o c e s s e db yt h eo n - c h i p f i l t e r s ，s ot h ea c t i v ef i l t e rd e s i g ni nt h er ff r o n t - e n ds y s t e mi sv e r yi m p o r t a n t al o w p a s sf i l t e rw i t hv a r i a b l ep a s s b a n dw i d t hu s e di nm o n o l i t h i cd v b st u n e rw a sp r e s e n t e di nt h i s p a p e r a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cr e q u i r e m e n to fd i g i t a ld i r e c tb r o a d c a s t i n gs a t e l l i t et u n e r , t h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fm a n yf i l t e rt y p e ss u c h 雏a c t i v er c ，m o s f e t - c ，m o s f e t - r ca n dg m - cw e r e d i s c u s s e da n das e v e n o r d e rb u t t e r w o r t hl o w p a s sg m - cf i l t e rw a sd e v e l o p e d a f t e ra n a l y z i n gt h ep r o b l e m o ft h ef i l t e r s f r e q u e n c ys t a b i l i t yi n m o n o l i t h i ci m p l e m e n t a t i o n , s e v e r a lf r e q u e n c ya u t o m a t i ct u n i n g t e c h n i q u e sw e r ed i s c u s s e da n daf r e q u e n c ya u t o m a t i ct u n i n gc i r c u i tw a sg i v e n t h et u n e rw a su s e di n s e v e r a ls i t u a t i o n s ，s ot h ef i l t e r sp a s s b a n dw i d t hs h o u l db et u n a b l e a f t e ra n a l y z i n gs e v e r a lm e t h o d sf o r v a r i n gt h ef i l t e r sp a s s b a n dw i d t h , ac i r c u i tw a si n t r o u d u c e dt or e a l i z et h ev a r i a b l ep a s s b a n dw i d t ho ft h e l o w p a s sf i l t e r b a s e d0 1 1t h ej a z z0 3 5 t a ms i g eb i c m o sd e s i g np r o c e s s ，b o t ht h es c h e m a t i ca n dl a y o u tw e r e d e s i g n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dg o o dp e r f o r m a n c e t h ep a s s b a n dw i d t hv a r i e df r o m4 v i h zt o 3 2 m h z t h ed y n a m i cr a n g ew a s5 0 d b t h et h dw a so 5 t h ef i l t e rd r e w2 0 m wt o9 0m wf r o ma5 v s u p p l yv o l t a g e k e yw o r d s ：a u t o m a t i cf r e q u e n c yt u n i n g ；g m - c ；v a r i a b l ep a s s b a n d ；s i g et e c h n o l o g y i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：趣 日 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：生熟导师签名： 日期： 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 世界通信与信息技术的迅猛发展将引发整个电视广播产业链的变革，数字电视是这一变革中的 关键环节。伴随着电视广播的全面数字化，传统的电视媒体将在技术、功能上逐步与信息、通信领 域的其它手段相互融合，从而形成全新的、庞大的数字电视产业。这一新兴产业已经引起广泛的关 注，各发达国家根据自己的国情，已分别制定出由模拟电视向数字电视过渡的方案和产业目标，数 字电视已成为时代的主流。 数字电视( d t v ：d i g i t a lt e l e v i s i o n ) 指电视信号的处理、传输、发射和接收过程中使用数字信 号的电视系统或电视设备。由电视台送出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字 电视信号，经过卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送，由数字电视接收后，通过数字解调和 数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。因为全过程均采用数字技术处理，因此信号损失小， 接收效果好。与传统的模拟电视相比，数字电视在图像和声音质量两面都有重大改进。在数字电视 发展中，数字视频广播d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d e a s t i n g ) 带1 式已经在欧洲、俄罗斯、印度、新加坡、 韩国和澳大利距等国广泛采用，事实证明这是一种成熟的数字电视制式。根据传输功能的不同，d v b 包括：卫星广播系统( d v b s ：d v b s a t e l l i t e ) 、有线电视广播系统( o v a c ：d v b c a b l e ) 、地面电视广 播系统( d v b t d v b t e r r e s t r i a l ) 以及卫星共用天线系统( d w c s ) 和多点视频传输系统( m v d s ) 等传 输系统方式。 在过去短短十年内，数字电视和手机等个人通信系统的迅猛发展使得无线的概念被广泛应用和 接受。无线通信在社会生活中扮演了越来越重要的角色。因此，对重量轻、体积小、功耗低、成本 低的射频集成电路产品需求迅速增加。而提高射频前端的电路集成度和减小该部分的功耗无疑是满 足上述需求的重要途径。 但是对于超外差接收机来说，至少有两个元件是到目前为止无法集成到芯片上去的，这就是它 的镜像抑制滤波器和信道选择滤波器。不仅如此，为了提高选择性，信道选择还可能用到一些较为 昂贵的器件如声表面波( s a w ) 滤波器。镜像抑制滤波器通常用外部的无源部件实现，这进一步要求 前级，也就是低噪声放大器( l n a ) 去驱动滤波器5 0 q 的输入电阻，这不可避免的会在放大器的增 益、噪声系数、稳定性和功耗之间提出更加严重的权衡考虑问题【l l 。另外，超外差接收机如果采用 双中频下变频或者w e a v e r 等镜像抑制结构，至少需要4 个混频器，结构复杂，功耗大而且不利于集 成。相比较而言，零中频接收机不存在镜像频率问题且只需用基带低通滤波器来选择信道，而低通 滤波器的集成技术已经很成熟，即使集成有困难，也可以用廉价的电容和电感来实现。零中频接收 机避免了片外镜像抑制滤波器的使用，可以只用极少的片外元件而达到极高的集成度。如图1 1 所 示，零中频接收机结构简单，仅需2 个混频器，而且大部分的滤波和放大在基带进行，大大减小了 功耗和成本，有效解决了直流偏移问题后，零中频结构将占有绝对优势1 2 j 。近年来，零中频结构以 其突出优势受到青睐，成为目前接收机研究热点。由于零中频接收机相比超外差接收机来说，不需 要片外的镜像抑制滤波器和信道选择滤波器，使用片内集成的有源滤波器就可以实现，因此零中频 结构接收机系统中射频前端里的集成滤波器的设计就显得十分重要。 东南大学硕士学位论文 图1 1 典型零中频接收机结构 在选取工艺方面上，由于c m o s 器件的主要特点是功耗低、器件尺寸小、集成度高，但是在速 度和模拟性能方面，c m o s 器件比双极器件稍逊一筹。相同电流下，双极器件比c m o s 器件增益大， 而且双极电路具有高速度、驱动能力强和模拟精度高的优点，但是电路集成度低、功耗大p 】。在零 中频接收机设计中，b i c m o s 工艺允许电路设计者在同一块电路芯片上既使用双极型器件又使用 c m o s 器件，结合了c m o s 工艺和b i p o l a r 工艺的双重优点。其中s i g eb i c m o s 技术成本低，因为 它利用了成熟的硅工艺进行改进，并且可以在现有的硅工艺生产线上生产。另外，s i g eb i c m o s 技 术具有极佳的高频特性。加上b i c m o s 工艺中可选择具有更低的闪烁噪声的器件，并实现高频和低 功耗，该工艺已成为零中频接收机的首选工艺。因此，本文的电路与版图设计基于s i g eb i c m o s 技 术。 1 2 滤波器的研究现状 近年来随着数字电视的迅猛发展，基于数字视频广播( d v b ) 标准的接收机设计受到广泛关注。 和大多数通信标准一样，d v b 标准确定了发射机和接收机之间的接口。在d v b 接口是发射机和接 收机之间通过射频信号( r f ) 的情况下，d v b 标准确定该信号的内容和结构并特别规定其r f 特性。 在d v b 标准下，射频接收机质量被认为是影响整个系统成本和性能的主要因素。随着无线通讯中移 动终端正朝着小尺寸低成本低功耗方向发展，零中频结构已经成为移动终端设计的主流方向，射频 前端系统中的集成滤波器的设计十分重要1 4 j 。 滤波器包括了无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器使用单纯的电阻，电感以及电容来搭构成 滤波器网络，它不需要提供电源，装置由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并 联，其具有结构简单、运行可靠性较高、费用较低等优点，应用很广泛。无源滤波器噪声低，线性 度高，工作频率高，无源滤波器的缺点在于电感集成占用很大芯片面积，因此无源滤波器体积大， q 值小，当使用在集成电路中时，远不能达到系统的要求。有源滤波器由无源元件( r 和c ) 和有源 器件( 集成运算放大器) 组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以 放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器， 并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽。使用于单芯片集成电路中时可以大大降低系统的成 本。因此在单芯片集成电路中，有源滤波器是最佳的选择。 因此，有源滤波器成为信号处理系统中一个必要的组成部分，经过多年的发展，技术比较成熟。 滤波器在电路功能的区别上可以分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器以及全通 滤波器；滤波器在具体的近似实现方法的区别下，可以分为巴特沃兹滤波器，贝塞尔滤波器，切比 雪夫滤波器，椭圆滤波器等等类型，每种类型下的滤波器的性能不同，在对于不同的系统要求下， 可以有针对性的选择所需要的滤波器类型。在滤波器的综合方法的区别下，分为级联型与梯形网络 2 第1 章绪论 结构；在滤波器工作方式的区别下，分为离散滤波器与连续时间滤波器【5 】。离散有源滤波器采用采 样保持电路将时间连续信号转换为周期采样信号，开关电容有源滤波器是典型的离散有源滤波器， 它需要在时域范围内进行采样，采样频率至少要两倍于用于消除混叠的最高频率。事实上，采样频 率要比信号带宽的两倍还要大得多，以降低消除混叠滤波器的要求，因此，离散有源滤波器在高频 信号的处理上受到限制。但相对于时序滤波器有几个优点：1 ) 特征频率由电容的比率确定，受工艺 和环境温度的影响较小；2 ) 线性度较高。而时序有源滤波器能让信号在时间范围内连续，并保持模 拟信号状态。由于不需要采样，时序滤波器比离散滤波器在速度上有更大的优势，适用于高动态范 围和高频率范围内使用。目前集成的连续时间滤波器主要包括有源r c 、m o s f e t - c 和g m c 三种 类型睁旧】。g m c 滤波器与有源r c ，m o s f e t - c ，m o s f e t o r c 这三种滤波器相比，适用频率高，因 此在射频领域得到广泛应用7 ，引，但线性度较差，可以通过一些方法将其线性度提高1 1 1 , 1 2 】，同时在制 造过程中频率特性由于电容和电阻存在的精度问题，以及受温度与电压变化而发生变化，必须设计 频率自动调谐电路来解决这个问题1 1 3 讲1 ，滤波器的频率调谐方法有很多种，可以分为两种方式：直接 方式和间接方式，直接方式的优点是频率调谐后，滤波器频率特性性能好，缺点是需要非工作时间 段对滤波器调整。间接方式的优点是不需要将从滤波器从系统中断开调整，缺点是要求主从滤波器 元件匹配性高。在实际使用中，多以间接方式为主。在使用间接方式时，可采用多种方法，包括压 控振荡器自动调谐技术，压控滤波器自动调谐技术，开关电容自动调谐系统等等。这几种方法各有 优缺点，可以适用于不同的工作场合。对于系统提出的可变带宽技术，在目前的各国的技术发展中， 主要有改变电阻的大小，改变电容的大小，改变跨导值大小等等方法【2 5 。3 列，这几种方法都用于不同 的场合，在各自的使用领域中有着不可替代的地位。 然而对于工程应用而言，上述文献的分析多为纯理论，站在一个相对较高的层面，涉及复杂建 模及对寄生效应的综合考虑。论文则主要在工程实际应用的角度，本着简化电路，提高性能的目标 对滤波器系统进行分析和设计。 论文设计和实现了一款可用于d v b s 标准以及其他标准下的接收调谐器的g m c 有源滤波器， 实现带宽可变功能的同时解决频率调谐的问题。 1 3 课题的主要工作 论文设计的滤波器应用于d v b s 标准以及其他标准下的接收调谐器【3 6 堋，借鉴部分滤波器产品 的技术指标，并结合工艺和系统要求，关注滤波器的带宽范围，动态范围，总谐波失真以及功耗， 其具体设计指标如下： 1 ) 动态范围( d y n a m i cr a n g e ) 5 0 d b 2 ) 3 d b 带宽4 m h z , 3 2 m h z 3 ) 总谐波失真( n d ) 0 8 v p p = o 1 v 4 m h z 4 ) 功耗( p o w e rd i s s i p a t i o n ) 1 0 0 m w 具体工作内容包括： 1 ) 查阅国内外最近的十多年的资料，了解目前世界范围内的主流的有源滤波器的设计方法， 并分析各种有源滤波器的优缺点： 2 ) 根据系统提出的要求，设计零中频接收机调谐器中所需要的片上集成有源滤波器的电路结 构以及一些其他的模块； 3 ) 对已设计的各个电路模块分别进行模拟仿真，然后对参数和结构进行优化，直至结果满足 3 东南大学硕士学位论文 设计要求； 4 )对设计好的电路图进行版图设计，然后进行后仿真，验证性能指标，与前仿结果进行一些 比较； 5 ) 对得出的仿真数据进行整理、分析和总结，为后继的进一步优化工作作出指导。 1 4 论文内容与结构 论文将分为五个部分详细阐述带有带宽可变功能的滤波器的设计与实现。 本章是绪论部分，给出了论文的研究背景和国内外研究现状以及本文的主要工作。 第二章，主要介绍了滤波器的基本原理以及滤波器在各个方面的区别，并对其进行了详细的分 析与比较。其中包括低通，高通，带通，带阻以及全通滤波器；巴特沃兹型，贝塞尔型，切比雪夫 型，椭圆型滤波器；离散滤波器与时序滤波器：还详细比较分析了有源滤波器中有源r c ，m o s f e t - c ， m o s f e t r c ，g m c 滤波器，归纳总结了各自的优点和缺点。然后根据本课题的要求，选择设计了 一款g m c 滤波器，并给出了g m - c 滤波器的设计方法。 第三章，首先介绍了低通滤波器系统的构成，它包括一个七阶低通滤波器，频率调谐系统，带 宽可变电路；随后比较了几种积分器中跨导结构的优缺点，给出了论文设计的低通滤波器积分器的 核心电路结构，实现了基于此积分器的七阶低通滤波器；然后解释了采用频率调谐的原因，比较几 种用于频率调谐的方法的优缺点，设计了一个基于压控滤波器的频率调谐系统：随后根据系统提出 的滤波器具有带宽可变功能的要求，比较几种用于改变带宽的方法，得出采用改变跨导器跨导值的 方法，基于此思路设计了一款数模转换器电路，最终实现滤波器带宽可变的功能。 第四章，归纳了射频电路版图设计的一般经验，结合本论文中版图设计中的实际情况，提高差 分匹配程度。基于捷智半导体( j a 7 7 ) 0 3 5 i _ t mb i c m o s 工艺库，在c a d e n c e 环境下使用v i r t u o s o 设 计完成，给出了可变带宽低通滤波器的版图设计。 第五章，基于j a z zb c 3 5 工艺库进行设计并仿真，采用s p e c t r er f 的仿真工具，对设计的电路 及版图进行仿真验证和性能指标的分析，结果表明本设计满足指标要求。 在论文的结尾，论文将对本课题的研究工作做一个简明扼要的总结并提出对今后工作的展望。 4 第2 章滤波器结构选择与性能比较 2 1 引言 第2 章滤波器结构选择与性能比较 滤波器在电路功能的区别上可以分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器以及 全通滤波器；在近似方法的区别下，可以分为巴特沃兹滤波器，贝塞尔滤波器，切比雪夫滤波器， 椭圆滤波器等等；在滤波器的综合方法的区别下，分为级联型与梯形网络结构；在滤波器工作方式 的区别下，分为离散滤波器与连续时间滤波器【5 1 。本文将在接下去的小节中进行分析与比较。本章所涉及 的滤波器均为有源滤波器。 2 2 滤波器的结构与性能比较 2 2 1 滤波器的功能区别 滤波器按照频率特性功能上可分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器以及全 通滤波器。 低通滤波器：低通滤波器有串联电感与并联电容级联实现。这些元件的数量决定了滤波器的陡 度，元件的数量越大，滤波器就越复杂越陡峭，代价是滤波器的复杂性，带内损失，高成本和较大 的尺寸。在低频，串联电感产生高电阻，并联电容产生高阻抗，这使得信号出现在滤波器的输出端： 在截止频率以上，串联电感表现为高阻抗，并联电阻表现为低阻抗，因此阻碍信号传递到负载。 高通滤波器：高通滤波器允许高于截止频率的信号频率以最小的损失通过滤波器到达负载，并 且阻止所有在截止频率以下的频率。这种行为与低通滤波器相反，所以高通滤波器通常被看作低通 滤波器的互补。高通滤波器网络由串联电容和并联电感级联实现。在高频，电容为低阻抗，而电感 为高阻抗。高频信号以最小的损失通过滤波器到达输出负载上；在低频正好相反，这使信号在低频 时有很高的衰减。 带通滤波器：带通滤波器的信号在低截止频率和高截止频率之间的一段频率带内被传递到负载 上。在低和高截止频率之间的是中心频率，它由低截止频率和高截止频率的几何平均值来定义。 带阻滤波器：带阻滤波器与带通滤波器互补。带阻滤波器的信号在两个频带内被传递到负载上， 一个是从低频到低截止频率，另一个是从高截止频率到无穷大频率。信号在两个截止频率之间经历 了很大的损失，因此被称为带阻滤波器。 全通滤波器：全通滤波器允许全部频率的信号幅度没有任何重大损失的通过网络。这种网络不 具有频率选择性的通带和阻带。被传输的信号随频率理想的经历了一个线性的相位移动或者恒定的 群延时。 2 2 2 滤波器的近似方法区别 滤波器在具体的近似实现方法的区别下，可以分为巴特沃兹滤波器，贝塞尔滤波器，切比雪夫 滤波器，椭圆滤波器等等类型，每种类型下的滤波器的性能不同，在对于不同的系统要求下，可以 有针对性的选择所需要的滤波器类型。 5 东南大学硕士学位论文 巴特沃兹滤波器：巴特沃兹滤波器的幅频特性在通带内具有最大幅度平坦区，通带内的相频特 性是非线性的，拥有适度的相位失真。 切比雪夫滤波器：切比雪夫滤波器在通频带内幅频特性有定幅度的纹波，不是平坦的。但在 通带外截止频率附近的衰减速度大于同阶的巴特沃兹滤波器，且通带内纹波起伏越大，通带外的衰 减速率就越大。因此它是用于要求通带外有较大衰减速度的场合。 贝塞尔滤波器：贝塞尔滤波器在相位随频率变化方面独具特色，具有较好的时延特性，较低的 幅度衰减。它的群延时特性是几个滤波器中最好的。 椭圆滤波器：椭圆滤波器在通频带与阻带上均有纹波，迁跃区比巴特沃兹滤波器，切比雪夫滤 波器与贝塞尔滤波器要更加的狭窄，具有几个滤波器中最窄的迁跃带。 2 3 滤波器的分类 2 3 1 离散滤波器与时序滤波器 对于处理信号在时间上的连续性的不同，有源滤波器可以分为离散滤波器以及时序滤波器两种 滤波器。离散有源滤波器采用采样保持电路将时间连续信号转换为周期采样信号，开关电容有源滤 波器是典型的离散有源滤波器，它需要在时域范围内进行采样，采样频率至少要两倍于用于消除混叠的 最高频率。事实上，采样频率要比信号带宽的两倍还要大得多，以降低消除混叠滤波器的要求，因此，离 散有源滤波器在高频信号的处理上受到限制。但相对于时序滤波器有几个优点：1 ) 特征频率由电容 的比率确定，受工艺和环境温度的影响较小；2 ) 线性度较高。 而时序有源滤波器能让信号在时间范围内连续，并保持模拟信号状态。由于不需要采样，时序 滤波器比离散滤波器在速度上有更大的优势，适用于高动态范围和高频率范围内使用。在制造过程 中滤波器频率特性由于电容和电阻存在的精度问题，以及受温度与电压变化而发生变化，需要设计 频率自动调谐电路来解决这个问题。 2 3 2 时序滤波器中的积分器单元 在时序滤波器中，积分器单元是最基本信号处理单元，用于实现连续时间上对信号的积分。对 于时序滤波器中使用的不同的积分器类型区别，可以将时序滤波器划分为多种滤波器，包括了 o p a m p r c 滤波器，o p a m p - m o s f e t - c 滤波器，o p a m p - m o s f e t r c 滤波器，g m c 滤波器等等岬j 。 1 ) o p a m p r c 滤波器，o p a m p m o s f e t c 滤波器，o p a m p m o s f e t r c 滤波器： o p a m p r c 滤波器，o p a m p - m o s f e t - c 滤波器，o p a m p - m o s f e t - r c 滤波器此这三种滤波器的 运算放大器均为电压放大器，输入输出均为电压信号。电压放大器的特点是较低的输出阻抗，输出 信号形式为电压信号，可以驱动电阻负载，适用于r c 有源滤波器中，但它也需要额外的缓冲级， 因此增加了功耗。图2 1 为上述三个滤波器的基本积分器单元。 6 第2 章滤波器结构选择与性能比较 ( a )( b )( c ) 图2 1 各类积分器 ( a ) o p a m p - r c 积分器；( b ) o p a m p - m o s f e t - c 积分器；( c ) o p a m p - m o s f e t - r c 积分器 2 ) g m c 滤波器： g m c 滤波器的运算放大器为跨导运算放大器，输入为电压信号，输出为电流信号。跨导放大 器的特点是较高的输出阻抗，输出信号的形式为电流信号，不能驱动电阻负载，适用于g m c 滤波 器，相对于前面的o p a m p r c 滤波器，o p a m p m o s f e t - c 滤波器，o p a m p m o s f e t r c 滤波器， g m - c 滤波器拥有更好的高频特性以及更低的功耗。图2 2 为g m c 滤波器的基本积分器。 = 图2 2g m - c 积分器 由于采用不同积分器结构，因此，o p a m p r c ，o p a m p m o s f e t - c ，o p a m p m o s f e t - r c ，g m - c 滤波器在性能上有着很大的不同，下面的表2 1 给出了这几种滤波器的性能比较。 表2 1 滤波器性能比较 滤波器类型动态范围频率特性范围功耗 o p a m p - r c 6 0 9 0 d b 1 0 m h z高 o p a m p - m o s f e t c 4 0 6 0d b 5 m h z高 o p a m p m o s f e t r c 5 0 9 0d b 5 m h z高 g m c4 0 7 0 d b 1 0 0 m h z低 经过比较后，g m c 滤波器比起其他三个滤波器功耗更小；版图面积更小，只有前三个滤波器 的四分之一；g m - c 滤波器的频率特性范围最大。因此在结合本系统对滤波器提出的频率要求【3 6 3 7 1 ， 本文选择了g m c 滤波器。 2 4g m c 滤波器的综合方法 2 4 1 级联型g m c 滤波器 级联型g m - c 滤波器的原理是将多个高输入阻抗的低阶滤波器相互级联，形成和传输函数一致 的高阶滤波器。级联用的低阶滤波器有多种，目前比较常用的是一阶滤波器和二阶滤波器【5 1 。滤波 器设计时，级联电路各级影响较小，可以方便调整元件参数以满足设计要求。但这种结构的缺点是 7 东南人学硕士学位论文 对于元件参数变换的灵敏度高，高阶滤波器零极点的配对比较难确定。 1 ) 一阶滤波器：一个通用的一阶时序滤波器的模块图如图2 3 所示，这个模块的转换函数由公 式( 2 1 ) 给出： 耶，= 篇= 篱 - w o t ( s ) ( 2 1 ) 图2 3 通用一阶连续时间滤波器框图 2 ) 二阶滤波器：一个通用的一阶时序滤波器的模块图如图2 4 所示，这个模块的转换函数由 公式( 2 2 ) 给出： 耶) _ 丽7 r o u t ( s ) 2 鬻 ( 2 2 ) 图2 4 通用二阶连续时间滤波器框图 由这种二阶滤波器函数实现的全差分二阶g m - c 滤波器的如图2 5 所示，这种二阶滤波器的转 换函数为公式( 2 3 ) ： 耶，= 镏= 睦砂_ ( 南h 砖萧 - ( 磊砾耵 g 3 其中公式( 2 2 ) 中的参数可由公式( 2 4 ) 到公式( 2 7 ) 给出： 舷= 土 。 c x + c b 8 ( 2 4 ) 第2 章滤波器结构选择与性能比较 幺= 弦 i c x + c b 2 热 诟= 毒 q = w o2 v o u t ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 图2 5 全差动通用二阶g m c 滤波器 另外，对于公式( 2 3 ) ，改变瓯，( i = 5 ，i 为自然数) 以及巳，q ，g 的数值，即可实现公式( 2 1 0 ) 到( 2 14 ) 的五种滤波器形式。 低通滤波器： 胖丽i , o ( s 2 + 要5 + 2 ) 高通滤波器： 一两k 2 焉s 2 s 2 + 旦s + w n 2 带通滤波器： 9 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 东南大学硕士学位论文 以班南 + 鳖s + w j 一习k 2 s 2 焉+ k o s 2 + 旦s + 2 耶卜鬻 j 2 + 旦s + 2 2 4 2 梯型( l c ) g m c 滤波器 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 相对于级联型滤波器，梯形滤波器对于元件参数改变的灵敏度较低，也无需考虑零极点的影响。 梯形滤波器的原型是无源的梯形电路，梯形有源滤波器的实现方法大致有两种：第一种方法采用有 源器件来代替无源网络中的电阻，电感，电容，替代后的有源滤波器在功能上等同于无源的电路， 在结构形式上也基本相同。第二种方法采用信号流图的方法，将无源电路节点上的电流电压方程式 转化为信号流程图，再进行化简，采用积分器单元进行连接，最终得到跳耦型电路1 9 j 。 1 ) 有源器件代替无源器件 图2 6 为一个七阶低通滤波器的无源梯形电路图，由于在芯片级基础上，大的电感以及大电阻 是非常难以实现的，因此要将浮接电感用几个跨导放大器组成的回旋器以及接地电容来等效替代。 另外，端接电阻使用负反馈跨导运放来实现。 图2 6 七阶低通滤波器无源梯形电路图 在对图2 6 的无源梯形电路图中的电感和电阻进行有源器件等效时，图2 7 给出了具体的替代 形式。电感可以采用三个跨导器和电容替代，或者采用两个回旋器和电容来进行替代。两种形式的 等效值均为厶= c ( a m l g 卅2 ) ，由于此无源电感为浮接电感，所以此有源等效结构可由于双端口网 络。无源梯形电路图中的端接电阻进行有源器件等效时，可以采用负反馈跨导运放来实现，其值为 r = 1 g 。 l o 第2 章滤波器结构选择与性能比较 ( a ) 、 4 g 1 1 1 一广 一 + l 冷m 厶 r ( c ) 图2 7 等效替代 ( a ) 浮接电感的有源等效方式一；( b ) 浮接电感的有源等效方式二；( c )电阻的有源等效 2 ) 信号流图法 信号流图法是另一种实现梯形结构的方法，它利用电路结构的电流与电压的方程式来转换为信 号的流程图，最后使用积分器和电容来实现最终的电路结构。 采用图2 6 的七阶低通滤波器，先将无源的电路结构转换为图2 8 的框图形式， 图2 8 图2 6 转化电路形式 图2 8 中的电压电流的方程如公式( 2 1 5 ) 至( 2 2 2 ) 所示： 厶= 巧幸( 圪一圪)i = 1 局 圪= 乙拳( 一厶)z 2 = l s c , ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 东南大学硕士学位论文 厶= e ( 圪- v , )匕= 1 踢 k = z j ( 厶一厶) 乙= 1 跽 厶= e 掌( 圪一圪)e = 1 圪= z 6 幸( 1 5 - 1 7 )z 6 = 1 s c 。 1 7 = 写( 圪- v , )巧= l s z ， z 8 = r , o + ) 按照上述的八个方程式建立一个信号流图，见图2 9 ， ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 列望南阳鼢口! uu 1 1 vu 垤vu 1 3 vu w 图2 9 图2 6 转化的信号流图 在图2 9 中，由于变量为电流与电压的组合，在具体实现的过程中比较麻烦， 变量全部转化为电压形式。具体的转换过程由公式( 2 2 3 ) 至( 2 3 0 ) 所示： k = 巧( 一吃) g 卅q = x = z 2 ( k 一屹)皿= z 2 蚝= 匕( 一乃) 马= e 岛 = z 4 ( 巧一圪) i - , = g 埘z 4 k = r ，( v 4 一圪) 皿= r j g 圪= 岛乙( 蚝一巧)瓯= g 卅z 6 巧= e ( 圪- v s ) g 肿马= 巧 k = z 8 巧风= g m z 8 将图2 9 中的变量代入公式( 2 2 3 ) 至( 2 3 0 ) 进行转化后，图2 9 转交为图2 1o 。 1 2 i 笠 4 - - = - - 0 明枞 需简化，因此将 、，、，、，、，、，、，、，、， 3 4 5 6 7 8 9 o 2 2 2 2 2 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 ，l，l，l，l，i、 c 0 第2 章滤波器结构选择与性能比较 h ib 爿+ hmpmp珊n 剿一i 望南口i 兰南田l 望m 口 。uv 2 。u1 1 3 一uv 4 。u 。uw 。uw h 拉川 忙啊 图2 1 0 图2 9 转化的信号流图 在实现了均由电压变量表示的信号流图后，引入一种积分器的结构来实现电压的加减，该积分 器如图2 1 l ，电压加减公式为公式( 2 3 1 ) ： q = q ( 一- 一+ ，) ( 2 3 1 ) u j - 1 u j + l 图2 1 1电胜减法积分器 z ：h j g , 将图2 1 0 中电压变量代入公式( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ，可得如下公式： z l = r , s l z i = z 2 9 m f 9 2 z ；= y 3 淹3g m z 4 = z 4 9 。9 4 z ：= r 5 g , g m z 6 = z 6 9 ，e , 6 z 1 = y 1f 9 1g m z i = z 8 9 m f g s q 4 0 ) 由上面公式( 2 3 1 ) 至( 2 4 0 ) 中的阻抗，加_ l z l 羽2 1 1 的积分器，可将图2 1 0 转换为积分器与负载 阻抗的跳耦型电路结构，如图2 1 2 所示： 1 3 、，、，、，、，、，、，、j 芑， 3 4 5 6 7 8 9 z 3 3 3 3 3 3 3 六 2 2 2 2 2 2 2 g ( ( ( ( ( ( ( 东南大学硕士学位论文 扎虹虹h 虹虹h址 图2 1 2 梯形电路跳耦电路 将公式( 2 1 5 ) 至( 2 2 2 ) 代入公式( 2 3 3 ) 至( 2 4 0 ) 并进行简化，得到公式( 2 4 1 ) 5 5 ( 2 4 9 ) ，则图2 1 2 中的 阻抗由电容和电阻表示，由这些电容和电阻和跨导放大器组成的电路如图2 1 3 所示： g l = g l g , , , r l c 2 = c 2 9 2 g 。 c 3 。9 3 9 。厶 c 4 = c 4 9 4 g 。 c 5 g s g 。厶 c 6 = c 6 9 6 g m c 1 = g 侣m k c i = c s g s g m 岛。= g s r s g 。 图2 1 3 梯形电路跳耦电路实现图 由图2 1 3 的最终实现电路中，电阻采用了负反馈运放来等效替代，电容采用公式( 2 4 2 ) 至( 2 4 8 ) 中的等效转换来实现，这些电阻，电容和积分器实现了最终的跳耦电路。 1 4 、，、，、，、，、，、，、，、， 钉 铊 躬 钳 钻 铂 钉 勋 钞 仁 亿 亿 g 仁 亿 亿 m 亿 第2 章滤波器结构选择与性能比较 2 5 滤波器性能指标 2 5 1 动态范围 任何形式的滤波器，无论是数字的还是模拟的，有源的还是无源的，如果输入信号大到一定的 数值以后，都会引起电路的非线性失真。同时由于热噪声，l f 噪声等，滤波器电路在输出端有一定 的输出噪声，可等效为输入端的输入噪声。动态范围在本系统中的定义为：允许的最大非线性失真 对应的输入信号与等效输入噪声的比：d r = 圪，m 积吃脚。 2 5 2 总谐波失真 一个正弦波形输入一个时间恒定的线性系统，输出也将会输出一个同频的正弦波，但是可能有 不同的大小和相位差。然而，但当相同的输入信号应用于一个非线性系统，输出的信号将有输入波 形的谐波部分频率，包括基波( 或一次谐波) 。例如，如果输入一个i m h z 的正弦信号，输出信号会 在基波上有功率，同时在谐波频率2 m h z ，3m h z ，4l v l n z 等上也有。一个信号的总谐波失真表示为 二次与高次谐波部分的总功率与基波功率的比值，用d b 为单位，见公式( 2 5 0 ) - 册：1 0 l o g ( 堕峰轴 ( 2 5 0 ) ， 其中，为基波振幅，圪，为第i 次谐波的振幅。在实际情况中，由于高次谐波的失真迅速下降， 因此，只考虑最初的几个谐波的功率( 比如最初的5 次谐波) 。例如，0 1 的总谐波失真值表示基波 振幅是谐波部分的振幅的1 0 0 0 倍。这个0 1 的总谐波失真值等价于一个- 6 0 d b 的总谐波失真。另外， 对于实际情况，由于高次谐波的失真迅速下降，因此，只考虑最初的几个谐波的功率。 2 5 3 功耗 在实际的电路设计中，功耗也是一个非常重要的参数，对于滤波器而言，在整个滤波器系统中 间，包括了七阶巴特沃兹低通滤波器，频率调谐系统，带宽可变调节电路等等，在滤波器中，如果 滤波器的阶数越高，那么它们的跨导电路也就越多，则电路里的能量也主要消耗在这些跨导电路里 面，一般来说，一个滤波器功耗的大小与其跨导器跨导值的大小成正比，而跨导值的大小又与滤波 器的特征频率成正比，因此，在本章设计中的功耗会随着带宽的增大而变大，随着带宽的减小而减 小。 2 6 小结 本章首先介绍了滤波器的分类，按照频率特性功能上可分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤 波器，带阻滤波器以及全通滤波器；在具体的近似实现方法的区别下，滤波器可以分为巴特沃兹型 滤波器，贝塞尔型滤波器，切比雪夫型滤波器，椭圆型滤波器等等；在待处理信号的时间连续性的 区别下，可以分为离散滤波器与连续时间( 时序) 滤波器：对于在滤波器中使用的不同的积分器单 元，可将时序滤波器划分为多种类型滤波器，其中包括o p a m p r c ，o p a m p m o s f e t - c ， o p a m p - m o s f e t r c ，g m c 滤波器等等；在g m c 滤波器中，根据综合方法的不同，可以将其分为 1 5 东南人学硕士学位论文 级联型g m - c 滤波器与梯形g m - c 滤波器；在梯形g m - c 滤波器中，按照实现方法的不同，可以分 为有源器件替代无源器件法与信号流图法。在本章中，对有源器件替代无源器件法以及信号流图法 都做了详细的推导和