（微电子学与固体电子学专业论文）射频可重构滤波器设计.pdf

中文摘要 摘要：目前可重构设计方法是电路设计方法中的一个热点。作为新的电路设 计方法，可重构设计方法兼有软件的灵活性和硬件电路的高速性，同时可以使得 电路的硬件资源能够充分应用。在可配置电路设计与航天工程设计中，可重构技 术得到了广泛的应用。然而硬件和可重构控制之间的通信和配置方式依然是设计 中的难点。 本文主要介绍使用可重构方法设计的射频滤波器，射频滤波器采用片上电感 的方式进行设计，可重构方式采用m o s 管开关控制的方式。本文的主要任务在 s m i c0 1 8 u mi 疆c m o s 工艺下，设计射频前端接收发射机的可重构滤波器。同时 对工艺库中提供的平面螺旋电感和可变电容进行了分析。 本文的主要工作是设计：1 ，工作电压是1 8 v ，通信频率分别是通带是( 1 ) 8 8 0 m h z 9 6 0 m h z ，( 2 ) 1 7 1 0 m h z 1 8 8 0 m h z ( 3 ) 1 8 8 g h z 1 9 2 g h z ( 4 ) 19 2 0 m h z 217 0 m h z ( 5 ) 2 o1g h z 2 0 2 5 g h z 五个可配置通带的带通滤波器，滤波 器采用l c 无源器件设计。2 ，可重构部分设计采用m o s 管开关的形式设计，通 过m o s 管开关的栅极电压来控制器件接入电路的方式。3 ，可重构数字控制的讨 论，对数字控制方式和数据通信的方式进行讨论，同时提出可行方案。 关键词：可重构；射频滤波器；片上电感；可变电容 分类号：7 1 3 5 a bs t r a c t a b s t r a c t ：n o w 鲥b y st h et e c h n 0 1 0 9 yo fr e c o n f i 目l r a t i o ni st h eh o ta r e ao ft l l e c i r c u i td e s i 弘i n gt e c h n o l o g y a s 也en e w e rd e s i g n i n gt e c l l n 0 1 0 9 弘廿l er e c o n f i 目】r a t i o n n o to n l yh a st l l es o 脚a r e ss m a r t ，b u ta l s oh a sm eh a r d w a r e sh i g hs p e e d a tn l e c o n f i g u r a b i l ec i r c u i td e s i g l l i n ga i l ds p a c ee n g i n e e m g ，m et e c l u l 0 1 0 9 yo fr e c o n f i g u r a t i o n h a sb e e nw i d e l yu s e d b u tt h ed i m c u l 够p o i n ti nt h ed e s i g n i n 岛a r eb e t w e e nh a r d w a r e a n dc o n t r o l l i n gr e c o n f i g u r ec o m m u n i c a t i o na n dt h ep a 位e mo fc o n f i g u r e t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e dt h er ff ；i l t e r sd e s i g n i n go ft h er e c o n f i g u r a b l e t e c h n 0 1 0 醪t i l er f6 】t e ru s e st h ei n d u c t a n c eo nt h ec h i p ，a n dt h er e c o n f i g u r a t i o nu s e s m o ss w i t c ht oc o n t r 0 1 t h ep a p e r st a s ki sd e s i g n i n gt h er e c o n f i g u r a b l ef i l t e ro ft h er f 仃a n s c e i v e ra t 行o n t e n d ，o nt h et e c h n o l o g y0 ft h es m i c0 18 啪c m o s t h ep a p e r a n a l y s e st h es p i r a li n d u c t a n c ea n dv 撕a b l ec a p a c i t a n c eo ft h et e c h n o l o g ys m i c t h em a i nw o r ki s ：l ，o p e r a t i n gv 0 1 t a g ei s1 8 vc o m m u n i c a t i o n 能q u e n c ya r e ( 1 ) 8 8 0 m h z 9 6 0 m h z ，( 2 ) 1 7 1 0 m h z 1 8 8 0 m h z ，( 3 ) 1 8 8 g h z 1 9 2 g h z ，( 4 ) 1 9 2 0 m h z 2 1 7 0 m h z ，( 5 ) 2 olg h z 2 0 2 5 g h zt h ef i v eb a n d p 2 l s sf r e q u e n c y t h ef i l t e ru s e sl cd e v i c e 2 ， t h er e c o n f i g u r a b l ep a nu s e st h em o ss w i 砒，a 1 1 dc o n 打o l l i n gt h e 咖dv o l t a g et 0c h a n g e 也ed e v i c e 3 ，t h ed i s c u s s i n ga b o u tt l l er e c o n f i g u r a b l ed i 百t a lc o n 仃0 1 l i n g ，a n dm e p a 仕e mo fm ed i g i t a lc o n 仃o l l i n ga n dc o m m u n i c a t i o n a 舭ri t t h ep a p e rg i v e st l l e f e a s i b l ea l t e r n a t i v e k e y w o r d s ：r ff i l t e r ；i n d u c 咖c eo nt l l ec h i p ；v a r i a b l ec a p a c i t a n c e c l a s s n o ：1 n 7 1 3 5 致谢 本论文的工作是在我的导师刘章发教授的悉心指导下完成的，刘章发教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 刘章发老师对我的关心和指导。 刘章发教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向刘章发老师表示衷心的谢意。 刘章发教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 同时感谢北京交通大学这些年来对我的培养，没有交大就没有我今天的成就， 即使在步入社会工作以后，交大的记忆也是我最珍贵的记忆。 在实验室工作及撰写论文期间，郭倩，李斐等同学对我论文中的可重构设计 的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 研究背景 1 1 1 射频滤波器 在过去几十年的发展过程中，无线通信技术和微电子学技术及其相关的产业 获得了相当大的进步，无线通信和移动通信的实现给全世界的人们的生活和生产 带来了深远的影响和巨大的贡献。据资料显示，全世界使用无线通信和移动通信 的个体用户已经超过了3 5 亿，占全球人口的一半以上，并且数量应然在逐年增加。 在今天，无线通信和移动通信产业已经是世界上最大的产业之一。 在日益增长的市场和需求的推动下，通信技术不断推陈出新，使得通信产业 的发展有了新的发展要求和方向。小型化，低成本，低功耗，多模式的射频通信 产品日益受到人们的重视，以此同时，无线通信标准日趋成熟，研制单片完全集 成的射频无线收发通信电路与系统成为了学界和工业界的热门话题之一 5 。 在射频通信电路中，其频段的选择和信号的抑制性无疑是无线通信收发机的 重要指标之一，是滤波器主要实现的功能，更是衡量电路对带外噪声的抑制能力 的决定性参数。目前，虽然射频接收机和发射机的设计中，滤波器的结构有很多 种，比如说超外差式结构，零中频式结构，低中频式结构，数字中频结构，镜像 抑制结构等等。然而，到目前为止，不管技术怎样进步，射频滤波器应然采用的 是片外分立器件来构建或者使用的。图1 1 给出了接收机的一般结构，从图上我们 可以看出滤波器在接收机的重要作用。 随着技术的进步，在通信模拟电路设计和数字电路设计日益小型化和集成化 的今天，射频通信系统的集成度直接影响最终产品的成本，尺寸和重量。 图1 1 接收机结构示意图 f i g 1 - 1t l l er c c e i v e r ss c h e m a t i cd i a g r a m 目前在射频段尤其是g h z 以上的频段，电路设计师们主要采用的是片上螺旋 电感结构或者片上电感构成的换能器来实现g h z 频段以上的射频滤波和信号抑制 功能。但是，在射频频段内具有大范围调谐能力的滤波器，特别是g h z 以上调谐 范围的几乎没有。因此可以这样认为，国内外学者在射频集成滤波器的设计方面 的研究，尚在初步探索阶段。而调谐电路多采用电感，图1 2 是片上螺旋电感的结 构图，片上螺旋电感的使用使得电子产品的小型化得到进一步的发展。 图l 一2 片上螺旋电感 f i g 1 2s p i r a li n d u c t o ro nc h j p 3 】 射频片上系统这个概念的提出，使得射频集成滤波器的电路设计在很大程度 上决定了前段通信系统的结构选择。为了满足无线通信和移动通信对系统的严格 要求，射频滤波器的性能应该向低成本，高工作频段，失真小，噪声小，动态范 围大的和功耗低的特点发展。但是在射频滤波器的设计过程中，以上几种因数是 一种互相折衷的关系，同时我们还要考虑寄生效应，电路功耗和芯片面积的问题。 图1 3 师设计滤波器时需要考虑参数的关系，我们在设计的时候只能兼顾以下关 系，才能设计出使用的滤波器 6 。 噪声系数电路功耗 高q 值 工作频率 图1 3 射频集成滤波器设计中各性能指标关系 f i g 1 3t h er e l a t i o n s h i po fr ff i l t e r sp a r a m e t e r s 虽然射频集成滤波器的研究取得了一定程度的进步，但是滤波器设计中要解 决的问题依然有很多，其中的主要问题是品质因数较低，插入损耗大，线性度较 差和动态范围小等。如何解决上述问题，达到无线通信的严格要求，将是集成滤 波器设计中面临的最大挑战。 1 1 2 片上电感的设计与分析 自上个世纪中叶，射频无线通信技术得到飞速的发展，人们越来越希望能在 射频集成电路中实现集成电感，以满足降低功耗和提高集成的要求，这也使得硅 集成电感成为微电子领域的一个新的研究热点。 硅基螺旋电感是片上电感的主要实现方式，他利用集成电路中的金属互连线 围绕成螺旋状而使其具有电感的特性。在c m o s 工艺中，由于是采用的电阻率比 较高的金属互连线来组成电感的，所以在高频下，硅衬底的损耗比较大，其品质 因数一直不高。 随着人们对通信设备的要求日益增加，片上电感成为微波和射频集成电路不 可缺少的元件，在以前使用运算放大器等有源器件所构成的等效电感由于功耗大， 噪声大，高频性能差而不能满足日益增长的需求。随着工艺的进步和发展，片上 电感在微波和射频电路得到应用，尤其是c m o s 工艺的电路中应用了很多电感， 并且电感面积占去了总面积的一半以上，所以片上电感的设计变得越来越重要。 对于集成电路设计者来说，片上电感的设计越来越重要，有以下几点主要原 因： 1 电感式无源器件中的一个基本组成单元，在电路设计中的作用不可或缺。 例如对于高频的振荡器，采用环形结构很难实现低的相位噪声，高品质因 数的电感在实现l c 谐振回路中必不可少，振荡器的相位噪声主要由l c 谐振回路的品质因数来决定。一般来说，电感实现的都是窄带电路，实际 上，片上电感可以用来拓宽频带。镜像滤波器时实现单片集成的瓶颈，高 品质因数的电感对于实现镜像滤波器是很重要的。 2 在电容，电阻和电感三种无源器件中，电感本身的特性要求，其设计难度 最大。要达到设计标准，就必须进行电感的分析和设计。 3 虽然在很多厂商提供的元件库中，有一些电感元件使用。但是，通常这些 电感很小，或者其模型的参数不准确，不能满足电路设计的需求，设计符 合电路要求的电感是电路设计中很重要的一个环节 7 】。 1 1 3 可重构技术 今年来，随着微电子技术，计算机技术的发展，尤其是大规模高性能的编程器 件的出现和设计工具的改进，电路可重构技术成为国际上的一个研究热点。他的 出现时过去划分硬件和软件的界限变得模糊，让硬件电路也实现软件化。电路可 重构的本质是利用可编程器件进行多次重复配置逻辑状态的特性，在运行时根据 需要能改变电路的结构，从而使整个系统兼具灵活，简捷，硬件资源可复用，易 于升级等多种良性性能。基于此的可重构技术在高速数字滤波器，硬件演化，嵌 入式等方面都有广泛的应用前景。 可重构技术虽然是最近受到重视的，但是上个世纪6 0 年代的时候就已经提出 来了。美国加利福尼亚大学的g e r a i d e s t r i n 提出可重构结构的概念，并研制出原型 系统。尽管系统软件和硬件的结构简单，但是都可以实现可重构的形式。由于当 时的技术还不完善，e s 俩n 研制的系统只是设计理念的概述。但这种结构为后来 的发展奠定了坚实的基础。图1 - 4 是根据可重构理念得出的可重构系统结构，可重 构电路部分是我们设计的主要部分，而控制部分通过数字电路方式实现 8 。 图1 4 可重构技术的基本结构图 f i g 1 - 4t h es 仃u c t u r eo fr e c o n f i 雕a b l et e c l l i l o l o g y 【2 0 】 1 9 8 6 年世界上第一个现场可编程门阵列f p g a 芯片在x i l i l l ) 【公司的手中诞生， 同时在实践中获得了良好的效果。上个世纪九十年代，出现了以f p g a 为核心的 应用计算机设备。通常的做法是将一片或者多片的f p g a ，c p u 和存储器等组合 在一起，f p g a 作为协处理器加速c p u 中的程序运行，同时c p u 管理f p g a 的可 重构，当时人们称它为可重构计算机。这样的计算设备在一些特殊的领域显示出 了超强的计算能力和数据处理能力。其中比较具有代表性的是美国超级计算机研 4 究中心在1 9 9 2 年研制s p l a s h ，它对基因组测算的计算工作起了很大的加速作用。 该成果的成功极大的增强了人们对于这项技术的信心，也让人们对可重构技术有 了重新的认识和定位。现在可重构技术成为学界和工业界的新的热点。 可重构技术无论从重构单元的粒度，重构方式，系统结构等等都有极大的不同。 a 重构的粒度和方式 按可重构单元的粒度和方式，可以将重构粗略的分成两种。 一种是重构单元的粒度较大，为模块级的重构，即重构的时候改变的是某 一个或者若干个子模块的结构方式。此时不仅电路的逻辑功能改变，连线 也需要重新配置。重构配置信息由编译软件生成。通常重构的时候，模块 都不处于工作状态，待重构完成的时候再继续工作。这样的重构方式设计 简单，但是灵活性不足，不能完全发挥出硬件的运算效率。 另外一种重构单元的粒度则是器件，即重构的时候仅仅改变若干个元件的 功能或者连接方式。通常情况下重构时连线方式没有发生变化，系统可以 正常工作下去。重构的电路配置信息在电路工作过程中动态产生。这样 b 系统结构 按照可重构的结构方式，常见的有三种类型，不规则型，流水线型和处理 器型等等。 不规则型的可重构系统中，部件间的组织形式不同意，结构构成随意。根 据实际的客观需要采用不同的结构，性能之间也有差别，是早期主要的结 构形式。 流水线型，就是系统中的各个部件都是以协同工作的形式一起工作。流水 线中的若干级时可重构器件，能根据需要改变结构，从而改变流水线的功 能。 处理器集成型，就是可重构器件集成到处理器中，以扩展处理器的功能。 在早期的系统中，可重构器件充当处理器中的运算单元，也就是说可重构 器件作为运算单元的补充。 1 2 论文研究内容 研究目前的片上电感设计方法，采用可重构电路结构，来实现射频前端可重 构滤波器，采用s m i c0 1 8 u mc m o s 工艺来设计电路，拟达到的设计目标如下：l ， 工作电压是1 8 v ，通信频率分别是通带是( 1 ) 8 8 0 m h z 9 6 0 m h z ，( 2 ) 1 7 1 0 m h z 1 8 8 0 m h z ( 3 ) 1 8 8 g h z 1 9 2 g h z ( 4 ) 1 9 2 0 m h z 2 1 7 0 m h z ( 5 ) 2 0 1 g h z 2 0 2 5 g h z 五个可配置通带的带通滤波器。2 ，可重构部分设计采用m o s 管开关的形式设计，通过m o s 管开关的栅极电压来控制器件接入电路的方式。 实现以上电路的基本功能和电路设计。 1 3 论文的组织结构 本文主要是采用可重构结构的滤波器设计： 首先，第二章是阐述滤波器的基本原理和结构方式，并对l c 结构的滤波器进 行了简单的分析，对片上电感的结构和使用方法进行了分析，最后提出本文片上 滤波器的基本结构。 第三章内容是重点分析l c 滤波器的原理和设计方法，先对类似的振荡器结构 进行分析，然后使用上面的结论对l c 滤波器的设计进行分析，完成滤波器电路的 主体结构。滤波器的设计采用片上电感的方法，使用谐振电路频率可调的特性。 第四章先对可重构概念进行介绍，然后说明如何实现带宽和中心频率的配置， 对带宽可重构的设计方法是改变电路中的负阻值，进而影响电感的品质因数，从 而完成带宽调节，其中对带宽与负阻阻值的关系进行了分析，然后是频率可重构 的设计方法，重点介绍数字控制的方法。下一部分说明可重构系统的整体结构， 说明控制信号的产生和与可重构电路之间的通信问题。 最后第五章给出频率和带宽的可重构仿真结果。 6 2 滤波器基本原理和分类 滤波器是一种频率选择网络，他的主要功能是通过某种方式使得特定频率的 信号通过，而其他频率的信号得到抑制。也就是说，滤波器是信号在特定频率范 围内能够无损或损耗很小的通过，而其他频段的信号则要受到衰减才能通过。我 们通常所说的3 d b 带宽则指的是信号衰减3 d b 。 滤波器的概念最早是由美国的g c 锄p b e l l 和德国的k 帅e r 在1 9 1 5 年首次 提出来的。从那时至今，滤波器的理论和技术不断的发展，他在通信，电子，航 天，控制，仪表和测试等方面得到了广泛的应用。很难想象没有滤波器的在现代 电子技术上的应用，我们的科技会发展到什么程度。 所以，为了更好的完成滤波器的设计，应该对不同种类的滤波器有一定的了 解。 2 1 滤波器种类 一般，我们将滤波器分为两个大类：模拟滤波器和数字滤波器。其中，数字 滤波器主要应用于离散信号的分析，这种滤波器由于有着很好的低频特性和不需 要考虑阻抗匹配的优点，在离散时间系统和数字系统中得到了广泛的应用。 随着近年来芯片工艺的发展，尤其是在芯片集成上发展，一种新型的滤波器 集成滤波器受到重视。他具有频率选择性好，通用性好，温度稳定性高和能 进行时间多重分割等优点。但是值得我们注意的是，数字滤波器在高频的情况下 表现不尽如人意尤其在射频频率上的应用，受到了采样频率的限制，需要在额外 的添加器件来消除影响，这样就限制了数字滤波器在射频领域的应用。 模拟滤波器在早期应用比数字滤波器要广泛，但是随着工艺的不断进步，产 品开发时间缩短和产品的集成度不断加深，模拟滤波器因为使用的器件体积，价 格，重量和电容电感数值的原因，应用范围逐渐缩小。现代的大部分工艺是采用 将电容和电阻用半导体集成电路和薄膜集成电路来代替，去掉电感做成无感有源 滤波器的方法 1 】。 最近的工艺发展，在1 8 0 啪和9 0 胁工艺上，片上电感的实现成为可能，使 得模拟无源滤波器的设计回到人们的视线内。集成无源滤波器的设计兼有集成电 路体积小，功耗低的特点，同时也具有模拟滤波器的电路简单，高频特性优秀的 7 特点，尤其是可重构的概念和集成电路的设计相结合，能制造出功能更加丰富， 应用范围更广的电路。 2 1 1 模拟滤波器 在早期的滤波器设计上，模拟无源滤波器因为功耗小，设计方法完善的优点 得到大量的应用。但是随着器件尺寸逐渐减小，器件的小型化趋势逐渐明显，使 得模拟滤波器的器件在低频的时候不再适用。所以，滤波器有源化成为趋势【2 。 2 1 2 有源滤波器 有源滤波器最早可以追溯到1 9 3 8 年的斯科特的选择放大器，但是直到1 9 5 4 年才由林威尔做出第一个真正的有源滤波器。从上个世纪六十年代，电子技术有 了突飞猛进的发展，尤其是集成化上的发展，使得有源滤波器的设计得到长足的 发展。下面我们简单介绍几种有源滤波器的设计。 图2 1 是几种主要的射频滤波器，其中分为数字和模拟两个大类，而我们主要 研究的q 值增强l c 滤波器在模拟有源滤波器里。 射频带通滤波器 数字型模拟型 、 无源滤波器有源滤波器 心 电阻电容开关电容跨导型q 值增强型 图2 1 带通滤波器的种类 f i g 2 - lt h ev 撕e t ) ro f b a i l d 巾a s sf i l t e r 可以把有源滤波器分为离散时间滤波器和连续时间滤波器： l ，离散时间滤波器 典型的离散时间滤波器是模拟取样滤波器，为了使取样时满足奈奎斯特定理 而不出现混叠效应，在取样前应该加上抗混叠滤波器。 常见模拟取样滤波器有开关电容滤波器( s w i t c h e dc a p a c i t o rf i l t e r s ) 开关电流 滤波器( s w i t c h e dc u r r e n tf i l t e r s ) 其中开关电容滤波器从低频到高频都有应用。开 关电容滤波器是由m o s 管，m o s 电容和m o s 运算放大器组成的集成滤波器。他 的时间常数是由电容和时钟频率决定的。 2 ，连续时间滤波器 连续时间滤波器是用来测量时间和幅值上是连续的信号，他能够直接测量模 拟信号，而不需要增加额外的器件。目前比较受青睐的是有源r c 滤波器， m o s f e t - c 滤波器，对数滤波器，o a t - c 滤波器，g m c 滤波器和o e n h a n c e dl c 滤波器。最后一种因为其简单的结构现在得到广泛的应用。 ( a )有源r c 滤波器是由运算放大器，电阻和电容组成的电路，最 大测量范围可以达到m h z 。但是由于采用的电容较多，使得在集成化方面 遇到了很大的麻烦，占用过大的芯片面积，使得在设计通讯器件的过程中， 尽量少使用这样的滤波器。同时，由于集成电路中的电容和电阻很难保证 精确的值，而r c 滤波器的带宽和时间常数是由采用的电容和电阻组成， 所以这样的电路不能做到很高的频率。 ( b )m o s f e t - c 滤波器是由r c 有源滤波器发展而成的，主要的思 想是通过采用m o s 管来代替滤波器的电阻。由于采用m o s 管作为电阻， 增加了电路的集成化可能，同时通过平衡的电路结构能够消除一部分的非 线性的影响。但是，同时我们也看到，这种滤波器的关键器件还是平衡的 运算放大器，而运算放大器的特性和参数限制了滤波器能达到的频率。所 以m o s f e t - c 滤波器只能在音频范围得到应用。 ( c )对数滤波器属于电流滤波器即输入的信号是电流。其核心思想 如图2 2 所示，可以概括为：当在一个由线性器件和非线性器件组成的非 线性电路的两端分别加上一个对数转换器和一个反对数转换器后，得到一 个线性系统。可以通过下面的图了解到对数滤波器的设计思想。 输入输出 图2 - 2 对数滤波器的结构图 f i g 2 2t h es 仇1 c t i l r eo fl o g a r i t l l i l l i cf i l t e r 【7 】 ( d ) 跨导电容滤波器( o t a c 和g m c ) 是由有源器件跨导放大器和电阻 组成的滤波器。有源跨导滤波器可以看成一个电压电流转化器，他可以将 电压的变化转换成电流的变化，是一种电压控制的电流源。跨导有源滤波 9 器因为功耗小，版图面积小，连续工作方式和m o sv l s i 的制造工艺兼容 的特点，成为学界的研究热点之一。在射频接受系统中跨导滤波器得到了 广泛的应用，如天线的输出紧跟一个射频预选择滤波器( p r e s e l e c tf i l t e r ) ， 混频前需要镜像抑制滤波器( i m a g e r e j e c t i o nf i l t e r ) ，a d 转换前需要信道 选择滤波器( c h a n n e ls e l e c t e df i l t e r ) 和抗混叠滤波器( a i l t i a l i a s i n gf i l t e r ) ， 由此可见，跨导电容滤波器是很重要的一种滤波器 3 。 2 2 滤波器的类型 滤波器的传输函数时复频翠的s 参数，司以写成f 回的形式： 日( s ) = 兰：刍= ! ! ：二：刍兰刍 、7 s ”+ 口h 一1 s ”一1 + 口l s + 口o ( 2 1 ) 其中s 是复频率变量，n 是滤波器的阶数，而a 和b 则是多项式系数。滤波器 的类型由a ，b 的值决定，分为低通，高通，带通和带阻四个类型，同时也决定了 幅频特性曲线和相，频特性曲线的形状。 2 2 1 低通滤波器 理想低通滤波器的传输函数幅值函数如下： 日( 国) = i h ( 弘) l = ：器 0 是通带，o 是阻带。 2 2 2 高通滤波器 理想的高通滤波器的传输函数幅值函数如下： 日( 缈) = 1 日( 弘) i = ? 翟 1 0 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 2 2 3 带通滤波器 io ，o 缈劬 片( ) = l ( 国) i 1 ，劬缈 【o ，嘞缈 2 2 4 带阻滤波器 理想带阻滤波器的传输函数幅值函数如下： 1 ，o 国 片( 国) = 1 日u 国) f o ，q 国魄 【l ，国 常用的逼近函数有巴特沃斯滤波器，切比雪夫滤波器，贝塞尔滤波器， 滤波器。 2 3 滤波器的主要参数 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 椭圆 滤波器的主要性能参数包括：插入损耗，波纹系数，通带带宽，矩形系数， 阻带抑制和品质因数。 插入损耗：描述的是滤波器在通带传输过程中的损耗，定义为信号源入射到 滤波器电路的输入功率只和在负载上得到的功率只之间的比值，采用分贝表示： 尼c d 8 ，= 1 。l 。g 每 。2 6 ) 理想滤波器的插入孙损耗是o d b ，即没有损耗。 波纹系数：滤波器电路的通带内的平坦度，表示通带内最大值和最小值之间 的比值。 频带宽度：定义为滤波器通带内达到3 d b 衰减的高频率的截止频率厶，与低 截止频率 之间的差值，带宽的单位是赫兹( h z ) 可以表示为： b 妒n = f h 一 l ( 2 - 7 ) 矩形系数：描述了滤波电路的响应在截止频率附近的陡峭变化的特性，矩形 系数越高，滤波的响应越陡峭。 阻带抑制：在理想情况下希望滤波器在通频带外能够获得无限的衰减量，但 实际滤波器只能获得有限的衰减量。通常为与矩形系数比较，定义阻带衰减为 6 0 d b 。 品质因数：滤波器在谐振频率下，平均储能和一周期消耗的能量之比，滤波 器的品质因数可以表示为： ，、平均储能 q 。缈丽。峋 ( 2 8 ) 2 4 射频有缘滤波器的分析和设计 射频有源滤波器的设计方法主要应用的是c m o s 工艺下的m o s 管来实现， 电路中的电感是通过不同层的金属线连接实现的，但是由于金属线和衬底的等效 串联电阻使得电感的品质因数较低，这就需要通过另外的方式增强电感的品质因 数。电容的实现则是m o s 管或者p n 结来实现替代的，m o s 管实现和p n 结的实 现方式使得电容的值和工作电压有很大的关系，容易受到电压变化的影响。但是， 这样的特性也使得可变电容的实现变得容易。 2 4 1 射频滤波器的电路结构 现在的大多数的射频接收器件和电路，都采用差分结构的方式来设计。由于差 分结构的平衡性和稳定性，采用差分结构的电路能够减少偶次的非线性效应。核 心结构是两个对称的有源电感结构和用于品质因数增强的负阻控制电路。在电路 中两个晶体管用来作为输出极，而另外两个晶体管则是作为负阻电路，来完成品 质因数的调整。 图2 3 是射频滤波器的原型电路，图2 3 是一个带通滤波器，而差分结构的滤 波器是由两个单端的原型电路组成。电路上面由电容，电感和电阻组成的谐振电 路是射频滤波器的主要电路。电容和电感的值l 和c 决定谐振的频率，即 缈= 1 z c 。电阻r 是电容和电感的等效电阻的，作为电路的输出电阻。其他频 率在通过谐振电路的时候，由于和谐振频率的差别，导致电路增益很小，从而实 现电路的频率选择功能 4 】。 1 2 图2 3 射频带通滤波器的原型电路 f i g 2 3t h eo r i g i n a lc i r c u i to f l t fb 锄d p a s sf i l t e r 2 4 2 采用负阻的品质因数增强技术 图2 4 电路是有源l c 电路的结构图，我们可以将他们当成一个l c 的谐振电 路。通常情况下，由于片上电容的品质因数比电感的品质因数大很多，所以谐振 电路的品质因数由电感的品质因数来决定。如何增强电感的q 值则成为射频集成 l c 滤波器设计的重点。 几胛二m 图2 - 4 片上无源l c 谐振结构品质因数增强原理 f i g 2 _ 4t h em e o i yo fp a s s i v el cq e i l l l a n c e d 【10 】 电阻尺是图中电感的等效串联电阻，也是整个谐振电路的损耗电阻，为了电 路分析的需要，将电感和损耗电阻的并联方式进行等效转换，将他变成( b ) 图的 并联结构。在并联电路中，电阻尺，是损耗电阻足的q 2 倍。( c ) 图中我们在电路后 面并联了一个阻值为负的电阻，负阻的作用是用来调节整个电路的阻值和品质因 数的。( d ) 图是将正阻值和负阻值并联后的结构。通过计算电路的传输函数，我们 得到品质因数和中心频率增益的关系式。传输函数的表达式如下： 1 3 一 一 目 s g m 耶) 2 i 乏虹s 2 + s ! 二竺量+ 二 2 母c c ( 2 9 ) 从上式可以看出，滤波器的品质因数q 趋于无限大，传输函数会产生极点， 电路发生振荡，中心频率处的增益与品质因数q 是成正比的，也就是说q 值增大， 中心频率的增益也会增大。 2 5 滤波器中的电感技术 上面我们讨论了有源滤波器的种类和设计方法，其中电感的使用时设计过程 中的重点。在工艺发展的情况下，现在集成片上电感已经成为可能，但是集成片 上电感的使用和特性与普通的电感有很大的区别，通过下面对电感的分析，为后 面的滤波器设计打下基础。 2 5 1 市场的需求和推动 在过去的十几年的时间里，电子产品的发展，尤其是如无绳电话，传呼机， 模拟或数字个人通讯系统，数字电视和全球定位系统等，使得我们的生活发生了 翻天覆地的变化。这些产品很多都成为了我们生活中不可缺少的东西。这些电子 产品的成功依赖于他们的电池寿命，成本，重量和体积。随着技术的发展，射频 集成模块和基带信号处理单元，要求在同一个硅片上能满足上述产品的需求，也 就是说，我们的电子产品的集成化和小型化是各种电子产品的发展方向。由此， 无源元器件，特别是电感的使用和设计在学界和工业界得到了广泛的重视 9 。 目前很多的通讯接收和发送机中的低噪声放大器( l n a ) ，混频器( m e r ) 和压控振荡器( v c o ) 都是采用双极型工艺和b i c m o s 工艺制造的；而功率放大 器的设计和制造则是采用砷化镓( g a a s ) 或者双极型工艺；基带信号处理芯片是 采用c m o s 工艺制造。而在印刷电路板上则大量的使用薄膜技术或分立形式的无 源器件。基于集成度的考虑，通常是不同的模块在同一个硅片上采用同一工艺的， 制造在相同的衬底上。其中c m o s 工艺因为集成度高和应用广泛的优点，成为芯 片设计的首选工艺。 1 4 2 5 2 片上电感 伴随着工艺技术的不断进步，c m o s 的截止频率越来越高。c o m s 工艺与其 他的工艺相比，无论在价格，还是在功耗方面都有显著的优势。同时，因为c m o s 工艺广泛应用在模拟和数字集成电路的设计上，因此器件的集成度能够达到更高。 这就导致c m o s 工艺在g h z 频率上的应用日益广泛。而单芯片的接收发射系统是 学界的研究目标和重点，在学术上和经济上都有较高的价值。 单片集成的优势主要有以下几点：成本，功耗，面积，可靠性，精度和设计 灵活性。 成本：在印刷电路板( p c b ) 上，电容，电阻和电感等无源器件虽然只占有 1 0 的比例，但是整体的价值却超出了电路总价值的三分之一。而c m o s 工艺的 优势则是单块的电路模块可以集成在同一个硅片上，这就减少了i c 的封装和试验 费用。 功耗：单片集成可以节能。p c b 上的连线，以及无源器件之间的连接会引起 较大的寄生电容和电感。当信号在这些元器件之间传输的时候，很多能量就消耗 在这些元器件附加的寄生电容和电感上面。而单片集成的方法就可以避免这样的 消耗。 面积：在p c b 上面，占据大部分面积的都是分立无源器件，而现在流行的携 带式产品越来越趋向于小型化和集成化。如今的产品设计中，通过封装技术减少 p c b 面积的方法的效果已经不再明显了。只有在芯片上才能有效的减少所占的面 积。 可靠性：单片集成的方法减少了器件的焊接需要，进而提高了产品的可靠性。 精度：电感在0 8 2 5 g h z 的频率之间工作时，一般采用的典型值是1 2 5 n h 。 而o 8 2 5 g h z 是无线通信工作的主要频带。而分离器件的电感很难达到这么小， 一般的误差在2 2 5 之间，由于器件在焊接和封装过程中的问题，使得误差更大。 而片上集成电感可以提供很高的精度。 设计的灵活性：信号在芯片中传输的时候，不需要考虑片外器件的匹配问题， 而无源器件的集成使得阻抗匹配的设计更加灵活。 试验：器件数量的减少使得电路测试的工作量减少，进而降低了成本【1 0 】。 2 5 3 电感在射频电路中的应用 因为电感的储能特性，使得电感与其他的储能元件配合可以实现很多的功能； 电感的低通高阻特性在降低电源电压，滤波器电路设计中发挥重要的作用，所以 电感在射频电路中是不可缺少的。 对于无线通信装置来说，低成本，低电压，低功耗，低噪声，高频和低失真 是很重要的特性。没有电感，很多情况下是没办法达到的令人满意的结果的。通 信设备的工作频率大都位于0 8 2 5 g h z 之间，在这样的频率上，为了得到射频系 统中模块电路之间的最大能量传递，必须在他们之间插入匹配阻抗网络，而电感 是阻抗变换电路中非常重要的一个元器件。 对于g h z 以上的振荡器，采用环路电路的方法设计的电路很难实现低的相位 噪声，而高品质的电感在l c 谐振电路和压控振荡器中是必不可少的器件。 2 5 4 片上电感研究的发展和存在的问题 片上电感主要分为下面几类：有源电感，金属互连线电感，键合线电感以及 半有源电感。其中金属互连线电感在集成电路中得到广泛的应用。 有源电感：在低频段时可以通过使用有源器件模拟电感特征，而避免使用真 实电感，并可以实现比较大的电感值和q 值。这类电感主要用于调谐的滤波器。 键合线电感：在芯片的两个焊点间，焊点与封装以及封装与封装间焊接的金 属线被称为键合线电感。 半有源电感：使用有源电路抵消无源电感电阻的方法，可以实现高品质因数 电感。采用半有源的电感实现片上滤波器，可以替代片外的声表面滤波器，使得 滤波器的频率不再拘泥于声表面滤波器的材料，可以灵活设计。 金属互连线电感：由金属互连线构成的螺旋电感与i c 工艺兼容，稳定性好， 并且可以实现的电感值范围比较大，为电路设计提供了灵活性。金属互连线电感 是现在集成设计研究的主要方向，而现在集成电感的主要形式就是金属互连线电 感，常被人称为片上电感。片上电感是集成化设计的首选，由于采用集成工艺设 计，对于实现器件的小型化和低功耗有很重要的作用。而且，金属线电感的电感 值可以达到很高的精度 1 1 】。 下面会对金属互连线电感的使用做具体的介绍。 1 6 2 5 5 金属互连线电感的研究现状 由于射频和微波通信市场的巨大潜力，国际上很多大学在很久前就开始研究 片上电感，同时也发表了一系列的论文。在1 9 6 0 年就有人研究过在硅片上做平面 电感，但是当时得出的结论是在硅集成电路中集成电感是不实际的。直到1 9 9 0 年， 首次发现电感能在硅工艺集成电路制造。 成电感，以满足低功耗，高集成的要求， 2 5 6 金属互连线电感的存在的问题 近年来的发展趋势是射频集成电路中集 使得电感的单片设计成为研究热点。 金属互连线电感存在的问题主要是品质因数不高和占据芯片面积较大两个方 品质因数较低：电感品质因数的普遍定义是电感储存的峰值磁能和峰值电能 之差与一个周期内在电感上损耗的能量之比。平面螺旋电感的不同圈数之间 的耦合系数比较低，较大的串联电阻和电容，较高的衬底损耗使得片上电感 的品质因数不高。尤其是c m o s 工艺的衬底半导体，损耗的能量相对较高， 使得c m o s 工艺下设计电感成为难点。 电感占据芯片面积较大：随着现代工艺的提高，芯片的尺寸逐渐减小，单位 面积可以设计的晶体管数目不断增加，成本不断降低。但是电路设计中的电 感值没有减小，所以电感的面积没有发生变化。电感面积和晶体管面积之比 不断提高，所以降低电感面积成为保证电感性能的另外一个重要课题。 串扰：使用标准c m o s 工艺，没有办法屏蔽电感磁场而不降低其性能，不 可避免的要扩大电感和其他电路元件的间距，降低电磁场的耦合，这样就增 加了实际芯片的面积。 2 5 7 电感的物理模型 常见的片上螺旋电感有四种，正方形，六边形，八边形和圆形。图2 5 是平面 螺旋电感的版图，主要的集合参数有下面几种：外径，内径，线宽，圈数和线间 距，平面螺旋电感的形状如下图所示。根据实验得到的数据显示，在相同的外径 下，圆形取得较高的q 值。但是，电感值和电感的形状没有直接的联系。而我们 1 7 o l ，“2 虱l z 王 平时采用最多的还是正方形的螺旋电感，因为在硅片上正方形是最好实现的。而 圆形虽然电感的品质因数更高，但是生产也很困难 1 2 】。 图2 5 平面螺旋电感 f i g 2 5p l a n es p i r a li n d u c t o r 4 2 5 8 片上螺旋电感的工艺参数 衬底电阻率：衬底的电阻率影响片上电感的品质因数。在衬底轻度掺杂时，电 阻率大于1 0 七m 聊，则衬底损耗很小，电感的性能由串联的电阻决定；当衬底重 掺杂时，其电阻率大于0 0 0 1 七q 2 m ，衬底的损害时影响电感的主要因数。 金属线电导率：金属线的电导率主要影响品质因数。电导率越大，其o 值越 大。在高频工作下，由于趋肤效应的影响，金属的电阻值明显提高，使得电感的 品质因数也同样下降。 2 5 9 片上螺旋电感的电路模型和性能参数 图2 6 给出了电感的等效电路，我们可以看出在c m o s 工艺下的电感的寄生 效应很严重，尤其是串联的电阻式直接影响品质因数的原因。我们给出电感的等 效电路图后估算各个参数的值，再通过串联变并联的方法得出电路的等效并联电 感。这个值一般与电感本身的品质因数有关。 g 三， 足 r vyy 1 一一。 ，c 一 一= 掰= 一 一 = 咯韬 图2 6 片上电感的电路模型 f i g 2 6t h em o d e lo fi n d u c t o ro nc h i p 常用的电感的等效模型有下面主要的参数：厶是片上电感的串联电感；尺。是 电感的串联电阻；e 为电感的自身电容；c 二为氧化层寄生电容；e ，为硅衬底对 地的寄生电容；r 。，是硅衬底的损耗电阻。 应用上面的电路等效模型，我们可以求出电感元件的各个参数的工艺数值。 1 电感值：电感内圈的金属对电感的贡献很小，但是确使得串联电阻变大，q 值降低，因此在工艺上将电感设计成中空的形状，下面是方形电感的解析计 算公式： 竺：! 二丝! ：! 垒! 1 1 一7 ( 2 1 0 ) 其中屯是方形电感的外直径，是内直径和外直径的平均值，上述表达式 的误差在5 。通过总结，获得所有规则形状平面螺旋电感的解析式： 华卜) 协 其中的图形系数由下面的列表给出： 表2 1 电感不同形状计算参数的比较 t a b 2 - 1t h ep a r a m e t e r so fd i 行e r e n ti n d u c t o r s s h 印e 1 9 间距小于3 倍线宽时，最大误差不大于8 。我们可以通过表2 1 轻松的估算 出不同形状电感的值，同时这也是仿真软件里面计算电感值得公式。 2 频变串联电阻： 串联电阻的阻值可以通过下面的公式进行估算 _ ， 足丽i