（电路与系统专业论文）wsn射频收发芯片中复数bpf与pa的设计与实现.pdf

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：j 坐! ! ) 日 期：丝11 ：兰：2 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：j ! ! ! ! ! ) 导师签名： 埤 摘要 摘要 随着微电子、无线通信技术的不断发展，高集成度、低成本的c m o s 无线射频收 发机芯片已经越来越多的应用于工业以及人们r 常生活的电子设备中，市场潜力巨大。 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，简称w s n ) 是一种由传感器节点构成的网 络，在环境监测、智能家居、工业生产控制等领域有着广阔的应用前景，是当前在国际 上备受关注的前沿热点研究领域。研究并设计应用于w s n 系统的射频收发机芯片具有 重要的意义。 本文的前半部分是w s n 射频收发机中复数带通滤波器的设计和实现。该滤波器位 于低中频结构的接收机中，对混频器输出的中频信号进行信道选择和镜像抑制，是接收 机中的一个关键模块。本复数带通滤波器的主体电路采用基于五阶切比雪夫低通原型的 有源g m c 结构，以满足高镜像抑制和低功耗的要求，电路中的核心跨导单元采用跨导 可调的折叠式共源共栅o t a 结构。另外，考虑到工艺角，温度等不确定因素的影响， 为了实现稳定、正确的滤波特性，设计了一个锁相坏实现的片上自动调谐电路。测试结 果表明：在1 8 v 电源电压下，自动调谐电路正常工作，复数带通滤波器具有较为精确 的中心频率和带宽，大于4 5 d b 的镜像抑制，包含自动调谐电路在内的滤波器总电路共 有4 9 m a 的电流消耗。芯片面积为1 1 8 m m x l 1 6 m r n 。 本文的后半部分是w s n 射频收发机中功率放大器的设计和实现。该电路位于直接 上变频结构发射机的末端，将变频后的射频信号进行功率放大并通过天线传输出去。由 于w s n 系统低功耗的要求，该功率放大器并不需要太高的功率输出和功率增益，效率 是关键指标，另外要求有功率控制的功能。权衡效率、线性度、增益、功率等方面，最 终的电路采用全差分的a b 类单级共源共栅结构，同时通过控制晶体管的通断实现功率 控制。在片测试结果表明：1 8 v 电源电压下，功放电路工作频率准确，具有1 8 6 d b 的 功率增益，1 2 5 d b m 的l d b 输出功率，l d b 输出时约3 3 的功率附加效率( 觑e ) ，在 某一固定输入功率下，通过3 比特功率控制码，输出端可以得到7 种不同大小的功率输 出。芯片面积为1 1 9 m i n x 0 9 7 m m 。 本滤波器电路和功放电路已经过流片验证，并已应用于w s n 射频收发芯片中，同 时经过适量改进也可应用于类似无线通信系统的射频收发芯片中。 关键词：无线传感器网络( w s n ) 、射频收发机、复数带通滤波器、自动调谐、功率放 大器 东南人学硕十学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h em i c r o e l e c t r o n i c sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c m o sr ft r a n s c e i v e rc h i pw i t hh i g hi n t e g r i t ya n dl o wc o s ti sb e i n gw i d e l yu s e di ne l e c t r o n i c e q u i p m e n tf o ri n d u s t r ya n dd a i l yl i f e ，i th a s ah u g ep o t e n t i a lm a r k e t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i saw i r e l e s sn e t w o r kc o m p o s e do fs e n s o rn o d e sw i t haw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti n e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g , s m a r th o m ef u r n i s h i n g sa n di n d u s t r i a lp r o d u c t i o nc o n t r 0 1a n ds o o n c u r r e n t l y , i ti saf o r e f r o n th o t s p o to fi n t e r n a t i o n a lc o n c e r n t h e r e f o r e ，i ti s o fg r e a t s i g n i f i c a n c et or e s e a r c ha n dd e s i g nt r a n s c e i v e rc h i pf o rw s ns y s t e m i nt h ef i r s th a l fo ft h et h e s i s ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc o m p l e xb a n d - p a s sf i l t e r i nw s nr ft r a n s c e i v e ra r ep r e s e n t e d t h i sf i l t e rw h i c hi sak e yp a r tf o rt h er e c e i v e ri s1 0 c a t e d a tt h er e c e i v e rw i t hl o w - i ft o p o l o g yt os e l e c tt h ec h a n n e la n da t t e n u a t et h ei m a g es i g n a l a g m ct o p o l o g yb a s e do n5 t h - o r d e rc h e b y s h e vl o w - p a s si su s e df o rt h em a i nc i r c u i to ft h e c o m p l e xf i l t e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g hi m a g es u p p r e s s i o na n dl o wp o w e r af o l d e d c a s c o d eo t as t r u c t u r eo fa d j u s t a b l et r a n s c o n d u c t a n c ei sc h o s e nf o rt h et r a n s c o n d u c t o rc e l l i n a d d i t i o n ，i no r d e rt oa c h i e v es t a b l ea n da c c u r a t ef i l t e rr e s p o n s ec o n s i d e r i n gt h ei m p a c to f p r o c e s sc o r n e r , t e m p e r a t u r ea n do t h e ru n c e r t a i nf a c t o r s ，a no n - c h i pa u t o m a t i ct u n i n gc i r c u i t b a s e do np h a s e l o c k e dl o o pi sd e s i g n e d t h em e a s u r e m e n ts h o w st h a tu n d e rt h e1 8 vs u p p l y v o l t a g e ，t h ea u t o m a t i ct u n i n gc i r c u i tw o r k s w e l la n dt h ef i l t e rm e e t sw i t hg o o dr e s u l t so fr i 曲t c e n t e rf r e q u e n c ya n db a n d w i d t ha n da ni m a g es u p p r e s s i o nh i g h e rt h e n6 0 d b t h ec o m p l e t e f i l t e ri n c l u d i n gt h ea u t o m a t i ct u n i n gc i r c u i tc o n s u m e sac u r r e n to f4 9 m a n ea r e ao ft h ec h i p i s1 1 8 m m x l 1 6 m m i nt h el a t e rp a r to ft h et h e s i s t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp o w e ra m p l i f i e ri nw s n r ft r a n s c e i v e ra r ep r e s e n t e d 砸sp o w e ra m p l i f i e ri sl o c a t e da tt h el a s ts t a g eo f d i r e c t - c o n v e r s i o nt r a n s m i t t e rt oa m p l i f yt h er fs i g n a la n dt r a n s m i ti tt h r o u g ht h ea n t e n n a b e c a u s eo ft h er e q u i r e m e n to fl o wp o w e rf o rw s ns y s t e m ，t h i sp o w e ra m p l i f i e rd o e s n tn e e d h i g ho u t p u tp o w e ra n dh i g hg a i n ，w h i l eh i g he f f i c i e n c yi st h ek e yt a r g e ta n dp o w e rc o n t r o li s n e e d e d a f t e rt r a d e o f fb e t w e e ne f f i c i e n c y , l i n e a r i t y , g a i na n dp o w e r , af u l l yd i f f e r e n t i a ls i n g l e s t a g ec a s c o d es t r u c t u r ew i t ha b s t a t ei sc h o s e n ，a n dp o w e rc o n t r o li sr e a l i z e db yc o n t r o l l i n g t h eo na n do f fo ft r a n s i s t o r s t h em e a s u r e m e n to fo n - c h i pt e s t i n gs h o w st h a tu n d e rt h e1 8 v s u p p l yv o l t a g e ，t h i sp o w e ra m p l i f i e rw o r k si nr i g h tf r e q u e n c y 18 6 d bp o w e rg a i na n d 1 2 5 d b ml d bo u t p u tc o m p r e s s i o np o i n tw i t h3 3 p o w e ra d d e de f f i c i e n c y 毋i sa c h i e v e d u n d e raf i x e di n p u tp o w e r , a no u t p u tp o w e rw i t h7d i f f e r e n tl e v e l si sg o tb y3 b i t sc o n t r o l w o r d s t h ea r e ao f t h ec h i pi s1 19 m m x 0 9 7 m m t h ef i l t e ra n dp o w e ra m p l i f i e rh a v e b e e nt a p e o u t e df o rv a l i d a t i o nw i t hg o o dr e s u l t sa n d h a v eb e e nu s e di nw s nr ft r a n s c e i v e r t h e yc a nb ea l s ou s e di nr ft r a n s c e i v e rf o ro t h e r s i m i l a rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb yf u r t h e ro p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：w s n ，r ft r a n s c e i v e r , c o m p l e xb a n d p a s sf i l t e r , a u t o m a t i ct u n i n g ，p o w e r a m p l i f i e r i l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i f ；jj 灵i i i 图目录一v i 表目录 第1 章绪论1 1 1研究背景1 1 1 1 无线通信简介1 1 1 2 无线传感器网络简介1 1 2 研究内容及工艺选择3 1 2 1研究内容3 1 2 2 工艺选择4 、1 3 论文的结构4 第2 章收发机射频前端7 2 1 概述一7 2 2 接收机7 2 2 1 超外差结构7 2 2 2 零中频结构8 2 2 3 低中频结构9 2 3发射机lo 2 4 本章小结1 1 第3 章复数带通滤波器设计与实现13 3 1复数带通滤波器概述1 3 3 2 复数滤波器滤波原理15 3 3g m c 复数滤波器系统级设计1 6 3 3 1低通原型的生成1 6 3 3 2 有源电感的实现1 8 3 3 3频率搬移1 9 3 3 4g m c 滤波器的生成2 1 3 3 5 滤波器的输出缓冲电路2 2 3 4 跨导电路设计2 3 3 4 1 跨导线性化原理2 3 i i i 东南人学硕l 二学位论文 3 4 2 跨导可调的折叠式共源共栅o t a 2 5 3 4 3共模反馈电路( c m f b ) 。2 6 3 4 4 偏置电路2 7 3 4 5 跨导电路的器件参数2 8 3 4 6 跨导电路的相关仿真3 0 3 5自动调谐电路设计3 2 3 5 1v c o 电路的设计3 2 3 5 2 双转单放大器和缓冲的设计3 6 3 5 3p f d c p 电路的设计3 6 3 5 4 p l l 设i 十3 7 3 6 滤波器电路前仿真3 8 3 7 滤波器版图设计及后仿真3 9 3 7 1滤波器电路版图设计的考虑因素。3 9 3 7 2 滤波器电路版图设计4 l 3 7 3滤波器电路后仿真4 2 3 8 滤波器芯片测试4 3 3 8 1测试仪器4 4 3 8 2 测试方案与测试结果一4 4 3 8 3测试结果总结与分析5 0 3 9 本章小结5 1 第4 章功率放大器设计与实现5 3 4 1 功率放大器概述5 3 4 1 1 功率放大器的主要性能指标5 3 4 1 2 共轭匹配与负载线匹配5 4 4 1 3 功率放大器的种类。5 5 4 1 4 功率放大器的稳定性5 9 4 1 5 功率控制6 0 4 1 6c m o s 功率放大器设计的挑战6 1 4 2 功率放大器电路的设计与分析6 1 4 2 1晶体管尺寸的选择6 2 4 2 2 漏极电感的选择6 3 4 2 3功率增益及稳定性分析6 4 4 2 4 负载牵引6 5 4 2 5 输入输出匹配。6 6 i v 目录 4 2 6 功率控制的实现6 7 4 2 7 偏置电路的设计6 7 4 2 8 完整的差分结构电路6 8 4 2 9 电路的前仿真6 8 4 3 功率放大器版图设计及后仿真7 0 4 3 1功率放大器电路版图设计的考虑因素7 0 4 3 2 功率放大器电路的版图设计一7 0 4 3 3 功率放大器电路的后仿真一7 1 4 4 功率放大器芯片测试7 2 4 4 1测试仪器7 3 4 4 2 测试方案及测试结果7 3 4 4 3 测试结果总结7 8 4 5 本章小结7 9 第5 章总结与展望8 1 5 1 总结8 l 5 2 展望8 1 参考文献8 3 致谢8 9 攻读硕士学位期间发表的论文9 1 v 东南人学硕l ：学位论文 图目录 图1 1无线传感器网络示意图2 图1 2 本课题采用的射频收发前端结构框图3 图2 1超外差接收机结构8 图2 2 零中频接收机结构9 图2 3 低中频接收机结构1 0 图2 4 直接上变频发射机1 l 图3 1复混频及复数滤波原理1 5 图3 2 复数滤波频谱示意图15 图3 3 实际电路中的复混频和复数滤波原理1 6 图3 4 五阶切比雪夫低通原型1 7 图3 5 五阶切比雪夫低通原型的频率响应。1 7 图3 6 有源电感的实现1 8 图3 7 有源差分悬浮电感的实现l8 图3 8 简化结构的有源差分悬浮电感的实现1 9 图3 9 低通滤波器到复数带通滤波器的变换1 9 图3 1 0 低通滤波器到复数带通滤波器极零点的变换2 0 图3 1 1电容的频率搬移电路2 l 图3 1 2 差分双端电容的频率搬移电路2 1 图3 1 3 完整的g k c 复数带通滤波器结构图一2 2 图3 1 4 滤波器的输出缓冲电路2 2 图3 15 理想跨导模型及其等效电路2 3 图3 1 6 源级负反馈差分跨导2 4 图3 1 7 通过工作在深线性区的m o s 管实现源级负反馈的差分跨导2 5 图3 1 8 差分折叠式共源共栅跨导放大器2 6 图3 1 9 带共模反馈的差分折叠式共源共栅跨导放大器2 7 图3 2 0 共源共栅跨导的偏置电路2 7 图3 2 1 自举基准电流源平衡点的确定2 8 图3 2 2 跨导值仿真3 0 图3 2 3 跨导放大器交流仿真结果3 1 v l 图目录 图3 2 4 共模反馈环路稳定性仿真结果3 1 图3 2 5自动调谐电路所采用的锁相环结构框图3 2 图3 2 6v c o 电路结构3 3 图3 2 7 非线性负载单元g n l ( a ) 电路结构( b ) i v 特性曲线3 4 图3 2 8 不同调谐电压下v c o 电路的瞬态起振波形仿真3 5 图3 2 9v c o 电路的压控曲线3 5 图3 3 0 双转单放大器和缓冲电路3 6 图3 31p f d 电路3 7 图3 3 2c p 电路3 7 图3 3 3自动调谐电路前仿真3 8 图3 3 4 滤波器滤波性能前仿真结果3 8 图3 3 5 ( a ) c m o s 工艺中寄生双极晶体管( b ) 等效电路4 0 图3 3 6 跨导单元电路的版图。4 1 图3 3 7 完整的滤波器版图4 l 图3 3 8自动调谐电路后仿真4 2 图一3 3 9 滤波器滤波性能后仿真结果4 2 图。3 4 0 芯片照片及片外元件连接示意图4 4 图3 4 1 静态测试示意图4 5 图3 4 2自动调谐电路测试波形4 5 图3 4 3 描点法测试方案示意图4 6 图3 4 4 滤波器输出频谱图4 6 图3 4 5 描点法测得的滤波器滤波特性4 7 图3 4 6 网络分析仪测试方案示意图4 8 图3 4 7s 参数扫描结果4 8 图3 4 8由s 参数测量结果得到的高阻电压增益- 4 9 图3 4 9自动调谐功能测试5 0 图4 1功率放大器输入输出特性5 3 图4 2 共轭匹配与负载线匹配5 4 图4 3 两种匹配的功率特性比较5 5 图4 4 线性功率放大器电路示意图5 6 图4 5 线性功率放大器负载线示意图5 6 v i i 东南人学硕i ：学位论文 图4 6 线性功放性能与导通角的关系5 7 图4 7e 类功率放大器电路及工作波形示意图5 8 图4 8f 类功率放大器电路及工作波形示意图5 9 图4 9 典型窄带放大器稳定系数和功率增益的曲线6 0 图4 1 0 共源共栅晶体管及其直流特性扫描6 2 图4 1 1片上螺旋电感6 3 图4 1 2 漏极电感的仿真6 4 图4 1 3 功率增益和稳定性分析的仿真电路6 4 图4 1 4 功率增益和稳定性分析的仿真结果6 5 图4 1 5电路稳定后的功率增益和稳定性分析的仿真结果6 5 图4 1 6 负载牵引仿真结果6 6 图4 1 7 输入输出匹配电路的设计6 6 图4 1 8 功率控制的实现6 7 图4 1 9 偏置电路6 7 图4 2 0 完整的全差分功率放大器电路6 8 图4 2 1s 参数前仿真结果6 9 图4 2 2 输入一输出前仿真结果6 9 图4 2 3 功率放大器的版图7 l 图4 2 4s 参数后仿真结果7 l 图4 2 5 输入一输出后仿真结果7 2 图4 2 6 功率放大器芯片照片。7 3 图4 2 7 测试环境照片7 3 图4 2 8s 参数测试方案图7 4 图4 2 9s 参数测试结果7 4 图4 3 0 不同功率控制信号下电路的s 参数测试结果。7 5 图4 3l输入一输出功率测试案图7 6 图4 3 2 输出信号的频谱图7 6 图4 3 3 输入一输出测试结果7 7 图4 3 4 固定输入功率下的功率控制测试结果7 8 v i i i 表日录 表目录 表1 1复数带通滤波器设计指标列表3 表1 2 功率放大器设计指标列表3 表3 1不同值跨导电路的器件参数列表2 9 表3 2 偏置电路的器件参数列表2 9 表3 3非线性负载单元g n l 电路的器件参数列表3 4 表3 4 双转单放大器和缓冲电路的器件参数列表3 6 表3 5 锁相环环路参数列表3 7 表3 6 滤波器设计指标及仿真和测试结果比较5 0 表4 12 4 4 g h z 处不同功率控制信号下功放电路的s 参数测试性能比较7 6 表4 2 功率放大器设计指标及仿真和测试结果比较7 8 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1研究背景 1 1 1 无线通信简介 在过去的二十多年中，通信技术得到了迅速的发展和广阔的应用，极大推动了社会 的发展，通信产业己逐渐成为各国经济发展的主要支柱产业。 无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一 种通信方式，是近些年信息通信领域中发展最快、应用最广的技术。无线通信的 应用己深入到人们生活和工作的各个方面，其中3 g 、w l a n 、u w b 、蓝牙等系统 都是当今最热门的无线通信技术的应用。 无线通信技术具有以下特点： 不受时空限制。大多数情况下，人们对通信运用的时间、地点、容量需求无法预知， 而无线通信不受时空限制的优点能够采取灵活多样的手段和方法，确保通信联络综合高 效，语音、数据、图像的综合传输畅通无阻，随着近年来国内各个经济领域和国际经济 的来往，无线通信技术不受时空限制方法为其打开方便之门，尤其通信与网络的连接， 使通信技术踏上新的台阶。 具备高度的机动性及可用性。无线通信技术传输数字化、功能多样化、设备小型化、 智能化及系统大容量化决定了其具备高度的机动性和可用性，尤其在军事构建地域通信 网方面起到很大的作用。 可靠性高。无线通信比起有线通信的一个卓越优点在抵抗水淹、台风、地震等方面 有较大的可靠性，一般情况下除非信号干扰都能保持通信的畅通，这也是无线通信的最 大特点。 1 1 2 无线传感器网络简介 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，简称w s n ) 是由部署在监测区域内大 量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统， 其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者【l 】。 无线传感器网络是目前国际上备受关注，涉及多学科高度交叉，知识高度集成的前沿热 点研究领域，其最初起源于军方的应用，但随着研究的深入，其应用也逐渐从军用转向 民用。如今，w s n 越来越多应用到环境和生态控制、医疗、家庭自动化、交通控制等 民用场所【2 ，3 1 。 无线传感器网络具有很强的相关性，是在特定应用背景下，以一定的网络模型规划 的一组传感器节点的集合，图1 1 是一个无线传感器网络的模型【4 1 。除了网络节点外， 东南人学顾i ：学位论文 这个网络中还包含一个或多个基站( b s s ) ，该基站可以是固定或者是移动的。网络节 点时刻监测网络所在的应用环境，当某个事件发生的时候，事件周围的节点监测到该事 件并产生相关数据，通过无线链路送给基站。如果事件周围的多个节点同时监测到事件， 那么这些节点可以通过相互协作产生数据送给基站。基站对接收到的数据进行处理，并 通过高质量链路发送给外网做进一步处理。 无线传感器网络的应用背景客观要求网络节点的设计要考虑几个方面的问题：第 一，体积小，大空间分布的观察需要大范围的网络节点，因此传感器网络节点在体积上 要足够小，集成度要尽量高，以保证对目标系统本身的特点不造成影响。第二，低成本， 只有低成本才能大量的部署在目标区域内，以表现出传感器网络的各种优点。第三，低 功耗，无线传感器网络节点通常运行在人们无法接近的恶劣环境中，其能源较难更换， 一块电池要支撑节点独立工作数月甚至数年，因此功耗是w s n 系统中最需要严格控制 的指标。第四，高性能，作为一个数据采集传输节点，无线传感器网络节点的运行速度 要尽量快，要具有一定的扩展性和灵活的接口。 传感器网络节点的核心是构成其硬件的以嵌入式微处理器为核心的各种芯片，构成 一个面向特殊应用的嵌入式计算机系统，其体系结构主要由传感器、处理器、存储器、 射频收发模块和能量供应模块等功能单元构成。其中射频收发模块是无线传感器网络芯 片的重要组成部分，它的性能和功耗将直接影响整个系统。 目前业界较为主流的w s n 射频收发芯片主要有c h i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 、f r e e s c a l e 公司的m c l 3 1 9 2 等。其中c h i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 芯片符合2 4 g h z8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 协议，是一款全集成、低功耗、高性能的射频收发机芯片，可应用于工业控制和个人消 费电子领域。芯片主要由收发机射频前端和基带处理两个部分组成，整个收发系统完全 在一个芯片上实现，构成一个s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 系统。 2 第1 章绪论 1 2研究内容及工艺选择 1 2 1 研究内容 本文相关的课题为国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 目标导向类项目“无线传 感器网络节点嵌入式s o c 芯片和射频收发芯片设计”。本项目组的主要工作是c m o s 工艺w s n 射频收发机芯片中射频前端部分的设计，主要由接收机、发射机和频率综合 器三个部分组成，所采用的系统结构如图1 2 所示。其中低噪声放大器( l n a ) 、混频 器、复数带通滤波器( b p f ) 、中频放大器( i fa m p ) 组成低中频结构的接收机，功率 放大器( p a ) 、混频器、低通滤波器( l p f ) 组成直接上变频结构的发射机，频率综合 器为接收机和发射机提供所需的本振信号。 图1 2 本课题采用的射频收发前端结构框图 本论文的主要研究内容是图1 2 所示的收发机射频前端芯片中复数带通滤波器和功 率放大器两个模块的设计，如图中的用阴影部分所示。 表1 1 和表1 2 给出了这两个模块的设计指标。 表1 1复数带通滤波器设计指标列表 表1 2 功率放大器设计指标列表 复数b p f 设计指标 性能参数 中心频率2 m h z 通带带宽 2 4 m h z 镜像抑制率 4 0 d b 带内波动 0 5 d b 调谐误差 5 消耗电流 3 0 s 1 l 中频信号 编、 图3 2 复数滤波频谱示意图 1 5 东南人学顾l 学位论文 复数滤波器之所以称之为复数，是因为其频率响应在正负频率内是不对称的。同时 射频信号经正交混频后送给滤波器的信号是复数的信号，其频谱在正负频率内也不对 称。图3 2 所示，有用信号和镜像信号经过复混频以后在中频产生的频率为叻f 的有用中 频和频率为幼f 的中频镜像信号，复数滤波器选择叻f 处有用的中频信号通过，抑制掉叻f 处无用的中频镜像信号，从而实现镜像抑制。 图3 1 所示的复数滤波原理是在复频域上所分析的，实际的系统中，输入射频信号 与本振信号相乘是通过i 、q 两路正交混频所实现的。与图3 1 对应的复数滤波过程分 析如图3 3 所示【2 2 1 。 毛gc o + 噼 i 妇( c o s ( ( o l v t ) 。 7 + x i m a g 。c o s ( c o i f f ) ) 7 夏j擞诅怒汲器 j t ) 钾。 ig i 。i ，。( 墨i gs i n ( m i f t )。 幼f a , t v 7 7 一工。s i n f 西，f 7 图3 3 实际电路中的复混频和复数滤波原理 在实际的应用中，i 、q 两路信号幅度和相位的不匹配会大大降低可实现的最大镜 像抑制率，有关不匹配因素对镜像抑制的影响在文献 1 5 ，2 3 ，3 1 中有定量分析。 3 3g m c 复数滤波器系统级设计 本g m c 复数带通滤波器的系统级设计流程可以分为三步：首先根据系统指标所要 求的带宽，带内纹波等设计一个合适的五阶切比雪夫低通原型；然后在低通原型中将无 源电感用有源电感代替，电阻用跨导单元代替，构成一个有源低通滤波器；最后对该有 源低通滤波器进行频率搬移，生成最终的有源复数带通滤波器。 3 3 1 低通原型的生成 滤波器有多种类型的原型，巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫、椭圆等类型，每种类型 都有各自的特点。巴特沃斯滤波器具有最大的通带平坦度，特别适用于低频应用，其对 于维护增益的平坦性来说非常重要；贝塞尔滤波器除了会改变