（电路与系统专业论文）射频有源滤波器的分析与设计.pdf

摘要 摘要 近年来，越来越多的具有不同带宽的无线通信标准被使用，比如i s mb a n d s ， a m p s ，g s m 9 0 0 1 8 0 0 ，d v b s ，g p s ，c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a ，t d - s c d m a ，d e c t ，b l u e t o o t h ， i e e e8 0 2 1l a b g 和w i f i 等等，而这些标准都分布在从几百m h z 到6 g h z 这个 频谱范围内。在未来的多频段和多模式的无线移动通信中，对于具有宽调谐范围 的射频有源滤波器的需要将极为紧迫。 下面是本文的主要贡献： 首先，一个具有0 2 6 h z - 一3 2 6 h z 超大调谐范围的射频有源带通滤波器在本文 中提出并设计。基于j a z z0 3 5 ms i g eb i c m o s 工艺和标准3 3 伏电压源，该滤 波器的品质因素( q ) 具有从2 0 到8 0 的大范围可调能力。当品质因素调节为3 0 和中心频率调节为2 4 5 g h z ( 蓝牙频段) ，该滤波器的无杂散动态范围( s f d r ) 可高 达5 9 d b 根据作者的知识和文献检索，这是首次成功设计出基于有源电感的b i f e t 射频有源带通滤波器，并且该滤波器中心频率的调谐范围在g h z 频段内是世界上 目前可知的最宽的。同时，根据在文献 5 2 中关于比较滤波器性能参数的f o m 值的 定义，该滤波器的f o m 值为最高的。通过仔细的设计，该滤波器在未来的多频带 和多模式无线移动通信中，本文中所设计的射频有源滤波器将得到巨大的应用。 其次，本论文第一次完整的分析了射频有源滤波器的稳定性，本文中提出的 分析方法可应用于任意射频有源滤波器。该方法通过对s 参数和信号流图的使用， 可以相当方便的判定射频有源滤波器的稳定性问题。并且，在本文中还提出了三 种提升射频有源滤波器稳定性的方法。第一种方法是使用电阻来抑制滤波器电路 中的潜在不稳定，同于也讨论了这种方法对噪声系数的影响。第二种方法是使用 电容来稳定射频有源滤波器。最后一种方法是采用电感来提升滤波器器的稳定性。 通过电路验证可知，这几种办法能极好的改善滤波器的稳定性。 综上所述，未来的射频有源滤波器要求工作在更高的频率上，具有更高的品 质因素，同时噪声系数要更低，因此设计这样的滤波器是一个具有相当挑战性的 课题。在本文中所提出的研究方法会在未来的射频有源滤波器的分析和设计中起 到相当关键的作用。 关键词：射频集成电路射频有源滤波器稳定性大调谐范围 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , d o z e n so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d sh a v e b e e n u s e df o rp o r t a b l e t e r m i n a l s ，e g i s mb a n d s ，a m p s ，g s m 9 0 0 18 0 0 ，d v b s ，g p s ，c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a , t d s c d m a ，d e c t ，b l u e t o o t h ，i e e e8 0 2 1la b ga n dw i m a x , a n dt h es t a n d a r d su s e s e v e r a lf r e q u e n c yb a n d ss p r e a d i n gi naq u i t ec r o w d i n gr a n g es u c ha ss e v e r a lh u n d r e d s m h zt o6 g h zw i t hd i f f e r e n tc h a n n e lw i d t h s t h e r ea r ep r e s s i n gn e e d sf o rr fa c t i v e f i l t e r s 、丽mw i d et u n i n gr a n g ef o ru s ei nm u l t i - b a n da n dm u l t i m o d ew i r e l e s s m o b i l e a p p l i c a t i o n s f o l l o w i n g sa r et h em a i nc o n t r i b u t i o n s ： f i r s to fa l l ，ab i f e ta c t i v eb a n d p a s sf i l t e r 谢mw i d et u n i n g r a n g eo f 0 2 g h z - 3 2 g h zi s d e s i g n e d ，t h ea d j u s t a b l eq u a l i t yf a c t o r ( q ) o f2 0 - 8 0h a sb e e n a c h i e v e du s i n g0 3 5 ms i g eb i c m o st e c h n o l o g y s p u r i o u s f l e e - d y n a m i c - r a n g e ( s f d r ) o f 5 9d bh a sb e e no b t a i n e da tt h ec e n t e rf r e q u e n c yo f2 4 5 g h zw i t hq = 3 0f o r t h eb l u e t o o t ha p p l i c a t i o nf o ri n s t a n c e t ot h eb e s tk n o w l e d g eo ft h ea u t h o m ，i ti st h e f i r s tt i m et or e a l i z eab i f e tr fa c t i v eb a n d p a s sf i l t e rw i t hq - e n h a n c e m e n ti n d u c t o r s ， a n dt h i sw o r kh a sd e m o n s t r a t e dt h ef i r s tw i d et u n i n gr a n g ea c t i v er ff i l t e rf o rg h zi n s i l i c o n t h ed e s i g n e dr ff i l t e ra c h i e v e st h eh i 曲e s tf o m a c c o r d i n gt ot h ed e f i n i t i o ni n 【5 2 】c o m p a r e dt ot h er e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e w i t hc a r e f u ld e s i g n ，t h ep r o p o s e df i l t e r c a nb ew e l l - s u i t e df o rm u l t i - b a n da n dm u l t i - m o d ew i r e l e s s m o b i l ec o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o n s f u r t h e r m o r e , t h i st h e s i sa d d r e s s e s ，f o rt h ef i r s tt i m e , t h ec o m p l e t e l ys t a b i l i t y a n a l y s i so fr fa c t i v ef i l t e r s t h ea n a l y s i sa p p r o a c hi sd e v e l o p e df o ra r b i t r a r yr fa c t i v e f i l t e r s t h ep r o p o s e dc r i t e r i ac a nb ec o n v e n i e n t l ya p p l i e dt od e t e r m i n et h es t a b i l i t y i s s u e so fr fa c t i v ef i l t e r su s i n gt h es p a r a m e t e r sa n ds i g n a lf l o w i n gg r a p h s t h r e e m e t h o d so fs t a b i l i z i n gt h ep o t e n t i a lu n s t a b l er fa c t i v ef i l t e r sa r ei n t r o d u c e d t h ef i r s t a p p r o a c hu s e sr e s i s t a n c et os u p p r e s st h ep o t e n t i a li n s t a b i l i t y e f f e c t so nn o i s ef i g u r e ( n f ) h a sa l s ob e e nd i s c u s s e d t h es e c o n dt e c h n o l o g ys t a b i l i z e st h er fa c t i v ef i l t e rb y a d d i n gac a p a c i t o ri nt h ei n p u tl e a dt op r e v e n tt h eo s c i l l a t i o n s t h ef i n a lm e t h o d e m p l o y si n d u c t a n c et os t a b i l i z et h er fa c t i v ef i l t e r i td e m o n s t r a t e st h a tt h ep r o p o s e d t t a b s t r a c t s t a b i l i z i n gm e t h o d s t a i li m p r o v et h es t a b i l i t yo fr fa c t i v ef i l t e r sv e r yw e l l i nc o n c l u s i o n , f u t u r er fa c t i v ef i l t e r sw i t hh i g h e ro p e r a t i o nf r e q u e n c i e s ，h i g h e r q u a l i t yf a c t o r ( q ) a n dl o w e r n o i s ef i g u r e ( n f ) a r ee x p e c t e dt ob ee v e nm o r ec h a l l e n g i n g p r o b l e m s t h e r e f o r ei n v e s t i g a t i o n s 嬲p r e s e n t e di nt h i sp a p e rw i l lb e c o m ee s s e n t i a l d u r i n gt h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fs u c h r fa c t i v ef i l t e r s k e y w o r d s ：r f i c r fa c t i v ef i l t e r s s t a b i l i t y w i d et u n i n gr a n g e i i i 图目录 图目录 图1 1 接收机结构示意图。2 图1 2 ( a ) 片上螺旋电感示意图( b ) 片上换能器示意图3 图1 3 射频集成滤波器设计中各性能指标的关系4 图2 1 射频带通滤波器的种类8 图2 - 2 对数域滤波器框图1 0 图2 - 4 ( a ) 跨导放大器示意图( b ) 跨导放大器小信号等效电路示意图1 7 图2 5 滤波器的级联示意图1 8 图2 6 跟随领先节型滤波器的多环反馈示意图1 9 图2 7 基于r l c 梯形网络综合示意图2 0 图2 8 基于r l c 梯形有源结构信号流程示意图2 1 图3 1 回转器等效电路2 5 图3 - 2 回转器阻抗转换示意图2 6 图3 3 浮地型有源电感原理图。2 7 图3 - 4 浮地型有源电感对应的等效小信号原理图2 7 图3 5 在6 0 0 a 偏置电流下图3 3 中电路的等效阻抗2 8 图3 6 在1 0 0 ta ，2 0 0 , u 八4 0 0 , ua ，8 0 0 ta 和l m a 偏置电流下。2 8 图3 72 阶全微分射频带通滤波器的原型电路2 9 图3 8 片上无源l c 谐振结构品质因数增强原理3 1 图3 1 0 射频有源滤波器的q 值变化特性3 3 图4 - lq e n h a n c e d 射频滤波器电路级简化框图3 6 图4 - 2 射频有源滤波器双口网络和反射系数3 7 图禾3 ( a ) ( b ) 无条件稳定的稳定性圆图( 阴影部分为稳定区域) 4 0 图4 - 4 作为验证滤波器的传输函数s 2 1 4 1 图4 - 5 在不同条件下对品质因素的比较4 2 图4 - 6 不同品质因素下对稳定性因子k 的比较4 3 图禾7 使用不同方法对噪声系数影响的比较4 5 图4 8 是否在偏置上添加电阻对稳定性因子( 。) 影响的比较4 6 图4 9 添加不同稳定性电容对品质因素q 影响的比较4 7 v i 图目录 图4 - 1 0 采用稳定性技术对品质因素q 影响的比较4 8 i 表目录 表目录 表2 1 滤波器设计方法的特点2 2 表3 1 各种无线通信标准的比较2 3 表3 2 不同类型射频有源滤波器的比较2 4 表3 3 射频有源滤波器的性能参数3 2 表3 - 4 不同射频有源滤波器的性能参数比较3 4 表4 _ 1 不同稳定性电容对起震电流的比较4 7 v i i i 独创性：声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 翌臣! 堑一日期：9 p 年r 月弓1 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：圣玉虫导师签名： 日期：1 年r 月旧 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 在过去的几十年中，无线通信技术和微电子技术以及其他相关产业获得了相 当大的发展和进步，无线网络和移动通信的大范围部署给世界上各国人们的生产 生活带来了深远的影响和巨大的贡献【l 】【2 】。据最新数据统计结果显示，截至到2 0 0 8 年1 2 月底，全球各个国家和地区使用m o b i l e 和w i r e l s s 的个体用户已超过3 5 亿， 这个数目占全球人口总数的5 0 以上。并且，在经过最近十几年的指数型增长以 后，今天的无线和移动通信产业已成为世界上最大的产业之一【3 】。 在规模日益增长的市场和巨大的应用需求的不断推动下，无线和移动通信技术 不断推陈出新，使全球移动通信的发展有了新的发展要求和动向。小型化、低成本、 低功耗、低噪声、多频段( 以及多模式) 的射频通信消费品诸比如说w i r e l e s s 、m o b i l e 、 w l a n 等日益受到人们的重视，与此同时，基于a m p s 、d e c t 、g s m 9 0 0 1 8 0 0 、 d t v s 、g p s ( 全球卫星定位系统1 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、w i f i 、d v b s 、t d s c d m a 、 b l u e t o o t h ( 蓝牙) 、w l a n ( 无线局域网) 、i e e e8 0 2 11a b g 和w i m a x 等无线通 信标准应用的日趋成熟，研制单片完全集成的射频无线收发通信电路与系统已成 为学术界和工业界的热门话题之一【4 】【5 1 。 在射频无线收发通信电路系统中，其频段选择性和信号抑制性无疑是无线收 发接收机的重要特性和指标之一，是滤波器的主要功能，更是衡量接收机选取带 内信号和抑制带外信号能力的决定性参数。在目前的射频接收机和发射机的设计 中，虽然各种结构种类较多，比如说超外差式结构( h e t e o d y n er e c e c i v e r ) 、零中频 式结构( z e r o i fr e c o v e r ) 、低中频式结构( l o w r e c e i v e r ) 、数字中频式结构( d i 西t a l r e c d v e r ( o rs o f t w a r er a d i o ) ) 、镜像抑制结构等等，而且，不少射频前端结构采用的 是射频c m o s 或b i c m o s 工艺实现了集成化，如下图1 - 1 中虚线框内所示。然而 到目前为止，不管技术怎么进步，片上连续时间滤波器一直没有被做到单片集成， 目前在各种产品中，射频滤波器仍然采用片外分立器件如电感和电容、陶瓷、声 表面波或体声波等技术构建或使用【6 】【7 】【8 】【9 】【l o 】【l l 】。然后在射频无线通信模拟电路设 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 着最终产品的制造成本、尺寸和重量，通常也决定了功耗的大小。 电子科技大学硕士学位论文 a n t e n n a r ff r o n t - e n d s b a s e b a n d 图i - 1 接收机结构示意图 在当前的技术水平下，尽管各种不同类型的接收机对射频滤波器的性能要求 差别较大，但无论时在哪种应用结构中，连续时间滤波器对信号频段选择和信号 抑制的作用是举足轻重和无法替代的。在很大程度上，接收机中滤波器的核心性 能参数比如品质因数( q u a l i t yf a c t o r ) 、线性度( l i n e a r i t y ) 、插入损耗( i n s e r tl o s s ) 和噪声系数( n o i s ef i g u r e ) 等常常影响接收机中射频通信前端结构的性能和指标 【5 】【g 】。因此，连续时间集成滤波器作为射频接收机实现中不可或缺的模块之一，对 它的研究具有及其重要的理论意义和相当重要的实际应用价值，也是实现无线通 信s o c 领域的尖端和领先课题之一1 1 】【1 2 】【1 3 】。 1 2 连续时间集成滤波器电路的研究现状 由于我国电子行业技术发展尤其是微电子和集成电路行业整体起步相对较 晚，与国外电路与系统的同行相比存在较大的技术水平差距。国内电路与系统和 微电子集成电路的科研学者和电路工作者们虽然早已对低频模拟滤波器的各种 理论、分析和设计进行过基础和详尽的理论研究，但对射频有源滤波器( i 强a c t i v e f i l t e r s ) 的研究却相对较少；在这个方面，对比于国外的学者，早在上个世纪8 0 年代末，就已经开始从事高频段和射频段滤波器的理论研究、分析、设计以及开 发。从各种文献检索的情况来看，国外所设计的射频集成滤波器可以说覆盖了从 几十m h z 的低频段到2 4 5 g h z ( i s m 、g s m9 0 0 1 8 0 0 、g p s 、蓝牙、w i f i 、i e e e 8 0 2 1 1a b g 等) 的所有射频频段。 在射频段尤其是在g h z 以上频段，国外的电路分析者和设计者们主要采用 片上螺旋电感( o n c h i ps p i r a li n d u c t o r ) 结构或者由片上电感构成的换能器 ( t r a n s f o r m e r ) ，如图1 2 ( a ) 、( b ) 所示，来实现在g h z 以上频段的射频滤波和信号 2 第一章绪论 抑制，并且也取得了相当大的研究结果和技术进展。但是在射频频段具有大范围 调谐能力的滤波器，特别是具有超过g h z 调谐范围的宽带滤波器设计，几乎可 以说更少。因此可以这样认为，国内外学者在射频有源集成滤波器理论研究、电 路分析和设计方面，尚处在初步的探索和研究阶段。 近年来，国内的电路与系统和微电子领域的学者们也进行了基于射频通信前 端电路的全集成滤波器的科研，比如说在文献 1 4 】中，作者对c m o s 工艺下使用 高线性可调谐的跨导问题进行了讨论和研究。而在文献1 1 6 1 7 q a ，作者对采用片 上调谐电路，如何防止滤波器的中心频率发生漂移的问题进行了分析和研究。在 文献 1 9 】只能够，作者对在c m o s 下工艺，实现可调谐的多频段多模式的射频滤 波和信号抑制问题。 ( a ) ( b ) 图1 - 2 ( a ) 片上螺旋电感示意图片上换能器示意图 随着射频片上系统这个概念的提出，射频集成滤波器的电路设计将会在很大 程度上决定射频前端通信系统结构的选择。为了满足日益发展和进步的无线通信 和移动通信系统的严格要求，将促使射频滤波器的性能应具有低成本、高工作频 段、失真小、噪声低、动态范围大和功耗低等特点。到目前为止，连续时间全集 成滤波器研究的关键点主要集中在射频频段滤波器的分析与设计、大动态范围滤 波器的设计和具有片上自调谐滤波器的设计【1 9 】。 在目前的研究水平下，为了使滤波器的工作频率能够达到几百m h z 、g h z 及 其以上频段，电路设计和设计工作者们采用的滤波器设计方案中都直接或间接地 采用了无源l c 滤波器拓扑结构，或者是通过使用跨导放大器( o t a ) ( 高增益) 来做为滤波器的核心器件，用此来满足滤波器设计中具有相对较高工作频段的迫 3 电子科技大学硕士学位论文 切要求。然而，当滤波器工作频率达到较高频段时，滤波器的动态范围( d y n a m i c r a n g e ) 却大大降低，这也很难满足现代无线和移动通信系统的严格要求。为了 扩大的动态范围，减小信号的歪曲程度，人们不得不重视对滤波器线性度、噪声 的研究，提高或改进构成滤波器的有源器件的线性度，减少器件的数量，降低电 路的功耗，优化电路的设计，这些是目前电路设计工作者们获取低失真大动态范 围滤波器的主要研究手段。 1 3 射频集成滤波器设计面临的挑战 设计一个高性能的射频集成滤波器是一项极其复杂的任务，它需要满足射频 通信系统规定的性能指标( 如图1 3 所示) ，主要包括：噪声系数( n o i s ef i g u r e ) 、 功率增益( p o w e rg a i n ) 、电路功耗( p o w e rc o n s u m e ) 、线性( l i n e a r i t y ) 、工作频率 ( o p e r a t i n gf r e q u e n c y ) 、较高的品质因数( h i g h e fq u a l i t y ) ，它们彼此之间存在着相 互折衷的关系，同时在电路实现中需要慎重考虑电路中的寄生效应、电路功耗、 芯片面积等因素。 噪声 电路 系数一功耗 线警一赢q 警一纛篓 电源、路一 电压一增益 图1 - 3 射频集成滤波器设计中各性能指标的关系 虽然射频集成滤波器的研究取得了一定程度的进展，但是滤波器设计中面临 要解决的问题仍然很多，其中品质因数较低、插入损耗较大、线性度较差和动态 范围较小仍然是连续时间滤波器设计中所遇到的主要困难【1 1 】【1 8 】【2 2 】【2 3 】【2 5 1 。如何解 决上述困难，达到移动无线通信系统的严格要求，将是当今连续时间集成滤波器 分析和设计中所面临的最大挑战之一。 4 第一章绪论 1 4 本文主要研究内容 射频无线、移动应用中所采用的频带越来越宽，频谱资源也越来越紧张，小 型化、低成本、低功耗、低噪声和多频段射频有源滤波器得到了学术研究生广泛 的重视。本论文对无线和移动通信应用中的关键模块宽带射频有源滤波器进 行研究、分析和设计，制造出高性能的射频芯片，并首次提出射频有源滤波器的 重要性能参数指标。在研究过程中所作的主要工作有： 1 基于j a z z0 3 5 ms i g eb i c m o s 工艺和标准3 3 伏电压源，成功设计了 一个具有0 2 g h z - - - 3 2 g h z 超大调谐范围的射频有源滤波器。该滤波器的 品质因素( qf a c t o r ) 具有从2 0 到8 0 的大范围可调能力。当品质因素调 节为3 0 和中心频率调节为2 4 5 g h z ( b l u e t o o t h 频段) 。滤波器的无杂散 动态范围( s f d r ) 可高达5 9 d b 。根据作者的知识和文献检索，这是首次设 计成功基于有源电感的b i f e t 射频有源带通滤波器。并且此滤波器在g h z 及其以上频率范围具有目前世界第一宽的大范围的中心频率调节能力。 2 对射频有源滤波器的稳定性( s t a b i l i t y ) 进行了系统分析，推导出判别射频有 源滤波器稳定性的标准和条件。同时，给出了多种提升多频段射频有源滤 波器的稳定性的方法。根据作者的知识和文献检索，这是首次在世界上提 出和系统的分析关于射频有源滤波器的稳定性问题。并且，在本文中还提 出了三种提升射频有源滤波器稳定性的方法。第一种方法是使用电阻来抑 制滤波器电路中的潜在不稳定，同于也讨论了这种方法对噪声系数的影 响。第二种方法是使用电容来稳定射频有源滤波器。最后一种方法是采用 电感来提升滤波器器的稳定性。通过验证可知，这几种办法能极好的改善 射频滤波器的稳定性。 1 5 本文结构 全文共分5 章，第一章为绪论，阐述了本论文选题的背景及意义，概述了集 成滤波器电路的研究现状，综述了国内外射频集成滤波器研究的发展和现状，介 绍了本文研究工作的主要内容。 第二章为滤波器的基本理论，介绍了有源滤波器的发展历史，各种滤波器的 分类，滤波器传输函数特性，着重介绍了二阶传输函数和一种很重要的滤波器一 跨导电容滤波器，最后对跨导电容滤波器的设计方法进行了归总。 5 电子科技大学硕士学位论文 第三章为基于有源电感的多频段射频集成滤波器的分析与设计，分析了有源 电感工作原理，提出并分析了一种有源电感拓扑结构，在此基础上，给出了一种 超大调谐范围( o 2 g h z 一3 2 g h z ) 射频集成滤波器的设计。根据作者的知识和文 献检索，这是首次成功设计基于有源电感的b i f e t 射频有源带通滤波器。并且此 滤波器在g h z 频率范围内具有领先水平大范围的中心频率调节能力。 第四章为射频有源滤波器的稳定性分析，提出并分析了射频有源滤波器的稳 定性理论，给出了辨别稳定性的标准。在此基础上，给出了多种提升多频段射频 有源滤波器的稳定性的方法。根据作者的知识和文献检索，这是世界上首次系统 的对射频有源滤波器的稳定性进行分析和研究。 第五章为结论，总结了本文所分析和设计的射频有源滤波器，并对今后的学 习提出了自己的看法和建议。 6 第二章滤波器的基本理论 2 1 引言 第二章滤波器的基本理论 滤波器是一种频率选择网络【1 5 】【1 8 】，它的主要功能是以某种规定的方式将输入 信号变换成所要求的输出信号，让某些频率的信号通过而使其它频率的信号受到 阻塞、衰减或者抑制。 滤波器的概念最早是由美国的g c a m p b e l l 和德国的kw a g n e r 在1 9 1 5 年首 先提出的。早期的滤波器是一种选频装置，能从含有很宽频率成分的信号中选出 所需要的成分，并将不需要的成分衰减掉或抑制掉。从那个时候至今，滤波器的 理论和技术一直在不断地飞速发展，它在通信，信号，仪表，测控，航天，导航， 自动控制等方面都获得了广泛的应用。很难想象，假如没有滤波器渗入电子和通 信技术，现代的电子世界会是什么样子。 为了更好进行全集成连续时间有源滤波器设计研究，首先应对各种类型滤波 器有所了解，为此本文简要回顾一下各种滤波器的发展过程及其主要特性。 2 2 滤波器的种类 为了满足不同应用场合的需要，产生了很多不同类型的滤波器。一般来说， 根据信号幅度的连续或离散，可把滤波器分为数字滤波器和模拟滤波器两个大类， 如图2 1 所示。 数字滤波器广泛应用于离散时间信号处理( d t s p ) 中，它有着出色的低频特 性，在数字和离散系统的设计中有着很好的应用。这种类型的滤波器是近年随着 超大规模集成技术的发展，特别是数字计算机的广泛应用而发展起来的一种新型 集成化滤波器。它具有频率选择性好，通用性强，温度稳定性高，能进行时间分 割多重处理，不需要考虑阻抗匹配问题等一系列优点。数字滤波器处理的信号是 离散的数字序列信号。但尤其值得注意的是，在处理高频尤其是射频信号时数字 滤波器就受到采样率的限制，且需要添加额外的抗混叠滤波器，这样便限制了数 字滤波器的应用范围。在本论文中，主要讨论的是片上射频有源滤波器，因此数 字滤波器在此仅会做很简单的讨论。 7 电子科技大学硕士学位论文 类。 模拟滤波器又可分为片外( o f f - c h i p ) 无源滤波器和片 ：( o n - c h i p ) 有源滤波器两 p 觞毓f 蜊湛蝴 a c t i v ef 蚓o a - 蝴 2 2 1 无源滤波器 图2 - l 射频带通滤波器的种类 e d 最早出现的无源滤波器是l c 滤波器，其主要优点是噪声低，不用附加电源， q 值一般为数百。但是在较低频率时，电感电容数值、体积、重量和价格等方面 可能超出实用的要求，而且这种滤波器也没法集成。随着现代通信设备都向着小 型化和轻便化发展，大部分电阻及电容都将为半导体集成电路和薄膜集成电路所 代替，于是如何去掉电感线圈，做成无感有源滤波器是滤波器发展的必然趋势。 目前在射频集成电路中广泛采用的大多数射频滤波器的设计主要采用无源结 构( l c 、m e m s 、s a w ) 来片外实现，但这种无源结构在与s i 工艺下的其它射频电 路模块集成时存在很大困难。因此无源结构的滤波器也不在本论文的讨论范围以 内。 2 2 2 有源滤波器 r c 有源滤波器的历史，最早可追溯到1 9 3 8 年斯科特的选择放大器，但是直 到1 9 5 4 年林威尔才真正做出第一个有源滤波裂2 6 1 ，从那时起才开始了有源滤波器 的大量研究工作。上个世纪六十年代以来，微电子技术特别是集成电路工艺有了 突飞猛进的发展，人们已能将许多晶体管集成到一块很小的芯片上，极大的促进 了有源器件的飞速发展，尤其是单片集成的有源器件【2 7 1 。 8 第二章滤波器的基本理论 根据处理信号时间的连续和离散性，可把模拟有源滤波器分为离散时间滤波 器和连续时间滤波器两大类。 ( 1 ) 离散时间滤波器 典型的离散时间滤波器就是模拟取样滤波器，模拟取样滤波器是对模拟信号 进行取样后再进行滤波处理，最后通过连续时间平滑滤波后得到所需的连续信号。 为了使取样时满足奈奎斯特定理而不出现混叠效应，在取样前还需加上抗混叠滤 波器。 常见的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 ) 和开关电 流滤波器( s w i t c h e c lc u r r e n tf i l t e r s ) 。其中，开关电容滤波器的应用范围比较广【2 8 】【2 9 1 ， 从低频的音频到视频中都有它的应用。开关电容滤波器是由m o s 开关、m o s 电 容和m o s 运算放大器构成的一种大规模集成滤波器，是近年来随着m o s 大规模 集成技术的进步而发展起来的模拟采样数据处理系统。它的时间常数由电容和时 钟频率决定，所以相对容易获得准确的时间常数，而且用很少的芯片面积可获得 很大的等效电阻。但是它的工作频率受时钟频率的限制，一般在数百k h z 以下， 并且开关工作将引入一定的噪声，m o s 运放的有限带宽也带来一定影响。然而， 到了高频段的应用后，易获得准确的时间常数这种特性不能很好地保持，因为开 关电容滤波器要求在时域中采样时，时钟频率至少是要处理的信号的最高频率的 两倍，这样才能消除混叠效应，因而所需要的时钟频率较高，因此一般不适合用 于高频应用中。 ( 2 ) 连续时间滤波器 连续时间滤波器是处理在时间上和幅度上都是连续变化的信号。连续时间滤 波器能够直接处理模拟信号，它不需要经过a d 和d a 数模转换、采样和保持以 及抗混叠滤波器。目前世界先进水平的连续时间滤波器已经可以做到g h z 以上。 对于高性能的连续时间滤波器，比较受到青睐的r c 有源滤波器、m o s f e t - c 滤 波器、对数域滤波器、o t a - c 滤波器、g m c 滤波器和q e n h a n c e dl c 滤波器【2 0 1 【3 5 】。 ( a ) 有源r c 滤波器 r c 有源滤波器是由运算放大器、电阻、电容这些基本元件构成的。在集成电 路中，这些电阻通过普通的电阻或多晶硅来实现。它能实现低通、高通、带通、 带阻、全通等各种滤波功能，最大q 值可达1 0 0 0 以上，最高频率可达m i - - i z 数量 级。 虽然有源r c 滤波器应用的较早，但从单片集成的观点看，这种滤波器并不令 人满意。原因是它需要容量较大的电容，一般为几十p f 量级，这种电容集成到芯 9 电子科技大学硕士学位论文 片上会占用很大的芯片面积，不具有实用性；其次，这种滤波器的特性参数与r c 时间常数有关，而集成电阻和电容的精度很差，准确的时间常数很难获得；还有， 它的工作频率也较低，不易设计出较高频的r c 滤波器。 ( b ) m o s f e t - c 滤波器 m o s f e t - c 滤波器是由b a n um 和t s i v i d i s y 于1 9 8 3 年首先提出来的，它由 m o s f e t 、运算放大器及电容c 构成。1 9 8 6 年他们又系统地研究了m o s f e t o c 滤 波器的设计问题。连续时间m o s f e t - c 滤波器的最初设计思想来自有源r c 滤波 器。m o s f e t - c 连续时间滤波器用m o s 管代替有源滤波器中的电阻，采用二氧 化硅介质的双层多晶硅电容，完全与硅平面制作工艺兼容，便于集成化。采用平 衡对称的电路结构，可以消除m o s f e t 作为电阻使用的非线性因素，实现线性电 阻积分器的功能，其关键元件是平衡对称的运算放大器。 m o s f e t - c 滤波器面临的一个主要问题是失真问题。常用的解决方法是采用 一组晶体管来代替单个的晶体管来消除失真。然而，即使采用了这样的措施，由 于受运算放大器带宽的限制，m o s f e t - c 滤波器的工作频率仍然很低，一般仅工 作于音频范围。 ( c ) 对数域滤波器 对数域滤波器属于电流模式滤波器( 即输入输出为电流信号) ，它由a d a m s 于 1 9 7 9 年提出来的，并将它引入到视频信号处理中去。该种类型滤波器的核心设计 思想是：当在一个由线性元件及非线性元件构成的非线性电路的前端和后端分别加 上一个对数转换器和一盒反对数转换器后，可得到一个线性系统。该设计思想可 以用如图2 2 所示的框图来表示。 输入输出 图2 - 2 对数域滤波器框图 图2 2 中的输入端的对数转换器实际上是一个对输入信号进行对数运算压缩的压 缩器，而输出端的反对数转换器实际上是一个指数运算扩展器，它把输入端被压 缩成对数信号的信号重新变为二般信号。这样不仅能通过对数滤波器进行滤波， 1 0 第二章滤波器的基本理论 而且因输入端信号的压缩而扩大了输入端的动态范围。对数域滤波器具有以下几 个优点：它可以使用非线性元件( 如二极管) 可以实现线性系统。该滤波器的通 带边界频率可以通过偏置电流厶进行调节，并且调谐范围相对较宽。因由双极 晶体管所构成，对数域滤波器具有相对高的工作频率。但对数域滤波器却存在以 下不足：其通带边界频率与温度有关，当温度改变时通带边界频率发生漂移。 由于对数域滤波器均由双极晶体管构成，所以与大规模集成电路的c m o s 工艺不 兼容，成本较高。 ( d ) 跨导电容滤波器 跨导电容( 0 1 a - c 和g m c ) 滤波器，它是由有源器件跨导放大器和电容组 成。有源器件跨导放大器可看作是电压电流转换器，它可将输入的电压信号转变 为变化的电流量输出，是一种电流控制的电流源。跨导内部电路不需要提供电压 增益，同时没有高阻抗节点，消除密勒电容效应的影响，因此跨导具有比通常性 运算放大器好得多的高频特性，而且跨导电容滤波器占用芯片面积小、功耗低， 再加上它采用连续时间的工作方式和与m o sv l s i 制造工艺兼容等优点，跨导电 容滤波器是当今电路与系统学术界研究的热点之一【1 2 】【1 9 】【3 2 1 。 在射频收发系统中，跨导电容( o t a - c 和g m - c ) 滤波器的应用相当广泛， 比如天线的输出紧跟一个射频预选择滤波器( p r e - s c l e c tf i l t e r ) ，混频器前需要镜像 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 转换前需要经过信道选择滤波器( c h a n n e l s e l e c t i o nf i l t e r ) 和抗混叠滤波器( a n t i a l i a s i n gf i l t e r ) 。另一个典型的应用是计算机 中的硬盘驱动系统，在从硬盘中读取数据的时候，必须要有一个均衡滤波器 ( e q u a l i z a t i o nf i l t e r ) ，以提供延迟补偿，减小信号间的干扰。由此可见，跨导电容 滤波器是相当重要的一种滤波器。 在本节中的后面部分将对跨导电容滤波器做重点介绍。 2 3 滤波器的分类、性能参数和传输函数 2 3 1 滤波器的分类 滤波器传输函数是复频率s 的有理函数，可以写成如下形式： 耶，= 篇等篙兰 陋， 其中s 是复频域变量，n 是滤波器的阶数。上式中多项式的系数口。，a 1 ，- 和，2 j l 1 l 电子科技大学硕士学位论文 决定了滤波器的类型，如：低通( l o wp a s sf i l t e r s ) 、高通( h i g h p a s sf i l t e r s ) 、带通 ( b a n dp a s sf i l t e r s ) 、带e h ( b a n ds t o pf i l t e r s ) 、全通( a l lp a s sf i l t e r s ) 等，也决定了同类 滤波器的幅频特性曲线和相频特性曲线的形状。 低通滤波器 理想低通滤波器的幅频特性曲线如图2 - 3 ( a ) 所示，其传输函数幅值为 m ) - 1 日( j c o ) j = 三三亍：三 ( 2 - 2 ) 0 是通带，是阻带。 高通滤波器 理想高通滤波器的传输曲线如图2 3 ( b ) 所示，传输函数的幅值为 聊m h j c o ) = 留篆慧 p 3 ， 0 是阻带，c o o 0 0 是通带。 带通滤波器 理想带通滤波器的传输特性如图2 - 3 ( c ) 所示，传输函数的幅值为 f 0 ，o c o _ c o | f h ( c o ) = i h ( j c o ) i = 1 ，q 国纨 ( 2 - 4 ) 【0 ，缈0 0 q 是通带，其他频率为阻带。一q = b w 为通带带宽。c o o = q 是 通带的几何中心频率。 带阻滤波器 理想带阻滤波器的传输特性如图2 - 3 ( d ) 所示，它的传输函数幅值为 f 1 ，o _ c o _ c o t h ( c o )