0 引言
在射頻前端芯片的設(shè)計中,，高集成度成為設(shè)計師們關(guān)注的焦點。就目前射頻前端芯片來說,，實現(xiàn)中頻濾波器的片上集成是提高芯片集成度的最有效手段,，有源Gm-C濾波器就是一種可集成具有較高性能的濾波器。
Gm-C濾波器的實現(xiàn)方式有很多種,，常見的結(jié)構(gòu)主要有Biquad結(jié)構(gòu),、Gyrator結(jié)構(gòu)和Leapfrog結(jié)構(gòu)。Biquad結(jié)構(gòu)簡單,，易于調(diào)諧,，但是階數(shù)較低，Q值不夠高,，一般在3左右,。Leapfrog結(jié)構(gòu)受Gm單元直流偏移的影響很小，但是設(shè)計過程較為繁瑣,。本文采用Gyrator結(jié)構(gòu),，其實現(xiàn)方法簡單，電路原理清晰,，有較好的電性能,，但Gyrator對浮地電容的復(fù)數(shù)變換在很多文獻中都沒有詳細的介紹和論證，在橢圓函數(shù)復(fù)數(shù)濾波器的設(shè)計中會遇到很大困難,。筆者對一些類似的變換結(jié)構(gòu)進行了分析,，經(jīng)過對電容傳輸函數(shù)的推導，總結(jié)出浮地電容的復(fù)數(shù)變換理論和方法,。
1 Gm-C有源低通濾波器的設(shè)計
首先介紹一種有源浮地電感,，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
即此結(jié)構(gòu)的輸入輸出電壓電流特性等效為一個差分的浮地電感,，可以利用這一特性,，將LC原型濾波器中的電感進行替換，從而實現(xiàn)一個只含有OTA和電容的濾波器,。
本文設(shè)計了一個帶寬為1 MHz,、30 dB阻帶起始頻率為3 MHz的橢圓函數(shù)低通濾波器，通帶波紋為0.5 dB,，并且要求濾波器具有一定的增益,。
通過ADS(advanced design system)所提供的濾波器設(shè)計功能，得到如圖2所示的低通原型濾波器。
根據(jù)濾波器實際的輸入輸出阻抗換算出各電抗元件的實際值,，然后將電路中的電感用上面提到的有源電感進行替換,，得到如圖3所示的結(jié)構(gòu),。
圖中左邊第二個和最右邊的OTA即等效為輸入輸出電阻,，左邊第一個OTA為輸入緩沖放大器，用來消除輸入信號源內(nèi)阻對濾波器的影響并給電路提供適當?shù)脑鲆?，可以并?lián)多個OTA增大其輸出電流,，獲得較高的增益。通過推導可以得到
即濾波器的Q值正比于輸入輸出跨導,，反比于有源電感的跨導的平方,。所以，在實際設(shè)計時,，應(yīng)當盡量增大輸入輸出OTA的跨導值,，可以通過并聯(lián)N個OTA的方式實現(xiàn)，總的跨導值即為N?Gm,，這里選擇將8個OTA并聯(lián)作為輸入輸出阻抗,。
在ADS環(huán)境下，AC仿真的結(jié)果如圖4所示,。
圖4所示的兩條AC響應(yīng)曲線幾乎重合,，分別為原型濾波器和Gm-C濾波器，可見,，兩者有非常好的一致性,。如果輸入輸出OTA的跨導選擇過小，濾波器的Q值將很低,，則帶內(nèi)波動會很大,。
2 復(fù)數(shù)帶通濾波器的設(shè)計
在研究帶通濾波器的設(shè)計問題之前，需要清楚有關(guān)復(fù)數(shù)濾波器的問題,。在實數(shù)濾波器中,，是不存在負頻率的，但是當引入復(fù)數(shù)域的概念之后,，負頻率就被引入進來,，實數(shù)濾波器在負頻率上的頻率響應(yīng)與正頻率是對稱的，這一點從拉普拉斯變換角度很容易理解,。所以對于上面給出的低通濾波器來說,，它在復(fù)頻域上的頻率響應(yīng)就是一個帶通的形狀，其中心頻率在零頻上,，帶寬為2 MHz,。將這個中心頻率在零頻的帶通濾波器進行一下頻率搬移，就可以獲得一個中心頻率在某一需要的頻率上的帶通濾波器。
用一個電容為例簡要說明在復(fù)頻域中進行頻率搬移的方法,，如圖5所示,。
用電路來實現(xiàn)就如圖5右邊所示，其中Gm=ω0C,。在Gm-C濾波器中,，無源元件僅存在電容，有源OTA對濾波器的復(fù)數(shù)變換不產(chǎn)生影響,，所以只需要將電容進行頻率搬移,。另外，上面的方法僅適用于接地電容,，對于濾波器中的浮地電容有不同的變換方法,，具體如圖6所示。
為了更容易理解,，這里計算流過電容的電流,。對于電容C，其兩端電壓分別為V1和V2,，則流過它的電流可以表示為
由此,，浮地電容便被搬移到了ω0的頻率上?？梢娫O(shè)計復(fù)數(shù)帶通濾波器需要產(chǎn)生正交信號,，正交信號的產(chǎn)生在射頻前端設(shè)計中并不難實現(xiàn)，而且被廣泛應(yīng)用,。另外,，這種復(fù)數(shù)帶通濾波器還能實現(xiàn)很好的鏡像抑制，鏡像抑制度在40 dB左右,，在一些通信系統(tǒng)中完全可以取代片外前置的鏡像濾波器,，不僅提高系統(tǒng)集成度，而且大大降低了芯片的成本,。
復(fù)數(shù)帶通濾波器的原理圖如圖7所示,。
濾波器的輸入信號為差分正交信號，四路信號相位互差90,，這里要特別注意輸入信號的相位順序,，只有按上述復(fù)數(shù)變換的相位關(guān)系輸入信號才能得到正確的輸出，如果相位順序相反則會使得輸出信號反相抵消,。對于正交接收機,，目標信號下變頻后的相位與鏡像信號的正好相反，如果目標信號能從濾波器正常輸出,，則鏡像信號一定會被抑制,，這就是實現(xiàn)鏡像抑制的原理,。
經(jīng)過仿真得到復(fù)數(shù)帶通濾波器的AC響應(yīng)如圖8所示，中心頻率在4.1 MHz,，帶寬2 MHz,，1.5倍帶寬處帶外抑制為42 dB和56 dB，帶內(nèi)增益13.27 dB,，滿足GPS射頻前端的中頻濾波要求,。如果顛倒輸入信號相位順序，需要的頻帶內(nèi)抑制達40dB以上,，鏡像抑制效果明顯,。
3 結(jié)論
本文實現(xiàn)的Gm-C復(fù)數(shù)帶通濾波器有較好的性能，完全適合射頻前端芯片中的中頻濾波要求,，如果對OTA的結(jié)構(gòu)進行一些改進，如加入跨導穩(wěn)定功能及提高OTA輸出阻抗,，還能進一步提高濾波器的性能,。另外，這種濾波器采用全CMOS工藝,，集成度高,，功耗低，特別適合SOC應(yīng)用,。最后,，如果將濾波器應(yīng)用于實際電路，還應(yīng)設(shè)計濾波器調(diào)諧電路,，以保證在工藝容差范圍內(nèi)對濾波器實現(xiàn)中心頻率及Q值可調(diào),。