帶寬可調(diào)的Gm—C低通濾波器設(shè)計

伍蓮洪++鄭薇++蘇黎++韓海波

摘 要本文介紹了一種跨導(dǎo)電容（Gm-C）濾波器的設(shè)計。文中采用有源器件替代法，實現(xiàn)了3階橢圓低通濾波器。通過調(diào)節(jié)偏置電流及電容陣列，從而實現(xiàn)濾波器的帶寬可調(diào)。仿真結(jié)果表明，在TT工藝角下，3dB帶寬：≥67.92MHz；100 MHz處衰減：≥21.53dB；帶內(nèi)波動：≤0.11dB；1dB壓縮點：≥-9.91dBm；電路功耗：≤6.47mA；芯片面積約為0.35mm2。最后給出了和本文LPF結(jié)構(gòu)完全相同的某款LPF測試結(jié)果，以驗證本文LPF是完全可行的。

【關(guān)鍵詞】跨導(dǎo)電容濾波器 低通 橢圓 帶寬可調(diào)

1 引言

在射頻前端芯片中，實現(xiàn)中頻濾波器的片上集成是提高芯片集成度最有效方法之一。模擬有源濾波器即是一種可片上集成且性能較好的濾波器。有源濾波器實現(xiàn)方法有多種，如RC濾波器，跨導(dǎo)電容（Gm-C）濾波器。RC濾波器適用于低頻領(lǐng)域，且對RC元件值變化敏感；Gm-C濾波器主要優(yōu)點是較低功耗和較高工作頻率，因此普遍應(yīng)用于高頻領(lǐng)域。實現(xiàn)Gm-C濾波器方法有多種，如信號流圖法和有源器件替代法。本文采用有源器件替代法，濾波器在功能和結(jié)構(gòu)上和無源原型相同，有較好電性能。

2 濾波器的組成和工作原理

圖1為本文所設(shè)計的濾波器的系統(tǒng)框圖，恒定跨導(dǎo)（Constant-Gm）偏置產(chǎn)生50uA的基準(zhǔn)電流，IBIAS將50uA電流轉(zhuǎn)為100uA，供給低通濾波器（LPF）中的跨導(dǎo)（Gm）單元用作偏置電流。

Constant-Gm偏置原理圖如圖2所示。R采用電阻陣列的形式實現(xiàn)，當(dāng)R發(fā)生偏差時可調(diào)節(jié)控制端CTRL_R以輸出需要的電流。調(diào)節(jié)控制端CTRL_I，可調(diào)節(jié)晶體管M5、M6 以及M7的尺寸總和相對M3的尺寸比例，從而調(diào)節(jié)IREF_C的大小。通過調(diào)節(jié)CTRL_I以及CTRL_B，可較大范圍的調(diào)節(jié)IREF_B的電流大小，使LPF中Gm單元的跨導(dǎo)值可調(diào)，從而實現(xiàn)LPF的帶寬調(diào)節(jié)。

3 LPF電路實現(xiàn)

3.1 無源濾波器到有源濾波器的轉(zhuǎn)換

首先根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)需求，選用3階橢圓濾波器，得到3階橢圓LPF的RLC原型電路，如圖3所示。

如圖4所示，將兩個Gm單元交叉連接即構(gòu)成回旋器。利用回旋器的阻抗倒置作用，即可用電容實現(xiàn)有源電感，電容C2和電感L1的對應(yīng)關(guān)系如式（1）所示。將Gm單元接成單位負反饋形式實現(xiàn)有源電阻。電阻值和跨導(dǎo)值的對應(yīng)關(guān)系如式（2）所示。將圖3中的電感及電阻用有源電感和有源電阻替換，即得到Gm-C濾波器的整體框圖。其中Vi經(jīng)過gmi單元等效為圖3中的Iin。

（1）

（2）

3.2 Gm電路設(shè)計

Gm電路的功耗和線性度，直接決定了LPF的功耗和線性度。本文所采用的Gm電路如圖5所示。圖4中，由于濾波器無源模型的插入損耗約為6dB，將gmi的跨導(dǎo)值取為gmr的兩倍，以提供6dB增益，這樣可使濾波器的增益為0dB。晶體管M1-M4構(gòu)成差分互補跨導(dǎo)單元，其輸出電流是非互補跨導(dǎo)輸出電流的兩倍。因此功耗效率提高了一倍。M5-M6連接成二極管形式，提高了輸入線性度。晶體管M9-M14構(gòu)成共模反饋用于穩(wěn)定輸出共模電壓。

3.3 電容陣列的實現(xiàn)

圖4中，LPF的濾波特性如3dB帶寬以及帶內(nèi)波動，受C1-C3的電容值影響很大。而電容值會由于芯片制造工藝而發(fā)生偏差，其誤差值最大可達到15%。所以，為了彌補工藝偏差對濾波特性的影響，將C1-C3采用電容整列的形式實現(xiàn)。

4 LPF版圖設(shè)計與仿真測試結(jié)果

圖6為LPF電路版圖，版圖布局時，應(yīng)使電容之間及晶體管之間盡量匹配。表1對LPF在TT工藝角不同溫度下的仿真結(jié)果進行了總結(jié)。從表可知，3dB帶寬≥67.92MHz，100MHz處衰減：≥21.53dB，輸入1dB壓縮點：≥-9.91dBm。

以下給出了和本文LPF電路結(jié)構(gòu)完全相同的某款LPF的測試結(jié)果。圖7為該款LPF的濾波特性測試曲線，由圖可知，濾波器在阻帶內(nèi)衰減25.75dB。足以證明本文LPF電路是完全可行的。

5 結(jié)語

本文采用Gm-C方式實現(xiàn)了3階橢圓低通濾波器。Gm單元采用互補跨導(dǎo)實現(xiàn)以提高功耗效率。將Gm單元偏置電流設(shè)計成可調(diào)，同時將電容采用陣列實現(xiàn)，以調(diào)節(jié)工藝偏差導(dǎo)致的LPF濾波特性偏差。最后給出了和本文LPF結(jié)構(gòu)完全相同的某款LPF測試結(jié)果，以驗證本文LPF電路完全可行。

參考文獻

[1]Fei Yuan，CMOS Active Inductors and Transformers，Springer，2008.

[2]H.Voorman，H.Veenstra，“Tunable High-Frequency Gm-C Filters”，IEEE J. Solid-State Circuits，vol.35，pp. 1097–1108，Aug.2000.

作者單位

成都嘉納海威科技有限責(zé)任公司 四川省成都市 610091