CN103956989B - 一种多模多频可重构Gm‑C复数滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多模多频可重构Gm‑C复数滤波器，包括两个二阶复数滤波器单元，一个一阶滤波器单元，两组由不同时钟控制的开关S1，S2。本发明的多模多频可重构复数滤波器其特征在于所述电路有多种工作模式，选择不同的输出端口，能够实现的二阶低通、带通，四阶带通和低通，以及5阶低通和二，四、六阶复数滤波器。每一种工作模式下的工作频率和带宽均可通过改变其中跨导运算放大器OTA的跨导值Gm来调节，能够适应如Bluetooth,Zigbee,GPS等不同接收机的多种要求。

Description

一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器
技术领域
本发明涉及一种滤波器，尤其是涉及一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器。
背景技术
当前，随着社会信息化时代的迅速发展,通讯终端均朝着更智能，功能更多，耗电更省，成本更低等趋势发展。另一方面，经过50年的持续快速发展，集成电路已达到可实现智能化系统集成芯片的高水平，工艺技术的不断改进，使得不断提高电路集成度和改进器件性能，并降低电路功耗成为可能。作为通信终端和导航系统最关键核心模块之一，无线接收设备也跟随着集成电路技术的发展趋势，向多功能、低功耗、高性能、全集成的方向发展。
无线接收机从天线接收射频信号，并将其经过混频器，下变频至中频或基频，通常包括射频前端和基带处理两个部分。接收机射频前端对信号进行放大、下变频、信道选择、滤波、转换最终转换为数字信号。所涉及的关键技术内容包括：射频滤波器,低噪声放大器(LNA),混频器,锁相环,中频滤波器及滤波器的频率自动调谐技术,自动增益控制电路(AGC)控制电路,数模转换器等。在这一过程中要尽量少地引入噪声并保持较高的线性度，同时要抑制带内或带外干扰信号。
滤波器作为射频前端不可或缺的核心模块之一，可以用于通道选择信号；也可以用在中频阶段滤去镜像干扰，衰减噪声，还可以用在高品质的振荡，放大，倍频和混频电路中；甚至在A/D转换电路中，亦可以做抗混 叠滤波器。
近年来，无线通信的个性化和宽带化促使通信的终端设备不断朝着便携性，智能化和多功能化方向发展，这要求接收机在保持高性能、小尺寸的前提下，具有低功耗、高集成度等特点。导致接收机的前端设备一方面要有更低的功耗及更小的面积和更少的片外元器件，另一方面要能够同时适用多种无线通信标准，可以同时处理多模式，多标准的，多频段的信号。在这样的多重要求下，能因地制宜编程使用的多模多频可重构射频前端几乎成了唯一的选择。多模多频可重构射频前端通常复用了低噪声放大器、频率综合器等，可以极大地降低系统功耗，节约芯片面积和成本。但是，由于不同通信标准的带宽和其他技术指标的变化范围很宽，必须采用可重构的中频滤波器处理不同通信标准的不同频段和不同技术指标的信号。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种有多种工作模式，选择不同的输出端口，能够实现的二阶低通、带通，四阶带通和低通，以及5阶低通和二，四、六阶复数滤波器。每一种工作模式下的工作频率和带宽均可通过改变其中跨导运算放大器OTA的跨导值Gm来调节，以适应如Bluetooth,Zigbee,GPS等不同接收机的多种要求的一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器，其特征在于，包括两个二阶复数滤波器单元，一个一阶滤波器单元；所述两个二阶复数滤波器单元和一阶滤波器单元依次连接；两个二阶复数滤波器单元之间、以及其中一个二阶复数滤波器单元和一阶滤波器单元之间设有若干由不同时钟控制的开关S1和开关S2。
在上述的一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器，第一个二阶复数滤波器单元的一对输出端VI_O+和VI_O-,通过两个开关S1连接到第二个二阶复数滤波器单元的输入端子VI+和VI-；第一个二阶复数滤波器单元另外一对输出端子的VBP+和VBP-通过两个开关S2分别连接到第二个二阶复数滤波器单元的输入端子VI+和VI-；第一个二阶复数滤波器单元的一对输出端VQ_O+和VQ_O-,通过两个开关S1连接到第二个二阶复数滤波器单元的输入端子VQ+和VQ-；另外一对输出端子的VBP+和VBP-通过两个开关S2分别连接到第二个二阶复数滤波器单元的输入端子VQ+和VQ-。
在上述的一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器，第二个二阶复数滤波器单元的一对输出端VI_O+和VI_O-,通过两个开关S1连接到一阶复数滤波器单元的输入端子VI+和VI-,第二个二阶复数滤波器单元的另一对输出端子VQ_O+和VQ_O-,通过两个开关S1连接到一阶复数滤波器单元的输入端子VQ+和VQ-。
在上述的一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器，两个二阶复数滤波器单元均包括二阶多功能滤波电路和两个交叉耦合的跨导通路，以及两个开关组S3；二阶多功能滤波电路通过开关组S3连接到交叉耦合的跨导通路的输入端，再经过开关组S3连接到另一个二阶多功能滤波电路；二阶多功能滤波电路包括四个跨导运算放大器和两个接地电容C1、C2；第一个跨导运算放大器输出正负端，分别连接到第二个第一个跨导运算放大器正负输入端，电容C1跨接在第二个跨导运算放大器输出正负端之间，并且并联在第三个跨导运算放大器正负输入端；电容C2跨接在第三个跨导运算放大器输出正负端之间，且与第四个跨导运算放大器的输入正负端并联。
在上述的一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器，一阶滤波器单元包括两个单极点滤波电路和一个交叉耦合的跨导通路，以及开关组S3；单极点滤波电路通过开关组S3连接到交叉耦合的跨导通路的输入端，再经过开关 S3连接到另一个单极点滤波电路；交叉耦合的跨导通路包括两个首尾相连的高线性跨导OTA。
在上述的一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器，单极点滤波电路包括两个跨导运算放大器和电容C，第一个跨导运算放大器的输出反向连接到第二个跨导运算放大器的输入端，电容C连接在第二个跨导运算放大器的输出端子。
因此，本发明具有如下优点：1、采用全差分结构，可有效的消除偶次谐波分量，提高电路的线性度；2、采用级联的设计方法，设计方法简单，单个电路单元的变化不会对其他单元电路发生影响，对单独调试各个环节十分有利；3、通过开关组来控制电路的工作模式，不同模式之间，切换方便快捷；4、选取不同的开关组合和输出端口，可得到不同的滤波器功能，电路结构和功能均可重构；5.每一种工作模式下的工作频率和带宽均可通过改变其中跨导运算放大器OTA的跨导值Gm来调节，可适应Bluetooth,Zigbee,GPS等不同接收机的要求。
附图说明
附图1是本发明的多模式复数滤波器框图。
附图2是本发明的低通滤波器单元电路图。
附图3是本发明的二阶复数滤波器单元电路图。
附图4a是本发明的二阶复数滤波器单元电路图。
附图4b是本发明的一阶滤波器单元电路图。
附图5是本发明的高线性可调OTA电路图。
附图6a是本发明的二阶带通和低通的幅频特性图(Bluetooth模式下)。
附图6b是本发明的二阶带通和低通的幅频特性图(Zigbee模式 下)。
附图6c是本发明的二阶带通和低通的幅频特性图(GPS模式下)。
附图7a是本发明的四阶带通和低通的幅频特性图(Bluetooth模式下)。
附图7b是本发明的四阶带通和低通的幅频特性图(Zigbee模式下)。
附图7c是本发明的四阶带通和低通的幅频特性图(GPS模式下)。
附图8a是本发明的二阶和四阶带通的幅频特性图(Bluetooth模式下)。
附图8b是本发明的二阶和四阶带通的幅频特性图(Zigbee模式下)。
附图8c是本发明的二阶和四阶带通的幅频特性图(GPS模式下)。
附图9a是本发明的五阶复数滤波的幅频特性图(Bluetooth模式下)。
附图9b是本发明的五阶复数滤波的幅频特性图(Zigbee模式下)。
附图9c是本发明的五阶复数滤波的幅频特性图(GPS模式下)。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本发明的目的是设计一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器电路，如图1所示，该电路由Gm-C滤波器电路和交叉耦合的跨导通路构成，Gm-C滤波器电路包括跨导Gm和电容C,交叉耦合的跨导通路包括控制开关和跨导。本发 明的多模多频可重构Gm-C复数滤波器电路不仅能够实现二阶低通、带通，四阶带通和低通，以及5阶低通和二，四、六阶复数滤波器。而且，每一种工作模式下的工作频率和带宽均可通过改变其中跨导运算放大器OTA的跨导值Gm来调节，可适应Bluetooth,Zigbee,GPS等不同接收机的要求。这将在下面详细介绍。
图1所示为本发明的多模多频可重构Gm-C复数滤波器电路图，本发明的多模多频可重构滤波器的核心模块如下：两个二阶复数滤波器单元101，一个一阶滤波器单元102，两组由不同时钟控制的开关S1103，S2104。
其中，如图2所示，二阶复数滤波器单元101由二阶多功能滤波电路201和两个交叉耦合的跨导通路202，以及两个开关组S3203构成。如图3所示，一阶滤波器单元102由两个单极点滤波电路301和一个交叉耦合的跨导通路202，以及开关组S3203构成。
如图4所示，二阶多功能滤波电路201由四个跨导运算放大器401和两个接地电容C1401,C2403构成，单极点滤波电路301由两个跨导运算放大器401和电容C404构成。跨导运算放大器401的结构由如图5所示。
本发明专利中多模多频可重构Gm-C复数滤波器的工作过程如下：
如图1所示的五阶可重构复数滤波器，有四种不同的工作模式，由开关组合S1，S2和S3的通断来控制不同的工作模式，在每一种工作模式下选择不同的输出端口，又能有多种不同类型的输出信号，具体工作模式如表1所示。
表1多模式滤波器的工作模式
1.由表1可见，当S3，S2，S1均断开时候，图1所示的电路能同时实现二阶带通和低通功能。其传递函数分别为：
由表达式(1)和(2)可见，调节OTA的跨导值，可改变低通原型和带通滤波器的角频率。以满足多模多频接收机的多样指标要求。
2.由表1可见，当S3，S2断开，S1闭合时候，图1所示的电路能同时实现二阶带通和低通功能、四阶和五阶低通四种功能。其中二阶滤波功能的传递函数分别如表达式(1)和(2)所示，四阶低通的传递函数为两个表达式(1)级联，五阶低通的传递函数如式(3)所示
3.由表1可见，当S3，S1断开，S2闭合时候，图1所示的电路能同时实现二阶带通和低通功能、四阶带通三种功能。其中二阶滤波功能的传递函数分别如表达式(1)和(2)所示，四阶带通的传递函数为两个表达式(2)级联.。
4.由表1可见，当S3，S1闭合，S2断开时候，图1所示的电路能同时实现二、四、五阶复数滤波功能，其中每个I/Q支路都具有如表达式(3)所示的传递函数.
为了验证所设计图1所示的多模多频可重构Gm-C复数滤波器的功能，根据表2所示的多模多频接收机复数滤波器的设计要求，有表达式(1)，(2)，(3)计算出滤波器电路中各元件的参数值如表3所示。在设计过程中，通过调节OTA的跨导值来实现不同的工作频率和带宽。运用cadece软件，对不同的功能进行了仿真，仿真的结果如图6到图9所示。由仿真结果可见，所发明的多模多频可重构Gm-C复数滤波电路低通滤波器的-3dB频率分别为0.6MHz,1.2MHz和1MHz，且滤波器的阶数越高，其幅度-频率特性曲线越陡峭。从而验证了所发明的电路结构可重构，工作频率和带宽均可调节。
表2多模多频接收机复数滤波器的设计要求
模式 IF(MHz) ωp(MHz) ωs(MHz) Amin(dB)
Bluetooth 1 1.2 2.4 20 0.4
ZigBee 2 2.4 4.8 20 0.4
GPS 4 2 4 20 0.4
表3滤波器的设计参数
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器，其特征在于，包括两个二阶复数滤波器单元，一个一阶滤波器单元；所述两个二阶复数滤波器单元和一阶滤波器单元依次连接；两个二阶复数滤波器单元之间、以及其中一个二阶复数滤波器单元和一阶滤波器单元之间设有若干由不同时钟控制的开关S1和开关S2；
第一个二阶复数滤波器单元的一对输出端VI_O+和VI_O-,通过两个开关S1连接到第二个二阶复数滤波器单元的输入端子VI+和VI-；第一个二阶复数滤波器单元另外一对输出端子的VBP+和VBP-通过两个开关S2分别连接到第二个二阶复数滤波器单元的输入端子VI+和VI-；第一个二阶复数滤波器单元的一对输出端VQ_O+和VQ_O-,通过两个开关S1连接到第二个二阶复数滤波器单元的输入端子VQ+和VQ-；另外一对输出端子的VBP+和VBP-通过两个开关S2分别连接到第二个二阶复数滤波器单元的输入端子VQ+和VQ-；
两个二阶复数滤波器单元均包括二阶多功能滤波电路和两个交叉耦合的跨导通路，以及两个开关组S3；二阶多功能滤波电路通过开关组S3连接到交叉耦合的跨导通路的输入端，再经过开关组S3连接到另一个二阶多功能滤波电路；
有四种不同的工作模式，由开关组合S1，S2和S3的通断来控制不同的工作模式，在每一种工作模式下选择不同的输出端口，又能有多种不同类型的输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器，其特征在于，第二个二阶复数滤波器单元的一对输出端VI_O+和VI_O-,通过两个开关S1连接到一阶复数滤波器单元的输入端子VI+和VI-,第二个二阶复数滤波器单元的另一对输出端子VQ_O+和VQ_O-,通过两个开关S1连接到一阶复数滤波器单元的输入端子VQ+和VQ-。
3.根据权利要求2所述的一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器，其特征在于，二阶多功能滤波电路包括四个跨导运算放大器和两个接地电容C1、C2；第一个跨导运算放大器输出正负端，分别连接到第二个第一个跨导运算放大器正负输入端，电容C1跨接在第二个跨导运算放大器输出正负端之间，并且并联在第三个跨导运算放大器正负输入端；电容C2跨接在第三个跨导运算放大器输出正负端之间，且与第四个跨导运算放大器的输入正负端并联。
4.根据权利要求3所述的一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器，其特征在于，一阶滤波器单元包括两个单极点滤波电路和一个交叉耦合的跨导通路，以及开关组S3；单极点滤波电路通过开关组S3连接到交叉耦合的跨导通路的输入端，再经过开关S3连接到另一个单极点滤波电路；交叉耦合的跨导通路包括两个首尾相连的高线性跨导OTA。
5.根据权利要求4所述的一种多模多频可重构Gm-C复数滤波器，其特征在于，单极点滤波电路包括两个跨导运算放大器和电容C，第一个跨导运算放大器的输出反向连接到第二个跨导运算放大器的输入端，电容C连接在第二个跨导运算放大器的输出端子。
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