CN104485917A - 一种阻抗自举频率转换带通滤波器 - Google Patents

一种阻抗自举频率转换带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种阻抗自举频率转换带通滤波器，至少包括：LCR网络及频率转换带通滤波器；所述LCR网络用于衔接实现窄带输入阻抗匹配，并实现输入源阻抗的上升变换，获得带内增益；所述频率转换带通滤波器提供与所述输入阻抗匹配的高品质因素的带通阻抗，配合所述输入源阻抗，实现带外抑制的加强。本发明通过前置LCR网络辅助实现射频接收机前端阻抗匹配，同时实现将低阻值的输入源阻抗转换自举为高阻值阻抗，配合开关电容型频率转换带通滤波器提升通带内电压增益、加强带外干扰抑制性能。兼容射频输入节点的寄生电容、键合线电感。

Description

一种阻抗自举频率转换带通滤波器
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种阻抗自举频率转换带通滤波器。
背景技术
随着无线通信的推进发展，越来越多无线通信标准进入我们的日常生活中，FM、WiFi、BlueTooth、蜂窝移动通信(2G、3G、4G甚至5G)、UWB、GPS等等的各种通信系统分别占用着珍贵拥挤的频谱资源，而不同通信标准所占用的频谱往往靠得很近，互相形成对方的带外干扰。
对于一般意义上的接收机来说，从射频输入到基频数字输出，过程中需要各种各样的滤波操作，例如片外预滤波、带外干扰抑制、信道选择性滤波、抗混叠滤波等等，在片上集成的角度上看，最困难的就是射频带外干扰的抑制。在传统接收机结构中，由于干扰所在频带与有用信号所处在频带相当之近，干扰抑制比需要相当之大，没有一个传统的射频带通滤波器能够胜任，主要是由于片上工艺限制(尤其是片上电感品质因素有限)，而滤除射频带外干扰的任务就落在片外无源器件表面声波滤波器(Surface Acoustic Wave Filter，SAW Filter)身上。
由于众多众所周知的原因，SAW滤波器的插入损失直接增大了接收机的灵敏度，不但减低电路的集成度，增大电路总面积，而且考虑到其非常高的成本，所以尽量不使用SAW滤波器已经成为工业界技术进步的热切目标。
由带外干扰所造成的性能下降的问题，例如线性度问题，可以通过在信号通路中数字校准方法来尝试解决，但是很多情况下干扰功率非常大，能够迅速饱和接收机前端，例如GSM接收频带相隔80MHz就存在0dBm大小的巨大干扰，这时候接收机连基本接收功能都实现不了，那么附加的数字校准功能更无从谈起，所以这个时候就需要在接收机饱和之前对大干扰进行足够的抑制。
随着软件无线电的热潮，多带多模多功能的接收前端日益支配前沿技术的份额。然而面对不同的标准，所需要的接收的信号带宽的不同，中心频带的差异，所面临的干扰环境的不同，如果针对不同的标准配备不同的射频前端的硬件(这也是现今产品化的做法)，那硬件耗费巨大，成本高昂，结构复杂，但这也是技术瓶颈所导致的不得不屈就的做法。
频率转换带通滤波器通过基带低通阻抗的上变频，实现中心频率大范围精确可调、通带3-dB带宽设计与中心频率无关的CMOS工艺片上可集成的高品质因素、高线性度的射频带通滤波。但是其带外抑制性能受源阻抗与开关导通电阻的比值所约束，如果源阻抗比较小(例如射频系统的50Ω)，开关导通电阻由于功耗、工艺的限制不可能太小(比如10Ω)，那么带外抑制最大只可能为10/(10+50)＝1/6(约16dB)。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种阻抗自举频率转换带通滤波器，用于解决现有技术中片外SAW滤波器的笨重与高成本，即便是新颖的频率转换带通滤波器也遭受致命的性能受限的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种阻抗自举频率转换带通滤波器，所述阻抗自举频率转换带通滤波器至少包括：
LCR网络及频率转换带通滤波器；
所述LCR网络用于衔接实现窄带输入阻抗匹配，并实现输入源阻抗的上升变换，获得带内增益；
所述频率转换带通滤波器提供与所述输入阻抗匹配的高品质因素的带通阻抗，配合所述输入源阻抗，实现带外抑制的加强。
优选地，所述输入阻抗与所述输入源阻抗匹配。
优选地，所述LCR网络把外部的低阻值阻抗向内转化为高阻值阻抗、把内部的高阻值阻抗向外转换为低阻值阻抗。
优选地，所述LCR网络包括电感及电容，所述电感的一端连接所述输入源阻抗、另一端连接所述频率转换带通滤波器，所述电容的一端连接于所述电感与所述频率转换带通滤波器之间、另一端接地；所述LCR网络实现射频二阶低品质因素的带通阻抗。
更优选地，所述电感兼容芯片封装键合线的寄生电感，所述电容兼容该节点的所有寄生电容。
更优选地，所述LCR网络还包括并联于所述电容两端的电阻。
优选地，所述频率转换带通滤波器由多路开关电容并联而成，各路开关电容包括串联的开关及采样电容；各开关受本振方波信号驱动，任何时刻有且只有一个开关导通，所述本振方波信号的相位数与所述开关电容的数量均为N，所述本振方波信号的占空比为1/N且导通时间不重叠。
更优选地，所述开关在导通的时候具有非零的导通电阻，所述导通电阻的大小直接决定所述阻抗自举频率转换带通滤波器带外干扰抑制性能的极限。
更优选地，所述频率转换带通滤波器中各采样电容的大小、所述本振方波信号的相位数N以及内部被转化上升的所述输入源阻抗通过近似一阶RC响应的特性共同决定所述阻抗自举频率转换带通滤波器的3-dB带宽。
更优选地，所述本振方波信号的相位数N决定谐波混叠情况及通带频率内所述频率转换带通滤波器的输入阻抗大小，所述本振方波信号的相位数N设定为4～8。
如上所述，本发明的阻抗自举频率转换带通滤波器，具有以下有益效果：
本发明的自举频率转换带通滤波器兼容射频接收芯片输入管脚的键合线寄生电容、输入管脚几乎所有的到地寄生电容，完成输入阻抗匹配的同时增加带内信号的电压增益，增强带外干扰的抑制。凭借自身无源、高线性度特性先行对带外大干扰进行滤除，大大减轻对接收芯片后续有源模块的带外线性度要求，为多通信系统同存提供可选择的解决方案；同时借助LCR网络的频率选择性，减轻频率转换带通滤波器本身所具有的谐波混叠效应。
附图说明
图1显示为本发明的阻抗自举频率转换带通滤波器示意图。
图2显示为本发明的本振方波信号的波形示意图。
元件标号说明
1               阻抗自举频率转换带通滤波器
11              LCR网络
12              频率转换带通滤波器
121             第一路NMOS开关晶体管
122             第一路采样电容
123             第二路NMOS开关晶体管
124             第二路采样电容
125             第N路NMOS开关晶体管
126             第N路采样电容
RS              输入源阻抗
VS              输入电压源
LM              电感
CM              电容
RM              电阻
LO              本振方波信号
S1              第一相本振方波信号
S2              第二相本振方波信号
SN              第N相本振方波信号
Vout            滤波信号
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种阻抗自举频率转换带通滤波器1，所述阻抗自举频率转换带通滤波器1至少包括：
LCR网络11及频率转换带通滤波器12。
所述LCR网络11用于衔接实现窄带输入阻抗匹配，并实现阻抗上升变换，获得带内增益。
所述频率转换带通滤波器12提供与所述输入阻抗匹配的另外一部分高品质因素的带通阻抗，对带外则显示近似开关导通电阻的小阻值电阻，配合被变换上升的所述输入源阻抗RS，实现带外抑制的加强。
如图1所示，所述LCR网络11的输入端连接所述输入源阻抗RS，所述输入源阻抗RS的另一端连接输入电压源VS，所述输入电压源VS的另一端接地。所述LCR网络11的输出端连接所述频率转换带通滤波器12。所述LCR网络11包括一个电感LM及一个电容CM，实现射频二阶低品质因素的带通阻抗。所述电感LM的一端连接所述输入源阻抗RS、另一端连接所述频率转换带通滤波器12，所述电容CM的一端连接于所述电感LM与所述频率转换带通滤波器12之间、另一端接地。所述电感LM可以兼容芯片封装键合线的寄生电感；所述电容CM可以兼容该节点的所有寄生电容，包括ESD保护电路中的ESD二极管寄生电容、所述频率转换带通滤波器12中用作开关的晶体管寄生电容，以及后续电路模块所具有的输入寄生电容。
所述LCR网络11还包括与所述电容CM两端并联的电阻RM，所述电阻RM在所述输入阻抗匹配中适当弥补内部阻抗值，使所述内部阻抗值不至于太大而使阻抗无法匹配。在更多时候所述频率转换带通滤波器12所提供的阻抗足够实现输入匹配，所述LCR网络11中的所述电阻RM就可以省略不用。
射频接收芯片输入阻抗需要与所述输入源阻抗RS进行匹配，在本实施例中，所述输入源阻抗RS设定为50Ω，则所述输入阻抗在信号频率范围内要呈现为50Ω。所述电感LM、电容CM把内部的高阻值阻抗向外转换为低阻值阻抗，在本实施例中即为50Ω。
芯片内物理尺寸比一般射频信号所需要处理的波长都要短很多，所以所述芯片内部电路将会化简为集总电路，模块之间就不需要遵守阻抗匹配的要求，在这种情况下使节点阻抗增加有利于获得更大的电压增益。所述LCR网络11中所述电感LM及所述电容CM把外部的所述输入源阻抗RS向内转化为高阻值阻抗。由于所述输入阻抗匹配，输入功率固定，而理想电感、电容并不消耗功率，所以输入功率都消耗在内部高阻值阻抗上，所述内部阻抗阻值越高，对应的内部信号电压越大，则对应的电压增益越大。
如图1所示，所述频率转换带通滤波器12由N路开关电容并联而成，输出滤波信号Vout。各路开关电容包括串联的开关及采样电容，所述开关为NMOS开关晶体管；所述N路开关受本振(Local Oscillator)方波信号LO驱动，任何时刻有且只有一个开关导通。如图2所示，所述本振方波信号LO的相位数为N，占空比为1/N，且导通时间不重叠。当第一相本振方波信号S1为高电平时，第一路NMOS开关晶体管121导通，第一路采样电容122对输入信号进行采样积分；继而，当第二相本振方波信号S2为高电平时，第二路NMOS开关晶体管123导通，第二路采样电容124对输入信号进行采样积分；直到周期的最后一个相位，当第N相本振方波信号SN为高电平时，第N路NMOS开关晶体管125导通，第N路采样电容126对输入信号进行采样积分；周而复始。如果所述输入信号与所述本振方波信号LO频率相同，各采样电容每次采样对应的输入信号的波形都一样，对信号是保持一致的；当所述输入信号的频率受干扰偏离所述本振方波信号LO的频率的时候，各采样电容每次采样对应的输入信号的波形都不一样，周期累计下来之后采样电压互相抵消，最终对干扰是衰减的。
所述频率转换带通滤波器12中的各开关在导通的时候具有非零的导通电阻，所述导通电阻的大小直接决定所述阻抗自举频率转换带通滤波器1带外干扰抑制性能的极限，所以在允许范围内，所述导通电阻都会被设计成尽量小。
所述频率转换带通滤波器12中的各采样电容大小、所述本振方波信号LO的相位数N以及内部被转化上升的所述输入源阻抗RS通过近似一阶RC响应的特性共同决定所述阻抗自举频率转换带通滤波器1的3-dB带宽。
所述本振方波信号LO的相位数N决定谐波混叠情况及通带频率内所述频率转换带通滤波器12的输入阻抗大小。所述本振方波信号LO的相位数N越大，最靠近信号的第一个混叠的谐波次数就越高，对应混叠增益越小，所述频率转换带通滤波器12的输入阻抗也越大。但是所述本振方波信号LO的相位数N越大，产生所述本振方波信号LO的电路就越复杂、功耗越大，工艺不变的情况下波形越不理想。所述本振方波信号LO的相位数N根据实际情应用中常取4；当要求谐波混叠增益比较低、所述频率转换带通滤波器12的输入阻抗比较高时，可将所述本振方波信号LO的相位数N设定为8。
本发明的阻抗自举频率转换带通滤波器主要分两个部分，即LCR网络、频率转换带通滤波器。通过前置LCR网络辅助实现射频接收机前端50Ω阻抗匹配，同时实现将低阻值的输入源阻抗转换自举为高阻值阻抗，配合开关电容型频率转换带通滤波器提升通带内电压增益、加强带外干扰抑制性能。利用其结构特点，兼容射频输入节点的寄生电容、键合线电感。
相对于传统的SAW滤波器，本发明具有低成本、结构简单的优势。其中的频率转换带通滤波器可以片内集成，LCR网络的电感可以选择片上集成或者使用片外期间，无论采用哪种方式都可以大大减低系统成本。而相对于传统的LC带通滤波器，本发明体现高品质因素的优势，并且具有简单的电路结构，容易通过现今的半导体技术进行集成。相对于典型的频率转换带通滤波器，本发明利用源阻抗自举原理加强带外抑制性能并提供带内电压增益。
综上所述，本发明提供一种阻抗自举频率转换带通滤波器，所述阻抗自举频率转换带通滤波器至少包括：LCR网络及频率转换带通滤波器；所述LCR网络用于衔接实现窄带输入阻抗匹配，并实现输入源阻抗的上升变换，获得带内增益；所述频率转换带通滤波器提供与所述输入阻抗匹配的高品质因素的带通阻抗，配合所述输入源阻抗，实现带外抑制的加强。本发明通过前置LCR网络辅助实现射频接收机前端50Ω阻抗匹配，同时实现将低阻值的输入源阻抗转换自举为高阻值阻抗，配合开关电容型频率转换带通滤波器提升通带内电压增益、加强带外干扰抑制性能。利用其结构特点，兼容射频输入节点的寄生电容、键合线电感。本发明为广义射频接收机无源前端提供一个易于实现、性能特性关系不随中心频率变化的高Q带通、高线性度滤波器，以满足不同种类的带外抑制要求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种阻抗自举频率转换带通滤波器，其特征在于，所述阻抗自举频率转换带通滤波器至少包括：
LCR网络及频率转换带通滤波器；
所述LCR网络用于衔接实现窄带输入阻抗匹配，并实现输入源阻抗的上升变换，获得带内增益；
所述频率转换带通滤波器提供与所述输入阻抗匹配的高品质因素的带通阻抗，配合所述输入源阻抗，实现带外抑制的加强。
2.根据权利要求1所述的阻抗自举频率转换带通滤波器，其特征在于：所述输入阻抗与所述输入源阻抗匹配。
3.根据权利要求1所述的阻抗自举频率转换带通滤波器，其特征在于：所述LCR网络把外部的低阻值阻抗向内转化为高阻值阻抗、把内部的高阻值阻抗向外转换为低阻值阻抗。
4.根据权利要求1所述的阻抗自举频率转换带通滤波器，其特征在于：所述LCR网络包括电感及电容，所述电感的一端连接所述输入源阻抗、另一端连接所述频率转换带通滤波器，所述电容的一端连接于所述电感与所述频率转换带通滤波器之间、另一端接地；所述LCR网络实现射频二阶低品质因素的带通阻抗。
5.根据权利要求4所述的阻抗自举频率转换带通滤波器，其特征在于：所述电感兼容芯片封装键合线的寄生电感，所述电容兼容该节点的所有寄生电容。
6.根据权利要求4所述的阻抗自举频率转换带通滤波器，其特征在于：所述LCR网络还包括并联于所述电容两端的电阻。
7.根据权利要求1所述的阻抗自举频率转换带通滤波器，其特征在于：所述频率转换带通滤波器由多路开关电容并联而成，各路开关电容包括串联的开关及采样电容；各开关受本振方波信号驱动，任何时刻有且只有一个开关导通，所述本振方波信号的相位数与所述开关电容的数量均为N，所述本振方波信号的占空比为1/N且导通时间不重叠。
8.根据权利要求7所述的阻抗自举频率转换带通滤波器，其特征在于：所述开关在导通的时候具有非零的导通电阻，所述导通电阻的大小直接决定所述阻抗自举频率转换带通滤波器带外干扰抑制性能的极限。
9.根据权利要求7所述的阻抗自举频率转换带通滤波器，其特征在于：所述频率转换带通滤波器中各采样电容的大小、所述本振方波信号的相位数N以及内部被转化上升的所述输入源阻抗通过近似一阶RC响应的特性共同决定所述阻抗自举频率转换带通滤波器的3-dB带宽。
10.根据权利要求7所述的阻抗自举频率转换带通滤波器，其特征在于：所述本振方波信号的相位数N决定谐波混叠情况及通带频率内所述频率转换带通滤波器的输入阻抗大小，所述本振方波信号的相位数N设定为4～8。
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