CN106559058A - 一种复数滤波器及其自动频率调谐电路 - Google Patents

Abstract

一种复数滤波器及其自动频率调谐电路，本发明针对高频宽带系统对平坦度，功耗以及镜像抑制和带外抑制的要求，提出了一种七阶切比雪夫Gm-C复数滤波器。该复数滤波器在46 MHz的高中频下仍能提供很高的平坦度，在调谐电路的配合下，中心频率能控制在偏离设计值±1.5％的范围内，具有很高的精度。克服了现有的中频复数滤波器电路频率准确率较低、中心频率和带宽受限、稳定性和平坦度容易受寄生极点零点影响的缺点。

Description

一种复数滤波器及其自动频率调谐电路

技术领域

本发明涉及一种复数滤波器及其自动频率调谐电路，适用于低功耗的频率调谐场合中。

背景技术

近年来，随着CMOS技术的快速发展，越来越多的射频接收机采用单芯片设计以减小功耗和成本．其中零中频和低中频结构是两种比较流行的射频接收机结构，零中频接收机由于受到直流失调，闪噪声等因素的影响限制了性能。在电路设计时需要额外的电路来消除这些影响，这无疑增加了系统的复杂度和功耗。相比较而言，低中频接收机没有这些因素的影响，因此得到广泛的应用。但低中频接收机存在镜像干扰，需要对其进行抑制。通常在混频器之后接入有源复数滤波器，实现对镜像信号的抑制．有源滤波器主要分为Active—RC和Gm-C两种．Active—RC滤波器在稳定性、动态范围及灵敏度等方面有一定优势，但在频率较高的情况下，其对运放的单位增益带宽有很高的要求，这极大地增加了功耗和面积，因此Active-RC滤波器不适合高频应用。

Gm-C复数滤波器由于其开环特性，功耗低，则适合高频应用．然而，Gm-C滤波器对CMOS工艺偏差和温度极其敏感，这影响了滤波器的频率准确度，频率偏差最大可以达到20％～50％，在绝大多数情况下这是不允许的．所以，对于集成有源滤波器，通常还需要设计频率自动调路，以补偿由于工艺偏差、温度变化等因素带来的滤波器频率参数的变化对于Gm-C复数滤波器，非理想效应影响滤波器的性能：寄生电容限制了中心频率和带宽；运算跨导放大器(OTA)有限的输出阻抗影响增益；寄生极点零点影响滤波器的稳定性和平坦度；这些都限制了Gm-C复数滤波器在高频场合的应用．目前，Gm-C复数滤波器主要应用在中频为20 MHz以下的接收机系统中，对于中频大于20 MHz的应用罕有报道．因此如何针对系统对高中频、宽带、高平坦度、高镜像抑制和带外抑制以及低功耗的要求，设计一种中频Gm-C复数滤波器，探讨了高中频、宽带、高平坦度和低功耗复数滤波器的设计方法，很有必要。

发明内容

为了克服现有中频复数滤波器电路频率准确率较低、中心频率和带宽受限、稳定性和平坦度容易收寄生极点零点影响的缺点，提高高中频范围内，复数滤波器的抗噪性能，提高滤波器的平坦度，达到高抑制镜像和低功耗，本发明设计了一种复数滤波器及其自动频率调谐电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

在复数滤波器及其自动频率调谐电路中设计了重要的三个部分：七阶全差分复数滤波器、线性OTA与共模反馈电路，频率调谐电路。其中七阶全差分复数滤波器采用了七阶Gm-C滤波器，这种结构的优势是滤波器的灵敏度较低，元件值得变化对滤波器的通带特性影响较小，且采用跨导运算放大器，可以使得电路结构简单、输出阻抗高、负反馈环路增益增大；同时设计了线性跨导和共模反馈电路，设计的OTA在信号主通路上没有多余的内部节点，寄生极点可以设计的很高，适合高中频应用，同时在输入管源极跨接两个骗纸在线性取得MOS管来提高线性度。设计了基于积分器和数字电路的频率自动调谐电路，可以在调谐完成后停止工作，降低功耗。

本发明的有益效果是：该滤波器在调谐电路的配合下，中心频率能控制在偏离设计值±1.5％的范围内，具有很高的精度。克服了现有的中频复数滤波器电路频率准确率较低、中心频率和带宽受限、稳定性和平坦度容易受寄生极点零点影响的缺点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是七阶全差分Gm-C复数滤波器电路。

图2是线性OTA与共模反馈电路。

图3是频率调谐电路。

图1中，GmL、GmC、GmR为跨导。

图2中，M1、M2、，M5、M6 、M7、M8、M9、M10为PMOS 管，M3、M4、M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17为NMOS管。

具体实施方式

图1中，复数滤波器由七阶梯形低通滤波器组合而成，这样滤波器灵敏度低，元件值的变化对滤波器的通带特性影响较小，将其中的3个电感和2个电阻分别用跨导和电容进行等效替换，得到有源滤波器。GmcC输入的电压信号转变为电流信号，Gmif对低通传递函数进行线性频仪。调谐中频和带宽可以通过调谐Gmc和Gmif进行；电路结构成上下对称结构，输入Vip输入跨导正极，Vin输入跨导负极，电容C1、CL1、C2、CL2分别串联在跨导的同相端，与之对称，异相端也串联电容，组成七阶切比雪夫1型梯形低通滤波器。

图2中，M1～M4构成跨导单元, PMOS 管 M1、M2 和 NMOS 管 M3、M4 共同构成互补输入差分对结构，实现输入范围的轨到轨；M1、M2、M15、M16、M13、M14 和二极管连接的 M7、M8 构成 PMOS 前置放大器，同理 M3、M4 和M7、M8 构成 NMOS前置放大器，通式 M5、M6 组成一个 PMOS 锁存器，用来实现比较器的高速度；M7、M8 是二极管连接的 PMOS 管，与 PMOS 管 M5、M6 并联以获得高的电压增益。PMOS 管 M9、M10 与 NMOS 管 M11、M12 共同组成了比较器的推挽式输出级。NMOS 管 M13、M15 与 M14、M16 组成的电流镜将 PMOS 差分对 M1、M2 的电流镜像到 NMOS 差分对 M3、M4 电流的公共端，然后经输出级输出。M1、M2分别与M3、M4共栅极，M1、M2的源极输出分别接到M15、M16的漏极，M15、M16的漏极与源极相连，M15与M13共栅极，M16与M14共栅极，M13、M14、M15、M16的源极接地，M5、M6 、M7、M8 构成差分放大器理想负载，使得输入摆幅大而且具有高速高精度的特点。其中M5、M7共漏极连接，输出到M13的漏极，M6 、M8共漏极连接，输出到M14的漏极，M5、M8共栅极连接，M6 、M7共栅极连接，且M5栅极信输出到与M7、M5源极，并作为M9的栅极信号，M5的栅极信号输出到M6、M8的源极，并作为M10的栅极信号，M9、M10共漏极连接，M9的源极信号流向M11的漏极，M10的源极信号流向M12的漏极。

全差分跨导能够抑制偶次谐波，具有够高的电源抑制比．但需要共模反馈电路稳定其输出电平，虚线部分为共模反馈(CMFB)电路．该电路通过M11，M14检测跨导单元输出共模电平的变化．若共模电平升高，则流过M11，M14和M18的电流增加,由于M11和M12,M13和M14分别共用一个电流源，因此流过M17的电流减小，流过M8,M10的电流同时减小，从而减小了共模电平，稳定了输出。

图3中，OTA和电容阵列接成有损积分器的形式 , 通过幅度检测电路对积分器的输出和输入信号分别进行幅度检测，得到两个幅度值通过比较器后产生比较误差，进而驱动双向计数器进行计数．计数器的输出同时控制积分器和滤波器中的电容阵列来改变积分器的单位增益频率二输入与非门的输出 Vr反馈到比较器控制斜坡输入端，比较器输出信号Signal 和时钟信号 OSC 共同决定 GATE Drive 的输出占空比。输出两个信号 GATE Drive 和Vr，以及滤波器的中心频率和带宽．如此循环，直到比较器的输出为零，此时积分器的输出和输入信号的幅度相等。

Claims (10)

1.一种复数滤波器及其自动频率调谐电路，其特征是：复数滤波器及其自动频率调谐电路包括重要的三个部分：七阶全差分复数滤波器、线性OTA与共模反馈电路，频率调谐电路。

2.根据权利要求1所述的一种复数滤波器及其自动频率调谐电路，其特征是：所述七阶全差分复数滤波器采用了七阶Gm-C滤波器，这种结构的优势是滤波器的灵敏度较低，元件值的变化对滤波器的通带特性影响较小，且采用跨导运算放大器，可以使得电路结构简单、输出阻抗高、负反馈环路增益增大。

3.根据权利要求1所述的一种复数滤波器及其自动频率调谐电路，其特征是：所述七阶全差分复数滤波器将其中的3个电感和2个电阻分别用跨导和电容进行等效替换得到有源滤波器。

4.根据权利要求1所述的一种复数滤波器及其自动频率调谐电路，其特征是：所述七阶全差分复数滤波器电路结构成上下对称结构，输入Vip输入跨导正极，Vin输入跨导负极，电容C1、CL1、C2、CL2分别串联在跨导的同相端，与之对称，异相端也串联电容，组成七阶切比雪夫1型梯形低通滤波器。

5.根据权利要求1所述的一种复数滤波器及其自动频率调谐电路，其特征是：所述线性跨导和共模反馈电路中，设计的OTA在信号主通路上没有多余的内部节点，寄生极点可以设计的很高，适合高中频应用。

6.根据权利要求1所述的一种复数滤波器及其自动频率调谐电路，其特征是：所述线性OTA与共模反馈电路由M1～M4构成跨导单元。

7.根据权利要求1所述的一种复数滤波器及其自动频率调谐电路，其特征是：所述线性跨导和共模反馈电路中，在输入管源极跨接两个偏置在线性取得MOS管来提高线性度。

8.根据权利要求1所述的一种复数滤波器及其自动频率调谐电路，其特征是：所述频率自动调谐电路为基于积分器和数字电路的频率自动调谐电路，可以在调谐完成后停止工作，降低功耗。

9.根据权利要求1所述的一种复数滤波器及其自动频率调谐电路，其特征是：所述频率调谐电路由OTA和电容阵列接成有损积分器的形式 , 通过幅度检测电路对积分器的输出和输入信号分别进行幅度检测，得到两个幅度值通过比较器后产生比较误差，进而驱动双向计数器进行计数。

10.根据权利要求1所述的一种复数滤波器及其自动频率调谐电路，其特征是：所述频率调谐电路中计数器的输出同时控制积分器和滤波器中的电容阵列来改变积分器的单位增益频率二输入与非门的输出。