CN108462479B - 基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器及其构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于改进型Gm‑C的镜像抑制滤波器及其构建方法，包括偏置电路、若干级改进型Gm‑C滤波器，所述偏置电路分别与各级改进型Gm‑C滤波器相连接，各级改进型Gm‑C滤波器依次级联，形成与改进型Gm‑C滤波器数量相同阶数的镜像抑制滤波器，第一级改进型Gm‑C滤波器的输入端与输入信号端子相连接，最后一级改进型Gm‑C滤波器的输出端做为该镜像抑制滤波器的输出信号端子。本发明的基于改进型Gm‑C的镜像抑制滤波器及其构建方法，其采用跨导放大器和电容构建的改进型Gm‑C滤波器，对输入信号进行低通滤波和频率转移，经仿真结果表明，该滤波器有着较高的镜像抑制比，且功耗较低，具有良好的应用前景。

Description

基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器及其构建方法
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器及其构建方法。
背景技术
低中频接收机具有低功耗，低成本和高集成度等优点。目前，已广泛用于现代无线通信，如广播、电视、移动通信和卫星通信等。但是，由于低中频接收机采用外差式结构，镜像信号对有用信号的干扰较大，会严重影响低中频接收机的性能。因此，对于镜像信号的抑制是低中频接收机需要解决的一个重要问题，是当前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有的低中频接收机采用外差式结构，镜像信号对有用信号的干扰较大，会严重影响低中频接收机性能的问题。本发明的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器及其构建方法，其采用跨导放大器和电容构建的改进型Gm-C滤波器，对输入信号进行低通滤波和频率转移，经仿真结果表明，该滤波器有着较高的镜像抑制比，且功耗较低，具有良好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器，包括偏置电路、若干级改进型Gm-C滤波器，所述偏置电路分别与各级改进型Gm-C滤波器相连接，各级改进型Gm-C滤波器依次级联，形成与改进型Gm-C滤波器数量相同阶数的镜像抑制滤波器，第一级改进型Gm-C滤波器的输入端与输入信号端子相连接，最后一级改进型Gm-C滤波器的输出端做为该镜像抑制滤波器的输出信号端子，
各级改进型Gm-C滤波器，均包括两组Gm1跨导单元、两组Gm2跨导单元和两组GmR跨导单元，
第一组Gm1跨导单元的输入端外接输入信号同相正交的I相位分量，该第一组Gm1跨导单元的输出端分别与第一组Gm2跨导单元的输出端、第二组Gm2跨导单元的输入端相连接，该第一组Gm 1跨导单元的输出端还通过电容C1与地相连接，该第一组Gm1跨导单元的输出端还并联有第一组GmR跨导单元，所述第一组GmR跨导单元的输入端做为输入信号同相正交I相位分量的滤波输出端；
第二组Gm1跨导单元的输入端外接输入信号同相正交的Q相位分量，该第二组Gm1跨导单元的输出端分别与第一组Gm2跨导单元的输入端、第二组Gm2跨导单元的输出端相连接，该第二组Gm1跨导单元的输出端还通过电容C2与地相连接，该第二组Gm1跨导单元的输出端还并联有第二组GmR跨导单元，所述第二组GmR跨导单元的输出端做为输入信号同相正交Q相位分量的滤波输出端；
所述电容C1和电容C2相同。
前述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器，所述两组Gm1跨导单元、两组Gm2跨导单元和两组GmR跨导单元内部均设置有跨导运算放大器，
所述跨导运算放大器以MOS管MG为中心左、右完全对称的左子跨导运算放大器单元、右子跨导运算放大器单元，所述MOS管MG工作在深度线性区，通过电压VG控制MOS管MG的栅极电压，所述左子跨导运算放大器单元，包括MOS管M1管，所述MOS管M1管的漏极接MOS管M7的漏极与MOS管M10的源极，MOS管M1管的源极接MOS管MG的源极与MOS管Md的漏极，MOS管Md的栅极电压受电压Vb控制，且源极都接低电位；MOS管M7与MOS管M8栅源相接构成电流镜，MOS管M7与MOS管M8的源极接高点位，MOS管M7与MOS管M8的漏极分别与MOS管M10和MOS管M9的源极相接，MOS管M10和MOS管M9的栅极接低电位，MOS管M9的漏极接MOS管M3的栅极和漏极，MOS管M3的源极接MOS管M4的栅极、漏极，MOS管M4的源极与MOS管M6的源极都同时接低电位；MOS管M10的源极与MOS管M1和MOS管M7的漏极相接，MOS管M10的漏极与MOS管Ma的漏极同时接在MOS管M7与MOS管M8的栅极上；MOS管Ma的栅极电压由Vid控制，源极接低电位；
所述右子跨导运算放大器单元与左子跨导运算放大器单元结构相同，两者完全对称。
前述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器，所述改进型Gm-C滤波器的数量为四级，形成四阶镜像抑制滤波器。
前述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器，所述四阶镜像抑制滤波器的中心频率设置为900kHz，带宽为150kHz。
前述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器，所述电容C1和电容C2的容值为C，各级改进型Gm-C滤波器的传递函数为，
Figure BDA0001569510610000031
其中，Gm1/GmR为该改进型Gm-C滤波器的中频增益，GmR/C为带通滤波器的3dB带宽，ω等于Gm2/C，均为该改进型Gm-C滤波器的中心频率，可通过改变跨导Gm和容值C的值来调节改进型Gm-C滤波器的中频增益、带宽和中心频率，Gm1、GmR、G2分别为对应的跨导单元Gm1、GmR、G2的gm值。
前述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器，所述跨导运算放大器的输入阻抗为跨导运算放大器跨导的倒数。
一种基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器的构建方法，包括以下步骤，
步骤(A)，构建跨导运算放大器，所述跨导运算放大器的输入阻抗为跨导运算放大器跨导的倒数；
步骤(B)，通过跨导运算放大器，分别形成Gm1跨导单元、Gm2跨导单元、GmR跨导单元；
步骤(C)，通过Gm1跨导单元、Gm2跨导单元、GmR跨导单元，构建改进型Gm-C滤波器；
步骤(D)，将四级改进型Gm-C滤波器依次级联，将偏置电路分别与各级改进型Gm-C滤波器相连接，形成四阶镜像抑制滤波器。
前述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器的构建方法，步骤(D)，形成的四阶镜像抑制滤波器的中心频率设置为900kHz，带宽为150kHz。
前述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器的构建方法，步骤(A)，所述跨导运算放大器的跨导Gm，可表示为，
Figure BDA0001569510610000041
其中，
Figure BDA0001569510610000051
COX是单位面积的栅氧化层电容，μn是电子迁移率，W和L分别为MOS管的沟道宽度和长度，VGS是MOS管的栅源电压，VT是阈值电压，Vid为差分电压，Iout是输出电流，ISS是差分对管的尾电流源。
前述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器的构建方法，步骤(B)，单个跨导运算放大器构成一个Gm1跨导单元、Gm2跨导单元或者GmR跨导单元。
本发明的有益效果是：本发明的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器及其构建方法，其采用跨导放大器和电容构建的改进型Gm-C滤波器，对输入信号进行低通滤波，并通过两个交叉耦合的差动改进型Gm-C滤波器实现频率转移，将偏置电路分别与各级改进型Gm-C滤波器相连接，形成四阶镜像抑制滤波器，四阶镜像抑制滤波器为四阶巴特沃斯复数滤波器，经仿真结果表明，该滤波器有着较高的镜像抑制比，且功耗较低，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器的系统框图；
图2是本发明的改进型Gm-C滤波器的系统框图；
图3是本发明的跨导运算放大器的电路图；
图4是本发明的四阶镜像抑制滤波器的系统框图；
图5是本发明的四阶镜像抑制滤波器的仿真示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器，包括偏置电路、若干级改进型Gm-C滤波器，所述偏置电路分别与各级改进型Gm-C滤波器相连接，各级改进型Gm-C滤波器依次级联，形成与改进型Gm-C滤波器数量相同阶数的镜像抑制滤波器，第一级改进型Gm-C滤波器的输入端与输入信号端子相连接，最后一级改进型Gm-C滤波器的输出端做为该镜像抑制滤波器的输出信号端子，
如图2所示，各级改进型Gm-C滤波器，均包括两组Gm1跨导单元、两组Gm2跨导单元和两组GmR跨导单元，
第一组Gm1跨导单元的输入端外接输入信号同相正交的I相位分量，该第一组Gm1跨导单元的输出端分别与第一组Gm2跨导单元的输出端、第二组Gm2跨导单元的输入端相连接，该第一组Gm1跨导单元的输出端还通过电容C1与地相连接，该第一组Gm1跨导单元的输出端还并联有第一组GmR跨导单元，所述第一组GmR跨导单元的输入端做为输入信号同相正交I相位分量的滤波输出端；
第二组Gm1跨导单元的输入端外接输入信号同相正交的Q相位分量，该第二组Gm1跨导单元的输出端分别与第一组Gm2跨导单元的输入端、第二组Gm2跨导单元的输出端相连接，该第二组Gm1跨导单元的输出端还通过电容C2与地相连接，该第二组Gm1跨导单元的输出端还并联有第二组GmR跨导单元，所述第二组GmR跨导单元的输出端做为输入信号同相正交Q相位分量的滤波输出端；
所述电容C1和电容C2相同。
所述两组Gm1跨导单元、两组Gm2跨导单元和两组GmR跨导单元内部均设置有跨导运算放大器，
所述跨导运算放大器以MOS管MG为中心左、右完全对称的左子跨导运算放大器单元、右子跨导运算放大器单元，所述MOS管MG工作在深度线性区，通过电压VG控制MOS管MG的栅极电压，MOS管MG作为反馈电阻产生负反馈，对跨导运算放大器的线性度进行改善，所述左子跨导运算放大器单元，包括MOS管M1管，所述MOS管M1管的漏极接MOS管M7的漏极与MOS管M10的源极，MOS管M1管的源极接MOS管MG的源极与MOS管Md的漏极，MOS管Md的栅极电压受电压Vb控制，且源极都接低电位；MOS管M7与MOS管M8栅源相接构成电流镜，MOS管M7与MOS管M8的源极接高点位，MOS管M7与MOS管M8的漏极分别与MOS管M10和MOS管M9的源极相接，MOS管M10和MOS管M9的栅极接低电位，MOS管M9的漏极接MOS管M3的栅极和漏极，MOS管M3的源极接MOS管M4的栅极、漏极，MOS管M4的源极与MOS管M6的源极都同时接低电位；MOS管M10的源极与MOS管M1和MOS管M7的漏极相接，MOS管M10的漏极与MOS管Ma的漏极同时接在MOS管M7与MOS管M8的栅极上；MOS管Ma的栅极电压由Vid控制，源极接低电位；
所述右子跨导运算放大器单元与左子跨导运算放大器单元结构相同，两者完全对称，如图3所示，右子跨导运算放大器单元包括MOS管M5、MOS管M6、MOS管M2、MOS管Mb、MOS管M13、MOS管M14、MOS管M11、MOS管M12和MOS管Me。
优选的，所述跨导运算放大器的输入阻抗为跨导运算放大器跨导的倒数。
所述电容C1和电容C2的容值为C，各级改进型Gm-C滤波器的传递函数为，
Figure BDA0001569510610000081
其中，Gm1/GmR为该改进型Gm-C滤波器的中频增益，GmR/C为带通滤波器的3dB带宽，ω等于Gm2/C，均为该改进型Gm-C滤波器的中心频率，可通过改变跨导Gm和容值C的值来调节改进型Gm-C滤波器的中频增益、带宽和中心频率，Gm1、GmR、G2分别为对应的跨导单元Gm1、GmR、G2的gm值。
优选的，如图4所示，所述改进型Gm-C滤波器的数量为四级，形成四阶镜像抑制滤波器，四阶镜像抑制滤波器的中心频率设置为900kHz，带宽为150kHz，该四阶镜像抑制滤波器为满足通带内平坦度及对工艺容差的要求，采用了四阶巴特沃斯滤波器，四阶巴特沃斯低通滤波器原型有两对共轭极点，都在S平面的左半平面上，经过频率转移，这两对极点的相对位置没有发生改变，而是整体向上平移了ωc距离。平移后的每个极点都由一阶的Gm-C滤波器实现，级联后就可以得到一个四阶镜像抑制滤波器，5V电压下对该滤波器进行仿真，整个电流的电流消耗仅为350μA，在不考虑失配的情况下，滤波器每一阶的频谱特性曲线，如图5所示，可以看出，中心频率为900kHz，3dB带宽为100kHz，带内增益为72dB，镜像抑制比为95dB，如下表1所示，
表1 四阶镜像抑制滤波器的性能总结
Figure BDA0001569510610000091
在仿真结果的显示下可以得到，该四阶镜像抑制滤波器的镜像抑制比可达到90dB，在5V工作电压下仅消耗电流为350μA，功耗很低。
本发明的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器的构建方法，包括以下步骤，
步骤(A)，构建跨导运算放大器，所述跨导运算放大器的输入阻抗为跨导运算放大器跨导的倒数；
步骤(B)，通过跨导运算放大器，分别形成Gm1跨导单元、Gm2跨导单元、GmR跨导单元，单个跨导运算放大器构成一个Gm1跨导单元、Gm2跨导单元或者GmR跨导单元；
步骤(C)，通过Gm1跨导单元、Gm2跨导单元、GmR跨导单元，构建改进型Gm-C滤波器；
步骤(D)，将四级改进型Gm-C滤波器依次级联，将偏置电路分别与各级改进型Gm-C滤波器相连接，形成四阶镜像抑制滤波器，该四阶镜像抑制滤波器的中心频率设置为900kHz，带宽为150kHz。
所述跨导运算放大器的跨导Gm，可表示为，
Figure BDA0001569510610000101
其中，
Figure BDA0001569510610000102
COX是单位面积的栅氧化层电容，μn是电子迁移率，W和L分别为MOS管的沟道宽度和长度，VGS是MOS管的栅源电压，VT是阈值电压，Vid为差分电压，Iout是输出电流，ISS是差分对管的尾电流源。
综上所述，本发明的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器及其构建方法，其采用跨导放大器和电容构建的改进型Gm-C滤波器，对输入信号进行低通滤波，并通过两个交叉耦合的差动改进型Gm-C滤波器实现频率转移，将偏置电路分别与各级改进型Gm-C滤波器相连接，形成四阶镜像抑制滤波器，四阶镜像抑制滤波器为四阶巴特沃斯复数滤波器，经仿真结果表明，该滤波器有着较高的镜像抑制比，且功耗较低，具有良好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器，其特征在于：包括偏置电路、若干级改进型Gm-C滤波器，所述偏置电路分别与各级改进型Gm-C滤波器相连接，各级改进型Gm-C滤波器依次级联，形成与改进型Gm-C滤波器数量相同阶数的镜像抑制滤波器，第一级改进型Gm-C滤波器的输入端与输入信号端子相连接，最后一级改进型Gm-C滤波器的输出端做为该镜像抑制滤波器的输出信号端子，
各级改进型Gm-C滤波器，均包括两组Gm1跨导单元、两组Gm2跨导单元和两组GmR跨导单元，
第一组Gm1跨导单元的输入端外接输入信号同相正交的I相位分量，该第一组Gm1跨导单元的输出端分别与第一组Gm2跨导单元的输出端、第二组Gm2跨导单元的输入端相连接，该第一组Gm1跨导单元的输出端还通过电容C1与地相连接，该第一组Gm1跨导单元的输出端还并联有第一组GmR跨导单元，所述第一组GmR跨导单元的输入端做为输入信号同相正交I相位分量的滤波输出端；
第二组Gm1跨导单元的输入端外接输入信号同相正交的Q相位分量，该第二组Gm1跨导单元的输出端分别与第一组Gm2跨导单元的输入端、第二组Gm2跨导单元的输出端相连接，该第二组Gm1跨导单元的输出端还通过电容C2与地相连接，该第二组Gm1跨导单元的输出端还并联有第二组GmR跨导单元，所述第二组GmR跨导单元的输出端做为输入信号同相正交Q相位分量的滤波输出端；
所述电容C1和电容C2相同；
所述两组Gm1跨导单元、两组Gm2跨导单元和两组GmR跨导单元内部均设置有跨导运算放大器，
所述跨导运算放大器以MOS管MG为中心左、右完全对称的左子跨导运算放大器单元、右子跨导运算放大器单元，所述MOS管MG工作在深度线性区，通过电压VG控制MOS管MG的栅极电压，所述左子跨导运算放大器单元，包括MOS管M1管，所述MOS管M1管的漏极接MOS管M7的漏极与MOS管M10的源极，MOS管M1管的源极接MOS管MG的源极与MOS管Md的漏极，MOS管Md的栅极电压受电压Vb控制，且源极都接低电位；MOS管M7与MOS管M8栅源相接构成电流镜，MOS管M7与MOS管M8的源极接高点位，MOS管M7与MOS管M8的漏极分别与MOS管M10和MOS管M9的源极相接，MOS管M10和MOS管M9的栅极接低电位，MOS管M9的漏极接MOS管M3的栅极和漏极，MOS管M3的源极接MOS管M4的栅极、漏极，MOS管M4的源极与MOS管M6的源极都同时接低电位；MOS管M10的源极与MOS管M1和MOS管M7的漏极相接，MOS管M10的漏极与MOS管Ma的漏极同时接在MOS管M7与MOS管M8的栅极上；MOS管Ma的栅极电压由Vid控制，源极接低电位；
所述右子跨导运算放大器单元与左子跨导运算放大器单元结构相同，两者完全对称。
2.根据权利要求1所述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器，其特征在于：所述改进型Gm-C滤波器的数量为四级，形成四阶镜像抑制滤波器。
3.根据权利要求2所述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器，其特征在于：所述四阶镜像抑制滤波器的中心频率设置为900kHz，带宽为150kHz。
4.根据权利要求1所述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器，其特征在于：所述电容C1和电容C2的容值为C，各级改进型Gm-C滤波器的传递函数为，
Figure FDA0002945414460000031
其中，Gm1/GmR为该改进型Gm-C滤波器的中频增益，GmR/C为带通滤波器的3dB带宽，ω等于Gm2/C，均为该改进型Gm-C滤波器的中心频率，可通过改变跨导Gm和容值C的值来调节改进型Gm-C滤波器的中频增益、带宽和中心频率，Gm1、GmR、G2分别为对应的跨导单元Gm1、GmR、Gm2的gm值。
5.根据权利要求1所述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器，其特征在于：所述跨导运算放大器的输入阻抗为跨导运算放大器跨导的倒数。
6.基于权利要求1-5任一项所述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器的构建方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤(A)，构建跨导运算放大器，所述跨导运算放大器的输入阻抗为跨导运算放大器跨导的倒数；
步骤(B)，通过跨导运算放大器，分别形成Gm1跨导单元、Gm2跨导单元、GmR跨导单元；
步骤(C)，通过Gm1跨导单元、Gm2跨导单元、GmR跨导单元，构建改进型Gm-C滤波器；
步骤(D)，将四级改进型Gm-C滤波器依次级联，将偏置电路分别与各级改进型Gm-C滤波器相连接，形成四阶镜像抑制滤波器。
7.根据权利要求6所述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器的构建方法，其特征在于：步骤(D)，形成的四阶镜像抑制滤波器的中心频率设置为900kHz，带宽为150kHz。
8.根据权利要求6所述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器的构建方法，其特征在于：步骤(A)，所述跨导运算放大器的跨导Gm，可表示为，
Figure FDA0002945414460000041
其中，
Figure FDA0002945414460000042
COX是单位面积的栅氧化层电容，μn是电子迁移率，W和L分别为MOS管的沟道宽度和长度，VGS是MOS管的栅源电压，VT是阈值电压，Vid为差分电压，Iout是输出电流，ISS是差分对管的尾电流源。
9.根据权利要求6所述的基于改进型Gm-C的镜像抑制滤波器的构建方法，其特征在于：步骤(B)，单个跨导运算放大器构成一个Gm1跨导单元、Gm2跨导单元或者GmR跨导单元。
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