CN110971208A - 一种三阶谐波抑制串联n路滤波器及接收机前端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三阶谐波抑制串联N路滤波器，其包括有输入端和输出端以及并联在所述输入端和输出端之间的N路开关连接单元，每一路所述开关单元包括有一对串联连接的开关，其中N为≥1的正整数；其采用改进的三阶谐波抑制串联N路滤波器，提出了一种低功耗的接收机前端。仿真结果表明，该接收机前端实现了53dB以上的HR3，功耗仅8.2‑9.9mW，适用于低功耗、低成本的应用。
Description
技术领域
本发明涉及射频集成电路技术领域，具体涉及一种三阶谐波抑制串联N路滤波器及接收机前端。
背景技术
近年来，随着对不同类型互连的需求迅速增长，出现了越来越多的通信标准。另一方面，为了节省成本，要求减少芯片外组件的数量，从而减小电池尺寸，并需要移除笨重的片外SAW滤波器。伴随现代无线电面临的挑战是低功耗和对片外干扰信号的鲁棒性，特别是带外谐波干扰信号。
谐波抑制(HR)是现代无线电在谐波下变频时的一个重要指标，由于偶次谐波可以用微分结构很容易地消除，所以奇次谐波，特别是三次谐波的主要问题仍然存在。参见附图1和2所示，传统的滤波器其开关由N相非重叠1/N占空比的LO时钟驱动，N通常取4或8，传统NPF的核心缺陷是谐波回折效应以及在高次谐波特别是三次谐波下的低谐波响应；此外已经有一些技术来实现高三阶谐波抑制(HR3)，如A.Nejdel的"A 0.7–3.7GHz six phasereceiver front-end with third order harmonic rejection,"2013Proceedings ofthe ESSCIRC(ESSCIRC),Bucharest,2013,pp.279-282.，Z.Ru的"Digitally EnhancedSoftware-Defined Radio Receiver Robust to Out-of-Band Interference,"in IEEEJournal of Solid-State Circuits,vol.44,no.12,pp.3359-3375,Dec.2009.等等。谐波抑制混频器(HRM)利用八相本振(LO)时钟和三路放大级，通常对相位和增益失配敏感，导致HR3约为30-40db。HR3可以通过增益和相位误差校正电路得到改善，但通常需要更大的功率和更大的芯片面积。Z.Ru在文献(Z.Ru,N.A.Moseley,E.A.M.Klumperink and B.Nauta,"Digitally Enhanced Software-Defined Radio Receiver Robust to Out-of-BandInterference,"in IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.44,no.12,pp.3359-3375,Dec.2009.)中提出了模拟两级多相HR概念，将HR3提高到60分贝以上。然而，功耗和接收机的复杂性都受到了影响。J.Park在文献(J.W.Park and B.Razavi,"A Harmonic-Rejecting CMOS LNA for Broadband Radios,"in IEEE Journal of Solid-StateCircuits,vol.48,no.4,pp.1072-1084,April 2013.)中提出了一种谐波抑制低噪声放大器(LNA)，证明了LNA可以部分地承担谐波抑制的任务。然而，LNA的HR3约为20db，这还是不够的。
目前，现有的技术还没有很好地解决在标准CMOS工艺下谐波抑制特别是三阶谐波抑制的问题，从而极大地限制了这些技术的应用，如不能满足移动通信系统领域对小型化、便携性的要求等；而有些虽然达到小型化的目标，但是使用特殊工艺制造，成本高，无法满足系统集成要求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种三阶谐波抑制串联N路滤波器及接收机前端，该滤波器其能够提供足够的高三阶谐波抑制，使得三阶谐波抑制能力得到大幅提升。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种三阶谐波抑制串联N路滤波器，所述滤波器包括有输入端和输出端以及并联在所述输入端和输出端之间的N路开关连接单元，每一路所述开关单元包括有一对串联连接的开关，其中N为≥1的正整数。
进一步，所述N为4或8。
同时，本发明还提供一种包含有上述三阶谐波抑制串联N路滤波器的接收机前端，所述接收机前端包括有滤波器，所述接收机前端还包括有电阻反馈LAN、跨导放大器、无源混频器、跨阻放大器以及LO产生电路，其中所述电阻反馈LAN、滤波器、跨导放大器、无源混频器以及跨阻放大器依次相连，所述LO产生电路与所述滤波器相连，用于提供信号。
进一步，所述LO产生电路由三个动态传输门触发器构成的三环形计数器组成。
进一步，所述滤波器、电阻反馈LAN、跨导放大器、无源混频器、跨阻放大器以及LO产生电路为通过采用40nmCMOS工艺集成构成一个整体的接收机前端结构。
与现有技术相比，本方案具有的有益技术效果为：
1、通过采用串联的N路滤波器结构，谐波抑制尤其是三阶谐波抑制能力得到了很大的提升；
2、谐波回折效应也得到很大的改善。
附图说明
图1为传统的N路滤波器结构示意图。
图2为传统的LO波形示意图。
图3为本实施例中的串联N路滤波器结构示意图。
图4为本实施例中的差分滤波器电路结构示意图。
图5为本实施例中串联N路滤波器、差分滤波器与传统的四路滤波器的谐波仿真图。
图6为采用本实施例中的接收机前端结构示意图。
图7为本实施例中的LO发生器框图。
图8为本实施例中的LO发生器的相位误差的蒙特卡洛仿真结果图。
图9为本实施例中的接收机前端的HR3的相位误差仿真结果图。
图10为本实施例中的接收机前端的HR3的占空比仿真结果图
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
本方案是针对现有技术还没有很好地解决在标准CMOS工艺下谐波抑制特别是三阶谐波抑制的问题，存在极大地限制了这些技术的应用的缺陷，进而提出的一种三阶谐波抑制串联N路滤波器及接收机前端，该滤波器其能够提供足够的高三阶谐波抑制，使得三阶谐波抑制能力得到大幅提升。
参见附图3所示，本实施例中的三阶谐波抑制串联N路滤波器，其包括有输入端和输出端以及并联在输入端和输出端之间的N路开关连接单元，每一路开关单元包括有一对串联连接的开关，其中N为≥1的正整数；通常N取4和8。本实施例中的滤波器，其具有两倍于传统的滤波器开关量，并且其输入和输出为分开式结构；相比于传统结构中输入与输出直接连接的结构将具备有更好的抑制效果。结合参照附图4所示，提供了一种采用该N滤波器结构的差分版本滤波器结构，其目的为用于消除偶次谐波的影响。
参照附图5所示，从对应的仿真结果可以看出，传统结构的三阶谐波大约只有13dB的限制，其它谐波最多也只有20dB左右的抑制，而本实施例中的N路滤波器结构对三阶谐波额的抑制达到了65dB，因而可以看出，本实施例中的N路滤波器结构拥有比传统四路滤波器更好的三阶谐波抑制效果。
参见附图6所示，为了进一步验证上述想法，本实施例还通过采用40nmCMOS工艺实现了一个采用上述N路滤波器的接收机前端，该接收机前端包括有滤波器、电阻反馈LAN、跨导放大器、无源混频器、跨阻放大器以及LO产生电路，其中电阻反馈LAN、滤波器、跨导放大器、无源混频器以及跨阻放大器依次相连，LO产生电路与滤波器相连，用于提供信号。对该接受机前端的电压增益、DSB NF和S11性能进行了仿真，所有仿真都是基于寄生RF模型的，对于这个工作在0.4-1GHz的前端，其实现了38.1-41.2dB的电压增益和3.0-3.2dB的DSBNF。在对应的LO频率上所有的S11都小于-10dB。
参见附图7所示，为三相LO产生电路图，该电路由三个动态传输门触发器构成的除三环形计数器组成。HR3与LO产生电路的相位误差密切相关。对于图4中的三相LO产生电路，进行全局蒙特卡罗模拟(过程和失配)得到如图8所示的结果，这表明LO频率0.4-1GHz的相位误差小于0.25°(3σ)。
结合参照图9和图10所示，接收机前端中HR3的相位误差和占空比的仿真结果(LO占空比为理想的1/3)。表明HR3在LO相位误差小于0.25°(3σ)时优于63.5dB。在不存在LO相位误差的情况下，当占空比误差在-8.5％～5％之间时，HR3优于55dB。
综上所述，本方案提出了一种3rd-HRSNPF结构解决了三阶谐波抑制和谐波回折效应的问题，采用改进的三阶谐波抑制串联N路滤波器，提出了一种低功耗的接收机前端。仿真结果表明，该接收机前端实现了53dB以上的HR3，功耗仅8.2-9.9mW，适用于低功耗、低成本的应用。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种三阶谐波抑制串联N路滤波器，其特征在于：所述滤波器包括有输入端和输出端以及并联在所述输入端和输出端之间的N路开关连接单元，每一路所述开关单元包括有一对串联连接的开关，其中N为≥1的正整数。
2.根据权利要求1所述的一种三阶谐波抑制串联N路滤波器，其特征在于：所述N为4或8。
3.一种包含有如权利要求1或2所述的一种三阶谐波抑制串联N路滤波器的接收机前端，所述接收机前端包括有滤波器，其特征在于：所述接收机前端还包括有电阻反馈LAN、跨导放大器、无源混频器、跨阻放大器以及LO产生电路，其中所述电阻反馈LAN、滤波器、跨导放大器、无源混频器以及跨阻放大器依次相连，所述LO产生电路与所述滤波器相连，用于提供信号。
4.根据权利要求3所述的一种接收机前端，其特征在于：所述LO产生电路由三个动态传输门触发器构成的三环形计数器组成。
5.根据权利要求3或4所述的一种接收机前端，其特征在于：所述滤波器、电阻反馈LAN、跨导放大器、无源混频器、跨阻放大器以及LO产生电路为通过采用40nmCMOS工艺集成构成一个整体的接收机前端结构。
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|---|---|---|---|---|
| CN111756348A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-10-09 | 哈尔滨工业大学 | 一种跨导电容可配置N-path带通滤波器 |
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