CN115833787A

CN115833787A - 一种抑制频率可调的cmos有源多相滤波器

Info

Publication number: CN115833787A
Application number: CN202211623422.5A
Authority: CN
Inventors: 林少蟠; 陈思凯; 苏柏铭; 黄果池
Original assignee: Fujian Normal University
Current assignee: Fujian Normal University
Priority date: 2022-12-16
Filing date: 2022-12-16
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本发明公开一种抑制频率可调的CMOS有源多相滤波器，其包括四路RCRC滤波电路，每路RC滤波电路包括两个以上依次串联的RC滤波单元，同一路RC滤波电路中前一级RC滤波单元的输出端C接入后一级RC滤波单元的输入端A，每一路RC滤波电路的每个RC滤波单元的输入端A均与并行顺序的上一路RC滤波电路对应级的RC滤波单元的输入端B连接。四路的RC滤波电路的输入端A分别对应连接I路、Q路信号的正输入、I路、Q路信号的负输入；第一、第二路RC滤波电路的输出端C连接信号正极输出端；第三、第四路RC滤波电路的输出端C连接信号负极输出端。本发明在RC滤波网络中加入反相放大器，可以对通过滤波网络损失的信号幅度进行补偿。

Description

一种抑制频率可调的CMOS有源多相滤波器

技术领域

本发明涉及电子设备、电子器件技术领域，尤其涉及一种用于正交信号合成的抑制频率可调的CMOS有源多相滤波器。

背景技术

随着移动通信的迅速发展，与之密不可分的射频前端集成电路芯片的探索和研究已经成为了新的热点。混频器作为射频收发系统的核心模块，其性能非常重要。由于存在镜像频率和镜像抑制的问题，收发机高度集成化研制成为了一项巨大的挑战。对此，镜像抑制混频器的出现提供了解决方案，为收发机芯片低功耗和低成本提供进一步的发展。

镜像抑制混频器可视为由正交混频器和中频90°耦合器共同组成。通常采用由无源器件电阻电容组成无源多相滤波器作为90°耦合器。通过级联的方式可以实现带宽的拓展，但这会促使信号损耗的增加。此外，在中频较低的情况下，传统的多相滤波器相位误差随频率的变化较为敏感，因而具有一定的限制性，很难抑制带宽范围在10MHz左右的中频信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制频率可调的CMOS有源多相滤波器。

本发明采用的技术方案是：

一种抑制频率可调的CMOS有源多相滤波器，其包括并行设置的四路RCRC滤波电路，每路RC滤波电路包括两个以上依次串联的RC滤波单元，

每个RC滤波单元均具有输入端A、输入端B和输出端C，同一路RC滤波电路中前一级RC滤波单元的输出端C接入后一级RC滤波单元的输入端A，RC滤波电路中第一级的RC滤波单元的输入端A连接一路信号输入端；RC滤波电路中最后一级的RC滤波单元的输出端C连接信号输出端；

四路的RC滤波电路中第一级的RC滤波单元的输入端A分别一一对应连接I路信号的正极输入端、Q路信号的正极输入端、I路信号的负极输入端和Q路信号的负极输入端；

第一路RC滤波电路和第二路RC滤波电路的最后一级的RC滤波单元的输出端C连接信号正极输出端；第三路RC滤波电路和第四路RC滤波电路的最后一级的RC滤波单元的输出端C连接信号负极输出端；

每一路RC滤波电路的每个RC滤波单元的输入端A均与并行顺序的上一路RC滤波电路对应级的RC滤波单元的输入端B连接；第一路RC滤波电路对应的上一路RC滤波电路为第四路RC滤波电路。

即，第一路RC滤波电路的每个RC滤波单元的输入端A均与第四路RC滤波电路对应级的RC滤波单元的输入端B连接；

第二路RC滤波电路的每个RC滤波单元的输入端A均与第一路RC滤波电路对应级的RC滤波单元的输入端B连接；

第三路RC滤波电路的每个RC滤波单元的输入端A均与第二路RC滤波电路对应级的RC滤波单元的输入端B连接；

第四路RC滤波电路的每个RC滤波单元的输入端A均与第三路RC滤波电路对应级的RC滤波单元的输入端B连接；

进一步地，每路RC滤波电路具有3个RC滤波单元。

进一步地，每个RC滤波单元包括电阻R、第一反相器、第一可调开关电容和第二可调开关电容；RC滤波单元的输入端A分别连接第一反相器的输入端和电阻R的一端，第一反相器的输出端和电阻R的另一端连接至第二可调开关电容的一端；RC滤波单元的输入端B连接第一可调开关电容的输入端D；第一可调开关电容和第二可调开关电容的输出端E连接至RC滤波单元的输出端C。

进一步地，第一可调开关电容和第二可调开关电容采用相同的可调开关电容，可调开关电容包括四个反相器单元，每个反相器单元包括第二反相器、第一电容、第二电容、N型MOS管和P型MOS管；所有反相器单元第一电容的一端连接至可调开关电容的输入端D；

第二反相器的输入端连接一路控制输入端和N型MOS管的栅极，第二反相器的输出端连接P型MOS管的栅极；第一电容的另一端分别连接N型MOS管和P型MOS管的源极，N型MOS管和P型MOS管的漏极连接至第二电容的一端，第二电容的另一端连接至可调开关电容的输出端E。

进一步地，第一反相器和第二反相器采用相同结构的反相放大器；反相放大器包括第二N型MOS管和第二P型MOS管，VDD电源连接第二P型MOS管的源极，第二N型MOS管的源极接地(GND)；反相放大器的输入端分别连接第二N型MOS管和第二P型MOS管的栅极，第二N型MOS管和第二P型MOS管的漏极连接反相放大器的输出端。

进一步地，可调开关电容的可选容值包括60p、30p、15p和7.5p。

本发明采用以上技术方案，提供在中频较低的情况下，同时具有相位平衡和补偿信号损耗功能的抑制频率可调的有源多相滤波器。通过选择可调开关电容的值为60p、30p、15p和7.5p，可以改变多相滤波器的抑制频率为10MHz、20MHz、40MHz、80MHz。在抑制频率为10MHz、20MHz、40MHz、80MHz的情况下，分别能够在带宽为8MHz～40MHz、16MHz～80MHz、30MHz～165MHz、78MHz～600MHz内保持合成的正交信号的相位误差在正负3度内，对比传统的多相滤波器的相位误差的带宽范围有良好的提升。此外，在RC滤波网络中加入反相放大器，可以对通过滤波网络损失的信号幅度进行补偿，对比传统的多相滤波器可以免去输出端的后级信号放大器电路的接入。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明一种抑制频率可调的CMOS有源多相滤波器的电路原理框图；

图2为本发明RC滤波单元的电路结构示意图；

图3为本发明可调开关电容的电路结构示意图；

图4为本发明反相放大器的电路结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1至4之一所示，本发明公开了一种抑制频率可调的CMOS有源多相滤波器，一种抑制频率可调的CMOS有源多相滤波器，其包括并行设置的四路RCRC滤波电路，每路RC滤波电路包括两个以上依次串联的RC滤波单元，

进一步地，每路RC滤波电路具有3个RC滤波单元。

进一步地，可调开关电容的可选容值包括60p、30p、15p和7.5p。

下面就本发明的具体原理做详细说明：

本发明所提的抑制频率可调有源多相滤波器电路框图如图1所示，由12个RC滤波单元RC11～34组成，每个RC模块有A、B、C三个端口；RC_11的A端接RC_14的B端和信号输入端I+，B端接RC_12的A端和信号输入端Q+，C端接RC_21的A端和RC_24的B端；RC_12的B端接RC_13的A端和信号输入端I-，C端接RC_22的A端和RC_21的B端；RC_13的B端接RC_14的A端和信号输入端Q-，C端接RC_23的A端和RC_22的B端；RC_14的C端接RC_24的A端和RC_23的B端；RC_21的C端接RC31的A端和RC_34的B端；RC_22的C端接RC_32的A端和RC_31的B端；RC_23的C端接RC_33的A端和RC_32的B端；RC_24的C端接RC_34的A端和RC_33的B端；RC_31的C端接输出信号端Out+和RC_32的C端；RC_33的C端接输出信号端Out-和RC_34的C端；因此，所提的抑制频率可调有源多相滤波器是三级级联结构。

每个RC滤波单元的电路结构如图2所示，主要由三部分组成：电阻、反相器、可调开关电容。反相器Inverter_1的输出端接电阻R的一端和端口A，输出端接可调开关电容Cvar_1的D端和电阻R的另一端；可调开关电容Cvar_2的D端接端口B，E端接可调开关电容Cvar_2的E端和端口C。其中，电阻R用来作为RC滤波单元中的决定抑制频率的电阻；反相器Inverter_1用来与电阻R共同组成反相放大器对通过滤波单元的信号提供增益，以补偿传输信号的损耗；与电阻并联的可调节开关电容Cvar_1用来作为RC滤波网络中决定抑制频率的电容，与电阻共同决定本级的电路的抑制镜像频率，另一个与电阻串联的可调节开关电容Cvar_2用来隔离反相器中的偏置直流，避免其流入滤波单元的并联支路。因此，本发明的电路结构通过选择、控制可调开关电容的大小来决定抑制镜像频率，且反相放大器有源器件的引入弥补信号损耗和相位平衡，进而可以有效提高多相滤波器的工作带宽。

可调开关电容Cvar电路结构如图3所示，由4个反相器Inverter_2～5、2个电容C1、2个电容C2、2个电容C3、2个电容C4、NMOS晶体管N1～4、PMOS晶体管P1～4组成，其中，电容C1和电容C2的大小相等，电容C3和电容C4的大小相等，电容C5和电容C6的大小相等，电容C7和电容C8的大小相等；MOS管N1的栅极接反相器Inverter_2的输入端和控制输入端ON_1，漏极接右侧的电容C1的一端和MOS管P1的漏极，源极接左侧电容C2的一端和MOS管P1的源极；MOS管N2的栅极接反相器Inverter_3的输入端和控制输入端ON_2，漏极接右侧的电容C3的一端和MOS管P2的漏极，源极接右侧电容C4的一端和MOS管P2的源极；MOS管N3的栅极接反相器Inverter_4的输入端和控制输入端ON_3，漏极接右侧的电容C5的一端和MOS管P3的漏极，源极接左侧电容C6的一端和MOS管P3的源极；MOS管N4的栅极接反相器Inverter_5的输入端和控制输入端ON_4，漏极接右侧的电容C7的一端和MOS管P4的漏极，源极接左侧电容C8的一端和MOS管P4的源极；MOS管P1的栅极接反相器Inverter_2的输出端；MOS管P2的栅极接反相器Inverter_3的输出端；MOS管P3的栅极接反相器Inverter_4的输出端；MOS管P4的栅极接反相器Inverter_5的输出端；电容C1、C3、C5、C7的另一端共同接输入信号端D；电容C2、C4、C6、C8的另一端共同接输出信号端E；通过在4个控制输入端ON_1～4分别输入高电平或低电平可得可调开关电容的值Cvar为：

Cvar＝∑(C_2X-1)/2 (1)

其中X是输入高电平的控制输入端ON_X(X为序号1、2、3、4)。

因此电路抑制频率fimge为：

fimage＝2πRCvar (2)

其中R为RC滤波网络中的抑制电阻R，Cvar为可调开关电容的大小。

此外，反相器与电阻组成的反相放大器具有信号放大作用，可以得到该RC滤波网络电压增益为：

其中Va是A端的电压，Vc是B端的电压，ZC是C端的输出阻抗，R为RC滤波网络中的抑制电阻R，Cvar是可调开关电容的大小。

反相放大器的电路结构图如图4所示，由NMOS晶体管N5和PMOS晶体管P5组成；MOS管P5的栅极接MOS管N5的栅极和信号输入端in，漏极接MOS管N5的漏极和信号输出端out，源极接电源VDD；MOS管N5的源极接地GND。

显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims

1.一种抑制频率可调的CMOS有源多相滤波器，其特征在于：其包括并行设置的四路RCRC滤波电路，每路RC滤波电路包括两个以上依次串联的RC滤波单元，

2.根据权利要求1所述的一种抑制频率可调的CMOS有源多相滤波器，其特征在于：每路RC滤波电路具有3个RC滤波单元。

3.根据权利要求1所述的一种抑制频率可调的CMOS有源多相滤波器，其特征在于：每个RC滤波单元包括电阻R、第一反相器、第一可调开关电容和第二可调开关电容；RC滤波单元的输入端A分别连接第一反相器的输入端和电阻R的一端，第一反相器的输出端和电阻R的另一端连接至第二可调开关电容的一端；RC滤波单元的输入端B连接第一可调开关电容的输入端D；第一可调开关电容和第二可调开关电容的输出端E连接至RC滤波单元的输出端C。

4.根据权利要求3所述的一种抑制频率可调的CMOS有源多相滤波器，其特征在于：第一可调开关电容和第二可调开关电容采用相同的可调开关电容，可调开关电容包括四个反相器单元，每个反相器单元包括第二反相器、第一电容、第二电容、N型MOS管和P型MOS管；所有反相器单元第一电容的一端连接至可调开关电容的输入端D；

5.根据权利要求4所述的一种抑制频率可调的CMOS有源多相滤波器，其特征在于：第一反相器和第二反相器采用相同结构的反相放大器；反相放大器包括第二N型MOS管和第二P型MOS管，VDD电源连接第二P型MOS管的源极，第二N型MOS管的源极接地（GND）；反相放大器的输入端分别连接第二N型MOS管和第二P型MOS管的栅极，第二N型MOS管和第二P型MOS管的漏极连接反相放大器的输出端。

6.根据权利要求3所述的一种抑制频率可调的CMOS有源多相滤波器，其特征在于：第一可调开关电容或者第二可调开关电容的可选容值包括60p、30p、15p和7.5p。