四階連續(xù)時(shí)間正交帶通ΣΔ調(diào)制器的設(shè)計(jì)

在低中頻射頻接收機(jī)中，如圖1所示，射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)下混頻，產(chǎn)生I、Q兩路正交低中頻信號(hào)，之后直接通過(guò)帶通ΣΔADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于中頻不在直流處，可以避免直流失調(diào)和閃爍噪聲。正交帶通ΣΔADC比傳統(tǒng)的帶通ΣΔADC更適用于低中頻架構(gòu)，這是因?yàn)榍罢叩脑肼曊瘟泓c(diǎn)全部分布在單一頻域，后者的噪聲整形零點(diǎn)則對(duì)稱(chēng)的分布在正負(fù)頻域，負(fù)頻域的噪聲整形零點(diǎn)是浪費(fèi)，正交帶通ΣΔADC在噪聲整形性能上有優(yōu)勢(shì)。正交帶通ΣΔADC由模擬和數(shù)字兩部分組成，模擬部分是正交帶通ΣΔ調(diào)制器，數(shù)字部分是抽取濾波器，本文主要研究正交帶通ΣΔ調(diào)制器。

圖1　低中頻接收機(jī)架構(gòu)

　　連續(xù)時(shí)間ΣΔ調(diào)制器與離散時(shí)間ΣΔ調(diào)制器相比，它具有一些顯著的優(yōu)勢(shì)，特別是無(wú)需獨(dú)立的抗混疊濾波器，同時(shí)降低對(duì)運(yùn)放單位增益帶寬和擺率的要求，從而有利于降低了調(diào)制器的功耗。文獻(xiàn)首次提出并驗(yàn)證了連續(xù)時(shí)間正交帶通ΣΔ調(diào)制器架構(gòu)，近幾年文獻(xiàn)也提出了一些成功的設(shè)計(jì)。其根本設(shè)計(jì)方法都是將兩個(gè)低通濾波器的輸入輸出進(jìn)行交叉耦合來(lái)構(gòu)成一個(gè)具有帶通濾波特性的復(fù)數(shù)濾波器。

　　眾所周知，連續(xù)時(shí)間ΣΔ調(diào)制器有一些固有的非理想特性，時(shí)鐘抖動(dòng)就是最主要的非理想特性之一。本文主要研究如何減少時(shí)鐘抖動(dòng)影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)其不敏感的四階連續(xù)時(shí)間正交帶通ΣΔ調(diào)制器。

　　1　復(fù)數(shù)濾波器

　　在低中頻架構(gòu)中，經(jīng)過(guò)下混頻產(chǎn)生的I、Q兩路正交實(shí)信號(hào)可以表示成一個(gè)復(fù)數(shù)信號(hào):

　　復(fù)數(shù)信號(hào)最重要的特性之一就是頻譜關(guān)于直流不對(duì)稱(chēng)。處理復(fù)數(shù)信號(hào)就需要復(fù)數(shù)濾波器，如圖2所示，它是由實(shí)數(shù)濾波器經(jīng)過(guò)交叉耦合而形成，

圖2　復(fù)數(shù)積分器

　　其傳輸函數(shù)為:

　　實(shí)數(shù)積分器具有低通特性，其傳輸函數(shù)的頻譜關(guān)于直流對(duì)稱(chēng)，而復(fù)數(shù)積分器具有帶通特性，其傳輸函數(shù)頻譜的對(duì)稱(chēng)軸平移到了：

　　復(fù)數(shù)濾波器是構(gòu)成正交帶通ΣΔ調(diào)制器的基本模塊，其傳輸函數(shù)的極點(diǎn)就是ΣΔ調(diào)制器的噪聲整形零點(diǎn)。

　　2　正交帶通調(diào)制器

　　目前連續(xù)時(shí)間正交帶通ΣΔ調(diào)制器的設(shè)計(jì)方法主要有兩種: (1)先設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化好零點(diǎn)位置的連續(xù)時(shí)間低通ΣΔ調(diào)制器，然后用它構(gòu)成I、Q兩路，最后對(duì)兩路調(diào)制器進(jìn)行交叉耦合實(shí)現(xiàn)頻譜搬移; (2)通過(guò)平移離散時(shí)間低通ΣΔ調(diào)制器的NTF，得到一個(gè)離散時(shí)間的復(fù)數(shù)NTF，然后對(duì)它進(jìn)行DT2TO2CT變換，最終可以求得調(diào)制器的各支路系數(shù)。方法2設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣，且整個(gè)調(diào)制器系數(shù)多，在電路實(shí)現(xiàn)時(shí)意味著更多的元件。

　　本文采用的方法與第一種類(lèi)似，調(diào)制器的設(shè)計(jì)分為兩步: 首先設(shè)計(jì)四階連續(xù)前饋低通ΣΔ調(diào)制器，然后根據(jù)文獻(xiàn)提供的四階ΣΔ調(diào)制器的零點(diǎn)位置確定耦合電阻大小。

　　四階前饋低通ΣΔ調(diào)制器整個(gè)環(huán)路濾波器是由有源RC積分器構(gòu)成的，這是因?yàn)榕c開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)的gm2C濾波器相比，反饋結(jié)構(gòu)的有源RC積分器具有更好的線(xiàn)性度。之所以選擇前饋結(jié)構(gòu)，是因?yàn)榍梆伣Y(jié)構(gòu)中只有誤差信號(hào)通過(guò)整個(gè)環(huán)路濾波器，這降低了對(duì)各級(jí)積分器動(dòng)態(tài)范圍的要求，從而減少了功耗。然而前饋結(jié)構(gòu)需要額外的求和模塊，為了使求和網(wǎng)絡(luò)在大的輸入信號(hào)下仍具有良好線(xiàn)性，選擇采用電阻比例積分器。

　　量化器選擇本質(zhì)上線(xiàn)性的1 bit比較器，反饋路徑上采用對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)不敏感的開(kāi)關(guān)電容DAC。

　　調(diào)制器零點(diǎn)頻率即為復(fù)數(shù)積分器的中心頻率fC ，根據(jù)式( 3)可以求出各級(jí)耦合電阻Rωi的值。表1反映了本文設(shè)計(jì)的正交帶通ΣΔ調(diào)制器零點(diǎn)的分布情況， Ci 為各級(jí)積分器的積分電容。