模數(shù)混合型FIR噪聲濾波器設(shè)計(jì)

　　圖8是4電平量化下支路準(zhǔn)同步后的時(shí)鐘信號(hào)示例。各支路信號(hào)時(shí)鐘在同樣的4個(gè)備選相位間切換，從而對(duì)于任何一個(gè)支路而言，其工作狀態(tài)都和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全一致，這就實(shí)現(xiàn)了真正意義上并行操作和離散時(shí)間域的信號(hào)合成。

　　就電荷泵本身而言，由于其總電流與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致，這使得所用的有源器件總體尺寸保持不變，從而貢獻(xiàn)的噪聲也就不變。惟一的差別是多輸入電荷泵中需要多用若干個(gè)開關(guān)管，其帶來的噪聲惡化幾乎可以忽略。

4 電荷泵非線性的改善

　　在△-∑鎖相環(huán)或△-∑延時(shí)鎖定環(huán)里，電荷泵的非線性將造成高頻量化噪聲被折疊到低頻，從而影響帶內(nèi)相位噪聲性能。采用了混合型FIR噪聲濾除技術(shù)后，由于環(huán)路中并行的鑒相器和電荷泵支路是由△-∑調(diào)制器的輸出經(jīng)過不同時(shí)鐘周期延時(shí)后依次控制的，因此會(huì)對(duì)各支路受數(shù)字控制的相位誤差有類似“桶形移位”的效果。如圖9所示，盡管該結(jié)構(gòu)沒有像模/數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的桶形移位技術(shù)一樣存在控制字的卷繞，但多支路的并行工作配合依序的控制，使得所有相位誤差電荷在電荷泵中合成后，各支路數(shù)控相位到模擬域電荷的非線性映射可以得到平均和改善。

　　這種結(jié)構(gòu)對(duì)電荷泵非線性的改善還可以從另一個(gè)角度來解釋，即造成電荷泵非線性的一個(gè)重要原因是其上下電流存在和輸出電壓相關(guān)的動(dòng)態(tài)失配。圖5(b)表明，在采用了混合型FIR噪聲濾除技術(shù)后，電荷泵輸出電壓擺幅遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這就意味著電荷泵的線性度得到了提高。

　　可以看出，混合型FIR濾波器在實(shí)現(xiàn)預(yù)期噪聲整形的同時(shí)，也減小了由于電荷泵非線性造成帶內(nèi)噪聲的惡化。作為一個(gè)特例，盡管各支路存在如圖9所示的非線性，但當(dāng)它們疊加之后恰好是線性特性時(shí)，該結(jié)構(gòu)將能完全消除每個(gè)支路非線性的影響。但是由于這種巧合在實(shí)際電路中幾乎不存在，因此通常不能實(shí)現(xiàn)徹底的線性化改善，在設(shè)計(jì)中仍然需要注意結(jié)合其他一些提高線性度的考慮。

　　5 額外的開銷

　　從圖1給出實(shí)現(xiàn)混合型FIR噪聲濾波的電路結(jié)構(gòu)可以看出，該技術(shù)相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要額外的硬件開銷，包括一個(gè)多輸入電荷泵、多個(gè)鑒相器，以及用于實(shí)現(xiàn)調(diào)制器輸出延時(shí)的寄存器鏈。此外，由于送至鑒相器的環(huán)路反饋信號(hào)在鎖相環(huán)和延時(shí)鎖定環(huán)中分別由分頻器和相位選擇器或插值器得到，這意味著這些模塊也需要有多個(gè)。

　　對(duì)于多輸入電荷泵，由于其總電流必須和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的電荷泵一致，以維持環(huán)路原始動(dòng)態(tài)特性，因此電路中只是存在更多的開關(guān)管，幾乎沒有額外的面積和功耗的開銷。

　　對(duì)于其他模塊，由于它們都屬于單端數(shù)字電路，因此面積和功耗可以隨著CMOS工藝的進(jìn)步得到成比例的改善。這也意味著如果采用先進(jìn)的工藝，則可以在較低的代價(jià)下實(shí)現(xiàn)更多抽頭數(shù)的FIR濾波器，以達(dá)到更好的噪聲抑制效果。

　　然而由于分頻器消耗的電流隨著工作頻率的提高而急劇增加，這使得在高頻無線應(yīng)用中采用混合型FIR噪聲濾除技術(shù)時(shí)存在巨大的功耗開銷。為了解決這個(gè)問題，在分頻器設(shè)計(jì)上可以遵照移相的方法來實(shí)現(xiàn)等效分頻，從而使并行支路問可以共用最耗電流的前級(jí)預(yù)分頻器，以降低總功耗。

　　6 結(jié)語

　　本文提出的一種混合型FIR噪聲濾波技術(shù)，其基本電路結(jié)構(gòu)是：將△-∑調(diào)制器的輸出經(jīng)過一個(gè)寄存器鏈加以延時(shí)，從中選取若干抽頭去控制并行的多支路分頻器或相位選擇器，并各自經(jīng)過鑒相器判別相位差，最后各支路對(duì)應(yīng)的誤差電荷在一個(gè)多輸入電荷泵中加以合成，由此可以在不改變環(huán)路動(dòng)態(tài)特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)量化噪聲的等效FIR濾波。由于這種技術(shù)基于離散時(shí)間域工作，因此繼承了現(xiàn)有數(shù)字FIR噪聲濾除技術(shù)對(duì)PVT變化以及模擬失配不敏感的優(yōu)點(diǎn);同時(shí)又結(jié)合模擬域的電荷合成解決了數(shù)字FIR濾波器的噪聲增益問題;而其并行多支路工作配合依序控制的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又帶來降低對(duì)電荷泵線性度要求的額外好處。此外，相比其他純模擬的量化噪聲抑制技術(shù)，該技術(shù)也有硬件成本上的優(yōu)勢(shì)。