基于GSM接收機(jī)的集成多相濾波器設(shè)計(jì)

　　摘要：本文介紹了用于GSM接收機(jī)的低中頻多相濾波器的設(shè)計(jì)，采用有源RC電路架構(gòu)且單片全集成。設(shè)計(jì)采用TSMC 0.18um CMOS工藝，通過(guò)spectre仿真，濾波器的中心頻率為110kHz，帶寬200kHz，增益30dB，鏡像抑制比38dB。

　　1、引言

　　隨著集成電路和便攜式無(wú)線傳輸系統(tǒng)的快速發(fā)展，人們正努力把各種射頻（RF）與中 頻（IF）功能電路都集成在同一芯片上，因而可同時(shí)降低芯片功耗和成本。 無(wú)線通信接收機(jī)的主要結(jié)構(gòu)有超外差、零中頻、低中頻三種，其中超外差式接收機(jī)所需 的高階帶通濾波器不宜集成，不適合單片接收機(jī)系統(tǒng)。零中頻接收機(jī)由于受CMOS 電路的 1/f 噪聲和集中于基帶附近的偶次諧波失真等的影響，信噪比不高。對(duì)于窄帶通信系統(tǒng)，該 結(jié)構(gòu)有一定的局限性[1]。 低中頻接收機(jī)采用一個(gè)較低的中頻，把有用信號(hào)與直流寄生失調(diào)和1/f 噪聲從頻譜上分 開(kāi)，從而避開(kāi)了他們的干擾。它還具有不需要片外高階帶通濾波器、集成度好、可克服直流 失調(diào)和1/f 噪聲干擾等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此，對(duì)于GSM 和DCS 等窄帶通信系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)是一種較 好的選擇[3]。但是，下變頻為低中頻后也帶來(lái)了鏡像信號(hào)的抑制等問(wèn)題，因而在單一芯片 上獲得足夠高的鏡像抑制成為全集成的主要障礙之一。本文給出了用于GSM 接收機(jī)的集成 低中頻多相位濾波器設(shè)計(jì)，采取了相應(yīng)措施，解決了鏡像抑制和雙路信號(hào)精確匹配等問(wèn)題。

　　2、多相濾波器分析

　　在低中頻接收機(jī)中，射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)正交下變頻，在I、Q兩路信號(hào)中有用信號(hào)和鏡像信號(hào) 頻率相同但相位相反即一個(gè)為正頻率，另一個(gè)在負(fù)頻率。對(duì)于一維實(shí)數(shù)域?yàn)V波器，如圖1所 示（低通，其它亦如此），由于其幅頻響應(yīng)對(duì)于正負(fù)頻率分量對(duì)稱，因而無(wú)法在濾出正頻率 信號(hào)分量的同時(shí)抑制負(fù)頻率信號(hào)分量[4]。對(duì)于多相濾波器，由于對(duì)正負(fù)頻率分量幅頻響應(yīng) 不同,因而可實(shí)現(xiàn)在濾出有用信號(hào)的同時(shí)抑制鏡像干擾。

　　圖2是五階多相位濾波器極點(diǎn)分布與幅頻響應(yīng)曲線示意圖。它是在圖1實(shí)數(shù)域五階低通濾波器基礎(chǔ)上將極點(diǎn)向上平移ωc的情況，得到了中心頻率為ωc的復(fù)數(shù)帶通濾波器，亦即多相 濾波器，是直接變頻式低中頻接收機(jī)中抑制鏡像和鄰頻道干擾的主要技術(shù)之一, 其設(shè)計(jì)直接 影響著接收機(jī)的整體性能。

　理論上，多相濾波器可通過(guò)實(shí)域單相濾波器導(dǎo)出。以一階實(shí)域低通濾波器為例，其傳遞函數(shù)為：

　3、電路設(shè)計(jì)

　　多相濾波器的結(jié)構(gòu)有無(wú)源和有源兩種，其中無(wú)源結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)較寬的帶寬必須由多階級(jí) 聯(lián)，而多階級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)又是有損的，輸出信號(hào)將會(huì)有很大程度的衰減，這就要求有額外的緩沖 結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償，這樣在增大芯片面積的同時(shí)必將又增大濾波器的功耗。另外對(duì)于無(wú)源多項(xiàng)濾 波器，要實(shí)現(xiàn)較高的鏡像抑制比和較高的精度還必須要求電阻電容有極高的精度，這勢(shì)必又 要增大芯片面積[5]。這里采用有源RC 結(jié)構(gòu)，能夠有效克服以上各方面不足，圖3 是擬設(shè)計(jì) 的一階多相濾波器框圖和電路原理圖。

　　因此，為了得到較高的鏡像抑制能力，通常選擇較高的中心頻率和高階濾波器[6]。圖4 是本文設(shè)計(jì)的五階多相位濾波器原理圖，它基本是在圖3 單階基礎(chǔ)上的級(jí)聯(lián)。為了減小工藝 參數(shù)和溫度的變化對(duì)濾波器拐角頻率的影響，實(shí)現(xiàn)時(shí)增加了可調(diào)電容以對(duì)濾波器頻率特性進(jìn) 行校正。

　　4、版圖和仿真結(jié)果

　　設(shè)計(jì)采用 TSMC 0.18um CMOS 工藝。圖5 是所設(shè)計(jì)的芯片版圖，最終實(shí)現(xiàn)面積為1026 μm*204μm。在版圖設(shè)計(jì)過(guò)程中必須注意I、Q 通路以及各通路中正、反向端的嚴(yán)格匹配， 其中的無(wú)源元件電阻電容分別采用高值多晶硅電阻和MIM 電容，以實(shí)現(xiàn)較高的精度。

　　在電源電壓 2.8~3V、溫度-40~120 度的范圍、各種工藝下對(duì)圖5 電路進(jìn)行前、后仿驗(yàn)證， 該濾波器能夠穩(wěn)定可靠的工作。圖6 是AC 仿真結(jié)果，中心頻率為110kHz，帶寬200kHz， 增益30dB，鏡像抑制比38dB。

　　5、結(jié)論

　　本文給出了用于 GSM 低中頻接收機(jī)中的有源多相濾波器分析和設(shè)計(jì)過(guò)程。采用TSMC 0.18um 工藝，仿真結(jié)果表明該濾波器在各種工藝、溫度和電源電壓下能夠穩(wěn)定可靠的工作， 實(shí)現(xiàn)中心頻率110kHz，帶寬200kHz，增益30dB，鏡像抑制比38dB，可用于全集成GSM 接收機(jī)中。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文根據(jù)GSM 窄帶通信系統(tǒng)低中頻接收機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)全集成 有源多相位濾波器，電路在完成濾波的同時(shí)能有效地抑制鏡像信號(hào)的干擾，實(shí)現(xiàn)了高集成度、 低功耗、高效率的性能