帶寬可調的Gm—C低通濾波器設計

伍蓮洪++鄭薇++蘇黎++韓海波

摘 要本文介紹了一種跨導電容（Gm-C）濾波器的設計。文中采用有源器件替代法，實現了3階橢圓低通濾波器。通過調節偏置電流及電容陣列，從而實現濾波器的帶寬可調。仿真結果表明，在TT工藝角下，3dB帶寬：≥67.92MHz；100 MHz處衰減：≥21.53dB；帶內波動：≤0.11dB；1dB壓縮點：≥-9.91dBm；電路功耗：≤6.47mA；芯片面積約為0.35mm2。最后給出了和本文LPF結構完全相同的某款LPF測試結果，以驗證本文LPF是完全可行的。

【關鍵詞】跨導電容濾波器 低通 橢圓 帶寬可調

1 引言

在射頻前端芯片中，實現中頻濾波器的片上集成是提高芯片集成度最有效方法之一。模擬有源濾波器即是一種可片上集成且性能較好的濾波器。有源濾波器實現方法有多種，如RC濾波器，跨導電容（Gm-C）濾波器。RC濾波器適用于低頻領域，且對RC元件值變化敏感；Gm-C濾波器主要優點是較低功耗和較高工作頻率，因此普遍應用于高頻領域。實現Gm-C濾波器方法有多種，如信號流圖法和有源器件替代法。本文采用有源器件替代法，濾波器在功能和結構上和無源原型相同，有較好電性能。

2 濾波器的組成和工作原理

圖1為本文所設計的濾波器的系統框圖，恒定跨導（Constant-Gm）偏置產生50uA的基準電流，IBIAS將50uA電流轉為100uA，供給低通濾波器（LPF）中的跨導（Gm）單元用作偏置電流。

Constant-Gm偏置原理圖如圖2所示。R采用電阻陣列的形式實現，當R發生偏差時可調節控制端CTRL_R以輸出需要的電流。調節控制端CTRL_I，可調節晶體管M5、M6 以及M7的尺寸總和相對M3的尺寸比例，從而調節IREF_C的大小。通過調節CTRL_I以及CTRL_B，可較大范圍的調節IREF_B的電流大小，使LPF中Gm單元的跨導值可調，從而實現LPF的帶寬調節。

3 LPF電路實現

3.1 無源濾波器到有源濾波器的轉換

首先根據系統指標需求，選用3階橢圓濾波器，得到3階橢圓LPF的RLC原型電路，如圖3所示。

如圖4所示，將兩個Gm單元交叉連接即構成回旋器。利用回旋器的阻抗倒置作用，即可用電容實現有源電感，電容C2和電感L1的對應關系如式（1）所示。將Gm單元接成單位負反饋形式實現有源電阻。電阻值和跨導值的對應關系如式（2）所示。將圖3中的電感及電阻用有源電感和有源電阻替換，即得到Gm-C濾波器的整體框圖。其中Vi經過gmi單元等效為圖3中的Iin。

（1）

（2）

3.2 Gm電路設計

Gm電路的功耗和線性度，直接決定了LPF的功耗和線性度。本文所采用的Gm電路如圖5所示。圖4中，由于濾波器無源模型的插入損耗約為6dB，將gmi的跨導值取為gmr的兩倍，以提供6dB增益，這樣可使濾波器的增益為0dB。晶體管M1-M4構成差分互補跨導單元，其輸出電流是非互補跨導輸出電流的兩倍。因此功耗效率提高了一倍。M5-M6連接成二極管形式，提高了輸入線性度。晶體管M9-M14構成共模反饋用于穩定輸出共模電壓。

3.3 電容陣列的實現

圖4中，LPF的濾波特性如3dB帶寬以及帶內波動，受C1-C3的電容值影響很大。而電容值會由于芯片制造工藝而發生偏差，其誤差值最大可達到15%。所以，為了彌補工藝偏差對濾波特性的影響，將C1-C3采用電容整列的形式實現。

4 LPF版圖設計與仿真測試結果

圖6為LPF電路版圖，版圖布局時，應使電容之間及晶體管之間盡量匹配。表1對LPF在TT工藝角不同溫度下的仿真結果進行了總結。從表可知，3dB帶寬≥67.92MHz，100MHz處衰減：≥21.53dB，輸入1dB壓縮點：≥-9.91dBm。

以下給出了和本文LPF電路結構完全相同的某款LPF的測試結果。圖7為該款LPF的濾波特性測試曲線，由圖可知，濾波器在阻帶內衰減25.75dB。足以證明本文LPF電路是完全可行的。

5 結語

本文采用Gm-C方式實現了3階橢圓低通濾波器。Gm單元采用互補跨導實現以提高功耗效率。將Gm單元偏置電流設計成可調，同時將電容采用陣列實現，以調節工藝偏差導致的LPF濾波特性偏差。最后給出了和本文LPF結構完全相同的某款LPF測試結果，以驗證本文LPF電路完全可行。

參考文獻

[1]Fei Yuan，CMOS Active Inductors and Transformers，Springer，2008.

[2]H.Voorman，H.Veenstra，“Tunable High-Frequency Gm-C Filters”，IEEE J. Solid-State Circuits，vol.35，pp. 1097–1108，Aug.2000.

作者單位

成都嘉納海威科技有限責任公司 四川省成都市 610091