帶有傳輸零點的增益提高型N 通道帶通濾波器

呂蕓蕓,蔣品群,宋樹祥,蔡超波,岑明燦

(廣西師范大學 電子工程學院,廣西 桂林 541004)

近年來,隨著5G 等新的通信標準的提出,人們對多模多頻無線設備的性能要求也越來越高[1-2]。為了保證信號正常處理,要求多模多頻接收機系統必須能夠抵抗強干擾[2-4]。傳統的接收機前端常用聲表面波和體聲波濾波器來抑制干擾,但此類濾波器可實現的調諧范圍非常有限,且不易集成,對于多模多頻接收機,需要多個中心頻率不同的濾波器,使得接收機體積大,成本高。為了減小接收機體積,節約成本,20 世紀60 年代,N通道濾波器[3]被提出。與聲表面波濾波器相比,N通道濾波器具有中心頻率可數字化調節、易于集成等優點,在多模多頻接收機前端以及軟件定義無線電技術中被廣泛應用。

然而,受開關電阻的影響,無源N通道濾波器[5-8]帶外抑制有限,無法有效濾除信號干擾[5]。文獻[5]雖然詳細分析了N通道濾波器中開關電阻對帶外抑制的影響,但并未提出改善帶外抑制的有效解決方案。文獻[6]設計了一款高階無源N通道濾波器來改善帶外抑制,但效果并不顯著。文獻[7]則通過帶通濾波和帶阻濾波的組合來提高帶外抑制,雖然效果較好,但電路結構過于復雜。文獻[8]設計的有源N通道濾波器,通過帶凹口的開關LC 來提高帶外抑制,在0.7～1.0 GHz 可調諧范圍內,帶外抑制大于50 dB,得到有效改善,缺點是增益小,噪聲系數大。

為了在提高帶外抑制的同時也提高增益,本文在有源濾波器的通帶兩側各引入一個傳輸零點,設計了一款高增益高帶外抑制型N通道帶通濾波器。有源濾波器中的放大器為帶有N通道開關電容網絡的米勒放大器,可以有效減小基帶電容面積。

1 N 通道帶通濾波器

1.1 整體電路結構設計

基本的無源N通道濾波器結構[3]如圖1(a)所示,在一個采樣周期內,由N 相非重疊時鐘依次控制N個開關的通斷,實現帶通濾波,但該濾波器無增益提升特性,且帶外抑制非常有限。圖1(b)為有源N通道濾波器結構[9],引入跨導放大器來提供增益,米勒反饋網絡減小基帶電容面積,但帶外抑制并未改善。

圖1 (a)無源N 通道濾波器;(b)有源N 通道濾波器Fig.1 (a) Passive N-path filter;(b) Active N-path filter

為了改善有源濾波器的帶外抑制,本文在有源濾波器的通帶兩側各引入一個傳輸零點,設計了一款高增益高帶外抑制型N通道帶通濾波器,其結構如圖2(a)所示,由電容耦合N通道網絡、電感耦合N通道網絡、帶有米勒反饋網絡的跨導放大器、時鐘發生器四部分構成。該帶通濾波器在有源濾波器的基礎上引入了電容(CPAL)耦合和電感(LPAL)耦合的N通道網絡,在濾波器的通帶兩側創建陷波,從而提高通帶附近的帶外抑制性能,抑制通帶附近的強干擾。帶通濾波器的NMOS 開關管寬長比(W/L)設置為25 μm/40 nm,由頻率為fs、占空比為25%的4 相時鐘發生器控制。為了防止電容器之間的瞬時電荷共享,在放大器的輸入端串聯了兩個緩沖電感(LBuffer)。圖2(b)為跨導放大器的內部結構圖,由一個反相器和偏置電阻RF1構成,為帶通濾波器提供增益。

圖2 (a)完整的帶通濾波器結構;(b)跨導放大器的內部結構Fig.2 (a) Complete band-pass filter structure;(b) Internal structure of trans-conductance amplifier

1.2 傳輸零點引入技術

為了便于分析,用LC 諧振網絡等效替換圖2(a)中的N通道網絡,得到圖3 所示簡化的帶通濾波器結構圖。

圖3 簡化的帶通濾波器結構Fig.3 Simplified band-pass filter structure

由文獻[10]可知,LC 諧振網絡與N通道網絡的等效轉換關系式為:

式中:LP、CP分別表示等效后的LC 諧振網絡的電感、電容;CBB表示N通道網絡的基帶電容;fs表示N通道網絡的中心頻率。

引入的兩個傳輸零點為:

式中:Ceq=CP+CPAL;Leq=LPALLP/(LP+LPAL)。且有fL-TZ

1.3 增益提高技術

為進一步簡化分析,在圖3 中,用Z1表示電容耦合LC 諧振網絡的阻抗,Z2表示反饋LC 諧振網絡的阻抗,Z3表示電感耦合LC 諧振網絡的阻抗,并應用米勒定理[11-13],可將圖3 的整體電路結構簡化為圖4(a)和(b)兩部分。其中,圖4(a)表示跨導放大器輸入端Vi左側的等效電路,圖4(b)表示跨導放大器輸出端Vo右側的等效電路。

圖4 (a)Gm輸入端Vi左側的等效電路;(b)Gm輸出端Vo右側的等效電路Fig.4 (a) The equivalent circuit on the left side of Gm input terminal Vi;(b) The equivalent circuit on the right side of Gm output terminal Vo

Z1、Z2、Z3的表達式為:

圖4(a)和(b)的傳遞函數表達式為:

式中:RS表示源電阻;RL表示負載電阻;A表示跨導放大器的放大倍數。

由式(8)～(10)可知,該帶通濾波器的總傳輸函數表達式為:

式(11)表明,帶通濾波器增益主要由跨導放大器的放大倍數A和阻抗Z1、Z21、Z3確定。放大倍數A和阻抗Z1、Z21、Z3值越大(基帶電容CBB越小),增益越大,但考慮到噪聲、線性度等綜合性能,放大倍數與阻抗值不能過大。

1.4 時鐘發生電路

取帶通濾波器的通道數N=4,控制NMOS 開關管的時鐘發生器的電路結構如圖5 所示,用于產生4 個頻率為fs、占空比為25%的非重疊時鐘信號。帶通濾波器中的每個開關(由NMOS 管實現)均已確定可接通。

圖5 時鐘發生電路Fig.5 Clock generation circuit

2 電路仿真與分析

為了驗證理論分析設計的正確性,在Cadence Spectre RF 環境、TSMC 40 nm CMOS 工藝前仿的基礎上,對帶通濾波器的性能進行了后仿。帶通濾波器的版圖如圖6 所示。為了提高帶通濾波器的性能,采取對稱的版圖布局布線,減小寄生電容和電阻對電路性能產生的影響。取通道數N=4,采用寬長比(W/L)為25 μm/40 nm 的NMOS 管作為開關,開關由頻率為fs、占空比為25%的4 相時鐘發生器驅動。

圖6 帶通濾波器的版圖Fig.6 Layout of the band-pass filter

當中心頻率fs=1 GHz 時,帶通濾波器的頻率特性如圖7 所示。由圖7 可見,與前仿相比,后仿的S21略低,且前仿和后仿的結果均表明,引入耦合電容CPAL和電感LPAL后,帶外抑制有了很大改善。以后仿結果為例,引入耦合電容和電感后,最大帶外抑制由19 dB 提高到了46 dB。

圖7 帶通濾波器的頻率特性曲線(fs=1 GHz)Fig.7 Frequency characteristic curves of the band-pass fiter(fs=1 GHz)

為了驗證基帶電容對增益的影響,當跨導放大器放大倍數A保持不變、中心頻率fs=1 GHz 時,不同基帶電容CBB的帶通濾波器增益仿真(后仿)結果如圖8所示。結果表明:基帶電容越小,帶通濾波器的增益越大。但考慮到寄生電容的存在,CBB不能太小。綜合考慮,設置帶通濾波器的CBB=20 pF。

圖8 不同電容值對應的帶通濾波器增益曲線(fs=1 GHz)Fig.8 Gain curves of the band-pass filter corresponding to different capacitance values (fs=1 GHz)

圖9 為帶通濾波器正常工作時中心頻率fs的可調諧范圍的仿真(后仿)結果。由圖可知,帶通濾波器正常工作時,中心頻率fs可調諧范圍為0.6～1.2 GHz,且在該范圍內,帶通濾波器的增益范圍為6.0～8.0 dB,這也表明帶通濾波器具有良好的增益提高性能。

圖9 帶通濾波器中心頻率可調諧范圍Fig.9 Tunable range of the band-pass filter center frequency

帶通濾波器的噪聲系數(NF)仿真結果如圖10 所示。由圖可見,在中心頻率調諧范圍內,噪聲系數(NF)為2.8～5.3 dB(后仿),表明帶通濾波器具有良好的噪聲抑制性能。

圖10 帶通濾波器的噪聲系數(NF)Fig.10 Noise figure (NF) of the band-pass filter

圖11 為中心頻率fs=1 GHz 時,帶通濾波器輸入三階交調點(IIP3)的仿真結果。由圖可知,帶通濾波器輸入三階交調點(IIP3)大于16.5 dBm(后仿),表明帶通濾波器具有良好的穩定性。

圖11 帶通濾波器的IIP3Fig.11 IIP3 of the band-pass filter

表1 列出了本文提出的設計與其他類似工作的比較。從表1 可以看出,本文帶通濾波器的優勢表現在:最大帶外抑制較大,增益較高,且綜合性能也較高。

表1 與其他文獻帶通濾波器的性能比較Tab.1 Performance comparison of band-pass filters with other literatures

3 結論

本文設計了一款帶有傳輸零點的增益提高型N通道帶通濾波器,在有源濾波器的輸入端引入電容耦合N通道網絡,輸出端引入電感耦合N通道網絡,以提高通帶兩側的帶外抑制能力,抑制通帶附近的強干擾。帶通濾波器采用TSMC 40 nm CMOS 工藝設計,應用Cadence Spectre RF 軟件完成仿真驗證。驗證結果表明:當電源電壓為1.1 V 時,帶通濾波器的中心頻率fs可調諧范圍為0.6～1.2 GHz,增益值為6.0～8.0 dB,帶寬為19～20 MHz,噪聲系數為2.8～5.3 dB,當fs=1 GHz 時,帶通濾波器通帶兩側的最大抑制為46 dB。與其他類似濾波器相比,本文所提出的帶通濾波器不僅增益獲得了改善,并且具有帶外抑制能力強的優點,可應用于射頻接收機前端。