复旦大学：《微电子学与固体电子学》教学资源（硕士士学位论文）射频接收机中模拟信道滤波器设计.pdf_大学文库

I 目录目录 ..................................................................................................................I 摘要 .................................................................................................................1 Abstract ...........................................................................................................2 第一章概述.....................................................................................................3 1.1 研究动机.....................................................................................3 1.2 研究内容及贡献..........................................................................3 1.3 论文组织结构..............................................................................4 参考文献................................................................................................4 第二章模拟滤波器原理...................................................................................6 2.1 连续时间滤波器..........................................................................6 2.1.1 Active-RC 滤波器 ................................................................6 2.1.2 Gm-C 滤波器.....................................................................10 2.2 滤波器的函数实现.....................................................................12 2.3 滤波器的综合............................................................................13 2.4 积分器的非理想因素.................................................................15 参考文献..............................................................................................17 第三章模拟信道滤波器的系统分析 ...............................................................19 3.1 接收机的基本架构.....................................................................19 3.1.1 直接变频接收机.................................................................19 3.1.2 二次变频接收机.................................................................21 3.2 滤波器性能指标........................................................................22 3.2.1 功耗...................................................................................23 3.2.2 频率响应............................................................................24 3.2.3 群延迟 ...............................................................................25 3.2.4 噪声...................................................................................25 3.2.5 动态范围............................................................................26 3.3 滤波器的噪声系数和线性度 ......................................................26 参考文献..............................................................................................29 第四章八阶巴特沃斯滤波器设计...................................................................31 4.1 设计目标...................................................................................31 4.2 电路设计...................................................................................32 4.2.1 积分器设计........................................................................32 4.2.2 运算放大器设计.................................................................34 4.2.3 频率校准电路设计 .............................................................36 4.2.4 校准误差分析.....................................................................39 4.2.5 可编程截止频率的实现 ......................................................40 参考文献..............................................................................................41 第五章偏置电路设计.....................................................................................42 5.1 带隙基准电路设计.....................................................................42 5.1.1 输出参考电压的调整..........................................................42

II 5.1.2 温度系数分析.....................................................................44 5.1.3 电路设计............................................................................45 5.1.4 噪声分析............................................................................45 5.1.5 仿真结果............................................................................47 5.1.6 偏置电流............................................................................48 5.2 低压差线性稳压器设计 .............................................................49 5.2.1 电源抑制比分析.................................................................49 5.2.2 噪声分析............................................................................50 5.2.3 电路实现............................................................................52 5.2.4 仿真结果............................................................................54 参考文献..............................................................................................55 第六章芯片实现及测试.................................................................................57 6.1 芯片实现...................................................................................57 6.2 测试 PCB 设计..........................................................................58 6.3 芯片测试结果............................................................................59 6.3.1 偏置电路测试结果 .............................................................59 6.3.2 滤波器测试结果.................................................................60 6.4 测试分析与改进........................................................................64 参考文献..............................................................................................67 第七章总结与展望 ........................................................................................68 7.1 总结..........................................................................................68 7.2 未来展望...................................................................................68 参考文献..............................................................................................68 致谢 ...............................................................................................................69

第一章概述 1.1研究动机射频接收机的目的是从现实恶劣的环境中检测出所需要的微弱信号[1]。由于干扰信号的功率可能远大于所需要的信号功率，这就要求接收机具备很好的选择性，而滤波器就担当了信道选择的角色。随着无线通信技术的发展，面积和成本成为芯片的两个最重要约束条件，而全集成芯片的实现成为无线收发器最重要的设计目标。为了提高芯片的集成度，需要使用片上滤波器，而中频滤波器对品质因数(Q值)的极大要求使得它不易集成。随着射频架构的改进，这一问题己经得到解决。在直接变频接收机和低中频接收机中，信道选择可以在模拟基带中处理，集成的低中频滤波器便足以胜任2][3]。但是对于模拟信道滤波器来说，仍然存在两个问题，一个是受限的动态范围，另一个是截止频率的变化。绝大多数的低频滤波器，都是使用运算放大器(Opamp)或者跨导放大器(OTA) 实现，而有源器件只有在特定的频率和信号幅度下才保持线性，因此使用有源器件限制了滤波器的动态范围。而且，集成的模拟滤波器对工艺和温度都比较敏感，通常需要自动频率校正电路(Auto Frequency Tuning,AFT)）来调节频率的偏差。在本文所涉及的数字电视调谐接收器中，最大的信道带宽是8MHz,这对滤波器中运算放大器的性能提出了较高的高求。随着信号带宽的增大，滤波器的截止频率也随之增加，这将促使电阻和电容的尺寸减少，使得器件失配、频率变化等问题显得愈发严重。而且，数字电视调谐器希望能够覆盖多种不同的数字电视协议[4]，因此要求滤波器的截止频率是可配置的。基于以上问题，本文将从系统要求到电路实现，详细阐述数字电视调谐器中的模拟信道滤波器设计。 1.2研究内容及贡献本论文着重研究了数字电视调谐器中的模拟信道滤波器电路，其主要内容首先包括模拟滤波器的基本理论及其实现方式：然后从系统级出发，分析了滤波器的系统要求：接着在此基础上分析并实现了滤波器的电路设计，并经过流片和测试得到了验证。本文的主要贡献包括： 3

3 第一章概述 1.1 研究动机射频接收机的目的是从现实恶劣的环境中检测出所需要的微弱信号[1]。由于干扰信号的功率可能远大于所需要的信号功率，这就要求接收机具备很好的选择性，而滤波器就担当了信道选择的角色。随着无线通信技术的发展，面积和成本成为芯片的两个最重要约束条件，而全集成芯片的实现成为无线收发器最重要的设计目标。为了提高芯片的集成度，需要使用片上滤波器，而中频滤波器对品质因数(Q 值)的极大要求使得它不易集成。随着射频架构的改进，这一问题已经得到解决。在直接变频接收机和低中频接收机中，信道选择可以在模拟基带中处理，集成的低中频滤波器便足以胜任[2] [3]。但是对于模拟信道滤波器来说，仍然存在两个问题，一个是受限的动态范围，另一个是截止频率的变化。绝大多数的低频滤波器，都是使用运算放大器(Opamp)或者跨导放大器(OTA) 实现，而有源器件只有在特定的频率和信号幅度下才保持线性，因此使用有源器件限制了滤波器的动态范围。而且，集成的模拟滤波器对工艺和温度都比较敏感，通常需要自动频率校正电路(Auto Frequency Tuning, AFT)来调节频率的偏差。在本文所涉及的数字电视调谐接收器中，最大的信道带宽是 8MHz，这对滤波器中运算放大器的性能提出了较高的高求。随着信号带宽的增大，滤波器的截止频率也随之增加，这将促使电阻和电容的尺寸减少，使得器件失配、频率变化等问题显得愈发严重。而且，数字电视调谐器希望能够覆盖多种不同的数字电视协议[4]，因此要求滤波器的截止频率是可配置的。基于以上问题，本文将从系统要求到电路实现，详细阐述数字电视调谐器中的模拟信道滤波器设计。 1.2 研究内容及贡献本论文着重研究了数字电视调谐器中的模拟信道滤波器电路，其主要内容首先包括模拟滤波器的基本理论及其实现方式；然后从系统级出发，分析了滤波器的系统要求；接着在此基础上分析并实现了滤波器的电路设计，并经过流片和测试得到了验证。本文的主要贡献包括：

>从系统角度分析了模拟信道滤波器的噪声和线性度要求。 >采用Active-RC结构，对模拟信道滤波器进行了分析及设计，并实现了滤波器截止频率的自动校正。滤波器电路经过流片验证，表明了其可行性。 ~为了使滤波器能够在数字电视多种协议间自适应调整，对原有的电路结构上进行了改进，实现了截止频率的可配置。 >滤波器的偏置电路，采用低噪声架构实现，不仅为滤波器提供电压和电流偏置，还能为整个射频接收机提供低噪声的偏置。其中涉及的低噪声带隙基准电压源和低压差线性稳压器电路，在噪声和电源抑制比性能上表现突出。 1.3论文组织结构本论文针对滤波器在数字电视调谐器中的应用，首先从滤波器的基本理论着手，分析了滤波器的函数实现和综合方式；然后从系统角度分析了滤波器噪声和线性度的要求；最后给出了芯片的测试结果及展望。具体的组织结构如下：第二章介绍了滤波器设计的相关理论知识，包括滤波器的分类、滤波器的函数实现及其综合方式，并分析了滤波器中积分器的非理想因素。第三章首先分析了不同架构的射频接收机的实现方式及其对模拟信道滤波器的不同要求，然后从系统角度分析了滤波器噪声和线性度的要求，并给出了滤波器各性能指标的定义。第四章给出了一个应用于数字电视调谐器中的八阶模拟信道滤波器的设计实例，设计了自动频率校正电路并分析了校正误差的来源。第五章给出了低噪声的偏置电路设计的实例，它的应用不限于模拟信道滤波器，其优越的噪声和电源抑制性能使其能够胜任射频接收机对噪声的苛刻要求。第六章中给出了芯片的电路实现、版图设计、PCB设计考虑及测试结果，并对测试结果做出了分析。第七章中对本文做出了总结，并对今后要进行的工作做了展望。参考文献 [1]Jarkko Jussila,"Analog Baseband Circuits for WCDMA Direct Conversion Receivers",P.H.D Dissertation,Helsinki University of Technology,2003 [2]B.Razavi,"Design Considerations for Direct-Conversion Receivers",/EEE 4

4 ¾ 从系统角度分析了模拟信道滤波器的噪声和线性度要求。 ¾ 采用 Active-RC 结构，对模拟信道滤波器进行了分析及设计，并实现了滤波器截止频率的自动校正。滤波器电路经过流片验证，表明了其可行性。 ¾ 为了使滤波器能够在数字电视多种协议间自适应调整，对原有的电路结构上进行了改进，实现了截止频率的可配置。 ¾ 滤波器的偏置电路，采用低噪声架构实现，不仅为滤波器提供电压和电流偏置，还能为整个射频接收机提供低噪声的偏置。其中涉及的低噪声带隙基准电压源和低压差线性稳压器电路，在噪声和电源抑制比性能上表现突出。 1.3 论文组织结构本论文针对滤波器在数字电视调谐器中的应用，首先从滤波器的基本理论着手，分析了滤波器的函数实现和综合方式；然后从系统角度分析了滤波器噪声和线性度的要求；最后给出了芯片的测试结果及展望。具体的组织结构如下：第二章介绍了滤波器设计的相关理论知识，包括滤波器的分类、滤波器的函数实现及其综合方式，并分析了滤波器中积分器的非理想因素。第三章首先分析了不同架构的射频接收机的实现方式及其对模拟信道滤波器的不同要求，然后从系统角度分析了滤波器噪声和线性度的要求，并给出了滤波器各性能指标的定义。第四章给出了一个应用于数字电视调谐器中的八阶模拟信道滤波器的设计实例，设计了自动频率校正电路并分析了校正误差的来源。第五章给出了低噪声的偏置电路设计的实例，它的应用不限于模拟信道滤波器，其优越的噪声和电源抑制性能使其能够胜任射频接收机对噪声的苛刻要求。第六章中给出了芯片的电路实现、版图设计、PCB 设计考虑及测试结果，并对测试结果做出了分析。第七章中对本文做出了总结，并对今后要进行的工作做了展望。参考文献 [1] Jarkko Jussila, “Analog Baseband Circuits for WCDMA Direct Conversion Receivers”, P.H.D Dissertation, Helsinki University of Technology, 2003. [2] B.Razavi, “Design Considerations for Direct-Conversion Receivers”, IEEE

第二章模拟滤波器原理 2.1连续时间滤波器滤波器可以分为连续时间滤波器和离散时间滤波器两大类1]。在离散时间滤波器中，开关电容滤波器是其代表，它的滤波特性由时钟频率和电容的比例所决定[2]。离散时间滤波器的实现通常采用过采样技术，需要高速时钟和高速、高精度的放大器配合，所以它的应用一般局限于较低的频率。而连续时间滤波器直接处理连续的模拟信号，可以实现更高频的滤波，并且获得更好的动态范围。连续时间滤波器的缺点在于，其性能受工艺和温度的影响非常敏感，但是随着数字校正算法的应用，这一缺点己经能够被很好的解决。在连续时间滤波器中，存在一些需要考虑的关键问题。首先是芯片的面积和动态范围的折衷。连续时间滤波器使用电阻、电容来实现滤波器函数的零极点，使用大的电容必然将消耗很大的芯片面积，而使用大的电阻会引入很大的噪声，并且电阻上的寄生电容将会恶化滤波器的动态范围。其次，在全集成的射频收发系统中，滤波器将和模数转换器、本振信号及数字电路等一起存在，因此时钟串通、电源噪声及衬底噪声都会对模拟滤波器产生影响。这些干扰如果不处理好，将会限制滤波器的动态范围。尤其是随着电源电压的降低，滤波器动态范围的受限变得越来越严重3]。在模拟连续时间滤波器中，电阻和电容在工艺角下可能会发生±20%的变化，也就是说时间常数可能会发生±50%的变化。为了保证滤波器的抗叠混和邻道抑制能力，频率校准电路是必不可少的，而频率校准电路的设计通常会成为滤波器低功耗、高动态范围实现的瓶颈。连续时间滤波器主要可以分为Active-RC和Gm-C两大类。Active-RC滤波器通常应用于对线性度要求较高，带宽要求较低的系统中，而G-C滤波通常应用于对动态范围要求不高，但对带宽要求较高的系统中[4]。 2.1.1 Active-RC滤波器 Active-RC滤波器又可以分为Opamp-RC和MOSFET-C两种，本节将分别对其进行分析。 6

6 第二章模拟滤波器原理 2.1 连续时间滤波器滤波器可以分为连续时间滤波器和离散时间滤波器两大类[1]。在离散时间滤波器中，开关电容滤波器是其代表，它的滤波特性由时钟频率和电容的比例所决定[2]。离散时间滤波器的实现通常采用过采样技术，需要高速时钟和高速、高精度的放大器配合，所以它的应用一般局限于较低的频率。而连续时间滤波器直接处理连续的模拟信号，可以实现更高频的滤波，并且获得更好的动态范围。连续时间滤波器的缺点在于，其性能受工艺和温度的影响非常敏感，但是随着数字校正算法的应用，这一缺点已经能够被很好的解决。在连续时间滤波器中，存在一些需要考虑的关键问题。首先是芯片的面积和动态范围的折衷。连续时间滤波器使用电阻、电容来实现滤波器函数的零极点，使用大的电容必然将消耗很大的芯片面积，而使用大的电阻会引入很大的噪声，并且电阻上的寄生电容将会恶化滤波器的动态范围。其次，在全集成的射频收发系统中，滤波器将和模数转换器、本振信号及数字电路等一起存在，因此时钟串通、电源噪声及衬底噪声都会对模拟滤波器产生影响。这些干扰如果不处理好，将会限制滤波器的动态范围。尤其是随着电源电压的降低，滤波器动态范围的受限变得越来越严重[3]。在模拟连续时间滤波器中，电阻和电容在工艺角下可能会发生±20％的变化，也就是说时间常数可能会发生±50％的变化。为了保证滤波器的抗叠混和邻道抑制能力，频率校准电路是必不可少的，而频率校准电路的设计通常会成为滤波器低功耗、高动态范围实现的瓶颈。连续时间滤波器主要可以分为 Active-RC 和 Gm-C 两大类。Active-RC 滤波器通常应用于对线性度要求较高，带宽要求较低的系统中，而 Gm-C 滤波通常应用于对动态范围要求不高，但对带宽要求较高的系统中[4]。 2.1.1 Active-RC 滤波器 Active-RC 滤波器又可以分为 Opamp-RC 和 MOSFET-C 两种，本节将分别对其进行分析

7 图 2-1 中给出了 Opamp-RC 滤波器的示意图，这是一个有损耗积分器，通过一个 Opamp 作为负反馈，使得运放输入端虚地。积分器的输入 vin 为电压信号，通过电阻转变为电流信号，然后对电容进行积分，在输出端又以电压形式出现。Opamp-RC 滤波器的优点在于它对寄生电容的不敏感，因为输出端 vo上的寄生电容是由电压驱动的，而运放输入端又是虚地的。Opamp-RC 滤波器通常由多个积分器串联而成，也就是说 Opamp 之后需要驱动电阻负载，因此需要其具备一定的驱动能力。 vo C vin R 图 2-1 Opamp-RC 滤波器示意图 Opamp-RC 滤波器的截止频率由其 RC 常数所决定。在工艺角的极限情况时，电容最大会发生±20％的偏差，而电阻的偏差会更大一些。也就是说，滤波器的 RC 常数可能会发生最大±50％的偏差。为了保证芯片的可靠性，需要校准电路来校正频率误差。对于由 Bi-quad 级联而成的滤波器来说，通常只需要校正其截止频率就可以了，但是如果滤波器的零级点配对比较敏感，且滤波器阶数较高时，可能还需要校正 Q 值。滤波器 RC 常数的校正可以通过校正电阻，也可以通过校正电容。单从面积上来考虑的话，校正串联的电阻和并联的电容将是比较好的方法。但是，由于串联电阻上会有寄生的电容，使得滤波器的频率特性受影响。所以通常采用校正并联的电容阵列来获取精确的截止频率。电容阵列的控制通常采用 MOS 开关管，其源端连接至 Opamp 的虚地端，以最小化电压摆幅，从而获得良好的线性度性能，但是会在 Opamp 的虚地端引入寄生电容，导致相位滞后[5]。同时，MOS 开关管的使用将产生寄生电阻，并且会引入左半平面的零点，如图 2-2 所示。可以推导如下： + + =− =− on on (1/ ) 1 ( ) sC R sR C H s R sRC (2.1) on 1 ωZ R C = − (2.2)