低功耗電流模有源復(fù)數(shù)濾波器設(shè)計(jì)

吳毅強(qiáng)　俞興靈

摘要：針對(duì)多協(xié)議多模式軟件無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機(jī)，研究并設(shè)計(jì)了一種低功耗的有源信道選擇濾波器電路。通過(guò)具體分析互逆網(wǎng)絡(luò)原理，基于低壓全平衡電流傳輸器，實(shí)現(xiàn)三階切比雪夫電流模復(fù)數(shù)濾波器電路。利用Cadence仿真軟件和中芯國(guó)際0.18um CMOS工藝，對(duì)電路進(jìn)行仿真和調(diào)試。仿真結(jié)果表明，濾波器中頻頻率為2MHz，信號(hào)帶寬頻率為1.56MHz，增益為0dB，在帶外-2MHz處能夠達(dá)到約40db的抑制比。

關(guān)鍵詞：電流模；復(fù)數(shù)濾波器；低功耗；互逆網(wǎng)絡(luò)；電流傳輸器

中圖分類(lèi)號(hào)：TN401 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）19-0225-04

Lower Power Current Mode Active Complex Filter Design

WU Yi-qiang， YU Xing-ling

（Spreadtrum Shanghai Communications， Inc.， Shanghai 201203， China）

Abstract： Research and design a lower power active channel selection filter for multi-protocol and multi-standard SDR transceiver. Based on detail analytical description of reciprocal network theory， the novel 3rd-order current mode Chebyshev complex filter is proposed with lower voltage fully balanced current conveyor II. Filter performed simulation with Cadence using 0.18 SMIC CMOS technology. The simulation results show that filter has center frequency and pass-band of 1MHz and 1.56MHz， respectively， filter provides pass-band gain of 0dB and achieves a rejection of the out band of 40dB at -2MHz.

Key words： current mode； Complex filter； lower power； reciprocal network； current conveyor

1 背景

當(dāng)前無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展的趨勢(shì)是集成多協(xié)議、多標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)，而且隨著CMOS工藝發(fā)展到深亞微米時(shí)代，無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)的射頻前端和基帶集成的多模多協(xié)議RF-SOC系統(tǒng)也是將來(lái)的主流發(fā)展趨勢(shì)。軟件無(wú)線(xiàn)電（SDR， Software Define Radio）是基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP， Digital Signal Processing）等硬件為通用無(wú)線(xiàn)收發(fā)平臺(tái)，在開(kāi)放可擴(kuò)展的硬件上構(gòu)建可升級(jí)、可替換的軟件系統(tǒng)，將盡可能多的通信功能用軟件實(shí)現(xiàn)[1，2]。軟件無(wú)線(xiàn)電以軟件為核心體系，在射頻或者中頻對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，通過(guò)軟件完成上下變頻、調(diào)制解調(diào)、編解碼、頻率合成等功能?；贒SP或FPGA的軟件無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機(jī)對(duì)應(yīng)不同的新協(xié)議、新標(biāo)準(zhǔn)，軟件模塊配置不同的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。對(duì)于新協(xié)議、新標(biāo)準(zhǔn)的引入，軟件無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機(jī)的實(shí)現(xiàn)十分方便、經(jīng)濟(jì)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

在軟件無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機(jī)中，連續(xù)時(shí)間濾波器作為重要的電路模塊，可以將需要的信號(hào)與諧波和干擾分離。應(yīng)用于接收機(jī)的信道選擇復(fù)數(shù)濾波器能夠有效濾除諧波和干擾分量，保證輸出信號(hào)具有足夠的信噪比。傳統(tǒng)的信道選擇濾波器采用電壓模電路實(shí)現(xiàn)，即電路輸入的是電壓信號(hào)，輸出的也是電壓信號(hào)。隨著電源電壓逐步降低，電壓模濾波器的線(xiàn)性度和動(dòng)態(tài)范圍嚴(yán)重受限。在低電源電壓下，電流模電路具有高線(xiàn)性和高動(dòng)態(tài)范圍，因此具有較為突出的優(yōu)點(diǎn)[3]。因此，研究低功耗的電流模濾波器，能夠有效降低功耗，對(duì)于便攜低功耗的軟件無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)有重要的意義。

本文提出了一種基于互逆網(wǎng)絡(luò)理論，采用電流傳輸器實(shí)現(xiàn)的低功耗和高線(xiàn)性度有源電流模濾波器。電路采用中芯國(guó)際提供的0.18?m RF CMOS工藝設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明濾波器滿(mǎn)足電路指標(biāo)要求，驗(yàn)證了基于可逆網(wǎng)絡(luò)的電流模濾波器的可行性。

2 基于電流模濾波器的無(wú)線(xiàn)接收機(jī)

當(dāng)選擇電流而不是電壓作為電路中的信號(hào)變量，并通過(guò)電流的處理從而實(shí)現(xiàn)電路功能，稱(chēng)為電流模電路。與電壓模電路不同，電流模電流中處理的信號(hào)為電流。電流信號(hào)的大小與過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓和電源電壓基本無(wú)關(guān)，因此電流模電路的線(xiàn)性度不會(huì)隨著電源電壓下降而受限。電流模電路只有低阻節(jié)點(diǎn)，因此電流模電路比電壓模電路在同樣功耗下具有更好高頻特性。

對(duì)于接收通道的電流驅(qū)動(dòng)無(wú)源混頻器，傳統(tǒng)的做法是混頻器后的跨阻放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓模濾波器后由電壓模模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC， Analog to Digital Converters）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，如圖1所示。電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換一方面增加了功耗，另外一方面也引入了更多的非線(xiàn)性，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

由于電流模ADC電路提出并實(shí)現(xiàn)[4， 5]，我們引入電流模濾波器跨接在混頻器之后，構(gòu)成了電流模接收機(jī)鏈路如圖2所示。電流模濾波器能夠直接處理混頻器輸出的電流信號(hào)，并由后級(jí)的電流模ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由于接收通道中而不需要格外的電流-電壓轉(zhuǎn)換，因此在功耗和線(xiàn)性度上具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

由于電流模電路具有電路節(jié)點(diǎn)阻抗低和信號(hào)擺幅低的優(yōu)勢(shì)，因此可以在低電源電壓高線(xiàn)性度的射頻接收電路中得到廣泛應(yīng)用。因此，在高工作頻率，高線(xiàn)性度信號(hào)的處理領(lǐng)域，基于電流模式電路設(shè)計(jì)方法比傳統(tǒng)的電壓模式電路設(shè)計(jì)方法，具有越來(lái)越多優(yōu)勢(shì)和吸引力。

3 電流模濾波器原理及分析

常用的電壓模復(fù)數(shù)濾波器基于gm-c或者有源-RC結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)[6，7]，而電流模濾波器基于電流傳輸器（CC， Current Conveyor）實(shí)現(xiàn)[8]。由于電壓模器件一般具有恒定的增益帶寬積，增益和帶寬成反比。電流模電路通過(guò)處理電流信號(hào)決定電路功能，能過(guò)工作在很高的頻率。在相同的電源電壓和頻率響應(yīng)條件下。電流傳輸器結(jié)構(gòu)電流模濾波器比有源-RC結(jié)構(gòu)的電壓模濾波器功耗更低，比gm-c結(jié)構(gòu)的電壓模濾波器的線(xiàn)性度更高。

在具備同樣器件敏感度情況，能夠用電流模電路替換電壓模電路，實(shí)現(xiàn)相同濾波功能的有源電路。對(duì)于這種電流模電路和電壓模電路之間的轉(zhuǎn)換方法，通常稱(chēng)為基于互逆網(wǎng)絡(luò)理論的伴隨單元法[9]。

3.1 互逆網(wǎng)絡(luò)及伴隨單元

具有相同輸入輸出功能，激勵(lì)和響應(yīng)互換的互逆網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

滿(mǎn)足公式（1）條件的任意網(wǎng)絡(luò)N和對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)Na為互逆網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于給定的網(wǎng)絡(luò)N，對(duì)應(yīng)的互逆網(wǎng)絡(luò)Na稱(chēng)為伴隨網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)N的激勵(lì)和響應(yīng)互換，并用伴隨網(wǎng)絡(luò)Na代替網(wǎng)絡(luò)N，輸入輸出傳輸函數(shù)保持不變。網(wǎng)絡(luò)N和網(wǎng)絡(luò)Na稱(chēng)為相互互逆。對(duì)于給定的網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建伴隨網(wǎng)絡(luò)是比較容易的。因此可以基于常見(jiàn)的電壓模電路，根據(jù)伴隨網(wǎng)絡(luò)原理構(gòu)建電流模電路。如圖5所示基本單元及其對(duì)應(yīng)的伴隨單元，伴隨網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的基本單元更換為伴隨單元得到。

圖4所示的基本單元和伴隨單元提供了電壓模和電流模電路互相轉(zhuǎn)換的途徑。因?yàn)樵娐肪W(wǎng)絡(luò)以電壓為變量，其伴隨網(wǎng)絡(luò)以電流為變量，但二者的傳輸函數(shù)相同。所以我們可以利用圖4的關(guān)系，首先得到基本電壓模有源-RC濾波器電路，并利用伴隨理論得到電流模的有源-RC濾波器電路，從而實(shí)現(xiàn)同樣的功能。

3.2 低壓全平衡電流傳輸器

電流傳輸器（Current Conveyor， CC）作為一個(gè)三端口器件，是電流模電路的基本單元[10]。電流傳輸器CC在電流模電路中的作用，類(lèi)似于運(yùn)算放大器（Operation Amplifier， Op-amp）在電壓模電路中的作用。因此，電壓模中基于運(yùn)算放大器的復(fù)雜電路，基于伴隨原理，可以用電流傳輸器替換并實(shí)現(xiàn)相同的功能。低壓全平衡電流傳輸器（Lower Voltage Fully Balanced Current Conveyor II， LVFBCCII）是一種五端口有源器件，低壓全平衡電流傳輸器電路符號(hào)如圖5所示。

其中X和Z端口都是差分形式，而Y端口為單端形式，k代表輸出電流idz是輸入電流idx的k倍。

基于如圖6所示的低壓?jiǎn)味穗娏鱾鬏斊麟娐?，?shí)現(xiàn)低壓全平衡電流傳輸器如圖7所示。圖6中M1～M9構(gòu)成單端輸出CCII電路，M10～M15構(gòu)成電流鏡完成反向輸出，實(shí)現(xiàn)帶同相和反相輸出的低電壓CCII電路。圖7中集成兩個(gè)CCII電路，將同相和反相端交叉連接，實(shí)現(xiàn)低電壓全平衡電流傳輸器單元。

從式（3）和（4）可以得知，低壓全平衡電流傳輸器同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電流信號(hào)差模放大和共模抑制。

4 電流模濾波器實(shí)現(xiàn)及仿真

4.1 電壓模有源-RC復(fù)數(shù)濾波器

有源RC多相濾波器設(shè)計(jì)方法是在兩個(gè)低通濾波器每級(jí)之間加入頻率變換電阻，對(duì)實(shí)數(shù)的低通濾波器進(jìn)行頻率搬移，得到輸入正交差分信號(hào)的復(fù)數(shù)帶通濾波器[11]。因此首先基于信號(hào)流圖及蛙跳法（Leapfrog），實(shí)現(xiàn)帶寬為800kHz， 通道紋波為0.2dB的三階Chebyshev I 型低通濾波器，有源低通濾波器如圖8所示。無(wú)源濾波器原型的電容和電感被正負(fù)積分器所替換，每個(gè)積分器的輸出都對(duì)應(yīng)一個(gè)反饋和前饋電阻，前后兩個(gè)積分器都有電阻和電容并聯(lián)來(lái)模擬負(fù)阻抗。利用Leapfrog法，元件值變化和運(yùn)放非理想特性導(dǎo)致的濾波器誤差分散于整個(gè)濾波器。

為了便于調(diào)諧，并考慮到RC器件最大20%的誤差，將C1～C3調(diào)整為相同大小的電容C，這樣需要重新調(diào)節(jié)電阻的大小，但需要保持三級(jí)的極點(diǎn)大小不變。

4.2 電流模有源-RC復(fù)數(shù)濾波器實(shí)現(xiàn)及仿真

在得到基于圖8的有源低通濾波器實(shí)現(xiàn)的電壓模復(fù)數(shù)濾波器，利用運(yùn)算放大器的伴隨單元電流傳輸器（CC），得到如圖9所示的有源復(fù)數(shù)電流模濾波器。三級(jí)復(fù)數(shù)濾波器從低通濾波器搬移到復(fù)數(shù)濾波器同樣需要頻率搬移電阻Ry，每一級(jí)均需要搬移。

與電壓模復(fù)數(shù)濾波器不同的是，電流模復(fù)數(shù)濾波器的輸入信號(hào)為電流，輸出信號(hào)也同樣為電流信號(hào)。電流模復(fù)數(shù)濾波器采用CMOS 0.18μm工藝實(shí)現(xiàn)，其幅度頻率響應(yīng)如圖10所示。復(fù)數(shù)濾波器中心頻率為2MHz，帶寬為1.5MHz，增益為0dB，帶外-2MHz頻率處的抑制為40dB，滿(mǎn)足電路設(shè)計(jì)要求。

群延時(shí)定義為相頻特性的微分。群延時(shí)表示了一個(gè)載頻信號(hào)的包絡(luò)的延遲，包絡(luò)是包含著一定的帶寬的，所以群延時(shí)表示了一定帶寬的一組頻率成分的延遲。在沒(méi)有產(chǎn)生相位失真的條件下，系統(tǒng)的群時(shí)延特性為常數(shù)。圖11為電流模濾波器的群時(shí)延仿真結(jié)果，在通帶頻率范圍內(nèi)群延時(shí)GroupDelay=352nS，群延時(shí)恒定，滿(mǎn)足無(wú)失真的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用于軟件無(wú)線(xiàn)接收機(jī)的信道選擇濾波器電路，通過(guò)伴隨單元低壓全平衡電流傳輸器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了低功耗下的電流模復(fù)數(shù)濾波器電路，從而減小了芯片面積并節(jié)約了功耗。電路采用CMOS 0.18μm工藝設(shè)計(jì)并仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，電路達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿(mǎn)足系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)數(shù)選擇濾波的要求。該設(shè)計(jì)滿(mǎn)足低功耗、低電壓芯片要求，可以應(yīng)用于多模多協(xié)議的軟件無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機(jī)系統(tǒng)。

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