RF-MEMS濾波器的高性能接口電路設(shè)計(jì)*

代雪梅,陳澤基,闞 梟,袁 泉,張曉青,楊晉玲

(1.中國科學(xué)院 半導(dǎo)體研究所,北京 100083；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049；3.北京信息科技大學(xué),北京 100192)

0 引 言

未來無線通信系統(tǒng)將向著小型化、集成化、低功耗、多模式、高頻率的趨勢發(fā)展,濾波器是射頻前端收發(fā)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信號選擇性傳輸?shù)暮诵脑?決定著無線通信系統(tǒng)的靈敏度、信噪比等重要參數(shù)[1]。傳統(tǒng)的片外分立元件,如陶瓷濾波器、聲表面波濾波器等,占用體積大,難以實(shí)現(xiàn)片上集成,無法滿足未來無線通信系統(tǒng)的發(fā)展需求,而射頻—微機(jī)電系統(tǒng)(RF-MEMS)濾波器基于高Q值MEMS諧振器耦合形成通頻帶,具有高中心頻率、窄帶寬、與IC兼容、低成本、可大規(guī)模制造等優(yōu)勢[2,3],在未來無線通信系統(tǒng)中具有極大的應(yīng)用潛力。

本文針對MEMS濾波器的高阻特性,采用集成運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)兩級放大形式,第一級采用跨阻放大器,提取MEMS濾波器的微弱輸出電流,實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換；第二級采用電壓比例放大電路,進(jìn)一步提高增益,實(shí)現(xiàn)整體電路增益達(dá)到62 dB以上；利用輸入輸出匹配電路提高傳輸性能,實(shí)現(xiàn)電路噪聲系數(shù)低至3.35 dB,S22反射系數(shù)小于-10 dB。利用實(shí)測的MEMS濾波器輸出信號與電路進(jìn)行級聯(lián)仿真,所得濾波器插損大幅降低至0.56 dB,與電路模型的仿真結(jié)果相吻合,并將級聯(lián)PCB板級放大電路的RF-MEMS濾波器進(jìn)行測試,RF-MEMS濾波器的插入損耗降至16.2 dB,相對帶寬為1.4 %,中心頻率為73.02 MHz。

1 RF-MEMS濾波器

基于機(jī)電轉(zhuǎn)換原理,構(gòu)建MEMS濾波器的分立元件等效電路模型,分析其電學(xué)特性[6],電路等效模型如圖1所示。

圖1 RF-MEMS濾波器的等效電路模型

其中,串聯(lián)的電感—電容—電阻(LCR)支路為圓盤諧振器的等效電路模型,T型網(wǎng)絡(luò)表征濾波器的耦合梁[7]。其中

(1)

(2)

(3)

式中ηe1,ηe2分別為輸入端和輸出端的機(jī)電耦合系數(shù),Kre為諧振器的有效剛度,mre為諧振器的有效質(zhì)量,Cre為阻尼系數(shù)。當(dāng)MEMS諧振器的角諧振頻率為ω0,對器件施加的直流偏置電壓為V時,動態(tài)電阻Rx可表示為[8]

(4)

式中Q為濾波器的品質(zhì)因子,ε0為空氣的介電常數(shù),A為電容極板的正電容間隙受限于工藝條件難以進(jìn)一步減小,圓盤濾波器的機(jī)電耦合系數(shù)較低,使得動態(tài)電阻達(dá)到105Ω量級,導(dǎo)致濾波器插入損耗較高,因此,需開發(fā)高性能MEMS接口電路,降低插入損耗。利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對MEMS濾波器進(jìn)行探針臺測試,表征其頻譜特性,所得頻譜如圖2所示,器件中心頻率73 MHz,相對帶寬1.4 %,插損62 dB。

圖2 實(shí)測RF-MEMS濾波器的輸出頻譜圖

2 放大電路設(shè)計(jì)

2.1 整體電路設(shè)計(jì)

低噪聲放大電路的設(shè)計(jì)需要考慮運(yùn)放電路的選擇,噪聲的匹配以及有源器件和無源器件的選擇[9]。針對放大電路的高增益、低噪聲要求,采用兩級運(yùn)放結(jié)構(gòu),整體電路框圖如圖3所示。

圖3 整體電路框圖

其中,針對MEMS濾波器的輸出特性,第一級采用跨阻放大(transimpedance amplifier,TIA)電路[10],提取MEMS濾波器的微弱電流信號。根據(jù)費(fèi)里斯公式

F=F1+(F1-1)/K1+(F2-1)/(K1×K2)+…+

(Fn-1)/(K1×K2×…×Kn)

(5)

式中F為系統(tǒng)噪聲,Fi為各級放大電路的系統(tǒng)噪聲(i=1,2,…,n),Ki為每一級放大電路的功率增益[11]。由式(5)可知,放大電路的性能主要取決于第一級電路,采用低噪聲的前級放大,能有效改善電路整體的噪聲性能。因而第一級選用低噪聲、高增益帶寬積的高精度運(yùn)算放大器OPA847,設(shè)計(jì)帶補(bǔ)償?shù)奈⒎纸Y(jié)構(gòu)電路實(shí)現(xiàn)信號的I-V轉(zhuǎn)換；第二級采用高增益帶寬的電流反饋型運(yùn)放AD8001,實(shí)現(xiàn)電壓的無失真放大,進(jìn)一步提高電路的增益；放大電路與濾波器接口處及輸出端分別引入L型、Π型的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),以減小電路的噪聲系數(shù),實(shí)現(xiàn)濾波器與射頻網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配。

整體設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4 整體電路設(shè)計(jì)

2.2 電路的噪聲分析

低噪聲放大電路的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)提取MEMS濾波器的有效信號,抑制電路引入的噪聲干擾,因此分析放大電路的噪聲十分必要。針對運(yùn)算放大器復(fù)雜的內(nèi)部噪聲,一般都采用廣義的噪聲概念[12]進(jìn)行分析。此文采用放大器的En-In噪聲模型進(jìn)行分析。

噪聲系數(shù)除了用輸入端信噪比/輸出端信噪比定義外,還可以用電壓比表示

(6)

(7)

又噪聲系數(shù)可表示為

nf=10log(NF)

(8)

最終由式(7)、式(8)可得低噪聲放大電路的噪聲系數(shù)

(9)

表明電路具有低噪聲特性,放大后對于頻譜的信噪比無明顯影響。

3 仿真、測試結(jié)果與分析

利用ADS射頻專用仿真軟件,表征所述集成放大電路的增益帶寬特性,結(jié)果如圖5所示。

圖5 電路總增益仿真結(jié)果

由圖5可知,電路增益在40～100 MHz以內(nèi)較為平坦,具有良好的放大效果。在頻率為73.06 MHz時,電路的增益達(dá)到62.75 dB,能夠有效補(bǔ)償MEMS濾波器的插入損耗,符合預(yù)期目標(biāo)。并進(jìn)一步對集成放大電路的能量傳輸特性及噪聲水平進(jìn)行表征,其S22反射系數(shù)、噪聲系數(shù)仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真結(jié)果

由圖6可知,電路的輸入輸出阻抗匹配良好,在頻率為73.06 MHz時,阻抗匹配達(dá)到最佳,S22反射系數(shù)為-46.91 dB,電路的噪聲系數(shù)為3.35 dB,與式(9)的理論計(jì)算結(jié)果吻合,說明放大電路與濾波器級聯(lián)后,不僅有效降低了插入損耗,且整體實(shí)現(xiàn)了良好的能量傳輸,未引入明顯的噪聲干擾,將實(shí)測MEMS濾波器的輸出頻譜數(shù)據(jù)與所設(shè)計(jì)的放大電路進(jìn)行級聯(lián)仿真,考察放大電路針對真實(shí)MEMS濾波器輸出特性的放大效果,仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 MEMS濾波器與放大電路級聯(lián)后的頻譜

可見,在濾波器峰值處,插入損耗由62.12 dB大幅降低至0.56 dB,與電路模型的仿真結(jié)果吻合良好,表明所設(shè)計(jì)的放大電路適用于高阻抗的MEMS濾波器,可有效降低其插入損耗,提高其濾波性能。此外,由圖可知,MEMS濾波器的帶內(nèi)波紋仍有近20 dB,主要原因在于構(gòu)成濾波器件的圓盤諧振器Q值較高,諧振峰較為尖銳,當(dāng)耦合梁剛度較大時,兩峰的分離較為明顯,以致耦合后存在較大的帶內(nèi)波紋。后期需要對器件進(jìn)行耦合機(jī)理分析,耦合結(jié)構(gòu)改進(jìn)及振動模態(tài)優(yōu)化；在放大電路中引入終端電阻,實(shí)現(xiàn)頻帶的平坦化[13]。

利用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行對級聯(lián)PCB板級放大電路的MEMS濾波器進(jìn)行測試,其結(jié)果如圖8所示。

圖8 MEMS濾波器實(shí)測頻譜

由圖8可知,實(shí)際測試的MEMS濾波器中心頻率為73.02 MHz,插入損耗降低為16.02 dB,相對帶寬為1.4 %,與仿真結(jié)果圖7相比較,實(shí)際測試的結(jié)果出現(xiàn)了14.46 dB的偏差,分析原因可能是由于制成的射頻板存在著寄生電容的影響,將進(jìn)一步對電路系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,降低饋通信號的影響。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的高性能接口電路增益高達(dá)62.75 dB,S22反射系數(shù)為-46.91 dB,噪聲系數(shù)為3.35 dB,具有良好的能量傳輸特性及噪聲水平。實(shí)際測試結(jié)果表明：制備的RF-MEMS濾波器其中心頻率較高,可達(dá)73.02 dB,帶寬較窄,為1.4 %,插入損耗低至16.02 dB,但是距離實(shí)用化仍有差距,還需進(jìn)一步優(yōu)化性能。此文對級聯(lián)放大電路的RF-MEMS濾波器研究具有一定的參考價值,為MEMS器件的實(shí)用化、市場化奠定了基礎(chǔ),提升了MEMS濾波器的應(yīng)用潛力。