带宽可调的Gm—C低通滤波器设计

伍莲洪++郑薇++苏黎++韩海波

摘 要本文介绍了一种跨导电容（Gm-C）滤波器的设计。文中采用有源器件替代法，實现了3阶椭圆低通滤波器。通过调节偏置电流及电容阵列，从而实现滤波器的带宽可调。仿真结果表明，在TT工艺角下，3dB带宽：≥67.92MHz；100 MHz处衰减：≥21.53dB；带内波动：≤0.11dB；1dB压缩点：≥-9.91dBm；电路功耗：≤6.47mA；芯片面积约为0.35mm2。最后给出了和本文LPF结构完全相同的某款LPF测试结果，以验证本文LPF是完全可行的。

【关键词】跨导电容滤波器 低通 椭圆 带宽可调

1 引言

在射频前端芯片中，实现中频滤波器的片上集成是提高芯片集成度最有效方法之一。模拟有源滤波器即是一种可片上集成且性能较好的滤波器。有源滤波器实现方法有多种，如RC滤波器，跨导电容（Gm-C）滤波器。RC滤波器适用于低频领域，且对RC元件值变化敏感；Gm-C滤波器主要优点是较低功耗和较高工作频率，因此普遍应用于高频领域。实现Gm-C滤波器方法有多种，如信号流图法和有源器件替代法。本文采用有源器件替代法，滤波器在功能和结构上和无源原型相同，有较好电性能。

2 滤波器的组成和工作原理

图1为本文所设计的滤波器的系统框图，恒定跨导（Constant-Gm）偏置产生50uA的基准电流，IBIAS将50uA电流转为100uA，供给低通滤波器（LPF）中的跨导（Gm）单元用作偏置电流。

Constant-Gm偏置原理图如图2所示。R采用电阻阵列的形式实现，当R发生偏差时可调节控制端CTRL_R以输出需要的电流。调节控制端CTRL_I，可调节晶体管M5、M6 以及M7的尺寸总和相对M3的尺寸比例，从而调节IREF_C的大小。通过调节CTRL_I以及CTRL_B，可较大范围的调节IREF_B的电流大小，使LPF中Gm单元的跨导值可调，从而实现LPF的带宽调节。

3 LPF电路实现

3.1 无源滤波器到有源滤波器的转换

首先根据系统指标需求，选用3阶椭圆滤波器，得到3阶椭圆LPF的RLC原型电路，如图3所示。

如图4所示，将两个Gm单元交叉连接即构成回旋器。利用回旋器的阻抗倒置作用，即可用电容实现有源电感，电容C2和电感L1的对应关系如式（1）所示。将Gm单元接成单位负反馈形式实现有源电阻。电阻值和跨导值的对应关系如式（2）所示。将图3中的电感及电阻用有源电感和有源电阻替换，即得到Gm-C滤波器的整体框图。其中Vi经过gmi单元等效为图3中的Iin。

（1）

（2）

3.2 Gm电路设计

Gm电路的功耗和线性度，直接决定了LPF的功耗和线性度。本文所采用的Gm电路如图5所示。图4中，由于滤波器无源模型的插入损耗约为6dB，将gmi的跨导值取为gmr的两倍，以提供6dB增益，这样可使滤波器的增益为0dB。晶体管M1-M4构成差分互补跨导单元，其输出电流是非互补跨导输出电流的两倍。因此功耗效率提高了一倍。M5-M6连接成二极管形式，提高了输入线性度。晶体管M9-M14构成共模反馈用于稳定输出共模电压。

3.3 电容阵列的实现

图4中，LPF的滤波特性如3dB带宽以及带内波动，受C1-C3的电容值影响很大。而电容值会由于芯片制造工艺而发生偏差，其误差值最大可达到15%。所以，为了弥补工艺偏差对滤波特性的影响，将C1-C3采用电容整列的形式实现。

4 LPF版图设计与仿真测试结果

图6为LPF电路版图，版图布局时，应使电容之间及晶体管之间尽量匹配。表1对LPF在TT工艺角不同温度下的仿真结果进行了总结。从表可知，3dB带宽≥67.92MHz，100MHz处衰减：≥21.53dB，输入1dB压缩点：≥-9.91dBm。

以下给出了和本文LPF电路结构完全相同的某款LPF的测试结果。图7为该款LPF的滤波特性测试曲线，由图可知，滤波器在阻带内衰减25.75dB。足以证明本文LPF电路是完全可行的。

5 结语

本文采用Gm-C方式实现了3阶椭圆低通滤波器。Gm单元采用互补跨导实现以提高功耗效率。将Gm单元偏置电流设计成可调，同时将电容采用阵列实现，以调节工艺偏差导致的LPF滤波特性偏差。最后给出了和本文LPF结构完全相同的某款LPF测试结果，以验证本文LPF电路完全可行。

参考文献

[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.

作者单位

成都嘉纳海威科技有限责任公司 四川省成都市 610091