集成高线性增益的可编程带通滤波器的设计与实现

刘 帅

随着SoC无线通信技术的发展，接收机前端模拟电路面临着低功耗、小型化和可编程的迫切需求。模拟前端的带通滤波器和可变增益放大器芯片对于提升接收机系统的灵敏度、稳定性起到了至关重要的作用[1]。设计良好的滤波器和可变增益放大器芯片能够抑制较强的带外干扰信号、镜像频率信号，放大带内所需信号幅度，从而降低后级模数转换器ADC的带宽和分辨率要求[2]。本文所研究设计的是应用于各类接收机中的重要模块—集成高线性增益的可编程带通滤波器。

1 总体结构设计和指标要求

芯片整体结构由预失真衰减器、输入缓冲器、输出缓冲器、偏置电路、数字控制电路等构成，图中只显示了模拟信号通路。预失真衰减器对信号进行0/8dB衰减，避免进入后级的信号功率过大导致器件饱和。第2级电路是输入缓冲器，用于隔离衰减器和第3级带通滤波器，避免衰减器阻抗变化对于滤波器的牵引影响。第3—5级电路为3阶可编程切比雪夫带通滤波器，提供高达50dB的带外抑制和最高45dB可调增益。第6级是输出缓冲器，可以为ADC提供足够的驱动能力，减小ADC采样尖峰，满足ADC最佳采样幅度要求，完成对信号的滤波和放大处理。

2 有源带通滤波器的设计

有源带通滤波器类型选用切比雪夫型，优点是相同的阶数，切比雪夫相比巴特沃斯性带通滤波器具有更窄的过渡带带宽，更优的幅频响应。但是切比雪夫带通滤波器带内存在幅度固定、次数与滤波器阶数相等的等纹波抖动[1]。

2.1 阶数的确定

首先需要确定滤波器阶数。利用公式（1）、（2）初步确定低端和高端两个过渡带的陡度。为中心频率（），是指定的带外抑制频率点。

已知陡度和阻带衰减量，利用切比雪夫带通滤波器阶数计算公式（3），可得到满足边带抑制度和带宽值要求下带通滤波器所需的最小阶数。其中是归一化阻带最小衰减，为50dB，是归一化通带最大衰减，为1dB，是上面计算的陡度值，选择较小的值代入计算，可以得到n=2.9，向上取整数为3。已知1阶带通滤波器的传递函数如公式（4）所示。高阶带通滤波器传递函数是由多个带通滤波器传递函数相乘得到。

现在已知3阶带通滤波器的传递函数，通过查表法，得到3阶带通滤波器极点，然后计算每一节滤波器中心频率、品质因数Q等参数。查表得到一对共轭复极点，通过公式（5）-公式（8）可以得到每个滤波器的中心频率和品质因数。

2.2 滤波器实现方式的确定

本文中滤波器结构选取Tow-Thomas类型的双二次型滤波结构。它的反馈环路比较少，稳定性更好，并且易于调谐。电路由一个带损耗的积分器，一个无损耗积分器及一个反相器构成，带损耗的积分器中R3产生损耗主要用于防止电路震荡，设计时调整R3使整个环路稳定，传递函数为公式（9）。

2.3 RC参数的确定

为实现带宽、中心频率和增益的可编程调整，需要对上述的器件参数进行变成调整。如果选取的电阻值R比较大，那么电阻R的热噪声会增加整个滤波器的等效输出噪声。如果选取的电阻R比较小，那么相应的电容值C会增大，C的增大会增大运算放大器的负载，为了有足够的相位余量，需要增加运放的跨导，在电源电压和过驱动电压一定的情况下，只能增加电路的电流来实现，因此导致整体功耗增大。所以R取值不能太大或者太小，因此只能根据经验并且通过软件仿真确定。

3 运算放大器设计

芯片中运放的关键指标是增益带宽积、驱动能力和稳定性[5]。本文中运放结构包括放大器、偏置电路和共模反馈电路。输入和输出共模电平由共模反馈控制电路限定在1/2VDD。运放的非理想特性会导致滤波器的Q值降低，因此需要运放的增益带宽积在一定的功耗要求下达到较大的值。再根据相位裕度的要求和负载大小确定米勒补偿电容大小[5-6]。最终仿真运放的GBW可到973MHz，满足使用需求。

4 测试结果

使用矢网和万用表对芯片进行测试，测量包括带宽、带外抑制、增益、功耗等。测试结果表明，本芯片可以实现可编程的贷通滤波器，带外抑制度达到-55dBc@1/2fL和-55dBc@2*fH，功耗仅为30mA。国外的类似产品，有ADI公司的ADRF65xx系列芯片，该芯片可以实现可编程低通滤波和高线性增益。对比发现，ADRF65xx系列芯片的带外抑制、带内波动、增益范围与本芯片相当，优势在于可编程的滤波调谐范围更宽，缺点是功耗大。因此本芯片是在接收机系统中对于功耗要求更加严格或者对于存在低端噪声、干扰信号的情况更加适用。可编程的带通滤波和高线性增益可以滤波基带信号之外的大部分杂波干扰信号，提升信噪比，提升接收机系统的灵敏度，对于整机系统的总体性能提升有非常大的帮助。

5 结论

设计了一款集成高线性增益的可编程带通滤波器芯片，设计基于0.35umRFCMOS工艺。芯片集成了切比雪夫带通滤波器、输入缓冲级电路、输出缓冲级电路、基准电路和数字控制电路，实现了1MHz±100kHz、2MHz±250kHz、5MHz±500kHz带通滤波，增益范围为-5～45dB，步进2dB，带内波动0.8dB。基本满足了工程应用需求。