可重构多功能滤波器及其自动调谐电路的研究与设计

【摘要】：近年来,随着微电子产业的快速发展,射频无线接收机技术飞速前进,让同一个无线设备兼具多种功能,已成为微电子学和无线通信领域最具有革新性和前沿性的技术之一。基于互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor:CMOS)工艺的多模多频接收系统在性价比上大大超过单一系统的接收机,在无线通信领域中受到了广泛的关注。滤波器作为射频接收系统的关键模块之一,其结构和设计直接影响着整个通信系统的性能。在多模多频接收系统中,滤波器必须能够满足不同模式和多个频段的指标要求,这就要求其功能可配置,结构可重构,频率可调谐,且性能稳定。 本文在系统综述国内外滤波器设计技术的基础上,分析了高性能,可重构模拟滤波器的设计方法。并提出了几种采用不同有源器件实现的高性能,可重构模拟滤波器。此外,深入研究了工艺因素、环境变化及器件老化、工作条件等对滤波器特性的影响,并提出了一种高精度,低失真的片上频率自适应系统。具体研究内容如下： 首先,本文介绍了滤波器的基本原理和分类,分析了不同类型滤波器的特点以及自动调谐电路的作用和设计规则。 其次,提出了一种基于高线性可调跨导运算放大器(Operational Transimpedance Amplifier:OTA)的多模多频滤波器。该滤波器通过改变OTA的跨导来切换不同的工作频率,而且同一个拓扑结构能够实现不同阶次的低通,带通以及复数滤波等功能,这些不同的功能通过控制三组开关的的通断来实现,并给出了电路仿真结果以验证所提出的方案可行。 再次,设计了一种基于差动电压式电流传输器(Differential Voltage Current Conveyors:DVCC)的高阶电流模式多功能滤波电路。此电路功能多样,结构简单,通用性强,易于集成。更重要的是所采用的设计方法简单明了,可移植性强。并且针对DVCC不具备电调谐的缺点,提出了一种具有数字可编程控制的DVCC: DPDVCC(Digitally programmable DVCC:DPDVCC).并将其应用到高阶电压模式多功能滤波器设计中,该滤波器不仅具有和基于DVCC的滤波器类似的优点,而且能够独立调节其关键的技术参数。 然后设计了一种基于电流传输跨导放大器(current conveyor trans-conductance amplifier:CCTA)的电流模式高阶多功能滤波器,该滤波器能够同时实现低通,带通,高通和带阻等功能,其品质因素和工作频率都可以通过调节偏置电流来实现电调谐。此高阶滤波器器件数目少,结构简单,非常适合制作全集成IC。 最后,本文重点研究了工艺因素(如制造容差、工艺变化、温度漂移等),环境变化(如温度、电源电压)及器件老化、工作条件等因素,对芯片中所集成的电阻及电容值的影响,以及由此带来的滤波器关键性能的改变,归纳了片上自动调谐电路的设计规则以及方法,最后设计了一种高性能的片上自动调谐系统,并且用这个电路来调节一种全差分有源带通滤波器。将其成功应用到GPS/北斗双模双频的射频前端电路中,采用TSMC0.18//m的工艺流片,调节电路和滤波器电路两者共占芯片面积约为623.40x870.8μm2,在1.8V的电源电压下,消耗的电流约为5.2mA。测试结果能够满足接收机的系统指标要求。