基于GSM 接收機的集成多相濾波器設計

　　摘要：本文介紹了用于GSM接收機的低中頻多相濾波器的設計，采用有源RC電路架構且單片全集成。設計采用TSMC 0.18um CMOS工藝，通過spectre仿真，濾波器的中心頻率為110kHz，帶寬200kHz，增益30dB，鏡像抑制比38dB。

　　1、引言

　　隨著集成電路和便攜式無線傳輸系統的快速發展，人們正努力把各種射頻（RF）與中 頻（IF）功能電路都集成在同一芯片上，因而可同時降低芯片功耗和成本。 無線通信接收機的主要結構有超外差、零中頻、低中頻三種，其中超外差式接收機所需 的高階帶通濾波器不宜集成，不適合單片接收機系統。零中頻接收機由于受CMOS 電路的 1/f 噪聲和集中于基帶附近的偶次諧波失真等的影響，信噪比不高。對于窄帶通信系統，該 結構有一定的局限性[1]。 低中頻接收機采用一個較低的中頻，把有用信號與直流寄生失調和1/f 噪聲從頻譜上分 開，從而避開了他們的干擾。它還具有不需要片外高階帶通濾波器、集成度好、可克服直流 失調和1/f 噪聲干擾等優點[2]，因此，對于GSM 和DCS 等窄帶通信系統，該結構是一種較 好的選擇[3]。但是，下變頻為低中頻后也帶來了鏡像信號的抑制等問題，因而在單一芯片 上獲得足夠高的鏡像抑制成為全集成的主要障礙之一。本文給出了用于GSM 接收機的集成 低中頻多相位濾波器設計，采取了相應措施，解決了鏡像抑制和雙路信號精確匹配等問題。

　　2、多相濾波器分析

　　在低中頻接收機中，射頻信號經過正交下變頻，在I、Q兩路信號中有用信號和鏡像信號 頻率相同但相位相反即一個為正頻率，另一個在負頻率。對于一維實數域濾波器，如圖1所 示（低通，其它亦如此），由于其幅頻響應對于正負頻率分量對稱，因而無法在濾出正頻率 信號分量的同時抑制負頻率信號分量[4]。對于多相濾波器，由于對正負頻率分量幅頻響應 不同,因而可實現在濾出有用信號的同時抑制鏡像干擾。

　　圖2是五階多相位濾波器極點分布與幅頻響應曲線示意圖。它是在圖1實數域五階低通濾波器基礎上將極點向上平移ωc的情況，得到了中心頻率為ωc的復數帶通濾波器，亦即多相 濾波器，是直接變頻式低中頻接收機中抑制鏡像和鄰頻道干擾的主要技術之一, 其設計直接 影響著接收機的整體性能。

　理論上，多相濾波器可通過實域單相濾波器導出。以一階實域低通濾波器為例，其傳遞函數為：

　3、電路設計

　　多相濾波器的結構有無源和有源兩種，其中無源結構要實現較寬的帶寬必須由多階級 聯，而多階級聯結構又是有損的，輸出信號將會有很大程度的衰減，這就要求有額外的緩沖 結構進行補償，這樣在增大芯片面積的同時必將又增大濾波器的功耗。另外對于無源多項濾 波器，要實現較高的鏡像抑制比和較高的精度還必須要求電阻電容有極高的精度，這勢必又 要增大芯片面積[5]。這里采用有源RC 結構，能夠有效克服以上各方面不足，圖3 是擬設計 的一階多相濾波器框圖和電路原理圖。

　　因此，為了得到較高的鏡像抑制能力，通常選擇較高的中心頻率和高階濾波器[6]。圖4 是本文設計的五階多相位濾波器原理圖，它基本是在圖3 單階基礎上的級聯。為了減小工藝 參數和溫度的變化對濾波器拐角頻率的影響，實現時增加了可調電容以對濾波器頻率特性進 行校正。

　　4、版圖和仿真結果

　　設計采用 TSMC 0.18um CMOS 工藝。圖5 是所設計的芯片版圖，最終實現面積為1026 μm*204μm。在版圖設計過程中必須注意I、Q 通路以及各通路中正、反向端的嚴格匹配， 其中的無源元件電阻電容分別采用高值多晶硅電阻和MIM 電容，以實現較高的精度。

　　在電源電壓 2.8~3V、溫度-40~120 度的范圍、各種工藝下對圖5 電路進行前、后仿驗證， 該濾波器能夠穩定可靠的工作。圖6 是AC 仿真結果，中心頻率為110kHz，帶寬200kHz， 增益30dB，鏡像抑制比38dB。

　　5、結論

　　本文給出了用于 GSM 低中頻接收機中的有源多相濾波器分析和設計過程。采用TSMC 0.18um 工藝，仿真結果表明該濾波器在各種工藝、溫度和電源電壓下能夠穩定可靠的工作， 實現中心頻率110kHz，帶寬200kHz，增益30dB，鏡像抑制比38dB，可用于全集成GSM 接收機中。

　　本文作者創新點：本文根據GSM 窄帶通信系統低中頻接收機的結構特點，設計全集成 有源多相位濾波器，電路在完成濾波的同時能有效地抑制鏡像信號的干擾，實現了高集成度、 低功耗、高效率的性能