| 标题 | 低功耗电流模有源复数滤波器设计 |
| 范文 | 吴毅强 俞兴灵 摘要：针对多协议多模式软件无线电收发机，研究并设计了一种低功耗的有源信道选择滤波器电路。通过具体分析互逆网络原理，基于低压全平衡电流传输器，实现三阶切比雪夫电流模复数滤波器电路。利用Cadence仿真软件和中芯国际0.18um CMOS工艺，对电路进行仿真和调试。仿真结果表明，滤波器中频频率为2MHz，信号带宽频率为1.56MHz，增益为0dB，在带外-2MHz处能够达到约40db的抑制比。 关键词：电流模；复数滤波器；低功耗；互逆网络；电流传输器 中图分类号：TN401 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）19-0225-04 Lower Power Current Mode Active Complex Filter Design WU Yi-qiang， YU Xing-ling （Spreadtrum Shanghai Communications， Inc.， Shanghai 201203， China） Abstract： Research and design a lower power active channel selection filter for multi-protocol and multi-standard SDR transceiver. Based on detail analytical description of reciprocal network theory， the novel 3rd-order current mode Chebyshev complex filter is proposed with lower voltage fully balanced current conveyor II. Filter performed simulation with Cadence using 0.18 SMIC CMOS technology. The simulation results show that filter has center frequency and pass-band of 1MHz and 1.56MHz， respectively， filter provides pass-band gain of 0dB and achieves a rejection of the out band of 40dB at -2MHz. Key words： current mode； Complex filter； lower power； reciprocal network； current conveyor 1 背景 当前无线通信发展的趋势是集成多协议、多标准的无线收发机，而且随着CMOS工艺发展到深亚微米时代，无线收发机的射频前端和基带集成的多模多协议RF-SOC系统也是将来的主流发展趋势。软件无线电（SDR， Software Define Radio）是基于数字信号处理（DSP， Digital Signal Processing）等硬件为通用无线收发平台，在开放可扩展的硬件上构建可升级、可替换的软件系统，将尽可能多的通信功能用软件实现[1，2]。软件无线电以软件为核心体系，在射频或者中频对模拟信号进行数字化，通过软件完成上下变频、调制解调、编解码、频率合成等功能。基于DSP或FPGA的软件无线电收发机对应不同的新协议、新标准，软件模块配置不同的参数来实现相关功能。对于新协议、新标准的引入，软件无线电收发机的实现十分方便、经济，因此得到了广泛的应用。 在软件无线电收发机中，连续时间滤波器作为重要的电路模块，可以将需要的信号与谐波和干扰分离。应用于接收机的信道选择复数滤波器能够有效滤除谐波和干扰分量，保证输出信号具有足够的信噪比。传统的信道选择滤波器采用电压模电路实现，即电路输入的是电压信号，输出的也是电压信号。随着电源电压逐步降低，电压模滤波器的线性度和动态范围严重受限。在低电源电压下，电流模电路具有高线性和高动态范围，因此具有较为突出的优点[3]。因此，研究低功耗的电流模滤波器，能够有效降低功耗，对于便携低功耗的软件无线电接收机的实现有重要的意义。 本文提出了一种基于互逆网络理论，采用电流传输器实现的低功耗和高线性度有源电流模滤波器。电路采用中芯国际提供的0.18?m RF CMOS工艺设计，仿真结果表明滤波器满足电路指标要求，验证了基于可逆网络的电流模滤波器的可行性。 2 基于电流模滤波器的无线接收机 当选择电流而不是电压作为电路中的信号变量，并通过电流的处理从而实现电路功能，称为电流模电路。与电压模电路不同，电流模电流中处理的信号为电流。电流信号的大小与过驱动电压和电源电压基本无关，因此电流模电路的线性度不会随着电源电压下降而受限。电流模电路只有低阻节点，因此电流模电路比电压模电路在同样功耗下具有更好高频特性。 对于接收通道的电流驱动无源混频器，传统的做法是混频器后的跨阻放大器将电流信号转换为电压信号，经过电压模滤波器后由电压模模数转换器（ADC， Analog to Digital Converters）转换为数字信号，如图1所示。电流信号到电压信号的转换一方面增加了功耗，另外一方面也引入了更多的非线性，增加了系统的复杂性。 由于电流模ADC电路提出并实现[4， 5]，我们引入电流模滤波器跨接在混频器之后，构成了电流模接收机链路如图2所示。电流模滤波器能够直接处理混频器输出的电流信号，并由后级的电流模ADC转换为数字信号。由于接收通道中而不需要格外的电流-电压转换，因此在功耗和线性度上具有更强的优势。 由于电流模电路具有电路节点阻抗低和信号摆幅低的优势，因此可以在低电源电压高线性度的射频接收电路中得到广泛应用。因此，在高工作频率，高线性度信号的处理领域，基于电流模式电路设计方法比传统的电压模式电路设计方法，具有越来越多优势和吸引力。 3 电流模滤波器原理及分析 常用的电压模复数滤波器基于gm-c或者有源-RC结构实现[6，7]，而电流模滤波器基于电流传输器（CC， Current Conveyor）实现[8]。由于电压模器件一般具有恒定的增益带宽积，增益和带宽成反比。电流模电路通过处理电流信号决定电路功能，能过工作在很高的频率。在相同的电源电压和频率响应条件下。电流传输器结构电流模滤波器比有源-RC结构的电压模滤波器功耗更低，比gm-c结构的电压模滤波器的线性度更高。 在具备同样器件敏感度情况，能够用电流模电路替换电压模电路，实现相同滤波功能的有源电路。对于这种电流模电路和电压模电路之间的转换方法，通常称为基于互逆网络理论的伴随单元法[9]。 3.1 互逆网络及伴随单元 具有相同输入输出功能，激励和响应互换的互逆网络如图3所示。 满足公式（1）条件的任意网络N和对应网络Na为互逆网络，对于给定的网络N，对应的互逆网络Na称为伴随网络。当网络N的激励和响应互换，并用伴随网络Na代替网络N，输入输出传输函数保持不变。网络N和网络Na称为相互互逆。对于给定的网络，构建伴随网络是比较容易的。因此可以基于常见的电压模电路，根据伴随网络原理构建电流模电路。如图5所示基本单元及其对应的伴随单元，伴随网络可以通过网络中的基本单元更换为伴随单元得到。 图4所示的基本单元和伴随单元提供了电压模和电流模电路互相转换的途径。因为原电路网络以电压为变量，其伴随网络以电流为变量，但二者的传输函数相同。所以我们可以利用图4的关系，首先得到基本电压模有源-RC滤波器电路，并利用伴随理论得到电流模的有源-RC滤波器电路，从而实现同样的功能。 3.2 低压全平衡电流传输器 电流传输器（Current Conveyor， CC）作为一个三端口器件，是电流模电路的基本单元[10]。电流传输器CC在电流模电路中的作用，类似于运算放大器（Operation Amplifier， Op-amp）在电压模电路中的作用。因此，电压模中基于运算放大器的复杂电路，基于伴随原理，可以用电流传输器替换并实现相同的功能。低压全平衡电流传输器（Lower Voltage Fully Balanced Current Conveyor II， LVFBCCII）是一种五端口有源器件，低压全平衡电流传输器电路符号如图5所示。 其中X和Z端口都是差分形式，而Y端口为单端形式，k代表输出电流idz是输入电流idx的k倍。 基于如图6所示的低压单端电流传输器电路，实现低压全平衡电流传输器如图7所示。图6中M1～M9构成单端输出CCII电路，M10～M15构成电流镜完成反向输出，实现带同相和反相输出的低电压CCII电路。图7中集成两个CCII电路，将同相和反相端交叉连接，实现低电压全平衡电流传输器单元。 从式（3）和（4）可以得知，低压全平衡电流传输器同时实现了电流信号差模放大和共模抑制。 4 电流模滤波器实现及仿真 4.1 电压模有源-RC复数滤波器 有源RC多相滤波器设计方法是在两个低通滤波器每级之间加入频率变换电阻，对实数的低通滤波器进行频率搬移，得到输入正交差分信号的复数带通滤波器[11]。因此首先基于信号流图及蛙跳法（Leapfrog），实现带宽为800kHz， 通道纹波为0.2dB的三阶Chebyshev I 型低通滤波器，有源低通滤波器如图8所示。无源滤波器原型的电容和电感被正负积分器所替换，每个积分器的输出都对应一个反馈和前馈电阻，前后两个积分器都有电阻和电容并联来模拟负阻抗。利用Leapfrog法，元件值变化和运放非理想特性导致的滤波器误差分散于整个滤波器。 为了便于调谐，并考虑到RC器件最大20%的误差，将C1～C3调整为相同大小的电容C，这样需要重新调节电阻的大小，但需要保持三级的极点大小不变。 4.2 电流模有源-RC复数滤波器实现及仿真 在得到基于图8的有源低通滤波器实现的电压模复数滤波器，利用运算放大器的伴随单元电流传输器（CC），得到如图9所示的有源复数电流模滤波器。三级复数滤波器从低通滤波器搬移到复数滤波器同样需要频率搬移电阻Ry，每一级均需要搬移。 与电压模复数滤波器不同的是，电流模复数滤波器的输入信号为电流，输出信号也同样为电流信号。电流模复数滤波器采用CMOS 0.18μm工艺实现，其幅度频率响应如图10所示。复数滤波器中心频率为2MHz，带宽为1.5MHz，增益为0dB，带外-2MHz频率处的抑制为40dB，满足电路设计要求。 群延时定义为相频特性的微分。群延时表示了一个载频信号的包络的延迟，包络是包含着一定的带宽的，所以群延时表示了一定带宽的一组频率成分的延迟。在没有产生相位失真的条件下，系统的群时延特性为常数。图11为电流模滤波器的群时延仿真结果，在通带频率范围内群延时GroupDelay=352nS，群延时恒定，满足无失真的要求。 5 结束语 本文设计了应用于软件无线接收机的信道选择滤波器电路，通过伴随单元低压全平衡电流传输器的应用，实现了低功耗下的电流模复数滤波器电路，从而减小了芯片面积并节约了功耗。电路采用CMOS 0.18μm工艺设计并仿真验证，仿真结果表明，电路达到设计指标，满足系统进行复数选择滤波的要求。该设计满足低功耗、低电压芯片要求，可以应用于多模多协议的软件无线电收发机系统。 参考文献： [1] Masoud Koochakzadeh. 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