0 引言

    隨著美國導(dǎo)航系統(tǒng)GPS的發(fā)展，GPS憑借其自身的優(yōu)勢，已經(jīng)涉及到生活的各個領(lǐng)域，相比GPS系統(tǒng)，我國的導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)還處于初期階段，中頻帶通濾波器作為全集成接收機芯片中的一個重要組成部分是不可缺失的，因此對其研究也顯得尤為重要。本文基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝技術(shù)對導(dǎo)航系統(tǒng)的中頻濾波器進行了設(shè)計，以具有增益的雙極點節(jié)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一個二階有源低通濾波器，然后通過級聯(lián)的方式實現(xiàn)了用于導(dǎo)航系統(tǒng)的中頻濾波器。

1 Chebyshev切比雪夫濾波器

    由于ChebyshevI型和ChebyshevII型濾波器可以將要求的指標精度均勻地分布在通帶內(nèi)或阻帶內(nèi)，正因為如此，才能夠在滿足指標的情況下很容易設(shè)計出階數(shù)較低的濾波器,而Chebyshev I型滿足本設(shè)計指標要求。Chebyshev I型幅頻特性如圖1所示。

2 濾波器階數(shù)的確定

    由公式[2]：

α_min為阻帶內(nèi)的最小衰減，α_max為通帶內(nèi)的最大衰減，Ω_s為通帶頻率，Ω_p為阻帶頻率。根據(jù)給出的指標，通過計算可知n取6。因此該中頻濾波器結(jié)構(gòu)選用3個二階切比雪夫低通濾波器和一個高通的緩沖器級聯(lián)而成，每一級為差分多路反饋二階低通濾波器。根據(jù)上述指標中的平坦度、－３ dB帶寬和n＝６這3個條件查找濾波器設(shè)計手冊，可以得到每個二階環(huán)節(jié)的傳輸函數(shù)系數(shù)。為了使濾波器的噪聲系數(shù)達到一個較低的水平，把增益盡量分配給前兩級。

3 二階低通濾波器電路設(shè)計

    具有增益的雙極點節(jié)原理如圖2所示。根據(jù)二階低通濾波器的傳輸函數(shù)：

    通過確定C₅，然后根據(jù)式(5)～式(9)就可以確定元件的值。

    然后利用仿真工具，通過仿真修改后得到精確的值分別為：R₁=2.49 kΩ，C₂=622.238 fF，R₃=2.13 kΩ，R₄=14.919 kΩ，C₅=450 fF。

    最終得二階有源低通濾波器原理圖如圖3所示。

    此外，濾波器還接有一個前級緩沖放大器提供額外的增益，并保證前級的負載能力。

4 運放放大器的設(shè)計

4.1 運放結(jié)構(gòu)的選擇

    運算放大器主要有3種：簡單差分對、套筒式共源共柵、折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)。如圖3所示，本次設(shè)計選用普通的兩級運算放大器，因為其結(jié)構(gòu)簡單而且實用。第一級由M1-M4、M17組成，采用電流源負載的雙端輸入雙端輸出的差分放大器，第二級是一個NMOS的源極跟隨器。

4.2 主運放的小信號分析

    第一級為電流源負載的差動放大器，M3、M4為PMOS電流源。其差動輸入-差動輸出時的小信號電壓增益A_vd為：

    與二極管連接的CMOS為負載的差分放大器相比，它的小信號電壓增益和共模輸入電壓范圍以及輸出電壓擺幅均有所提高。

    第二級為NMOS管的源極跟隨器，對其小信號分析得電壓增益為：

4.3 共模反饋電路

    從理論來分析上來看，差分結(jié)構(gòu)的電路應(yīng)該完全對稱，而且對共模信號具有很好的抑制作用。但是，在實際工程當中，由于工藝、溫度和電源電壓等一系列原因而產(chǎn)生失配，這時候就需要一個共模反饋電路來穩(wěn)定輸出電壓，從而確保電路處于正常工作狀態(tài)。除此之外，共模反饋電路還必須具備一些自身的特征，既要對共模信號敏感，還不能影響差模信號的工作狀態(tài)。共模電路的工作原理是：

根據(jù)公式假設(shè)主電路的輸出VON增加，則流過M12的電流減小，由于流過M11和M12的總電流不變，因此導(dǎo)致流過M11的電流增大，即流過M16的電流增大，從而使VCMFB增大，主電路的尾電流增加，由于差分結(jié)構(gòu)兩邊對稱，因此流過支路M1的電流和流過M2的電流相等，而且同時增加，從而使VON減小，當主電路的輸出VON減小時，情況與增加時剛好相反。通過這種反饋方式從而保證了輸出共模電平穩(wěn)定。所設(shè)計運算放大器原理如圖4所示。

5 仿真結(jié)果

    電路采用TSMC 0.18 μm工藝設(shè)計，1.8 V電壓供電，利用Cadence軟件中Spectre對運放和濾波器進行了交流仿真，噪聲系數(shù)仿真和1 dB壓縮點進行仿真驗證。

5.1 運放的交流仿真

    運放交流仿真結(jié)果如圖5所示，從仿真結(jié)果可以看出，直流增益45.3 dB，相位裕度82°，滿足指標要求。

5.2 濾波器的交流仿真

    濾波器的交流仿真結(jié)果如圖6所示，根據(jù)仿真結(jié)果，4 MHz時增益為13.21 dB，-3 dB帶寬為5 MHz，28 MHz時衰減為-58.37 dB。

5.3 1 dB壓縮點仿真

    1 dB壓縮點仿真結(jié)果如圖7所示，該濾波器的1 dB壓縮點為-14.7 dBm，滿足系統(tǒng)線性度要求。

5.4 噪聲系數(shù)仿真

    噪聲系數(shù)仿真結(jié)果如圖8所示，在4 MHz時，噪聲系數(shù)為30.88 dB。

6 總結(jié)

    本文實現(xiàn)了一個用于導(dǎo)航系統(tǒng)的中頻濾波器設(shè)計，就整個濾波器實現(xiàn)方法而言，比雙二次結(jié)構(gòu)^[1]或者梯形結(jié)構(gòu)的濾波器在工程上都容易實現(xiàn)，而且性能良好。通過對整體電路的仿真，結(jié)果均滿足了預(yù)期的設(shè)計要求。

參考文獻

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