基于伴随网络的高阶级联N通道滤波器的研究与设计

发布时间：2020-08-03 08:06

【摘要】：近年来,N通道滤波器被广泛应用于通信和无线电等多个领域。随着模拟集成工艺的进步和通信系统的发展,N通道滤波器受到广泛的关注,其中心频率由外部时钟控制并具有动态的可调范围。从理论上讲,N通道滤波器的调谐频率不依赖于电路元件和尺寸,只与开关的频率有关,故具有非常宽的调谐范围。这个优点使得N通道滤波器在射频接收机前端架构的设计中有了新思路。本文旨在对高阶级联N通道滤波器的设计及基于伴随网络的分析方法进行深入研究。首先,详细分析了N通道滤波技术和伴随网络法的基础理论。其次,详细介绍了N通道滤波器的主要性能指标及要求,并根据目前N通道滤波器存在损耗大、抑制低、噪声高、调谐范围窄等问题,研究与设计了如下三款高阶级联N通道滤波器。最后,采用Matlab和Cadence软件对所研究与设计的N通道滤波器进行仿真验证。论文的主要工作和创新如下:(1)研究与设计了一款CMOS宽带分布式可调N通道滤波器。电路中的MOS开关采用外部差分时钟控制,在滤波过程中能很好地消除偶次谐波的干扰。所设计的电路结构简单,易于搭建,运用基于伴随网络的分析方法计算推导出该N通道滤波器的传递函数,通过采用Matlab软件仿真传递函数的结果与采用Cadence软件仿真电路设计的结果进行对比,对比结果显示了该理论分析与仿真设计较好地吻合。在TSMC 0.18 um CMOS工艺下,当电源电压为1.2V时,该滤波器的中心频率可调范围为0.4-1.6GHz,带内损耗约为34dB,带外抑制高达72dB。(2)研究与设计了一款低损耗低噪声宽调谐的高阶级联N通道滤波器。通过在传统的一阶N通道滤波器中引入串联电感,并将其级联的方法,得到了一款高阶级联N通道滤波器。引入的串联电感与电容谐振,降低了滤波器的损耗和噪声,拓展了中心频率可调谐范围。采用伴随网络法获得了高阶级联N通道滤波器的传递函数。伴随网络法的采用大大简化了传递函数的数学推导过程。在TSMC 0.18 um CMOS工艺下的Cadence仿真结果表明了传递函数的正确性。Cadence仿真结果还表明,当电源电压为1.2V时,高阶级联N通道滤波器中心频率可调范围为0.4-3.0GHz,带内损耗为11.6dB,噪声系数为0.2-0.8dB。(3)研究与设计了一款改进型高阶差分N通道滤波器。该滤波器电路是在前两款滤波器电路结构设计的基础上进行改进得到的。电路中的MOS开关同样采用外部差分时钟控制,在滤波过程中能很好地消除偶次谐波的干扰。同时,在输入和输出端口接入外加变压器,保证了输入输出信号的阻抗匹配。运用基于伴随网络的分析方法计算推导出该高阶差分N通道滤波器的传递函数。在TSMC 0.18 um CMOS工艺下,当电源电压为1.2V时,该滤波器的中心频率可调范围为0.2-3.0GHz,带外抑制高于58dB,噪声系数为4.6dB。这三款高阶级联N通道滤波器都实现了低损耗、低噪声、高抑制、宽调谐等优点。第二款滤波器是第一款滤波器的简化设计,第三款滤波器是前两款滤波器的改进。这三款高阶级联N通道滤波器都是基于伴随网络的分析方法进行的理论研究,采用Matlab仿真软件对其理论分析结果进行仿真验证。都是在TSMC 0.18 um CMOS工艺下,采用Cadence仿真设计软件对其电路结构进行设计和前后仿真验证。研究结果显示了这三款高阶级联N通道滤波器的理论与设计较好地吻合,前后仿真较好地吻合,并且电路结构简单、易于搭建,适用于高性能的接收机中。
【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN713
【图文】：

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第 2 章 N 通道滤波器和伴随网络法的理论基础成的变频连续时间滤波器[19]。 OTA -C跨导调节范围大，调，存在所需要的电源电压高、OTA基本单元较多、集成电路功II是基于BIAMOS工艺的，价格较贵，成本和功耗难以满足波器出现的一个重要问题，即频率越高，功耗消耗也越大。技术年代提出了 N 通道滤波器[20]。它由具有相同特性的 N 个单组成，每个通道由本地产生的 N 相非重叠多相时钟驱动，其路类似。图 2-1 为理想 4 通道滤波器的电路模型。图 2-2 为3 为 4 通道滤波器的幅频特性。

等效电路图,等效电路,通道滤波器,电路模型

年代提出了 N 通道滤波器[20]。它由具有相同特性的 N 个单通组成，每个通道由本地产生的 N 相非重叠多相时钟驱动，其效路类似。图 2-1 为理想 4 通道滤波器的电路模型。图 2-2 为-3 为 4 通道滤波器的幅频特性。图 2-1 理想 N 通道器的电路模型（N=4）

通道滤波器,幅频特性,电路模型,等效电路

N通道滤波器的幅频特性（N=4）

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