多通带复数滤波器研究与设计

发布时间：2017-09-25 07:12

  本文关键词：多通带复数滤波器研究与设计

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【摘要】：随着无线通信技术的发展,无线通信产品对人类生活产生了巨大的影响。CMOS射频收发机作为通信芯片的接口,其性能直接影响到接收信号的质量和通信产品的性能。在射频收发机结构中,低中频结构接收机由于集成度高和不存在直流失调等优点得到广泛应用。但是低中频结构电路中含有镜像信号,镜像干扰成为制约低中频结构接收机性能的重要因素。复数滤波器能够有效抑制镜像信号,高集成度、低功耗的复数滤波器成为当前研究的热点。本文首先介绍了复数滤波器在射频接收机中的作用以及复数滤波器的发展概况。通过对复数滤波器的现状进行梳理和归纳,发现目前的复数滤波器多为单一通带或两通带结构,复数滤波器的应用范围受到限制。针对这一问题,本文设计了一种4通带复数滤波器,通过对复数滤波器的基本结构和性能进行深入对比分析,完成了3阶巴特沃兹复数滤波器设计。针对多通带滤波器多极点的特点,本文提出了带密勒补偿结构的电容阵列,提高了电路稳定性。为了进一步完善所提出的多通带复数滤波器,本文完成了多个辅助电路的设计。本文设计了自动频率校准电路,通过RC振荡器和数字模块共同作用,校准由于工艺和温度变化带来的频率偏差;设计了两组DCOC电路,消除电路中的直流失调信号;设计了2级PGA电路,提高电路输出信号幅度;设计了缓冲电路,平衡电路共模电压差异。通过辅助电路和复数滤波器共同作用,实现电路面积、功耗、噪声和线性度之间的平衡。最后,本文基于SMIC130nm工艺完成了整体电路的版图设计和电路仿真。仿真结果表明本文设计的4种通带模式的中心频率依次为:100kHz、200kHz、300kHz和500kHz,对应的带宽依次为50kHz、100kHz、150kHz和250kHz;电路增益范围为0~55dB,每0.875dB可调;最大增益时的噪声系数小于30dB,线性度大于-40dBm;频率校准偏差小于3%;整体电路的总电流小于1uA。
【关键词】：复数滤波器 多通带 自动频率校准 低功耗设计
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN713
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-21
• 第一节 CMOS射频接收机10-13
• 第二节 复数滤波器在射频接收机中的作用13-16
• 第三节 复数滤波器研究现状与发展趋势16-18
• 第四节 论文主要工作与创新点18-21
• 第二章 复数滤波器原理21-33
• 第一节 复数滤波器镜像抑制原理21-25
• 2.1.1 复数混频21-22
• 2.1.2 复数滤波器工作原理22-25
• 第二节 滤波器的基本结构25-29
• 2.2.1 有源RC滤波器25-26
• 2.2.2 Gm-C滤波器26-27
• 2.2.3 晶体管电容滤波器27-28
• 2.2.4 开关电容滤波器28-29
• 第三节 低通滤波器的逼近方法29-32
• 2.3.1 巴特沃兹滤波器30
• 2.3.2 切比雪夫滤波器30-32
• 2.3.3 椭圆滤波器32
• 第四节 本章小节32-33
• 第三章 多通带复数滤波器整体方案设计33-42
• 第一节 设计指标分析和整体电路结构33-34
• 第二节 增益设计34-37
• 3.2.1 噪声分析35-36
• 3.2.2 线性度分析36
• 3.2.3 增益分配36-37
• 第三节 频率校准方案设计37-39
• 3.3.1 频率校准方式37-38
• 3.3.2 校准流程38-39
• 第四节 直流失调消除方案设计39-41
• 3.4.1 直流失调分析39-40
• 3.4.2 直流失调消除方式40-41
• 第五节 本章小结41-42
• 第四章 多通带复数滤波器电路设计42-52
• 第一节 复数滤波器电路结构42-43
• 第二节 电阻电容阵列设计43-45
• 4.2.1 电阻阵列设计43-44
• 4.2.2 电容阵列设计44-45
• 第三节 运算放大器设计45-50
• 4.3.1 电路设计45-47
• 4.3.2 小信号分析47-49
• 4.3.3 共模反馈设计49-50
• 第四节 本章小结50-52
• 第五章 辅助电路设计52-63
• 第一节 频率校准电路设计52-58
• 5.1.1 频率校准电路方案52-53
• 5.1.2 模拟电路设计53-54
• 5.1.2.1 RC振荡器电路设计53-54
• 5.1.2.2 可变电阻阵列设计54
• 5.1.3 数字电路模块设计54-58
• 5.1.3.1 频率计数模块设计56
• 5.1.3.2 频率比较模块设计56-58
• 第二节 PGA电路和缓冲电路设计58-61
• 5.2.1 负反馈放大器电路结构设计58-59
• 5.2.2 负反馈放大器噪声分析59-60
• 5.2.3 负反馈放大器线性度60-61
• 5.2.4 PGA1、PGA2和缓冲电路设计61
• 第三节 DCOC电路设计61-62
• 第四节 本章小结62-63
• 第六章 整体电路的仿真与版图设计63-82
• 第一节 整体电路63-64
• 第二节 复数滤波器频带特性仿真64-65
• 6.2.1 运算放大器仿真64
• 6.2.2 复数滤波器仿真64-65
• 第三节 频率校准功能仿真65-72
• 6.3.1 不同晶振频率下的校准仿真65-68
• 6.3.2 不同工艺下的校准仿真68-72
• 第四节 增益调控仿真72-73
• 第五节 噪声系数仿真73-74
• 第六节 线性度仿真74-76
• 第七节 稳定性仿真76-78
• 第八节 整体电路的版图设计78-81
• 第九节 本章小结81-82
• 第七章 总结与展望82-84
• 参考文献84-88
• 致谢88-89
• 个人简历 在学期间发表的学术论文及研究成果89

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本文编号：916049