中心頻率可調(diào)的高線性度帶通濾波器設(shè)計

摘要：為了提高濾波器的線性度，文中給出了開關(guān)電容電阻不在信號通路中，而將其放在控制電路中的帶通濾波器的設(shè)計方法。由于該方法采用了特殊的校正技術(shù)和匹配技術(shù)，因此，該濾波器具有自動調(diào)節(jié)功能，且其頻響曲線隨PVT變化在±2 kHz內(nèi)。
關(guān)鍵詞：高線性度；開關(guān)電容；帶通濾波器；中心頻率可調(diào)

0 引言
    常見的片內(nèi)濾波器的設(shè)計帶寬都上兆赫茲，而幾十千赫茲帶寬的濾波器大多采用片外無源器件來實現(xiàn)。原因是低頻濾波器的時間常數(shù)巨大，在芯片內(nèi)占據(jù)大量的芯片面積。
    在片內(nèi)實現(xiàn)巨大時間常數(shù)的通常辦法是采取大電阻小電容結(jié)合方式。因為大電阻可利用開關(guān)電容技術(shù)來實現(xiàn)。以前采用開關(guān)電容技術(shù)實現(xiàn)的濾波器有兩個明顯缺陷：其一是開關(guān)電容在信號通路中會引入大量噪聲，從而直接導(dǎo)致濾波器的線性度不高；其二是開關(guān)電容的時鐘頻率必須和后續(xù)的ADC頻率嚴格一致，否則會導(dǎo)致丟碼。
    本文仍采用開關(guān)電容技術(shù)，但不放在信號通路中，而是將其放到控制電路中。其主通路中的電阻采用R-MOS結(jié)構(gòu)，阻值可由控制電路精確調(diào)節(jié)。這樣既利用了開關(guān)電容可精確實現(xiàn)大電阻的功能，也消除了前面提到的2個缺陷，故可實現(xiàn)連續(xù)時間濾波器較高的線性度。

1 濾波器結(jié)構(gòu)
    該濾波器的整體結(jié)構(gòu)如圖l所示。圖中，，整體結(jié)構(gòu)共3級，每一級為High-Q Opamp-R-C的二階帶通濾波器，通過級聯(lián)形成一個6階的Chebvshev I型濾波器。濾波器的整體傳遞函數(shù)如下：

    為了降低電路的復(fù)雜度。圖l中的所有電阻均采用同一阻值，這樣，整個濾波器只需要一個控制電路。
    由于該電阻的值隨PVT的變化很大，因此，為了使濾波器的頻響特性不受PVT變化的影響，則要求電阻值不隨PVT變化。為此，需要討論如何保證電阻值不隨PVT改變而改變。

2 精確電阻處理
    精確電阻由控制電路部分實現(xiàn)，其控制電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中開關(guān)S1和S2可由兩相不交疊時鐘φ1和φ2分別控制，以對電容進行周期性充放電，從而使等效電阻；MOS管M工作在線性區(qū)，其電阻如下：

    通過RM和R可得到Ri的值。當(dāng)Ri>Req，積分器呈正積分特性，運放的輸出電壓增大，VGS變大，RM變小，Ri變?。煌?，當(dāng)Ri<Req時，積分器呈負積分特性，運放的輸出電壓減小，VGS變小，RM變大，Ri變大；最后環(huán)路穩(wěn)定，Ri=Req，RLPF和CLPF構(gòu)成低通濾波器，從而可濾掉VGS的直流成分，提高RM的線性度。
    圖2中R的作用是降低MOS管漏端的電壓，讓MOS管工作在線性區(qū)，以提高電阻RM的線性度。
    圖l中的電阻Ri和圖2中的電阻Ri相同，它們都由控制信號VCtrl控制。圖1中的時間常數(shù)如下：

    其中，T是時鐘周期，Ci為積分電容，C為等效電阻電容。為了提高電容匹配度，C和Ci應(yīng)采用同一單位電容組合，這樣，式(3)可變?yōu)椋?/p>

    圖4所示為濾波器的線性度測試結(jié)果，它的輸入為間隔10 kHz的兩個帶內(nèi)單頻點信號，信號幅度為500 mVpp，輸出用示波器檢測。線性度測試結(jié)果為43 dB，可見，這種設(shè)計方案具有很高的線性度。

4 結(jié)束語
    由于本文所設(shè)計的濾波器的時間常數(shù)只跟頻率和電容比值有關(guān)。因此只要改變時鐘頻率，就可以改變?yōu)V波器的中心頻率。另外，利用本文的方法，還可以將濾波器做在芯片里面，這樣，采用開關(guān)電容技術(shù)，其芯片的面積只需增加很小一部分。目前，本芯片已在SMIC0．18μm工藝下已開始流片量產(chǎn)。