一种用于多模零中频接收机的三阶低通Gm‑C滤波器的制作方法

本发明属于滤波器领域，特别涉及一种用于多模零中频接收机的宽调节范围的Gm-C滤波器。

背景技术：

滤波器是消除噪声，提取特征信息的系统。它使一种频率的信号分量(噪声)大幅度衰减，使另一种频率的信号分量信号顺利通过，从而实现滤除噪声，提取目标信息的作用。模拟滤波器分为无源滤波器和有源滤波器。其中有源滤波器由于其面积小，功耗小，易于集成等优点被广泛应用。有源滤波器可分为Active-RC滤波器、开关电容滤波器和Gm-C滤波器。由于受到运算放大器增益、带宽的限制，Active-RC滤波器和开关电容滤波器仅仅适合于低中频的应用。Gm-C滤波器，工作于开环的状态下，受到运放的带宽限制较小，对于低频到高频状态均适用。因此,Gm-C滤波器成为了在无线通信系统中应用最为广泛的结构。由于不同的通信系统(蓝牙，WCDMA，LTE，ANDW-LAN)使用不同的信道带宽，为了支持多标准通信，同时减小体积和降低成本，多模接收机得到了广泛的研究和关注。多模滤波器是多模接收机的关键组成部分，在零中频接收机中，低通滤波器被用在下变频混频器和模数转换器之间。

通常，Gm-C滤波器的频率调节可以通过控制开关电容阵列或者可调跨导放大器来实现。其中通过可调跨导放大器实现的调节是连续型的，但是综合考虑线性度，噪声和功率消耗等方面，单一的跨导放大器很难实现宽范围的频率调节。为了扩展跨导放大器的固有调节范围，可以通过开关电容阵列实现频率的离散调节，如图1所示。但是由于开关与电容串联，将会产生很大的寄生效应。当滤波器的截止频率最大时，电容值最小，热噪声很大。

技术实现要素：

针对上述现有技术，为了实现具有宽调节范围的滤波器，同时有效地减小寄生效应以及提高信号噪声比，本发明提出一种用于多模零中频接收机的三阶低通Gm-C滤波器，该滤波器在截止频率的调节过程中保持电容的最大化，从而最大化了信号噪声比。此外，由于在信号通路上不存在开关，有效地避免了寄生电阻以及开关非线性。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于多模零中频接收机的三阶低通Gm-C滤波器，该滤波器包括第一跨导放大器模块、第二跨导放大器模块和8个开关；所述第一跨导放大器模块和第二跨导放大器模块并联，所述第一跨导放大器模块包括6个跨导放大器和6个电容模块，第一跨导放大器模块中的6个跨导放大器分别记作Gm1、Gm2、Gm3、Gm4、Gm5和Gm6，6个电容模块分别记作电容模块C11、电容模块C12、电容模块C21、电容模块C22、电容模块C31和电容模块C32；所述第二跨导放大器模块包括6个跨导放大器，分别记作Gm7、Gm8、Gm9、Gm10、Gm11和Gm12；所述8个开关记作开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6、开关S7、开关S8；上述各器件之间的连接关系如下：

Gm1的正输入端与开关S1相连作为滤波器的正输入端；Gm1的负输入端与开关S2相连作为滤波器的负输入端；Gm1的负输出端同时与Gm2的正输入端、Gm2的负输出端、Gm3的正输入端、开关S3以及电容模块C11相连；Gm1的正输出端同时与Gm2的负输入端、Gm2的正输出端、Gm3的负输入端、开关S4以及电容模块C12相连；

Gm3的正输出端同时与Gm4的负输出端、Gm5的正输入端、开关S5以及电容模块C21相连；Gm3的负输出端同时与Gm4的正输出端、Gm5的负输入端、开关S6以及电容模块C22相连；

Gm5的正输出端同时与Gm6的正输入端、Gm6的负输出端、Gm4的正输入端、开关S7以及电容模块C31相连；Gm5的负输出端同时与Gm6的负输入端、Gm6的正输出端、Gm4的负输入端、开关S8以及电容模块C32相连；

Gm6的负输出端作为滤波器的正输出端，Gm6的正输出端作为滤波器的负输出端；

Gm7的正输入端与开关S1相连，Gm7的负输入端与开关S2相连，Gm7的负输出端同时与Gm8的正输入端、Gm8的负输出端、Gm9的正输入端以及开关S3相连；Gm7的正输出端同时与Gm8的负输入端、Gm8的正输出端、Gm9的负输入端以及开关S4相连；

Gm9的正输出端同时与Gm10的负输出端、Gm11的正输入端以及开关S5相连；Gm9的负输出端同时与Gm10的正输出端、Gm11的负输入端以及开关S6相连；

Gm11的正输出端同时与Gm12的正输入端、Gm12的负输出端、Gm10的正输入端以及开关S7相连；Gm11的负输出端同时与Gm12的负输入端、Gm12的正输出端、Gm10的负输入端以及开关S8相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明滤波器在频率调节过程中维持电容的最大化，拥有最大的信号噪声比。同时有效地避免了寄生电阻以及开关非线性，使其满足了宽可调范围的Gm-C滤波器的设计。

附图说明

图1是传统的利用开关电容实现宽范围调节的三阶低通Gm-C滤波器的结构；

图2是本发明利用开关跨导放大器实现宽范围调节的三阶低通Gm-C滤波器的结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提出的一种用于多模零中频接收机的三阶低通Gm-C滤波器，其设计思路是通过可调跨导放大器以及开关跨导放大器共同实现了大范围的调节。其中，可调跨导放大器实现了滤波器截止频率的连续调节，是该滤波器的细调机制。开关跨导放大器实现了滤波器截止频率的离散调节，是该滤波器的粗调机制。

如图2所示，本发明提出的一种用于多模零中频接收机的三阶低通Gm-C滤波器，该滤波器包括第一跨导放大器模块、第二跨导放大器模块和8个开关。

所述第一跨导放大器模块和第二跨导放大器模块并联。

所述第一跨导放大器模块包括6个跨导放大器和6个电容模块，其中的6个跨导放大器分别记作Gm1、Gm2、Gm3、Gm4、Gm5和Gm6，6个电容模块分别记作电容模块C11、电容模块C12、电容模块C21、电容模块C22、电容模块C31和电容模块C32。

所述第二跨导放大器模块包括6个跨导放大器，分别记作Gm7、Gm8、Gm9、Gm10、Gm11和Gm12。

所述8个开关记作开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6、开关S7、开关S8。

上述各器件(即包括上述12个跨导放大器、6个电容模块和8个开关)之间的连接关系如下：

Gm1的正输入端与开关S1相连作为滤波器的正输入端；Gm1的负输入端与开关S2相连作为滤波器的负输入端；Gm1的负输出端同时与Gm2的正输入端、Gm2的负输出端、Gm3的正输入端、开关S3以及电容模块C11相连；Gm1的正输出端同时与Gm2的负输入端、Gm2的正输出端、Gm3的负输入端、开关S4以及电容模块C12相连。

Gm3的正输出端同时与Gm4的负输出端、Gm5的正输入端、开关S5以及电容模块C21相连；Gm3的负输出端同时与Gm4的正输出端、Gm5的负输入端、开关S6以及电容模块C22相连。

Gm5的正输出端同时与Gm6的正输入端、Gm6的负输出端、Gm4的正输入端、开关S7以及电容模块C31相连；Gm5的负输出端同时与Gm6的负输入端、Gm6的正输出端、Gm4的负输入端、开关S8以及电容模块C32相连。

Gm6的负输出端作为滤波器的正输出端，Gm6的正输出端作为滤波器的负输出端。

Gm7的正输入端与开关S1相连，Gm7的负输入端与开关S2相连，Gm7的负输出端同时与Gm8的正输入端、Gm8的负输出端、Gm9的正输入端以及开关S3相连；Gm7的正输出端同时与Gm8的负输入端、Gm8的正输出端、Gm9的负输入端以及开关S4相连。

Gm9的正输出端同时与Gm10的负输出端、Gm11的正输入端以及开关S5相连；Gm9的负输出端同时与Gm10的正输出端、Gm11的负输入端以及开关S6相连。

Gm11的正输出端同时与Gm12的正输入端、Gm12的负输出端、Gm10的正输入端以及开关S7相连；Gm11的负输出端同时与Gm12的负输入端、Gm12的正输出端、Gm10的负输入端以及开关S8相连。

本发明用于多模零中频接收机的三阶低通Gm-C滤波器的工作原理如下：

(1)当开关控制第一跨导放大器模块与第二跨导放大器模块断开时，本发明结构的滤波器工作在低频调节模式。此时滤波器由第一跨导放大器模块组成，即包括6个跨导放大器：Gm1，Gm2，Gm3，Gm4，Gm5，Gm6以及6个电容模块：C11，C12，C21，C22，C31，C32。其中跨导放大器Gm1和Gm2以及电容模块C11和C12组成了一阶滤波器，令电容模块C11和C12的电容值相等：C11＝C12＝C₁，则传输函数可以表示为

$H1\left(s\right)=\frac{V_{O1}\left(s\right)}{V_i\left(s\right)}=\frac{G_{m1}/C_1}{s+G_{m2}/C_1}$

其中，V_O1为跨导放大器Gm2负正输出端的电压，V_i为跨导放大器Gm1正负输入端的电压。G_m1，G_m2分别为跨导放大器Gm1，Gm2的跨导值。

跨导放大器Gm3、Gm4、Gm5和Gm6以及电容模块C21、C22、C31和C32组成了二阶滤波器，令电容模块C21和C22的电容值相等：C21＝C22＝C₂，电容模块C31和C32的电容值相等：C31＝C32＝C₃，则传输函数可以表示为

$H2\left(s\right)=\frac{V_O\left(s\right)}{V_{O1}\left(s\right)}=\frac{G_{m3}{G}_{m5}/C_2{C}_3}{s^2+\frac{G_{m6}}{C_3}s+G_{m4}{G}_{m5}/C_2{C}_3}$

其中，V_O为跨导放大器Gm6的负正输出端的电压，G_m3，G_m4，G_m5，G_m6分别为跨导放大器Gm3、Gm4、Gm5和Gm6的跨导值。

因此，第一跨导放大器模块的传输函数为

$H\left(s\right)=H1\left(s\right)\×H2\left(s\right)=\frac{G_{m1}/C_1}{s+G_{m2}/C_1}*\frac{G_{m3}{G}_{m5}/C_2{C}_3}{s^2+\frac{G_{m6}}{C_3}s+G_{m4}{G}_{m5}/C_2{C}_3}$

当G_m1＝G_m2＝G_m3＝G_m4＝G_m5＝G_m6＝G_m，C₁＝C₂＝C₃＝C时，

$f_c=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{G_m}{C}$

其中，f_c为第一跨导放大器模块的截止频率。对于单一的可调跨导放大器，当其跨导值的变化为则在电容维持不变的时候，截止频率的变化为变化范围为到

(2)当开关控制将第二跨导放大器模块与第一跨导放大器模块模块并联在一起，本发明结构的滤波器工作在高频调节模式。令第二跨导放大器模块中6个跨导放大器的跨导值相等，即：G_m7＝G_m8＝G_m9＝G_m10＝G_m11＝G_m12＝xG_m，其中G_m7，G_m8，G_m9，G_m10，G_m11，G_m12分别为跨导放大器Gm7、Gm8、Gm9、Gm10、Gm11和Gm12的跨导值。此时，截止频率的变化范围为到截止频率的变化倍数仍然等于单一跨导放大器的固有变化倍数α，为了实现该滤波器的大范围的连续调节，应该使即x＝α-1。此时本发明结构的滤波器能够实现的截止频率的最大变化范围是到变化倍数为α²。本发明滤波器由于在信号通路上不存在开关，有效地避免了寄生电阻以及非线性对滤波器的影响。同时保持电容值的最大化，获得了最大的信号噪声比。

在具体工作过程中，需要根据滤波器截止频率的变化倍数来确定跨导放大器的调节倍数，并根据截止频率的变化范围来确定电容模块的取值。通过开关控制第二跨导放大器模块的接入和与第一跨导放大器模块的断开，以实现滤波器工作模式(低频，高频)的调节。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。