專利名稱：一種片上集成的低噪聲有源濾波器的自適應電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微電子學技術領域，是一種適于集成在芯片內部、設計周期短、穩(wěn)定性高的低噪聲Gm-C有源濾波器的自適應電路。
背景技術：
隨著集成電路飛速發(fā)展，芯片的集成度越來越高。射頻電路也從分立元件向高集成度的方向發(fā)展，尤其射頻CMOS(RF-CMOS)已經開始在很多應用上替代雙極或砷化鎵器件，從而能夠和模擬電路或數字電路一起集成在硅片上，獲得很高的集成度，這更有利于使電子產品越來越小，成本越來越低。
另一方面，射頻接收機的結構有了很大的改變，由最穩(wěn)定可靠的數次下變頻的超外差式結構逐漸演變?yōu)槟壳傲餍械囊淮蜗伦冾l的低中頻、零中頻等結構，從而把第一次下變頻得到的中頻由較高的頻率(數百MHz)降低到較低的中頻(0～數MHz)，這樣節(jié)省了較高中頻的濾波器，而且在較低的頻率下濾波有很大優(yōu)勢，功耗低、易實現，易于片上集成的低中頻濾波器是目前RF-CMOS技術研究的熱門之一，也是全集成射頻接收機的技術難點。
噪聲的問題是射頻電路需要解決重要難題，射頻接收機的噪聲主要有兩種熱噪聲和鏡像噪聲，熱噪聲對系統(tǒng)的影響可以用噪聲系數(NF)來衡量，而對鏡像噪聲的抑制主要用鏡像抑制比(IMRR)衡量。低中頻的射頻接收機需要在一次下變頻后直接濾除鏡像信號的干擾，性能優(yōu)良的復數濾波器能夠很好地完成這個任務，而濾除有用信號帶以外噪聲的濾波器由低通或帶通濾波器完成。在濾波的同時，濾波電路不希望引入過大的熱噪聲，因此濾波器可以采用無源元件以降低噪聲，但是由于無源元件的器件參數過大而不可能集成在芯片上，因此采用了噪聲較大但易于集成的有源濾波器。
目前有源濾波器的實現方法有很多種，比較好的方法是以無源濾波器為原型，用跨導器(Gm)和電容(C)實現無源濾波器中的電感，電容C比較容易集成而保留原有的參數，這種有源濾波器只包含Gm和C兩種單元電路，因此稱為Gm-C有源濾波器。有源濾波器的噪聲比無源濾波器大得多，有時前級放大的信號要小于濾波器引入的噪聲(或者可以匹敵)，這時濾波器會極大惡化接收系統(tǒng)的信噪比，尤其針對低靈敏度的射頻接收機(如GPS射頻接收機)。
由于有源濾波器采用了有源電路，器件參數隨溫度、工藝、器件老化等因素變化劇烈，在不同外界條件下，濾波器性能已經不能滿足電路需要，因此，客觀上需要增加自適應電路以穩(wěn)定濾波器的性能?？尚械姆椒ㄊ抢猛饨缫粋€或某些不隨環(huán)境變化的固定參數作參考，通過一套機制調節(jié)濾波器的器件性能，使濾波器的性能由這些固定參數決定，這樣濾波器的性能就可以不受溫度、工藝、器件老化等因素的影響。利用鎖相環(huán)作自適應電路，就是利用外界晶振作參考源，進而穩(wěn)定了濾波器的性能。
在使用鎖相環(huán)作自適應電路的同時，濾波器的結構必須采用便于PLL控制的結構，其中跨導器由數個固定跨導值的跨導單元并聯組成，并且由于PLL內部具有壓控振蕩器這個振蕩源，所以需要選擇合適的振蕩頻率，否則這個振蕩信號會通過控制電壓耦合到有用信號中，惡化接收機的噪聲系數，即在使用自適應電路時不希望引入額外的噪聲。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于使用鎖相環(huán)PLL穩(wěn)定Gm-C有源濾波器的電性能，并且Gm-C有源濾波器中的跨導器采用合理的結構以便于PLL的自適應電路的調節(jié)。
采用固定值跨導單元并聯組成跨導器的電路結構，可以精細地設計跨導單元，所有跨導器的跨導值是跨導單元的整數倍，例如跨導單元為10uS，則跨導器跨導值可以是n×10uS(n為≥1的整數)，這樣可以迅速用跨導單元構造出濾波器需要的所有跨導器。由于所有的跨導單元均相同，所以一個跨導器中所有的跨導單元共用一個共模反饋電路，而且輸出并聯的跨導器可以共用一個Folded-Cascode(FC)電路以增加輸出電阻，由于節(jié)省了冗余的共模反饋和FC電路，跨導器可以節(jié)省很多面積和功耗，采用這種結構的跨導器，設計時迅速而便利，可以極大地縮短設計周期。
抽取與濾波器內結構相同的Gm-C單元構成壓控振蕩器(VCO)，增加限幅電路限制VCO的振幅，并把VCO連接入鎖相環(huán)，鎖相環(huán)中VCO振蕩頻率與Gm/C成正比，鎖相環(huán)本身是一個閉環(huán)反饋電路，可以自身動態(tài)調整跨導器的控制電壓，使VCO振蕩頻率與外接晶振頻率相同，晶振本征振蕩頻率基本不隨時間、溫度等因素變化，因此外接晶振能夠穩(wěn)定VCO中Gm/C的值，VCO的偏置(即由鎖相環(huán)動態(tài)調整的控制電壓)同樣提供給濾波器各Gm-C電路，Gm-C濾波器由跨導器Gm和電容C組成，而且濾波性能由Gm/C決定，所以由PLL提供的控制電壓也使濾波器的電特性保持穩(wěn)定，實現了濾波器的自適應。此外VCO提供的偏置上有基波頻率為VCO振蕩頻率的噪聲干擾，主要是由電荷泵的開關引入的電壓波動，這個干擾將影響濾波器的系統(tǒng)性能，因此只要選取基波頻率高于有用信號的最高頻率就可以成功解決這個問題。另外由于VCO的振蕩電壓通過寄生電容耦合到控制電壓上，所以如上文所述，增加了限幅電路，形成了小振幅的VCO，這樣耦合到控制電壓上的信號大幅降低。
通過以上的措施，實現了Gm-C有源濾波器的自適應，而且在增加自適應電路的同時，保留了自適應電路的正面作用，消除了其本身帶來的負面影響。
一種片上集成的低噪聲有源濾波器的自適應電路，由鎖相環(huán)和濾波器兩個部分組成，其中，鎖相環(huán)部分包括壓控振蕩器、鑒頻鑒相器、電荷泵以及環(huán)路濾波器循環(huán)連接構成一個鎖相環(huán)；濾波器部分包含增益級、Gm-C有源濾波器以及跨導單元，增益級、Gm-C濾波器以及跨導單元依次串聯，環(huán)路濾波器的輸出控制電壓直接作為所有跨導單元的直流偏置電壓，這個電壓連既是鎖相環(huán)中VCO的偏置電壓，也是濾波器的偏置電壓。
所述的片上集成的低噪聲有源濾波器的自適應電路，Gm-C單元構成壓控振蕩器VCO。
所述的片上集成的低噪聲有源濾波器的自適應電路，Gm-C有源濾波器由跨導器Gm和電容C組成。
所述的片上集成的低噪聲有源濾波器的自適應電路，壓控振蕩器VCO內跨導器由數個固定跨導值的跨導單元并聯組成，且跨導器偏置電壓由鎖相環(huán)PLL的環(huán)路濾波器提供。
所述的片上集成的低噪聲有源濾波器的自適應電路，Gm-C有源濾波器具有如下特征1)Gm-C有源濾波器帶有鎖相環(huán)自適應電路；2)濾波器內的跨導器由數個固定跨導值的跨導單元并聯組成；3)濾波器內跨導單元的跨導值由偏置電壓調節(jié)，并與VCO內跨導單元偏置電壓一致，都由PLL的環(huán)路濾波器提供。
本發(fā)明采用下述方法1)用外界穩(wěn)定的晶振做參考源使Gm-C保持恒定，進而穩(wěn)定有源濾波器的方法，即用鎖相環(huán)PLL做有源濾波器的自適應電路的結構和方法；2)外接晶振與壓控振蕩器振蕩頻率一致(即不包含分頻電路)，且高于信號頻率以降低有用帶寬內噪聲的方法；3)Gm-C結構的VCO的振蕩幅度小于跨導器動態(tài)范圍，即采用小振幅VCO以降低振蕩引入有用帶寬內噪聲的方法。


為進一步說明本發(fā)明的技術特征，以下結合實施例及附圖對本發(fā)明作詳細的描述，其中圖1是片上集成的低噪聲有源濾波器自適應電路圖。
圖2是跨導單元構成的跨導器。
圖3是復制濾波器中Gm-C電路組成的限幅振蕩VCO的示例圖。
圖4是五階切比雪夫有源濾波器仿真結果的對比圖。
具體實施例方式
低噪聲有源濾波器自適應電路就是用鎖相環(huán)控制濾波器的性能，其電路結構原理如圖1所示。為了便于濾波器的自適應控制，濾波器以及鎖相環(huán)中的跨導器均由具有相同跨導值的跨導單元并聯組成。圖1中右側方框中的電路是一個濾波器的示意圖，完全由跨導器和電容組成，濾波性能也取決于這兩個因素。然后復制跨導-電容(Gm-C)的組合到壓控振蕩器VCO中，如圖1中虛線部分所示。VCO和鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)以及環(huán)路濾波器(LPF)一起構成一個鎖相環(huán)，如圖1中右側方框中的電路所示。環(huán)路濾波器的輸出控制電壓直接作為所有跨導單元的直流偏置電壓，這個電壓連既是鎖相環(huán)中VCO的偏置電壓，也是濾波器的偏置電壓，如圖1中連接VCO和濾波器的實線所示。
鎖相環(huán)是一個頻率負反饋系統(tǒng)，圖1中如果VCO振蕩頻率與外接晶振頻率不一致，則經過鑒頻鑒相器、電荷泵以及環(huán)路濾波器處理后，這個頻率差致使控制電壓上升或下降，控制電壓作為跨導器的直流偏置電壓，在直流偏置電壓改變后，跨導器的跨導值隨直流偏置電壓的改變而改變，跨導值的改變必然引起VCO振蕩頻率的調節(jié)，而且這個頻率的調節(jié)是與頻率差相反向的，即形成一個負反饋。在系統(tǒng)穩(wěn)定后，VCO振蕩頻率與輸入的晶振頻率相同，且保持恒定。此時所有跨導器和電容的比值Gm/C值保持一個恒定值，不隨時間、溫度、工藝條件改變，這樣就使濾波器的電特性不受上述條件的影響，實現了濾波器的自適應。
在實現Gm-C有源濾波器時，首先根據無源濾波器原型構造有源濾波器，并根據具體參數構造離散的Gm值，這些Gm值具有相同的最小公約數，然后選取這個最小公約數作為跨導單元Gmu的跨導值，這樣一來所有跨導器的跨導值是Gmu的整數倍，把跨導單元并聯得到跨導器。在圖2中，用三個跨導單元構造了一個Gm＝3×Gmu的跨導器，這樣在設計跨導器時，只需要設計一個跨導單元，然后進行電路圖和版圖的復制并進行相應的連接，這必將使設計更加便利和迅速，極大地縮短了設計周期。
在一個跨導器中的跨導單元可以共用一個共模反饋(CMFB)電路，在保證跨導器共模穩(wěn)定的同時，不必為每一個跨導單元增加各自的共模反饋電路，這樣無疑會節(jié)省很多共模反饋電路，在電路規(guī)模和功耗上優(yōu)化了跨導器。
Gm-C有源濾波器具有如下特征
1)Gm-C有源濾波器帶有鎖相環(huán)自適應電路；2)濾波器內的跨導器由數個固定跨導值的跨導單元并聯組成；3)濾波器內跨導單元的跨導值由偏置電壓調節(jié)，并與VCO內跨導單元偏置電壓一致，都由PLL的環(huán)路濾波器提供。
圖2是跨導單元構成的跨導器，以及跨導器共用的Folded-cascode(FC)電路和共模反饋(CMFB)電路的示例圖。
在圖2中一個跨導器中的三個跨導單元共用一個CMFB電路。
在有些應用情況，比如濾波器工作頻率較高時，由于跨導器輸出電阻不夠大而引起濾波器相位或幅度不夠理想，需要增加Folded-cascode(FC)電路以提高輸出電阻，這使不必為每個跨導器配備各自的FC電路，可以把輸出連接在一起的跨導器共享一個FC電路。在圖2中兩個跨導器共用一個FC電路。
在濾波器的電性能達到要求以后，重點是增加濾波器自適應的功能，其主導思想就是利用外界穩(wěn)定的晶振頻率控制濾波器的增益和帶寬。在實施時，首先選取濾波器結構相同的Gm-C單元構成小振幅壓控振蕩器(VCO)，由于電路決定了跨導器的線性范圍，所以由跨導器構成的有源濾波器的線性范圍比較小，因此如果VCO振蕩幅度過大則Gm-C單元脫離線性工作區(qū)，這與濾波器中的Gm-C單元工作條件大相徑庭，因此必須保證VCO的Gm-C單元與濾波器中的Gm-C單元工作條件相同才能用VCO精確反應濾波器中Gm-C單元的電特性。所以需要在VCO中增加限幅電路使VCO振幅在濾波器線性范圍的70％以下，這樣的Gm-C式VCO才能精確控制濾波器的性能。同時由于VCO的振蕩信號會通過寄生電容耦合到濾波器中的有用信號上，采用小振幅的VCO，耦合到控制電壓上的信號就大幅降低了。
VCO振蕩頻率與Gm/C成正比，當小振幅VCO并連接入鎖相環(huán)后，鎖相環(huán)通過調整跨導器的偏置電流調整Gm值，進而改變VCO的振蕩頻率，當VCO振蕩頻率與外接晶振頻率相同時，環(huán)路達到動態(tài)的平衡，此時，VCO振蕩頻率嚴格等于晶振本征振蕩頻率，且穩(wěn)定度與晶振穩(wěn)定度一樣好。外接晶振基本不隨時間、溫度等因素變化，因此由VCO振蕩頻率決定的Gm/C的值也極其穩(wěn)定。VCO控制其內的跨導器的偏置電流同樣地提供給濾波器各Gm-C電路，從而使濾波器的電特性保持穩(wěn)定，實現了濾波器的自適應。
圖3是復制濾波器中Gm-C電路組成的限幅振蕩VCO，并基于此VCO實現的鎖相環(huán)(PLL)的示例圖。描述了帶限幅電路的VCO組成的鎖相環(huán)。
采用PLL實現有源濾波器自適應的同時，VCO提供的電流偏置上有基波頻率為VCO振蕩頻率的噪聲干擾，這個干擾主要來自于電荷泵的開關引入控制電壓(Vctrl)上的波動，這個干擾在一定程度上將影響系統(tǒng)性能。在實施PLL自適應時，只要選取基波頻率高于有用信號的最高頻率就可以成功解決這個問題，換句話說，就是VCO振蕩頻率一定要高于最高有用信號頻率。
如果嚴格按照以上的電路結構和設計方法設計Gm-C有源濾波器，就可以實現片上集成的低噪聲自適應有源濾波器。以下通過仿真5階切比雪夫(Chebyshev)有源濾波器來驗證這種結構的優(yōu)良性能，濾波器使用TSMC 0.25um的工藝實現。
圖4是五階切比雪夫有源濾波器在(-50，-30，0，25，50，100)攝氏度時，不帶自適應電路的幅頻響應(上)與帶自適應電路的幅頻響應(下)仿真結果的對比。從圖中可以看出不帶自適應電路的濾波器在溫度變化較大時，帶寬有很大變化，曲線從下到上對應的溫度依次升高，最差情況帶寬變化超過了1/3。而帶自適應電路的濾波器在溫度變化范圍很大時，幅頻響應曲線幾乎重合，即在溫度變化很大時，濾波器性能幾乎不受影響。在圖中需要注意的是，在室溫下(25攝氏度)二者的幅頻響應曲線(在圖中用粗實線標出)一致，也就是說自適應濾波器幾乎穩(wěn)定在室溫下的性能。
權利要求
1.一種片上集成的低噪聲有源濾波器的自適應電路，由鎖相環(huán)和濾波器兩個部分組成，其中，鎖相環(huán)部分包括壓控振蕩器、鑒頻鑒相器、電荷泵以及環(huán)路濾波器循環(huán)連接構成一個鎖相環(huán)；濾波器部分包含增益級、Gm-C有源濾波器以及跨導單元，增益級、Gm-C濾波器以及跨導單元依次串聯，環(huán)路濾波器的輸出控制電壓直接作為所有跨導單元的直流偏置電壓，這個電壓連既是鎖相環(huán)中VCO的偏置電壓，也是濾波器的偏置電壓。
2.根據權利要求1所述的片上集成的低噪聲有源濾波器的自適應電路，其特征在于，Gm-C單元構成壓控振蕩器VCO。
3.根據權利要求1或2所述的片上集成的低噪聲有源濾波器的自適應電路，其特征在于，Gm-C有源濾波器由跨導器Gm和電容C組成。
4.根據權利要求1所述的片上集成的低噪聲有源濾波器的自適應電路，其特征在于，壓控振蕩器VCO內跨導器由數個固定跨導值的跨導單元并聯組成，且跨導器偏置電壓由鎖相環(huán)PLL的環(huán)路濾波器提供。
5.根據權利要求1所述的片上集成的低噪聲有源濾波器的自適應電路，其特征在于，Gm-C有源濾波器具有如下特征1)Gm-C有源濾波器帶有鎖相環(huán)自適應電路；2)濾波器內的跨導器由數個固定跨導值的跨導單元并聯組成；3)濾波器內跨導單元的跨導值由偏置電壓調節(jié)，并與VCO內跨導單元偏置電壓一致，都由PLL的環(huán)路濾波器提供。
全文摘要
本發(fā)明涉及微電子學技術領域，特別是一種片上集成的低噪聲有源濾波器的自適應電路。由鎖相環(huán)和濾波器兩個部分組成，其中，鎖相環(huán)部分包括壓控振蕩器、鑒頻鑒相器、電荷泵以及環(huán)路濾波器循環(huán)連接構成一個鎖相環(huán)；濾波器部分包含增益級、Gm－C有源濾波器以及跨導單元，增益級、Gm－C濾波器以及跨導單元依次串聯，環(huán)路濾波器的輸出控制電壓直接作為所有跨導單元的直流偏置電壓，這個電壓連既是鎖相環(huán)中VCO的偏置電壓，也是濾波器的偏置電壓。本發(fā)明的電路保證了濾波器性能不隨溫度、工藝、器件老化等因素的影響，實現了濾波器的自適應。
文檔編號H03H11/04GK101064501SQ200610076010
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月24日 優(yōu)先權日2006年4月24日
發(fā)明者杜占坤, 陳杰 申請人:中國科學院微電子研究所