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導航系統中頻濾波器的設計

2016年電子技術應用第6期

黃海生，景哏評，李鑫，陳順舟

西安郵電大學電氣工程學院，陜西西安710121

摘要： 針對導航系統射頻接收機中中頻濾波器只能接收單頻段信號的問題，采用TSMC RFCMOS 0.18 μm工藝，設計了一款帶外抑制高、帶內平坦度低和線性度好的六階切比雪夫中頻濾波器，用于接收北斗衛星導航系統的B1頻段信號和全球定位系統(Global Positioning System，GPS)的L1頻段信號的射頻接收機中。該濾波器以具有增益的雙極點節結構為基礎，通過采用三階級聯的方式實現。利用Cadence軟件中Spectre對電路進行仿真表明，該濾波器的中心頻率為4 MHz，-3 dB帶寬為4 MHz，有源增益為13 dB，增益平坦度±1 dB，在28 MHz時衰減大于20 dB，運放增益大于45 dB，運放帶寬大于190 MHz，運放的相位裕度大于60°，1 dB壓縮點為-14 dBm。

關鍵詞： 中頻濾波器增益 1dB壓縮點相位裕度

中圖分類號： TN46
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.010
中文引用格式： 黃海生，景哏評，李鑫，等. 導航系統中頻濾波器的設計[J].電子技術應用，2016，42(6)：38-40，45.
英文引用格式： Huang Haisheng，Jing Genping，Li Xin，et al. Design of navigation system intermediate frequency filter[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：38-40，45.

Design of navigation system intermediate frequency filter

Huang Haisheng，Jing Genping，Li Xin，Chen Shunzhou

School of Electronic Engineering，Xi′an University of Posts and Telecommunications，Xi′an 710121，China

Abstract： In this paper，a high out-band restraint，low in-band flatness and high linearity six order Chebyshev filter is proposed to solve the problem of the Intermediate Frequency Filter(IFF) that can only receive single frequency band signal in the Radio Frequency(RF) receiver of navigation system,it can be used to Radio Frequency(RF) receiver which can receive B1 frequency band signal from BD Satellite Navigation System and L1 frequency band signal from GPS. The filter is on the basis of double pole section of gain structure,through the adoption of three class united way to implement. The circuit is simulated by the Spectre in Cadence which indicates that the center frequency is 4 MHz, the -3 dB bandwidth is 4 MHz, the active gain is 13 dB,Gain flatness ±1 dB. Attenuation is more than 20 dB when 28 MHz, The gain of the operational amplifier is greater than 45 dB, and the bandwidth of it is more than 190 MHz, the phase margin of it is greater than 60°，1 dB compression point for -14 dBm.

Key words : IFF；gain；P1dB；phase margin

0 引言

隨著美國導航系統GPS的發展，GPS憑借其自身的優勢，已經涉及到生活的各個領域，相比GPS系統，我國的導航產業還處于初期階段，中頻帶通濾波器作為全集成接收機芯片中的一個重要組成部分是不可缺失的，因此對其研究也顯得尤為重要。本文基于TSMC 0.18 μm CMOS工藝技術對導航系統的中頻濾波器進行了設計，以具有增益的雙極點節為基礎，設計了一個二階有源低通濾波器，然后通過級聯的方式實現了用于導航系統的中頻濾波器。

1 Chebyshev切比雪夫濾波器

由于ChebyshevI型和ChebyshevII型濾波器可以將要求的指標精度均勻地分布在通帶內或阻帶內，正因為如此，才能夠在滿足指標的情況下很容易設計出階數較低的濾波器,而Chebyshev I型滿足本設計指標要求。Chebyshev I型幅頻特性如圖1所示。

2 濾波器階數的確定

由公式[2]：

α_min為阻帶內的最小衰減，α_max為通帶內的最大衰減，Ω_s為通帶頻率，Ω_p為阻帶頻率。根據給出的指標，通過計算可知n取6。因此該中頻濾波器結構選用3個二階切比雪夫低通濾波器和一個高通的緩沖器級聯而成，每一級為差分多路反饋二階低通濾波器。根據上述指標中的平坦度、－３ dB帶寬和n＝６這3個條件查找濾波器設計手冊，可以得到每個二階環節的傳輸函數系數。為了使濾波器的噪聲系數達到一個較低的水平，把增益盡量分配給前兩級。

3 二階低通濾波器電路設計

具有增益的雙極點節原理如圖2所示。根據二階低通濾波器的傳輸函數：

通過確定C₅，然后根據式(5)～式(9)就可以確定元件的值。

然后利用仿真工具，通過仿真修改后得到精確的值分別為：R₁=2.49 kΩ，C₂=622.238 fF，R₃=2.13 kΩ，R₄=14.919 kΩ，C₅=450 fF。

最終得二階有源低通濾波器原理圖如圖3所示。

此外，濾波器還接有一個前級緩沖放大器提供額外的增益，并保證前級的負載能力。

4 運放放大器的設計

4.1 運放結構的選擇

運算放大器主要有3種：簡單差分對、套筒式共源共柵、折疊式共源共柵結構。如圖3所示，本次設計選用普通的兩級運算放大器，因為其結構簡單而且實用。第一級由M1-M4、M17組成，采用電流源負載的雙端輸入雙端輸出的差分放大器，第二級是一個NMOS的源極跟隨器。

4.2 主運放的小信號分析

第一級為電流源負載的差動放大器，M3、M4為PMOS電流源。其差動輸入-差動輸出時的小信號電壓增益A_vd為：

與二極管連接的CMOS為負載的差分放大器相比，它的小信號電壓增益和共模輸入電壓范圍以及輸出電壓擺幅均有所提高。

第二級為NMOS管的源極跟隨器，對其小信號分析得電壓增益為：

4.3 共模反饋電路

從理論來分析上來看，差分結構的電路應該完全對稱，而且對共模信號具有很好的抑制作用。但是，在實際工程當中，由于工藝、溫度和電源電壓等一系列原因而產生失配，這時候就需要一個共模反饋電路來穩定輸出電壓，從而確保電路處于正常工作狀態。除此之外，共模反饋電路還必須具備一些自身的特征，既要對共模信號敏感，還不能影響差模信號的工作狀態。共模電路的工作原理是：

根據公式假設主電路的輸出VON增加，則流過M12的電流減小，由于流過M11和M12的總電流不變，因此導致流過M11的電流增大，即流過M16的電流增大，從而使VCMFB增大，主電路的尾電流增加，由于差分結構兩邊對稱，因此流過支路M1的電流和流過M2的電流相等，而且同時增加，從而使VON減小，當主電路的輸出VON減小時，情況與增加時剛好相反。通過這種反饋方式從而保證了輸出共模電平穩定。所設計運算放大器原理如圖4所示。