基于GSM 接收机的集成多相滤波器设计

摘要：本文介绍了用于GSM接收机的低中频多相滤波器的设计，采用有源RC电路架构且单片全集成。设计采用TSMC 0.18um CMOS工艺，通过spectre仿真，滤波器的中心频率为110kHz，带宽200kHz，增益30dB，镜像抑制比38dB。

1、引言

随着集成电路和便携式无线传输系统的快速发展，人们正努力把各种射频（RF）与中 频（IF）功能电路都集成在同一芯片上，因而可同时降低芯片功耗和成本。 无线通信接收机的主要结构有超外差、零中频、低中频三种，其中超外差式接收机所需 的高阶带通滤波器不宜集成，不适合单片接收机系统。零中频接收机由于受CMOS 电路的 1/f 噪声和集中于基带附近的偶次谐波失真等的影响，信噪比不高。对于窄带通信系统，该 结构有一定的局限性[1]。 低中频接收机采用一个较低的中频，把有用信号与直流寄生失调和1/f 噪声从频谱上分 开，从而避开了他们的干扰。它还具有不需要片外高阶带通滤波器、集成度好、可克服直流 失调和1/f 噪声干扰等优点[2]，因此，对于GSM 和DCS 等窄带通信系统，该结构是一种较 好的选择[3]。但是，下变频为低中频后也带来了镜像信号的抑制等问题，因而在单一芯片 上获得足够高的镜像抑制成为全集成的主要障碍之一。本文给出了用于GSM 接收机的集成 低中频多相位滤波器设计，采取了相应措施，解决了镜像抑制和双路信号精确匹配等问题。

2、多相滤波器分析

在低中频接收机中，射频信号经过正交下变频，在I、Q两路信号中有用信号和镜像信号 频率相同但相位相反即一个为正频率，另一个在负频率。对于一维实数域滤波器，如图1所 示（低通，其它亦如此），由于其幅频响应对于正负频率分量对称，因而无法在滤出正频率 信号分量的同时抑制负频率信号分量[4]。对于多相滤波器，由于对正负频率分量幅频响应 不同,因而可实现在滤出有用信号的同时抑制镜像干扰。

图2是五阶多相位滤波器极点分布与幅频响应曲线示意图。它是在图1实数域五阶低通滤波器基础上将极点向上平移ωc的情况，得到了中心频率为ωc的复数带通滤波器，亦即多相 滤波器，是直接变频式低中频接收机中抑制镜像和邻频道干扰的主要技术之一, 其设计直接 影响着接收机的整体性能。

　　理论上，多相滤波器可通过实域单相滤波器导出。以一阶实域低通滤波器为例，其传递函数为：

　3、电路设计

多相滤波器的结构有无源和有源两种，其中无源结构要实现较宽的带宽必须由多阶级 联，而多阶级联结构又是有损的，输出信号将会有很大程度的衰减，这就要求有额外的缓冲 结构进行补偿，这样在增大芯片面积的同时必将又增大滤波器的功耗。另外对于无源多项滤 波器，要实现较高的镜像抑制比和较高的精度还必须要求电阻电容有极高的精度，这势必又 要增大芯片面积[5]。这里采用有源RC 结构，能够有效克服以上各方面不足，图3 是拟设计 的一阶多相滤波器框图和电路原理图。

因此，为了得到较高的镜像抑制能力，通常选择较高的中心频率和高阶滤波器[6]。图4 是本文设计的五阶多相位滤波器原理图，它基本是在图3 单阶基础上的级联。为了减小工艺 参数和温度的变化对滤波器拐角频率的影响，实现时增加了可调电容以对滤波器频率特性进 行校正。

4、版图和仿真结果

设计采用 TSMC 0.18um CMOS 工艺。图5 是所设计的芯片版图，最终实现面积为1026 μm*204μm。在版图设计过程中必须注意I、Q 通路以及各通路中正、反向端的严格匹配， 其中的无源元件电阻电容分别采用高值多晶硅电阻和MIM 电容，以实现较高的精度。

在电源电压 2.8~3V、温度-40~120 度的范围、各种工艺下对图5 电路进行前、后仿验证， 该滤波器能够稳定可靠的工作。图6 是AC 仿真结果，中心频率为110kHz，带宽200kHz， 增益30dB，镜像抑制比38dB。

5、结论

本文给出了用于 GSM 低中频接收机中的有源多相滤波器分析和设计过程。采用TSMC 0.18um 工艺，仿真结果表明该滤波器在各种工艺、温度和电源电压下能够稳定可靠的工作， 实现中心频率110kHz，带宽200kHz，增益30dB，镜像抑制比38dB，可用于全集成GSM 接收机中。

本文作者创新点：本文根据GSM 窄带通信系统低中频接收机的结构特点，设计全集成 有源多相位滤波器，电路在完成滤波的同时能有效地抑制镜像信号的干扰，实现了高集成度、 低功耗、高效率的性能