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《翻譯--為實(shí)現(xiàn)低功耗無線接收機(jī)的集成射頻帶通濾波器和振蕩器的設(shè)計(jì)》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、實(shí)現(xiàn)低功耗無線接收機(jī)的集成射頻帶通濾波器和振蕩器的設(shè)計(jì)威廉B庫恩美國堪薩斯州曼哈頓堪薩斯州立大學(xué)w.kuhn@ieee.org摘要---全集成的無線接收機(jī)需要片上射頻/中頻帶通濾波器和本地振蕩器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。分析表明：如果線上電感允許附加到電路設(shè)計(jì)中，工作在甚高頻到L波段頻率范圍內(nèi)的低功率濾波器/振蕩器的設(shè)計(jì)是可以實(shí)現(xiàn)的。工作在200Mhz的全集成LC振蕩器的雛形已經(jīng)提出，以及濾波器和振蕩器理論的發(fā)展表明用于寬帶服務(wù)的的低功耗全集成的PCS（個(gè)人通信業(yè)務(wù)）接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)了,例如DECT（數(shù)位加強(qiáng)式無線電通訊系統(tǒng)）。I引言由于AMPS/GSM/
2、DECT和其他無線服務(wù)芯片集的引入，現(xiàn)代的移動(dòng)電話和PCS產(chǎn)品的集成化程度越來越高。然而，這些無線設(shè)備中含有RF/IF部分的濾波器和本地振蕩器電路仍然是片外的，這樣就限制了最終產(chǎn)品的大小和成本降低的可能性。由于高功耗、有限的動(dòng)態(tài)范圍以及低相位噪聲的限制，試圖將RF/IF濾波器和本地振蕩器集成在硅集成處理工藝中的進(jìn)展不大。再考慮到接收機(jī)部分，這些問題使得許多的設(shè)計(jì)者轉(zhuǎn)而考慮經(jīng)典的超外差式接收機(jī)的結(jié)構(gòu)。尤其的在最近這些年直接的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)越來越受關(guān)注，理論上，所有頻道的選擇都可以通過集成程度較好的低通濾波器來實(shí)現(xiàn)。然而這樣的設(shè)計(jì)需要高質(zhì)量的本地振蕩
3、器，并且尤其需要一些位于前端的RF預(yù)選濾波器來提高帶外的抗干擾性。同樣的結(jié)論也適用于亞取樣的數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)，在射頻段它要額外引入去假頻濾波器。在發(fā)射機(jī)端，需要良好的譜純度阻止相鄰信道的干擾，并且在輸出端需要采用帶通或是低通濾波器來衰減諧振頻率。如果集成電感獲準(zhǔn)進(jìn)入IC設(shè)計(jì)活動(dòng)，所有這些要求都可以解決。一旦砷化鎵MMIC(微波單片集成)設(shè)備運(yùn)行在幾個(gè)兆赫或是更高頻段,集成硅電感就變得越來越可行。隨著BiCMOS（雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）工作頻率范圍的提高，無線設(shè)備中射頻和中頻分別向L波段和甚高頻的遷移，以及在現(xiàn)代的2-金屬和3-金屬工藝過程
4、中金屬噴鍍到基質(zhì)距離的提高，以上的發(fā)展使得集成在硅上應(yīng)用逐漸的被引用進(jìn)來。這篇論文首先回顧集成LC濾波器設(shè)計(jì)理論的最新進(jìn)展，然后擴(kuò)展到集成接收機(jī)前端的設(shè)計(jì)，還包括高性能本地振蕩器的設(shè)計(jì)。測量結(jié)果基于對用2μmCMOS工藝實(shí)現(xiàn)的全集成的200Mhz的本地振蕩器的測試并推測2Ghz本地振蕩器的設(shè)計(jì)。最后，這些結(jié)果表明一個(gè)全集成的、低功耗的PCS接收機(jī)是觸手可及的。II螺旋電感和集成的LC帶通濾波器電感可以使用MMIC設(shè)計(jì)中的螺旋尺寸通過硅集成工藝來實(shí)現(xiàn)。圖片1a展示了一個(gè)傳統(tǒng)的螺旋電感的結(jié)構(gòu)。圖片1b展示的改進(jìn)螺旋電感通常應(yīng)用在均衡電路中。圖片
5、1（a）傳統(tǒng)的螺旋電感（b）中心抽頭的螺旋電感為了說明現(xiàn)代CMOS工藝可以達(dá)到的性能，表I列出了圖片1所示傳統(tǒng)電感形狀的仿真電感值、品質(zhì)因數(shù)和自諧振頻率。這些仿真結(jié)果是基于集總電路SPICE模型考慮到近似的基質(zhì)損耗的修正。表I對于各種各樣環(huán)外大小D和匝數(shù)N的仿真電感性能8雖然對比于分布式電感設(shè)計(jì)，表中顯示的Q值非常低，但是對于許多應(yīng)用像RF低通濾波器、寬帶調(diào)諧放大器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，他們已經(jīng)足夠了。如果RF預(yù)選或者是IF的信道選擇需要帶通濾波器的小分?jǐn)?shù)帶寬，那么可以加入有源Q增大電路，如圖2所示。圖片2.Q增強(qiáng)的LC帶通濾波器電路Rp代表有限
6、Q電感及其相連電路在諧振時(shí)的等效并聯(lián)阻抗，跨導(dǎo)gmn實(shí)現(xiàn)負(fù)阻抗來抵消這一損失?？鐚?dǎo)gmi和gmo提供輸入輸出緩沖以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的二階帶通濾波器設(shè)計(jì)。高階濾波器也可以通過使用耦合諧振和類似的電路結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。A動(dòng)態(tài)范圍分析設(shè)計(jì)工作在低功耗下高Q電路時(shí)主要關(guān)注動(dòng)態(tài)范圍這一性能。因此，對圖2所示電路進(jìn)行噪聲分析并加以簡化得出動(dòng)態(tài)范圍DR的表達(dá)式其中P1dB是Rp在1dB壓縮點(diǎn)處的功率，Q0和Q分別是Q提高前和提高后諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，BIF是使用濾波器的接收機(jī)的中頻帶帶寬，F(xiàn)是gmn和gmi有關(guān)的噪聲系數(shù)，其中g(shù)mn和gmi假定值從1到2，kT
7、是波爾茲曼常量乘以開式溫度。公式（1）表明通過Q增加，動(dòng)態(tài)范圍隨著濾波器帶寬的變窄而迅速的減小。然而Q的提高過程提供了再生增益，這可以用于無線電接收機(jī)設(shè)計(jì)的開發(fā)中。因此，適度的增加Q，無線系統(tǒng)中濾波器的性能可以和集成了片外無源濾波器的傳統(tǒng)接收機(jī)相比較。8圖3傳統(tǒng)接收機(jī)的前端設(shè)計(jì)圖4集成接收機(jī)的前端圖3和4展示了兩個(gè)接收機(jī)的前端設(shè)計(jì)。圖3展示的是傳統(tǒng)的接收機(jī)前端，它包括片外預(yù)選、集成的低噪聲放大器LNA和圖像濾波器。雖然無源濾波器自身可以有很高的動(dòng)態(tài)范圍，但是LNA會限制在接收機(jī)的預(yù)選通帶內(nèi)所允許的最大的信號電平，因此就會在總體上影響系統(tǒng)的動(dòng)
8、態(tài)范圍。在這種情況下，DR改寫為其中Fop和G分別是LNA的運(yùn)行噪聲系數(shù)和增益，P1dB是在放大器輸出端測量出的壓縮點(diǎn)。把這一表達(dá)式和品質(zhì)因數(shù)增強(qiáng)的公式（1）比較，圖4揭示了如果
