專利名稱：一種四階有源lc射頻帶通濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種四階有源LC射頻帶通濾波器，屬于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著無線通信市場(chǎng)的迅速發(fā)展，對(duì)移動(dòng)電話、GPS導(dǎo)航設(shè)備、電子醫(yī)療設(shè)備等移動(dòng)通信設(shè)備的低成本、小型化要求越來越高。作為移動(dòng)通信系統(tǒng)中最重要的射頻前端模塊也正向SoC方向發(fā)展，以滿足系統(tǒng)低成本和小型化的要求。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，射頻前端模塊用來調(diào)制發(fā)送信號(hào)和解調(diào)接收信號(hào)，以接收機(jī)中的射頻前端模塊為例，其組成包括低噪聲放大器、混頻器、頻率綜合器、帶通濾波器等電路。隨著CMOS工藝的快速發(fā)展和日益成熟，使得射頻前端中的低噪聲放大器、混頻器、頻率綜合器等核心電路都可以采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。而唯獨(dú)射頻帶通濾波器，由于其工作頻率較高，對(duì)插入損耗、噪聲系數(shù)等要求較苛刻，用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的片上射頻帶通濾波器很難達(dá)到接收機(jī)系統(tǒng)的要求，因此，目前的普遍做法是采用性能較高的片外SAW (Surface Acoustic Wave)帶通濾波器。很明顯這種做法不利于系統(tǒng)的小型化和低廉化，尤其是對(duì)于具備多種通信模式、支持多個(gè)頻段的移動(dòng)通信設(shè)備來說，需要多個(gè)不同頻段的片外帶通濾波器，這樣不僅使系統(tǒng)的體積變得很龐大，而且提高了系統(tǒng)的成本，增大了功耗。所以，急需一個(gè)高性能的符合移動(dòng)通信系統(tǒng)要求的片上集成CMOS射頻帶通濾波器來取代片外SAW帶通濾波器，從而實(shí)現(xiàn)射頻前端的完全單片集成。據(jù)此，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都對(duì)射頻帶通濾波器的集成進(jìn)行了不同程度的研究和報(bào)道。文獻(xiàn)報(bào)道顯示，目前，集成射頻帶通濾波器的研究多數(shù)集中在有源LC帶通濾波器這一類型上，即采用有源負(fù)阻電路來補(bǔ)償LC諧振回路中CMOS螺旋電感產(chǎn)生的歐姆損耗，從而實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)的射頻帶通濾波器。然而單純的由一個(gè)LC諧振回路與一個(gè)有源負(fù)阻補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)的帶通濾波器(即二階有源LC帶通濾波器)的帶內(nèi)平坦度較差，若要提高帶內(nèi)平坦度，應(yīng)該設(shè)法增大帶通濾波器的階數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)二階有源LC射頻帶通濾波器的帶內(nèi)平坦度較差的不足，提供一種四階有源LC射頻帶通濾波器。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下一種四階有源LC射頻帶通濾波器包括輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、第一級(jí)二階LC諧振器、耦合網(wǎng)絡(luò)、第二級(jí)二階LC諧振器和輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和差分信號(hào)輸入端相連，用于將射頻帶通濾波器的輸入阻抗匹配到50 Ω ；所述第一級(jí)二階LC諧振器與輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)相連，用于產(chǎn)生射頻帶通濾波器的中心頻率和調(diào)節(jié)射頻帶通濾波器的帶寬；所述耦合網(wǎng)絡(luò)與第一級(jí)二階LC諧振器相連，用于將第一級(jí)二階LC諧振器和第二級(jí)二階LC諧振器耦合成四階射頻帶通濾波器；所述第二級(jí)二階LC諧振器與耦合網(wǎng)絡(luò)相連，用于產(chǎn)生射頻帶通濾波器的中心頻率和調(diào)節(jié)射頻帶通濾波器的帶寬；所述輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)一端和第二級(jí)二階LC諧振器相連，另一端和
4差分信號(hào)輸出端相連，用于將射頻帶通濾波器的輸出阻抗匹配到50Ω。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。進(jìn)一步，所述第一級(jí)二階LC諧振器和第二級(jí)二階LC諧振器各包括LC諧振回路、 差分輸入級(jí)和有源負(fù)阻補(bǔ)償電路，所述LC諧振回路分別與差分輸入級(jí)和有源負(fù)阻補(bǔ)償電路相連。進(jìn)一步，所述差分信號(hào)輸入端有兩個(gè)，分別為第一差分信號(hào)輸入端和第二差分信號(hào)輸入端；所述差分信號(hào)輸出端有兩個(gè)，分別為第一差分信號(hào)輸出端和第二差分信號(hào)輸出端。進(jìn)一步，所述LC諧振回路包括第一 CMOS螺旋電感、第二 CMOS螺旋電感、第一變?nèi)莨芎偷诙內(nèi)莨?；所述第?CMOS螺旋電感的一端既與第一變?nèi)莨艿囊欢讼噙B，又與第一差分信號(hào)輸出端相連，另一端接電源電壓；所述第一變?nèi)莨艿牧硪欢私涌烧{(diào)偏置電壓；所述第二 CMOS螺旋電感的一端既與第二變?nèi)莨艿囊欢讼噙B，又與第二差分信號(hào)輸出端相連，另一端接電源電壓；所述第二變?nèi)莨艿牧硪欢私涌烧{(diào)偏置電壓。進(jìn)一步，所述差分輸入級(jí)包括第一 NMOS晶體管、第二 NMOS晶體管和第一 NMOS尾電流管；所述第一 NMOS晶體管的柵極接第一差分信號(hào)輸入端，漏極與第一差分信號(hào)輸出端相連，所述第二 NMOS晶體管的柵極接第二差分信號(hào)輸入端，漏極與第二差分信號(hào)輸出端相連，所述第一 NMOS晶體管和第二 NMOS晶體管的源極共同與第一 NMOS尾電流管的漏極相連；所述第一 NMOS尾電流管的柵極接可調(diào)偏置電壓，源極接地。進(jìn)一步，所述有源負(fù)阻補(bǔ)償電路包括交叉耦合而成的第三NMOS晶體管和第四 NMOS晶體管，以及第二 NMOS尾電流管；所述第三NMOS晶體管的柵極和第四NMOS晶體管的漏極相連，所述第四NMOS晶體管的柵極和第三NMOS晶體管的漏極相連，所述第三NMOS晶體管和第四NMOS晶體管的源極共同連接到第二NMOS尾電流管的漏極；所述第二NMOS尾電流管的柵極接可調(diào)偏置電壓，源極接地。進(jìn)一步，所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括第一輸入阻抗匹配電路和第二輸入阻抗匹配電路，所述第一輸入阻抗匹配電路和第二輸入阻抗匹配電路是在第一級(jí)二階LC諧振器的差分輸入級(jí)的基礎(chǔ)上，分別在第一 NMOS晶體管的柵極和第一差分信號(hào)輸入端之間串聯(lián)第一電感，在第二 NMOS晶體管的柵極和第二差分信號(hào)輸入端之間串聯(lián)第二電感，在第一 NMOS 晶體管的源極和第一尾電流管的漏極之間串聯(lián)第三電感，在第二 NMOS晶體管的源極和第二尾電流管的漏極之間串聯(lián)第四電感而形成的。進(jìn)一步，所述耦合網(wǎng)絡(luò)包括第一級(jí)耦合電路和第二級(jí)耦合電路，所述第一級(jí)耦合電路和第二級(jí)耦合電路均包括第一電流檢測(cè)電阻、第二電流檢測(cè)電阻和跨導(dǎo)單元，所述跨導(dǎo)單元包括第一跨導(dǎo)尾電流管、第二跨導(dǎo)尾電流管和第三NMOS尾電流管，所述第一電流檢測(cè)電阻和第二電流檢測(cè)電阻分別串聯(lián)在第一級(jí)二階LC諧振器或第二級(jí)二階LC諧振器中LC 諧振回路的第一CMOS螺旋電感和電源電壓，以及第二CMOS螺旋電感和電源電壓之間；所述第一電流檢測(cè)電阻連接到第一跨導(dǎo)尾電流管的柵極，所述第二電流檢測(cè)電阻連接到第二跨導(dǎo)尾電流管的柵極，所述第一跨導(dǎo)尾電流管和第二跨導(dǎo)尾電流管的源極分別與第二級(jí)二階 LC諧振器或第一級(jí)二階LC諧振器的輸出端相連，所述第一跨導(dǎo)尾電流管和第二跨導(dǎo)尾電流管的源極與第三NMOS尾電流管的漏極相連；所述第三NMOS尾電流管的柵極接可調(diào)偏置電壓，源極接地。
進(jìn)一步，所述輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括第一輸出阻抗匹配電路和第二輸出阻抗匹配電路，所述第一輸出阻抗匹配電路和第二輸出阻抗匹配電路分別由NMOS源極跟隨晶體管和NMOS偏置電流晶體管串聯(lián)組成；所述NMOS源極跟隨晶體管的漏極接電源電壓，柵極與第二級(jí)二階LC諧振器的輸出端相連，源極與NMOS偏置電流晶體管的漏極相連，并一起連接到射頻帶通濾波器的差分信號(hào)輸出端；所述NMOS偏置電流晶體管的柵極接偏置電壓，源極接地。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明四階有源LC射頻帶通濾波器基于CMOS工藝，采用電流檢測(cè)電阻和跨導(dǎo)的形式模擬電感耦合的形式把兩級(jí)二階LC諧振器耦合成為四階LC帶通濾波器，該帶通濾波器由連接方式相同、結(jié)構(gòu)對(duì)稱的兩級(jí)二階LC諧振電路、兩個(gè)輸入阻抗匹配電路、兩個(gè)級(jí)間耦合電路以及兩個(gè)輸出阻抗匹配電路組成，通過合理選擇電流檢測(cè)電阻的阻值，可以得到所需的帶內(nèi)平坦度，解決了二階有源LC帶通濾波器的帶內(nèi)平坦度較差的問題。采用有源負(fù)阻補(bǔ)償技術(shù)，提高了 CMOS片上螺旋電感的品質(zhì)因數(shù)，為射頻帶通濾波器的片上集成提供了一種可行方案；此外通過調(diào)節(jié)變?nèi)莨艿钠秒妷?，以及調(diào)節(jié)輸入級(jí)尾電流管、有源負(fù)阻的尾電流管柵極的偏置電壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶通濾波器中心頻率、通帶增益和帶寬的調(diào)節(jié)；本發(fā)明還提供了片上阻抗匹配技術(shù)，使輸入、輸出阻抗均可匹配到標(biāo)準(zhǔn)射頻傳輸線的50 Ω，使得該帶通濾波器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)無需片外阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了射頻前端的完全單片集成，節(jié)約了 PCB板面積，有利于移動(dòng)通信設(shè)備向小型化和低廉化發(fā)展；本發(fā)明的射頻帶通濾波器不僅解決了二階有源LC帶通濾波器的帶內(nèi)平坦度較差的問題，而且可采用CMOS工藝進(jìn)行片上集成，大大提高了集成度，為無線接收機(jī)的射頻前端實(shí)現(xiàn)單片集成提供了一種可行方案。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例四階有源LC射頻帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例四階有源LC射頻帶通濾波器的二階LC諧振器的電路原理圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例四階有源LC射頻帶通濾波器的電路原理圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。圖1為本發(fā)明實(shí)施例四階有源LC射頻帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，四階有源LC射頻帶通濾波器包括輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)101、第一級(jí)二階LC諧振器102、耦合網(wǎng)絡(luò)103、第二級(jí)二階LC諧振器104和輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)105。輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)101和差分信號(hào)輸入端相連，用于將射頻帶通濾波器的輸入阻抗匹配到50 Ω ；第一級(jí)二階LC諧振器 102與輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)101相連，用于產(chǎn)生射頻帶通濾波器的中心頻率和調(diào)節(jié)射頻帶通濾波器的帶寬；耦合網(wǎng)絡(luò)103與第一級(jí)二階LC諧振器102相連，用于將第一級(jí)二階LC諧振器102和第二級(jí)二階LC諧振器104耦合成四階射頻帶通濾波器；第二級(jí)二階LC諧振器 104與耦合網(wǎng)絡(luò)103相連，用于產(chǎn)生射頻帶通濾波器的中心頻率和調(diào)節(jié)射頻帶通濾波器的帶寬；輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)105 —端和第二級(jí)二階LC諧振器104相連，另一端和差分信號(hào)輸出端相連，用于將射頻帶通濾波器的輸出阻抗匹配到50Ω。四階有源LC射頻帶通濾波器的核心組成部分是具有負(fù)阻補(bǔ)償?shù)牡谝患?jí)二階LC諧振器102和第二級(jí)二階LC諧振器104，兩者均采用了差分電路結(jié)構(gòu)。差分信號(hào)輸入端有兩個(gè)，分別為第一差分信號(hào)輸入端Vinp和第二差分信號(hào)輸入端 Vinn ；差分信號(hào)輸出端有兩個(gè)，分別為第一差分信號(hào)輸出端v。utl和第二差分信號(hào)輸出端v。ut2。圖2為本發(fā)明實(shí)施例四階有源LC射頻帶通濾波器的二階LC諧振器的電路原理圖。如圖2所示，第一級(jí)二階LC諧振器和第二級(jí)二階LC諧振器的電路連接方式相同，第一級(jí)二階LC諧振器和第二級(jí)二階LC諧振器各包括LC諧振回路201、差分輸入級(jí)202和有源負(fù)阻補(bǔ)償電路203，LC諧振回路201分別與差分輸入級(jí)202和有源負(fù)阻補(bǔ)償電路203相連。LC諧振回路201包括第一 CMOS螺旋電感L1、第二 CMOS螺旋電感L2、第一變?nèi)莨?C1和第二變?nèi)莨蹸2 ；第一 CMOS螺旋電感L1的一端既與第一變?nèi)莨蹸1的一端相連，又與第一差分信號(hào)輸出端v。utl相連，另一端接電源電壓；第一變?nèi)莨蹸1的另一端接可調(diào)偏置電壓 Vf ；第二 CMOS螺旋電感L2的一端既與第二變?nèi)莨蹸2的一端相連，又與第二差分信號(hào)輸出端 V。ut2相連，另一端接電源電壓；第二變?nèi)莨蹸2的另一端接可調(diào)偏置電壓Vf。差分輸入級(jí)202包括第一 NMOS晶體管Mgl、第二 NMOS晶體管Mg2和第一 NMOS尾電流管Mg ；第一 NMOS晶體管Mgl的柵極接第一差分信號(hào)輸入端Vinp，漏極與第一差分信號(hào)輸出端V。utl相連，第二 NMOS晶體管Mg2的柵極接第二差分信號(hào)輸入端Vinn，漏極與第二差分信號(hào)輸出端V。ut2相連，第一 NMOS晶體管Mgl和第二 NMOS晶體管Mg2的源極共同與第一 NMOS尾電流管Mg的漏極相連；第一 NMOS尾電流管Mg的柵極接可調(diào)偏置電壓Vg，源極接地。有源負(fù)阻補(bǔ)償電路203包括交叉耦合而成的第三NMOS晶體管Mql和第四NMOS晶體管Mtl2，以及第二 NMOS尾電流管Mtl ；第三NMOS晶體管Mql的柵極和第四NMOS晶體管Mq2的漏極相連，第四NMOS晶體管Mtl2的柵極和第三NMOS晶體管Mql的漏極相連，第三NMOS晶體管Mtll和第四NMOS晶體管Mtl2的源極共同連接到第二 NMOS尾電流管Mq的漏極；第二 NMOS 尾電流管Mtl的柵極接可調(diào)偏置電壓Vtl，源極接地。圖3為本發(fā)明實(shí)施例四階有源LC射頻帶通濾波器的電路原理圖。如圖3所示，射頻帶通濾波器采用全差分形式，該形式的電路結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，具體包括第一級(jí)二階LC諧振器電路301、第二級(jí)二階LC諧振器電路302，第一輸入阻抗匹配電路303、第二輸入阻抗匹配電路304，第一級(jí)耦合電路305、第二級(jí)耦合電路306，第一輸出阻抗匹配電路307和第二輸出阻抗匹配電路308。電路的具體連接方式描述如下第一級(jí)二階LC諧振器電路301與第二級(jí)二階LC諧振器電路302的電路連接方式完全相同，如圖2所示。第一輸入阻抗匹配電路303與第二輸入阻抗匹配電路304采用源簡(jiǎn)并電感結(jié)構(gòu)， 即在第一級(jí)二階LC諧振電路301的差分輸入級(jí)的基礎(chǔ)上，分別在Mgll、Mgl2的柵極和差分信號(hào)輸入端之間串聯(lián)電感Lgl、Lg2，分別在Mgll、Mgl2的源極和尾電流管Mgl的漏極之間串聯(lián)電感 Lsl、Ls2而形成的。第一級(jí)耦合電路305是在每一級(jí)二階LC諧振電路的基礎(chǔ)上，在電感和電源電壓之間各串聯(lián)一個(gè)電流檢測(cè)電阻I^sll和民12，在兩級(jí)二階LC諧振電路之間通過兩個(gè)對(duì)稱的跨導(dǎo)單元將兩級(jí)二階LC諧振器耦合為四階。即I sll、I sl2的一端與電源電壓相連，另一端與電感 L11, L12相連，并且一起連接到第一跨導(dǎo)單元的兩個(gè)差分輸入端上，也就是Mkll、Mkl2的柵極，該跨導(dǎo)單元的輸出端，即Mkll、Mkl2的漏極分別與第二級(jí)二階LC諧振電路302的輸出端相連， Mkll, Mkl2的源極與NMOS尾電流管Mkl的漏極相連，Mkl的柵極接可調(diào)節(jié)偏置電壓Vkl，源極接地。第二級(jí)耦合電路306的連接方式與第一級(jí)耦合電路305的連接方式完全相同，并且電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，如圖3所示。第一輸出阻抗匹配電路307采用源極跟隨器結(jié)構(gòu)，由一個(gè)NMOS源極跟隨晶體管Msl 和一個(gè)NMOS偏置電流晶體管Mbl串聯(lián)組成。Msl的漏極接電源電壓，Msl的柵極與第二級(jí)LC 諧振電路的輸出端相連，Msl的源極與Mbl的漏極相連，并一起連接到帶通濾波的一個(gè)差分輸出端V。utl，Mbl的柵極接偏置電壓Vb2，Mbl的源極接地。第二輸出阻抗匹配電路308也采用源極跟隨器結(jié)構(gòu)的連接方式，其與第一輸出阻抗匹配電路307的連接方式完全相同，并且電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，如圖3所示。本發(fā)明的工作原理是由的兩級(jí)二階LC諧振器分別產(chǎn)生帶通濾波器的下限截止
頻率和上限截止頻率/h = I—-,
DL · / 2調(diào)節(jié)變?nèi)莨艿钠秒妷篤fl和Vf2，電容值發(fā)生變化，帶通濾波器的下限截止頻率和上限截止頻率均隨之變化，中心頻率也會(huì)隨之變化。增大二階LC諧振器中變?nèi)莨艿钠秒妷?，其諧振頻率降低；反之，其諧振頻率升高。采用有源負(fù)阻補(bǔ)償技術(shù)，即利用交叉耦合晶體管對(duì)MtlllItll2 (或者M(jìn)tl21Itl22)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電阻，用來補(bǔ)償片上CMOS螺旋電感金屬線圈以及襯底電阻引入的歐姆損耗，以此解決片上螺旋電感品質(zhì)因數(shù)較低的問題，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)的CMOS射頻集成帶通濾波器。根據(jù)帶通濾波器品質(zhì)因數(shù)的定義Q = ^J
￥⑴是帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)，&是帶通濾波器的中心頻率，Δ f是帶通濾波器的帶寬)，調(diào)節(jié)尾電流晶體管Mtll和Mtl2的偏置電壓Vtll和Vtl2，帶通濾波器的帶寬，即帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)也隨之變化。增大偏置電壓，尾電流增大，帶通濾波器的帶寬變窄，即帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)得到提高；反之，帶通濾波器的帶寬變寬，即帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)降低。調(diào)節(jié)兩級(jí)二階LC諧振器中輸入級(jí)NMOS尾電流晶體管Mgl和Mg2的偏置電壓Vgl和 Vg2帶通濾波器的通帶增益會(huì)隨之變化。增大偏置電壓，帶通濾波器的通帶增益也隨之增大； 反之，帶通濾波器的通帶增益會(huì)隨之減小。耦合網(wǎng)絡(luò)中電流檢測(cè)電阻用來檢測(cè)流過電感的電流，其阻值大小決定帶通濾波器的帶內(nèi)平坦度，當(dāng)阻值取合適的值，可得到較平坦的帶內(nèi)響應(yīng)曲線，在此基礎(chǔ)上如果阻值變大，帶內(nèi)響應(yīng)曲線會(huì)出現(xiàn)凸起，如果阻值變小，帶內(nèi)響應(yīng)曲線會(huì)出現(xiàn)凹陷。耦合網(wǎng)絡(luò)中的跨導(dǎo)用來將電流檢測(cè)電阻檢測(cè)到的電流注入到另一級(jí)的電感中，調(diào)節(jié)跨導(dǎo)尾電流管Mkl和Mk2 的偏置電壓Vkl *Vk2，跨導(dǎo)的工作電流發(fā)生變化，也可以使四階帶通濾波器的帶內(nèi)增益隨之變化，增大偏置電壓，帶內(nèi)增益變大，反之，帶內(nèi)增益變小。本發(fā)明的四階有源LC射頻集成帶通濾波器在工作的過程中，射頻電壓信號(hào)以差分形式通過第一輸入阻抗匹配電路303、第二輸入阻抗匹配電路304中的電感Lgl和Lg2從差分輸入對(duì)管Mgll和Mgl2的柵極輸入，經(jīng)Mgl和Mg2后轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)，輸入給第一級(jí)二階LC 諧振電路301中的LC諧振選頻負(fù)載，只選擇帶通濾波器通帶內(nèi)允許通過的信號(hào)，抑制帶外信號(hào)；然后第一級(jí)耦合電路305中的電流檢測(cè)電阻Iisll和民12檢測(cè)到第一級(jí)二階LC諧振電路301中電感L11和L12上的電流，并通過由Mkll和Mkl2組成的第一跨導(dǎo)單元，將檢測(cè)到的電流注入到第二級(jí)二階LC諧振電路302中。同理，第二級(jí)耦合電路306也通過電流檢測(cè)電阻 Rs21 > Rs22檢測(cè)第二級(jí)二階LC諧振電路302中電感電流，并通過由Mk21和Mk22組成的第二跨導(dǎo)單元，將檢測(cè)到的電流注入到第一級(jí)二階LC諧振電路301中，從而完成模擬電感耦合的過程，將兩個(gè)二階LC諧振電路耦合成四階帶通濾波器。最后，信號(hào)經(jīng)過第一輸出阻抗匹配電路307、第二輸出阻抗匹配電路308，匹配到50 Ω輸出。其中，第一級(jí)LC諧振電路301和第二級(jí)LC諧振電路302分別用來產(chǎn)生帶通濾波器的下限截止頻率和上限截止頻率，由上限截止頻率和下限截止頻率共同決定四階帶通濾波器的中心頻率和帶寬，通過調(diào)節(jié)變?nèi)莨艿钠秒妷篤fl和Vf2，改變電容值，即可達(dá)到調(diào)節(jié)帶通濾波器中心頻率的目的；第一級(jí)二階LC諧振電路301和第二級(jí)二階LC諧振電路302 中輸入級(jí)的NMOS尾電流晶體管Mgl和Mg2分別用來為各自的輸入級(jí)提供工作電流，通過調(diào)節(jié)其偏置電壓Vgl和Vg2可控制其電流，進(jìn)而控制帶通濾波器的通帶增益；有源負(fù)阻補(bǔ)償電路中的NMOS尾電流晶體管Mtll和Mtl2分別用來為各自的負(fù)阻提供工作電流，通過調(diào)節(jié)其偏置電壓、和Vtl2可控制其電流，進(jìn)而控制帶通濾波器的帶寬。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)設(shè)計(jì)需求調(diào)節(jié)變?nèi)莨艿钠秒妷篤fl、Vf2，輸入級(jí)的偏置電壓Vgl、Vg2，以及有源負(fù)阻的偏置電壓Vql、Vq2, 來得到所需的帶通濾波器的中心頻率、通帶增益以及帶寬。其中，第一級(jí)耦合電路305和第二級(jí)耦合電路306分別用來檢測(cè)各自所在二階LC 諧振電路中電感電流。然后將檢測(cè)到的電流分別注入到另一級(jí)二階LC諧振電路中，以此完成模擬電感耦合的目的，將二階LC諧振電路耦合為四階LC帶通濾波器。這種耦合方式的耦合系數(shù)k可表示為k = Rs · Gk，其中Rs為電流檢測(cè)電阻，Gk為跨導(dǎo)單元的跨導(dǎo)值，因此， 調(diào)節(jié)民可以控制帶通濾波器帶內(nèi)平坦度，合理選擇民的值，可以使帶內(nèi)平坦度達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，使帶內(nèi)紋波最??；調(diào)節(jié)不僅可以改變耦合系數(shù)，而且會(huì)間接影響帶通濾波器的通帶增益。因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體要求合理選擇民和的值，使帶通濾波器達(dá)到所需設(shè)計(jì)指標(biāo)。其中，第一輸入阻抗匹配電路303、第二輸入阻抗匹配電路304的工作原理是由于采用NMOS晶體管作為輸入時(shí)，其輸入阻抗表現(xiàn)為一個(gè)實(shí)部和一個(gè)容性阻抗。若要使輸入阻抗只表現(xiàn)為一個(gè)50 Ω的正實(shí)部，需要在輸入NMOS晶體管Mgl和Mg2的柵極和源極分別串聯(lián)電感Lgl、Lsl和Lg2、Ls2，把容性阻抗抵消掉。即Ls1、Ls2分別在Mgll、Mgl2的柵極引入一個(gè)實(shí)部阻抗，提供輸入阻抗的實(shí)部；Lgl、Lg2分別與Cgsll、Cgsl2諧振，使得輸入阻抗的虛部為零，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。其中，第一輸出阻抗匹配電路305、第二輸出阻抗匹配電路306的工作原理是利用源極跟隨器可以產(chǎn)生一個(gè)1/ 的輸出阻抗，在帶通濾波器的兩個(gè)差分輸出端分別串聯(lián)一個(gè)NMOS源極跟隨器，調(diào)節(jié)源極跟隨管的尺寸和偏置電流的大小，即可得到所需的50 Ω的輸出阻抗。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種四階有源LC射頻帶通濾波器，其特征在于，所述射頻帶通濾波器包括輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、第一級(jí)二階LC諧振器、耦合網(wǎng)絡(luò)、第二級(jí)二階LC諧振器和輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)； 所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和差分信號(hào)輸入端相連，用于將射頻帶通濾波器的輸入阻抗匹配到 50 Ω ；所述第一級(jí)二階LC諧振器與所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)相連，用于產(chǎn)生射頻帶通濾波器的中心頻率和調(diào)節(jié)射頻帶通濾波器的帶寬；所述耦合網(wǎng)絡(luò)與第一級(jí)二階LC諧振器相連，用于將第一級(jí)二階LC諧振器和第二級(jí)二階LC諧振器耦合成四階射頻帶通濾波器；所述第二級(jí)二階LC諧振器與耦合網(wǎng)絡(luò)相連，用于產(chǎn)生射頻帶通濾波器的中心頻率和調(diào)節(jié)射頻帶通濾波器的帶寬；所述輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)一端和第二級(jí)二階LC諧振器相連，另一端和差分信號(hào)輸出端相連，用于將射頻帶通濾波器的輸出阻抗匹配到50Ω。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四階有源LC射頻帶通濾波器，其特征在于，所述第一級(jí)二階 LC諧振器和第二級(jí)二階LC諧振器各包括LC諧振回路、差分輸入級(jí)和有源負(fù)阻補(bǔ)償電路，所述LC諧振回路分別與差分輸入級(jí)和有源負(fù)阻補(bǔ)償電路相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的四階有源LC射頻帶通濾波器，其特征在于，所述差分信號(hào)輸入端有兩個(gè)，分別為第一差分信號(hào)輸入端和第二差分信號(hào)輸入端；所述差分信號(hào)輸出端有兩個(gè)，分別為第一差分信號(hào)輸出端和第二差分信號(hào)輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的四階有源LC射頻帶通濾波器，其特征在于，所述LC諧振回路包括第一 CMOS螺旋電感、第二 CMOS螺旋電感、第一變?nèi)莨芎偷诙內(nèi)莨?；所述第?CMOS 螺旋電感的一端既與第一變?nèi)莨艿囊欢讼噙B，又與第一差分信號(hào)輸出端相連，另一端接電源電壓；所述第一變?nèi)莨艿牧硪欢私涌烧{(diào)偏置電壓；所述第二 CMOS螺旋電感的一端既與第二變?nèi)莨艿囊欢讼噙B，又與第二差分信號(hào)輸出端相連，另一端接電源電壓；所述第二變?nèi)莨艿牧硪欢私涌烧{(diào)偏置電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的四階有源LC射頻帶通濾波器，其特征在于，所述差分輸入級(jí)包括第一 NMOS晶體管、第二 NMOS晶體管和第一 NMOS尾電流管；所述第一 NMOS晶體管的柵極接第一差分信號(hào)輸入端，漏極與第一差分信號(hào)輸出端相連，所述第二 NMOS晶體管的柵極接第二差分信號(hào)輸入端，漏極與第二差分信號(hào)輸出端相連，所述第一 NMOS晶體管和第二 NMOS晶體管的源極共同與第一 NMOS尾電流管的漏極相連；所述第一 NMOS尾電流管的柵極接可調(diào)偏置電壓，源極接地。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的四階有源LC射頻帶通濾波器，其特征在于，所述有源負(fù)阻補(bǔ)償電路包括交叉耦合而成的第三NMOS晶體管和第四NMOS晶體管，以及第二 NMOS尾電流管；所述第三NMOS晶體管的柵極和第四NMOS晶體管的漏極相連，所述第四NMOS晶體管的柵極和第三NMOS晶體管的漏極相連，所述第三NMOS晶體管和第四NMOS晶體管的源極共同連接到第二 NMOS尾電流管的漏極；所述第二 NMOS尾電流管的柵極接可調(diào)偏置電壓，源極接地。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的四階有源LC射頻帶通濾波器，其特征在于，所述輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括第一輸入阻抗匹配電路和第二輸入阻抗匹配電路，所述第一輸入阻抗匹配電路和第二輸入阻抗匹配電路是在第一級(jí)二階LC諧振器的差分輸入級(jí)的基礎(chǔ)上，分別在第一 NMOS晶體管的柵極和第一差分信號(hào)輸入端之間串聯(lián)第一電感，在第二 NMOS晶體管的柵極和第二差分信號(hào)輸入端之間串聯(lián)第二電感，在第一 NMOS晶體管的源極和第一尾電流管的漏極之間串聯(lián)第三電感，在第二 NMOS晶體管的源極和第二尾電流管的漏極之間串聯(lián)第四電感而形成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的四階有源LC射頻帶通濾波器，其特征在于，所述耦合網(wǎng)絡(luò)包括第一級(jí)耦合電路和第二級(jí)耦合電路，所述第一級(jí)耦合電路和第二級(jí)耦合電路均包括第一電流檢測(cè)電阻、第二電流檢測(cè)電阻和跨導(dǎo)單元，所述跨導(dǎo)單元包括第一跨導(dǎo)尾電流管、第二跨導(dǎo)尾電流管和第三NMOS尾電流管，所述第一電流檢測(cè)電阻和第二電流檢測(cè)電阻分別串聯(lián)在第一級(jí)二階LC諧振器或第二級(jí)二階LC諧振器中LC諧振回路的第一 CMOS螺旋電感和電源電壓，以及第二 CMOS螺旋電感和電源電壓之間；所述第一電流檢測(cè)電阻連接到第一跨導(dǎo)尾電流管的柵極，所述第二電流檢測(cè)電阻連接到第二跨導(dǎo)尾電流管的柵極，所述第一跨導(dǎo)尾電流管和第二跨導(dǎo)尾電流管的源極分別與第二級(jí)二階LC諧振器或第一級(jí)二階LC諧振器的輸出端相連，所述第一跨導(dǎo)尾電流管和第二跨導(dǎo)尾電流管的源極與第三NMOS尾電流管的漏極相連；所述第三NMOS尾電流管的柵極接可調(diào)偏置電壓，源極接地。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的四階有源LC射頻帶通濾波器，其特征在于，所述輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括第一輸出阻抗匹配電路和第二輸出阻抗匹配電路，所述第一輸出阻抗匹配電路和第二輸出阻抗匹配電路分別由NMOS源極跟隨晶體管和NMOS偏置電流晶體管串聯(lián)組成； 所述NMOS源極跟隨晶體管的漏極接電源電壓，柵極與第二級(jí)二階LC諧振器的輸出端相連， 源極與NMOS偏置電流晶體管的漏極相連，并一起連接到射頻帶通濾波器的差分信號(hào)輸出端；所述NMOS偏置電流晶體管的柵極接偏置電壓，源極接地。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種四階有源LC射頻帶通濾波器，屬于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。它基于CMOS工藝，采用了電流檢測(cè)電阻和跨導(dǎo)的形式模擬電感耦合把兩級(jí)二階LC諧振器耦合成為四階LC帶通濾波器。該帶通濾波器由連接方式相同、結(jié)構(gòu)對(duì)稱的兩級(jí)二階LC諧振電路、兩個(gè)輸入阻抗匹配電路、兩個(gè)級(jí)間耦合電路以及兩個(gè)輸出阻抗匹配電路組成。本發(fā)明的射頻帶通濾波器不僅解決了二階有源LC帶通濾波器的帶內(nèi)平坦度較差的問題，而且可采用CMOS工藝進(jìn)行片上集成，大大提高了集成度，為無線接收機(jī)的射頻前端實(shí)現(xiàn)單片集成提供了一種可行方案。
文檔編號(hào)H03H11/04GK102340294SQ201010232788
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月21日
發(fā)明者劉欣, 張海英, 趙磊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所