导航系统中频滤波器的设计-AET-电子技术应用

导航系统中频滤波器的设计

2016年电子技术应用第6期

黄海生，景哏评，李鑫，陈顺舟

西安邮电大学电气工程学院，陕西西安710121

摘要：针对导航系统射频接收机中中频滤波器只能接收单频段信号的问题，采用TSMC RFCMOS 0.18 μm工艺，设计了一款带外抑制高、带内平坦度低和线性度好的六阶切比雪夫中频滤波器，用于接收北斗卫星导航系统的B1频段信号和全球定位系统(Global Positioning System，GPS)的L1频段信号的射频接收机中。该滤波器以具有增益的双极点节结构为基础，通过采用三阶级联的方式实现。利用Cadence软件中Spectre对电路进行仿真表明，该滤波器的中心频率为4 MHz，-3 dB带宽为4 MHz，有源增益为13 dB，增益平坦度±1 dB，在28 MHz时衰减大于20 dB，运放增益大于45 dB，运放带宽大于190 MHz，运放的相位裕度大于60°，1 dB压缩点为-14 dBm。

关键词： 中频滤波器增益 1dB压缩点相位裕度

中图分类号：TN46
文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.010
中文引用格式：黄海生，景哏评，李鑫，等. 导航系统中频滤波器的设计[J].电子技术应用，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

随着美国导航系统GPS的发展，GPS凭借其自身的优势，已经涉及到生活的各个领域，相比GPS系统，我国的导航产业还处于初期阶段，中频带通滤波器作为全集成接收机芯片中的一个重要组成部分是不可缺失的，因此对其研究也显得尤为重要。本文基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺技术对导航系统的中频滤波器进行了设计，以具有增益的双极点节为基础，设计了一个二阶有源低通滤波器，然后通过级联的方式实现了用于导航系统的中频滤波器。

1 Chebyshev切比雪夫滤波器

由于ChebyshevI型和ChebyshevII型滤波器可以将要求的指标精度均匀地分布在通带内或阻带内，正因为如此，才能够在满足指标的情况下很容易设计出阶数较低的滤波器,而Chebyshev I型满足本设计指标要求。Chebyshev I型幅频特性如图1所示。

2 滤波器阶数的确定

由公式[2]：

α_min为阻带内的最小衰减，α_max为通带内的最大衰减，Ω_s为通带频率，Ω_p为阻带频率。根据给出的指标，通过计算可知n取6。因此该中频滤波器结构选用3个二阶切比雪夫低通滤波器和一个高通的缓冲器级联而成，每一级为差分多路反馈二阶低通滤波器。根据上述指标中的平坦度、－３ dB带宽和n＝６这3个条件查找滤波器设计手册，可以得到每个二阶环节的传输函数系数。为了使滤波器的噪声系数达到一个较低的水平，把增益尽量分配给前两级。

3 二阶低通滤波器电路设计

具有增益的双极点节原理如图2所示。根据二阶低通滤波器的传输函数：

通过确定C₅，然后根据式(5)～式(9)就可以确定元件的值。

然后利用仿真工具，通过仿真修改后得到精确的值分别为：R₁=2.49 kΩ，C₂=622.238 fF，R₃=2.13 kΩ，R₄=14.919 kΩ，C₅=450 fF。

最终得二阶有源低通滤波器原理图如图3所示。

此外，滤波器还接有一个前级缓冲放大器提供额外的增益，并保证前级的负载能力。

4 运放放大器的设计

4.1 运放结构的选择

运算放大器主要有3种：简单差分对、套筒式共源共栅、折叠式共源共栅结构。如图3所示，本次设计选用普通的两级运算放大器，因为其结构简单而且实用。第一级由M1-M4、M17组成，采用电流源负载的双端输入双端输出的差分放大器，第二级是一个NMOS的源极跟随器。

4.2 主运放的小信号分析

第一级为电流源负载的差动放大器，M3、M4为PMOS电流源。其差动输入-差动输出时的小信号电压增益A_vd为：

与二极管连接的CMOS为负载的差分放大器相比，它的小信号电压增益和共模输入电压范围以及输出电压摆幅均有所提高。

第二级为NMOS管的源极跟随器，对其小信号分析得电压增益为：

4.3 共模反馈电路

从理论来分析上来看，差分结构的电路应该完全对称，而且对共模信号具有很好的抑制作用。但是，在实际工程当中，由于工艺、温度和电源电压等一系列原因而产生失配，这时候就需要一个共模反馈电路来稳定输出电压，从而确保电路处于正常工作状态。除此之外，共模反馈电路还必须具备一些自身的特征，既要对共模信号敏感，还不能影响差模信号的工作状态。共模电路的工作原理是：

根据公式假设主电路的输出VON增加，则流过M12的电流减小，由于流过M11和M12的总电流不变，因此导致流过M11的电流增大，即流过M16的电流增大，从而使VCMFB增大，主电路的尾电流增加，由于差分结构两边对称，因此流过支路M1的电流和流过M2的电流相等，而且同时增加，从而使VON减小，当主电路的输出VON减小时，情况与增加时刚好相反。通过这种反馈方式从而保证了输出共模电平稳定。所设计运算放大器原理如图4所示。