基于OTA的有源Gm-C复数带通滤波器的设计

【基于OTA的有源Gm-C复数带通滤波器设计】 在现代射频前端芯片设计中，高集成度是提升系统性能的关键。有源Gm-C滤波器因其可集成性和优良的性能，成为了中频滤波器片上集成的理想选择。Gm-C滤波器基于运算放大器（OTA）和电容，通过巧妙的电路设计，可以实现各种滤波特性。 Gm-C滤波器的实现通常采用三种结构：Biquad结构、Gyrator结构和Leapfrog结构。Biquad结构简洁，便于调整，但阶数较低，Q值不高。Leapfrog结构受直流偏移影响小，但设计复杂。本文选用Gyrator结构，它具有简单的实现方法和良好的电气性能。Gyrator结构能够将浮地电容转化为复数形式，但这一过程在许多文献中并未详细阐述。作者通过对类似结构的分析，推导出了浮地电容的复数变换理论和方法。 设计一个带宽为1 MHz，30 dB阻带起始频率为3 MHz，通带波纹为0.5 dB，且有一定增益的椭圆函数低通滤波器。利用ADS软件设计低通原型滤波器，然后将电感用有源浮地电感替代，得到只包含OTA和电容的滤波器结构。仿真结果显示，原型滤波器和Gm-C滤波器的AC响应一致性良好，表明转换成功。 复数滤波器引入了负频率概念，通过频率搬移，实现在不同中心频率的带通滤波。例如，通过改变电容两端电压的相位差，可以将电容在复频域上进行频率搬移。在Gm-C滤波器中，只需处理浮地电容的复数变换。设计的复数带通滤波器输入为差分正交信号，四路信号相位差90度，正确的输入相位顺序至关重要，以确保正确输出和镜像抑制效果。 仿真结果展示了一个中心频率为4.1 MHz，带宽2 MHz的复数带通滤波器，带外抑制达到42 dB和56 dB，带内增益13.27 dB，符合GPS射频前端的中频滤波需求。此外，通过调整输入信号相位顺序，可以实现更高效的镜像抑制。 总结来说，本文提出的Gm-C复数带通滤波器设计具备高性能，适配射频前端的中频滤波需求。通过优化OTA结构，如增加跨导稳定性，提高输出阻抗，可进一步提升滤波器性能。该滤波器采用全CMOS工艺，集成度高，功耗低，适用于系统级芯片（SoC）应用。实际应用时还需考虑滤波器的调谐电路，以应对工艺容差带来的频率和Q值调整。