论文总字数：23229字

摘 要

无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）结合了传感器技术，通信技术，分布式信息处理技术和嵌入式计算技术，能够实时监测，感知和采集网络内的信息，并对这些采集到的信息进行处理，有着巨大的应用价值，已经被广泛运用于很多领域。而用于传感器节点之间通信到的射频收发机芯片在WSN中显得非常关键。随着半导体工艺技术的进步和无限通信技术的发展，高集成度和低成本的CMOS射频收发机芯片变成了WSN系统的首选。然而射频收发机芯片重要的组成部分片内集成滤波器很容易受到工艺和工作环境的影响。本文的重要内容就是设计出性能可避免受工艺和工作环境影响的片内集成滤波器。

本文基于TSMC0.18μm RF CMOS工艺，滤波器的主体由有源Gm-C结构构成，该结构基于五阶切比雪夫低通原型，能够满足高镜像抑制要求。跨导采用Nauta跨导，具有低功耗和易调节的特点。电路通过频率调谐模块和Q值调谐模块来稳定滤波器的中心频率，带宽和Q值。测试结果表明，1.8V电源电压下，滤波器的中心频率约为2MHz，带宽约为2.5MHz，镜像抑制率大于45dB，邻带抑制率在5.8MHz处大于60dB。

关键词：无线传感器网络（WSN），Nauta跨导，Gm-C复数带通滤波器，频率调谐，Q值调谐

Abstract

Wireless Sensor Network（WSN） combines sensor technology, communication technonlogy, dietributed information processing technology and embedded computing technology. It canmonitor, perception and collect information in the network and deal with the information it got. WSN has huge value of application and has been utilized widely in many areas. The RF transceiver chip to the communication between sensor nodes is crucial in WSN. With the development of semiconductor technology and wireless communication technology, CMOS RF transceiver chip with high integration and low cost has become the first choice for WSN system. However, RF transceiver chip components, the on-chip integrated filter can be easily affected by working environment and technology used. What this paper shows is how to design an on-chip integrated filter that can avoid been affected by environment and technology.

This paper is based on TSMC 0.18 μm RF CMOS technology. The main part of the filter is designed with active Gm-C structure. This structure is based on the fifth order Chebyshev filter and can meet the requirement of high image rejection. Nautatransconductance that have the characteristic of low cost and easy control is used, too. The circuit stable the middle frequency, bandwidth and Q value of the filter by the frequency tuning module and the Q tuning module. The result shows under 1.8V voltage source, the middle frequency of the filter is 2MHz, the bandwidth is 2.5MHz, image rejection rate is higher than 45dB, and the neighbourband rejection rate is larger than 60dB at 5.8MHz.

keywords: Wireless Sensor Network(WSN); Naututransconductance; Gm-C integrated bandpass filter; Frequency tuning; Q tuning

目录

第1章绪论 5

1.1课题的背景与意义 5

1.2 研究内容与设计指标 5

1.3 论文组织 7

第2章滤波器基本原理 8

2.1 滤波器发展简介 8

2.2 滤波器在低中频接收机中的应用 8

2.3 滤波器的分类 12

2.4 本章小结 13

第3章复数带通滤波器设计 14

3.1 Gm-C复数带通滤波器系统级设计 14

3.1.1 无源低通滤波器原型设计 15

3.1.2 跨导单元实现悬浮电感 18

3.1.3 跨导单元实现电阻 19

3.1.4 滤波器实现低通到带通的变换 20

3.1.5 Gm-C复数带通滤波器的生成 22

3.1.6 滤波器的缓冲电路 23

3.2 跨导电路设计 24

3.2.1 跨导电路的工作原理 24

3.2.2 跨导电路的参数 25

3.3 本章小结 27

第4章滤波器调谐系统的设计 28

4.1 VCO单元 29

4.2 信号转换器单元 30

4.3 七位DAC单元 31

4.4 DFD单元 33

4.5 缓冲器单元 34

4.6 电压/电流转换器单元 35

4.7 本章小结 36

第5章复数带通滤波器的仿真 37

5.1 滤波器主体电路 37

5.2 带自动调谐系统的复数带通滤波器的仿真 38

第6章总结与展望 39

致谢 40

参考文献 41

第1章绪论

1.1课题的背景与意义

无线传感器网络由传感器节点组成，它能够实时监听，感知和采集网络中的信息，在环境信息检测，农业生产，军事侦察，生物栖息环境监测，工业生产控制等领域有着很不错的应用前景。传感器网络集成了微机电系统（MEMS），传感器和网络三大技术，并形成了一种全新的信息获取和处理技术，随着无线通信技术不断地发展和应用，传感器技术的发展方向也朝着多功能化，智能化，无线化，微型化和网络化改变。传感器技术的发展将趋向于无线传感器网络。

无线传感器网络的一个重要组成部分是射频收发机芯片，而无线传感器网络设计的主要瓶颈也正是射频收发机芯片的设计。老式的射频收发机由于采用分立元件设计，可靠性低，体积大并且不利于批量生产，所以成本更低，集成度更高的CMOS工艺更能满足高性能射频收发芯片的要求。目前国际上射频的研究热点之一是射频电路的单片集成，这种技术可以让产品的体积更小，功耗更低，成本更少，同时也有利于批量生产。对于无线传感网来说，单片集成是最好的选择方案。

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