论文总字数：21691字

摘 要

无线传感器网络是一种由传感器节点组成的无线网络。它能够实时地监听、感知、采集以及发布网络中的信息，使人们能更好地监测网络中的情况，在许多领域有着广泛的应用前景。而用于传感器节点间通信的射频收发机芯片则是无线传感器网络的关键。传统的射频收发机采用分立元件设计，不仅可靠性较低、体积大，而且不利于批量生产。在降低射频产品成本的驱动下，高集成度、低成本的CMOS工艺能够满足高性能射频收发芯片的要求。射频电路的单片集成可以带来更小的产品体积，更低的功耗，更低的成本，同时有利于批量生产。

对于单片集成方案而言，其关键技术之一就是实现高集成度的片内集成滤波器。然而片内集成滤波器的性能对工艺和工作环境变化极为敏感，需要设计调谐系统实现滤波器的中心频率、带宽和Q值调谐。其中，频率控制模块是滤波器调谐系统的重要组成部分。在实现该部分单位增益频率的调谐后，将此信号和完成后的Q值调谐信号同时复制给滤波器，可最终实现滤波器中积分器的调谐。

本文介绍的频率控制电路采用TSMC 0.18μm CMOS工艺，使用Cadence工具进行电路的设计。滤波器主体电路采用具有低功耗、工作频率高等优点的有源Gm-C结构，跨导单元采用易于调谐的Nauta跨导。频率调谐环路采用锁相环技术，使用数字鉴频器和改进架构的数模转换器，实现积分器的单位增益频率调谐。仿真结果表明，在1.8V的电源电压下，滤波器中心频率为2MHz，中心频率调谐误差lt;5%，仿真结果均满足设计要求。

【关键字】

带通滤波器 频率调谐 压控振荡器 数字鉴频器 数模转换器

Abstract

Wireless Sensor Network is a kind of wireless network composed of sensor nodes. It helps people better monitor the statue in network by monitoring, perceiving, gathering and publishing information in time. It has a wide application prospect in many fields. The RF transceiver chip is key to WSN. Traditional RF transceivers are designed by discrete components, which are of low reliability, large volume and not conductive to mass production. To lower the cost of RF products, highly-integrated and low-cost CMOS technology is proposed. It can meet the requirements of high-performance RF transceiver chip. The monolithic integrated RF circuit brings products with smaller volume, lower power consumption and lower cost. Meanwhile, the goal of mass production can be achieved.

One of the key technologies of monolithic chip integration is to realize the integrated filters with high integration. The integrated filter is extremely sensitive to the varieties of process and work environment, so it needs a tuning system that can tune the center frequency, bandwidth and Q factor. Frequency control module is an important part of tune system. After tuning the unity gain frequency, this signal and Q factor tuning signal are sent to filter at the same time and finally realize the tune of integrator in filter.

This paper introduces a frequency control circuit using TSMC 0.18μm CMOS technology. Cadence is used in designing the circuit. The main circuit adopts an active Gm-C structure with advantages of low power consumption and high working frequency. Transconductance unit adopts Nauta transconductance that is easily tuned. The frequency tuning loop realizes the tuning of unity gain frequency of integrator by using PLL technology, consisting of DFD and DAC with improved architecture. Simulation results show that under the 1.8V of working voltage, the center frequency of filter can be tuned to 2MHz and the tuning error is less than 5%. Test results meet the design requirements.

【Keywords】

Band-pass filter Frequency tuning

Voltage controlled oscillator Digital frequency discriminator

D/A converter

目录

摘 要 2

Abstract 3

第1章 概述 5

1.1复数带通滤波器概述 5

1.2 调谐系统的必要性 6

1.3 设计指标 8

1.4论文结构安排 8

第2章 常见频率调谐电路 9

2.1 单积分器调谐电路 9

2.2 相位差调谐电路 11

2.3 VCF型锁相环调谐电路 12

2.4 开关电容电路 13

2.5 VCO型锁相环调谐电路 14

第3章 VCO型PLL电路设计 15

3.1调谐系统原理 15

3.1.1 传统VCO调谐环路 15

3.1.2 Nauta跨导滤波器调谐环路 16

3.2 频率调谐系统电路实现 17

3.2.1 信号转换器电路设计 18

3.2.2 七位DAC单元电路 20

3.2.3 数字鉴频器单元电路 24

3.2.4 缓冲器单元 26

第4章 电路仿真与结果分析 28

4.1信号转换器电路及仿真 28

4.2 DFD单元电路及仿真 29

4.3 DAC单元电路 29

4.4 缓冲器电路 30

4.5 频率调谐电路顶层电路 31

4.6 调谐系统前仿真 32

第5章 总结与展望 34

致谢 35

参考文献 36

附录1 38

第1章 概述

1.1复数带通滤波器概述

随着社会的发展，CMOS工艺技术的不断进步使得WSN射频收发机芯片越来越向着低成本、高集成度的方向发展。而在目前比较流行的几种收发机架构中，低中频结构与零中频结构由于可省去片外滤波器从而在片全集成以降低成本，也因此得到广泛的研究及应用。但是零中频结构存在闪烁噪声、直流偏移等问题，严重限制了其性能，并增加了系统的复杂性。相比较而言，低中频结构是一个较好的选择，尤其是对镜像抑制要求不高的系统应用中。

目前有许多在片镜像抑制的方案，例如Hartley结构和Weaver结构^[1]、无源RC多相滤波器以及有源复数滤波器。在这些方案中，复数滤波器在实现有效的镜像抑制同时可进行信道选择，因而在低中频结构的收发机中得到了广泛的应用。有源滤波器就是采用电阻电容以及有源器件运放或跨导等实现滤波的响应，它有阶数的区分，阶数通常代表滤波器系统函数中的极点的个数，一般来说，阶数越高，滤波器的选择性就越好。现在的通信系统中通常需要滤波器有很高的选择性，因此就需要阶数较高的滤波器。

从有源滤波器电路的具体实现方案上来说，有源滤波器可分为多种类型，目前业界主要有三种类型的有源滤波器：

(1) Active RC滤波器

这种基于运放、电阻电容的滤波器具有比较理想的线性度，但对运放的要求比较高，而高性能的运放必然要求较高的功耗，另外工作频率越高，对运放性能的要求就越苛刻。尽管如此，这种类型的滤波器还是被广泛应用在低中频及零中频的收发机中^[2]。

(2) MOSFET-C滤波器

MOSFET-C滤波器是在有源RC滤波器为基础上，通过用工作在三极管区的MOS管替换多晶电阻来实现的^[3]。由于工作在三极管区的MOS管需采用输出阻抗比较低的运算放大器，这意味着需要采用多级运算放大器，因此MOSFET-C滤波器只能够工作在较低的频率范围内。这种类型的滤波器研究的较少。

(3) Gm-C滤波器

Gm-C滤波器是一种基于跨导和电容的滤波器。只需用一个跨导器驱动一个电容就可构成一个Gm-C滤波器。相对于Active RC和MOSFET-C滤波器而言，Gm-C滤波器具有较低的功耗并且可以胜任较高的工作频率。目前，Gm-C滤波器可以工作在从几kHz到上百MHz甚至上GHz的频率上^[4]。一般来说，积分器比较多采用闭环运算放大器，而Gm-C滤波器所使用的是一种开环的跨导器驱动电容，这种结构的速度相较于前要快上许多。然而，这种类型滤波器的缺点是跨导的线性度直接影响整个滤波器的线性度，因而对跨导有较高要求，高性能跨导电路的设计通常是这种类型滤波器设计的关键。

上文分别对有源RC滤波器、MOSFET-C滤波器以及Gm-C滤波器进行了介绍和对比，下面我们通过表1.1来对这三种滤波器的性能以及特点作一个总结。本文复数带通滤波器采用Nauta跨导的Gm-C滤波器结构，符合滤波器低功耗易调谐的要求。

表 1.1 Active RC、MOSFET-C和Gm-C滤波器性能比较

1.2 调谐系统的必要性

由于工艺偏差、工作环境（温度、电源电压）的改变以及器件老化等影响，滤波器的幅频特性或者传输函数会发生很大的改变，这对于同时完成镜像抑制和邻近信道信号衰减作用的带通滤波器是不允许的。为了获得稳定、准确的幅频特性，滤波器需要加上一个自动调谐系统，以调整滤波器内各器件参数，从而使其幅频特性稳定在设计值上。

和开关电容滤波器工作方式不同，Gm-C滤波器并不需要额外的时钟电路。Gm-C滤波器的传输函数及频率特性和Gm/C的比值有很大的相关性^[5]。集成电路制造时的工艺误差，工作环境温度的变化、电池供电情况下电源电压的下降等，都会对滤波器的中心频率及Q值产生影响。极端工艺偏差情况下，Gm-C滤波器的中心频率可能偏离20%以上，因此需要一个频率调谐电路来调整滤波器的中心频率^[5]。

滤波器的调谐系统工作方式大体可以分为两种：直接方式和间接方式。直接方式通过拨动开关控制滤波器的状态，在与调谐系统构成调谐环路时，调谐系统通过调整控制电压，使滤波器幅频特性达到设计值，当滤波器脱离调谐系统环路时，滤波器开始正常工作，控制电压保持不变。该方式的优点是：滤波器作为调谐环路的一部分，因此不存在失配的问题，调谐性能较好。缺点是滤波器在工作期间不能调谐，并且调谐电路结构复杂、占用面积大。

间接方式如图1.1所示，该方式需要对滤波器中积分器进行复制。在间接调谐方式中，调谐系统通过控制信号V_ctrl同时对主滤波器和从滤波器进行调节。主滤波器得到调谐的同时，从滤波器幅频特性也被调谐到设计值。该方式的优点是调谐系统可以连续地对从滤波器进行调谐。缺点是主滤波器和从滤波器之间的元件匹配性要求较高，而且主滤波器与从滤波器间可能存在一定信号串扰。

图1.1 间接方式调谐系统

在直接调谐方式中，调谐系统要求一定规模的存储器并且结构较复杂。每次调谐时滤波器都需要脱离工作系统，故无法连续处理信号，因而目前的调谐系统大多采用间接调谐方式。

1.3 设计指标

表1.2 设计指标

1.4论文结构安排

全文共分为5个章节。第一章是概述，主要介绍了复数带通滤波器的发展和应用、滤波器调谐系统的必要性及本文主要研究内容；第二章主要介绍了几种常见的频率调谐电路并根据实际情况选择本设计所需的方案；第三章就第二章所选择的方案详细介绍其设计原理以及设计过程；第四章给出仿真结果分析；第五章进行总结。

第2章 常见频率调谐电路

上文中已经提到，目前的频率自动调谐电路大多采用主-从滤波器间接调谐方式，较为常见的有单积分器调谐电路、MLL调谐电路、VCF型PLL调谐电路、开关电容电路、VCO型PLL调谐电路等等，下面对这些方案逐个进行分析与比较。

2.1 单积分器调谐电路

如图2.1所示，单积分器与从滤波器内部的积分器相匹配，参考信号经过单积分器后，得到包含该单积分器单位增益频率信息的输出信号。然后该输出信号同参考信号一起进入处理电路，产生控制信号，用于调节单积分器的单位增益频率。通过锁定与参考信号频率的关系，实现单积分器的单位增益频率调谐。由于单积分器与从滤波器中积分器相互匹配，控制信号同时也调整从滤波器中各积分器，所以最终从滤波器中各积分器的单位增益频率也得到调谐，由各积分器单位增益频率共同决定的从滤波器中心频率和带宽自然被调谐到设计值。

图2.1 单积分器频率调谐原理图

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