四階連續(xù)時間正交帶通ΣΔ調(diào)制器的設計

在低中頻射頻接收機中，如圖1所示，射頻信號經(jīng)過下混頻，產(chǎn)生I、Q兩路正交低中頻信號，之后直接通過帶通ΣΔADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于中頻不在直流處，可以避免直流失調(diào)和閃爍噪聲。正交帶通ΣΔADC比傳統(tǒng)的帶通ΣΔADC更適用于低中頻架構(gòu)，這是因為前者的噪聲整形零點全部分布在單一頻域，后者的噪聲整形零點則對稱的分布在正負頻域，負頻域的噪聲整形零點是浪費，正交帶通ΣΔADC在噪聲整形性能上有優(yōu)勢。正交帶通ΣΔADC由模擬和數(shù)字兩部分組成，模擬部分是正交帶通ΣΔ調(diào)制器，數(shù)字部分是抽取濾波器，本文主要研究正交帶通ΣΔ調(diào)制器。

圖1　低中頻接收機架構(gòu)

　　連續(xù)時間ΣΔ調(diào)制器與離散時間ΣΔ調(diào)制器相比，它具有一些顯著的優(yōu)勢，特別是無需獨立的抗混疊濾波器，同時降低對運放單位增益帶寬和擺率的要求，從而有利于降低了調(diào)制器的功耗。文獻首次提出并驗證了連續(xù)時間正交帶通ΣΔ調(diào)制器架構(gòu)，近幾年文獻也提出了一些成功的設計。其根本設計方法都是將兩個低通濾波器的輸入輸出進行交叉耦合來構(gòu)成一個具有帶通濾波特性的復數(shù)濾波器。

　　眾所周知，連續(xù)時間ΣΔ調(diào)制器有一些固有的非理想特性，時鐘抖動就是最主要的非理想特性之一。本文主要研究如何減少時鐘抖動影響，設計了一個對其不敏感的四階連續(xù)時間正交帶通ΣΔ調(diào)制器。

　　1　復數(shù)濾波器

　　在低中頻架構(gòu)中，經(jīng)過下混頻產(chǎn)生的I、Q兩路正交實信號可以表示成一個復數(shù)信號:

　　復數(shù)信號最重要的特性之一就是頻譜關于直流不對稱。處理復數(shù)信號就需要復數(shù)濾波器，如圖2所示，它是由實數(shù)濾波器經(jīng)過交叉耦合而形成，

圖2　復數(shù)積分器

　　其傳輸函數(shù)為:

　　實數(shù)積分器具有低通特性，其傳輸函數(shù)的頻譜關于直流對稱，而復數(shù)積分器具有帶通特性，其傳輸函數(shù)頻譜的對稱軸平移到了：

　　復數(shù)濾波器是構(gòu)成正交帶通ΣΔ調(diào)制器的基本模塊，其傳輸函數(shù)的極點就是ΣΔ調(diào)制器的噪聲整形零點。

　　2　正交帶通調(diào)制器

　　目前連續(xù)時間正交帶通ΣΔ調(diào)制器的設計方法主要有兩種: (1)先設計一個優(yōu)化好零點位置的連續(xù)時間低通ΣΔ調(diào)制器，然后用它構(gòu)成I、Q兩路，最后對兩路調(diào)制器進行交叉耦合實現(xiàn)頻譜搬移; (2)通過平移離散時間低通ΣΔ調(diào)制器的NTF，得到一個離散時間的復數(shù)NTF，然后對它進行DT2TO2CT變換，最終可以求得調(diào)制器的各支路系數(shù)。方法2設計過程繁瑣，且整個調(diào)制器系數(shù)多，在電路實現(xiàn)時意味著更多的元件。

　　本文采用的方法與第一種類似，調(diào)制器的設計分為兩步: 首先設計四階連續(xù)前饋低通ΣΔ調(diào)制器，然后根據(jù)文獻提供的四階ΣΔ調(diào)制器的零點位置確定耦合電阻大小。

　　四階前饋低通ΣΔ調(diào)制器整個環(huán)路濾波器是由有源RC積分器構(gòu)成的，這是因為與開環(huán)結(jié)構(gòu)的gm2C濾波器相比，反饋結(jié)構(gòu)的有源RC積分器具有更好的線性度。之所以選擇前饋結(jié)構(gòu)，是因為前饋結(jié)構(gòu)中只有誤差信號通過整個環(huán)路濾波器，這降低了對各級積分器動態(tài)范圍的要求，從而減少了功耗。然而前饋結(jié)構(gòu)需要額外的求和模塊，為了使求和網(wǎng)絡在大的輸入信號下仍具有良好線性，選擇采用電阻比例積分器。

　　量化器選擇本質(zhì)上線性的1 bit比較器，反饋路徑上采用對時鐘抖動不敏感的開關電容DAC。

　　調(diào)制器零點頻率即為復數(shù)積分器的中心頻率fC ，根據(jù)式( 3)可以求出各級耦合電阻Rωi的值。表1反映了本文設計的正交帶通ΣΔ調(diào)制器零點的分布情況， Ci 為各級積分器的積分電容。