一种应用于Gm-C型复数滤波器的直流失调消除电路

摘要

本发明公开了一种应用于Gm-C型复数滤波器的直流失调消除电路，属于无线通信接收机技术领域。直流失调消除电路由I路和Q路的积分器单元和跨导放大器单元组成。Gm-C型复数滤波器I路和Q路的输出信号，通过该直流失调消除电路后，分别反馈到I路的I1和Q路的Q1节点，形成闭环负反馈，提高滤波器在低频处的抑制能力，减小IQ两路之间的失配，消除直流失调对静态工作点的影响，避免后级模块出现饱和与失真。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于Gm-C型复数滤波器的直流失调消除电路，属于无 线通信接收机技术领域。

背景技术

随着无线通讯技术的迅速发展和人们对无线通讯产品需求的不断增加，射 频集成电路设计已经成为研究的热点。低中频结构由于其便于集成、功耗低等 优点在射频接收机中有广泛应用。中频信道选择滤波器是射频接收机的关键模 块，其主要作用是滤除带外信号，抑制镜像信号的干扰。中频信道选择滤波器 采用Gm-C型复数滤波器结构实现，相比较于其他类型的有源滤波器，具有结 构简单、功耗低和易于调谐等优点。可变增益放大器也是射频接收机的重要模 块，其提供了整个接收机链路的大部分增益，但这两部分的功耗也占了接收机 总功耗的很大比例。

为了节约接收机芯片的面积，降低整体的功耗，带有可变增益功能的复数 滤波器将是未来技术的发展方向。但是，当复数滤波器工作在较大增益时，低 频处的增益也相应增大，导致滤波器对低频处的抑制不够，如图1所示，不能 有效的消除直流失调对静态工作点的影响，导致后级模块出现饱和与失真，严 重影响接收机整体的性能，因此研究一种应用于Gm-C型复数滤波器的直流失 调消除电路对提高整个接收机性能非常重要。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种应用于Gm-C 型复数滤波器的直流失调消除电路，提高复数滤波器在低频处的抑制，减小IQ 两路之间的失配，消除直流失调对静态工作点的影响，避免后级模块出现饱和 与失真。

本发明的技术解决方案是：一种应用于Gm-C型复数滤波器的直流失调消 除电路，Gm-C型复数滤波器包括I路输入单元、I路中间单元、I路输出单元、 Q路输入单元、Q路中间单元、Q路输出单元、第一交叉耦合单元、第二交叉 耦合单元以及第三交叉耦合单元，I路输入单元与Q路输入单元通过第一交叉 耦合单元连接，I路中间单元与Q路中间单元通过第二交叉耦合单元连接，I路 输出单元与Q路输出单元通过第三交叉耦合单元连接，I路输入信号Iin依次通 过I路输入单元、I路中间单元和I路输出单元后得到I路输出信号Iout，Q路 输入信号Qin依次通过Q路输入单元、Q路中间单元和Q路输出单元后得到Q 路输出信号Qout；

所述直流失调消除电路包括I路积分器单元、Q路积分器单元、第一跨导 放大器单元、第二跨导放大器单元、第三跨导放大器单元、第四跨导放大器单 元和反相器；

I路积分器单元接收Gm-C型复数滤波器的I路输出信号Iout，对该I路输 出信号Iout进行低通滤波后得到两路相同的低频信号，分别输出给第一跨导放 大器单元和第二跨导放大器单元，第一跨导放大器单元对接收的低频信号进行 放大后输出第一I路放大信号，第二跨导放大器单元对接收的低频信号进行放 大后输出第二I路放大信号；Q路积分器单元接收Gm-C型复数滤波器的Q路 输出信号Qout，对该Q路输出信号Qout进行低通滤波后得到两路相同的低频 信号，分别输出给反相器和第四跨导放大器单元，反相器对接收的低频信号进 行取反后输出给第三跨导放大器单元，第三跨导放大器单元对接收的信号进行 放大后输出第一Q路放大信号，第四跨导放大器单元对接收的信号进行放大后 输出第二Q路放大信号；

第一I路放大信号和第一Q路放大信号叠加后反馈到Gm-C型复数滤波器 I路输入单元的输出端I1，第二I路放大信号和第二Q路放大信号叠加后反馈 到Gm-C型复数滤波器Q路输入单元的输出端Q1。

所述I路积分器单元和Q路积分器单元的直流增益均为1。

所述I路积分器单元和Q路积分器单元的截止频率相同，均为f，Gm-C型 复数滤波器的低频处抑制的转折点Fs由I路积分器单元或Q路积分器单元的截 止频率决定，即Fs＝f。

所述第一跨导放大器单元与第四跨导放大器单元的跨导值相同，第二跨导 放大器单元与第三跨导放大器单元的跨导值相同。

所述第一跨导放大器单元、第二跨导放大器单元、第三跨导放大器单元和 第四跨导放大器单元均由基本的跨导放大器组合而成。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

(1)本发明的直流失调消除电路，通过I路和Q路两路之间的叠加反馈可 以降低Gm-C型复数滤波器低频处的增益，提高低频处的抑制；同时I路和Q 路两路之间的叠加反馈还可以消除直流失调对静态工作点的影响，避免后级模 块出现饱和与失真；

(2)本发明通过改变I路积分器单元和Q路积分器单元的截止频率f，可 以调节Gm-C复数滤波器低频处抑制的优化转折点Fs；

(3)本发明中采用的跨导放大器单元均由基本的跨导放大器组合而成，可 以提高电路的匹配性，降低电路之间的失配。

附图说明

图1为Gm-C型复数滤波器在无直流失调消除电路和有直流失调消除电路 情况下的频率响应曲线；

图2为本发明的一种应用于Gm-C型复数滤波器的直流失调消除电路拓扑 结构示意图；

图3为三阶Gm-C型复数滤波器的全差分拓扑结构示意图；

图4为直流失调消除电路的全差分拓扑结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种应用于Gm-C型复数滤波器的直流失调消除电路，如图2 所示。Gm-C型复数滤波器10包括I路输入单元、I路中间单元、I路输出单元、 Q路输入单元、Q路中间单元、Q路输出单元、第一交叉耦合单元(图2中的 交叉耦合单元1)、第二交叉耦合单元(图2中的交叉耦合单元2)以及第三交 叉耦合单元(图2中的交叉耦合单元3)，I路输入单元与Q路输入单元通过第 一交叉耦合单元连接，I路中间单元与Q路中间单元通过第二交叉耦合单元连 接，I路输出单元与Q路输出单元通过第三交叉耦合单元连接，I路输入信号依 次通过I路输入单元、I路中间单元和I路输出单元后向外输出I路输出信号， Q路输入信号依次通过Q路输入单元、Q路中间单元和Q路输出单元后向外输 出Q路输出信号；其特征在于：所述直流失调消除电路包括I路积分器单元201、 Q路积分器单元202、第一跨导放大器单元203、第二跨导放大器单元204、第 三跨导放大器单元205、第四跨导放大器单元206和反相器207；

I路积分器单元201接收Gm-C型复数滤波器10的I路输出信号Iout，对 该I路输出信号进行低通滤波后得到两路相同的低频信号，分别输出给第一跨 导放大器单元203和第二跨导放大器单元204，第一跨导放大器单元203对接 收的低频信号进行放大后输出第一I路放大信号，第二跨导放大器单元204对 接收的低频信号进行放大后输出第二I路放大信号；Q路积分器单元202接收 Gm-C型复数滤波器10的Q路输出信号Qout，对该Q路输出信号进行低通滤 波后得到两路相同的低频信号，分别输出给反相器207和第四跨导放大器单元 206，反相器207对接收的低频信号进行取反操作后输出给第三跨导放大器单元 205，第三跨导放大器单元205对接收的信号进行放大后输出第一Q路放大信 号，第四跨导放大器单元206对接收的信号进行放大后输出第二Q路放大信号；

第一I路放大信号和第一Q路放大信号叠加后反馈给Gm-C型复数滤波器 10I路输入单元的输出端I1，第二I路放大信号和第二Q路放大信号的输出信 号叠加后反馈给Gm-C型复数滤波器10Q路输入单元的输出端Q1。

各部分的具体电路结构和连接关系说明如下。

以差分输入信号形式为例对本发明内容进行阐述。图3是三阶Gm-C型复 数滤波器的全差分拓扑结构示意图，它由I路低通滤波器30、Q路低通滤波器 40和中间交叉耦合单元50组成。I路低通滤波器30由跨导放大器单元GmI1、 GmI2、GmI3、GmI4、GmI5、GmI6、GmI7和电容CI1、CI2、CI3、CI4、 CI5、CI6、CI7、CI8组成。GmI1组成I路输入单元，GmI2、GmI3、GmI4、 GmI5、GmI6组成I路中间单元，GmI7为I路输出单元。Q路低通滤波器40 由跨导放大器单元GmQ1、GmQ2、GmQ3、GmQ4、GmQ5、GmQ6、GmQ7 和电容CQ1、CQ2、CQ3、CQ4、CQ5、CQ6、CQ7、CQ8组成。GmQ1 组成Q路输入单元，GmQ2、GmQ3、GmQ4、GmQ5、GmQ6组成Q路中 间单元，GmQ7为Q路输出单元。中间交叉耦合单元50由跨导放大器Gm1、 Gm2、Gm3、Gm4、Gm5和Gm6组成。Gm1、Gm2组成第一交叉耦合单 元，Gm3、Gm4组成第二交叉耦合单元，Gm5和Gm6组成第三交叉耦合单 元。I路的差分输入信号为I_INP和I_INN，差分输出信号为I_OUTP和I_OUTN。 Q路的差分输入信号为Q_INP和Q_INN，差分输出信号为Q_OUTP和 Q_OUTN。

图4是直流失调消除电路的全差分拓扑结构示意图，I路的差分输出信号 I_OUTP和I_OUTN通过I路积分器单元得到两路相同的I路低频信号，该I路 积分器单元由运算放大器A1，电阻R1、电容C1、电阻R2和电容C3组成。Q 路的差分输出信号Q_OUTP和Q_OUTN通过Q路积分器单元得到两路相同的 Q路低频信号，该Q路积分器单元由运算放大器A2，电阻R3、电容C3、电阻 R4和电容C4组成。其中一路I路低频信号通过第一跨导放大器单元Gm7的输 出与一路Q路低频信号通过第三跨导放大器单元Gm9的输出相连，将得到的 信号反馈到I路输入单元GmI1的输出端I1+和I1-。另外一路Q路低频信号通 过第四跨导放大器单元Gm10的输出与另外一路I路低频信号通过第二跨导放 大器单元Gm8的输出相连，将得到的信号反馈到Q路输入单元GmQ1的输出 端Q1+和Q1-。

以三阶Gm-C型复数滤波器为例，本发明提出的应用于Gm-C型复数滤波 器的直流失调消除电路的工作原理解释如下：

三阶Gm-C型复数滤波器由I路低通滤波器30、Q路低通滤波器40和中间 交叉耦合单元50组成，I路低通滤波器与Q路低通滤波器采用全差分方式实现， 电路结构相同，I路低通滤波器30或Q路低通滤波器40的截止频率决定了复 数滤波器的带宽，中间交叉耦合单元50则决定了复数滤波器的中心频率。具体 工作原理在此就不再详细描述了。

直流失调消除电路也采用全差分方式实现，I路的差分输出信号I_OUTP 和I_OUTN通过I路积分器单元得到I路低频信号，同样Q路的差分输出信号 Q_OUTP和Q_OUTN通过积分器单元得到Q路低频信号，I路积分器单元和Q 路积分器单元电路结构相同，电阻R1、R2、R3、R4的阻值相同，均为R，电 容C1、C2、C3、C4的电容值相同，均为C。I路积分器单元和Q路积分器单 元直流增益均为1，截止频率f决定了复数滤波器低频处抑制的优化转折点(如 图1所示)，频率为Fs：

$\mathrm{Fs}=f=2\pi ·\frac{1}{\mathrm{RC}}---\left(1\right)$

I路低频信号通过第一跨导放大器单元Gm7的输出与Q路低频信号通过第 三跨导放大器单元Gm9的输出相连，得到的信号反馈到I路输入单元GmI1的 输出端I1+和I1-。Q路低频信号通过第四跨导放大器单元Gm10的输出与I路 低频信号通过第二跨导放大器单元Gm8的输出相连，得到的信号反馈到Q路 输入单元GmQ1的输出端Q1+和Q1-。假设复数滤波器I路等效输入直流失调 电压为Iin，输出直流失调电压为Iout，Q路等效输入直流失调电压为Qin，输 出直流失调电压为Qout。每一个跨导放大器单元均由基本的跨导放大器组合而 成。跨导放大器单元GmI1的跨导值为gmI1，其它跨导运算放大器单元的跨导 值以此类推。

通过推导可以得到：

$\left(\begin{array}{c}-\mathrm{Iin}·\mathrm{gmI}1·\frac{1}{\mathrm{gmI}2+\mathrm{gmI}7}-\mathrm{Qout}·(\mathrm{gm}2+\mathrm{gm}4+\mathrm{gm}6)\frac{1}{\mathrm{gmI}2+\mathrm{gmI}7}\\ +(\mathrm{Iout}·\mathrm{gm}7-\mathrm{Qout}·\mathrm{gm}9)·\frac{1}{\mathrm{gmI}2+\mathrm{gmI}7}=\mathrm{Iout}\end{array}\right)---\left(2\right)$

$\left(\begin{array}{c}-\mathrm{Qin}·\mathrm{gmQ}1·\frac{1}{\mathrm{gmQ}2+\mathrm{gmQ}7}+\mathrm{Iout}·(\mathrm{gm}1+\mathrm{gm}3+\mathrm{gm}5)\frac{1}{\mathrm{gmQ}2+\mathrm{gmQ}7}\\ +(\mathrm{Qout}·\mathrm{gm}10+\mathrm{Iout}·\mathrm{gm}8)·\frac{1}{\mathrm{gmQ}2+\mathrm{gmQ}7}=\mathrm{Qout}\end{array}\right)---\left(3\right)$

由Gm-C型复数滤波器原理可知：

gmI1＝gmQ1＝gm                 (4)

gmI2+gmI7＝gmQ2+gmQ7＝N·gm          (5)

gm1+gm3+gm5＝gm2+gm4+gm6＝S·gm      (6)

化简之后得到：

$-\mathrm{Iin}·\frac{1}{N}+\mathrm{Qout}·\frac{S}{N}+(\mathrm{Iout}·\mathrm{gm}7-\mathrm{Qout}·\mathrm{gm}9)·\frac{1}{N·\mathrm{gm}}=\mathrm{Iout}---\left(7\right)$

$-\mathrm{Qin}·\frac{1}{N}-\mathrm{Iout}·\frac{S}{N}+(\mathrm{Qout}·\mathrm{gm}10+\mathrm{Iout}·\mathrm{gm}8)·\frac{1}{N·\mathrm{gm}}=\mathrm{Qout}---\left(8\right)$

推导得到：

$\mathrm{Iin}=(\frac{\mathrm{gm}7}{\mathrm{gm}}-N)·\mathrm{Iout}+(S-\frac{\mathrm{gm}9}{\mathrm{gm}})·\mathrm{Qout}---\left(9\right)$

$\mathrm{Qin}=(\frac{\mathrm{gm}10}{\mathrm{gm}}-N)·\mathrm{Qout}+(\frac{\mathrm{gm}8}{\mathrm{gm}}-S)·\mathrm{Iout}---\left(10\right)$

因此，当

gm7＝gm10＝N·gm         (11)

gm8＝gm9＝S·gm          (12)

时，等效输入直流失调电压Iin和Qin始终为零，因此可以有效的消除复数滤 波器的直流失调对静态工作点的影响，减小IQ两路之间的失配，避免后级模块 出现饱和与失真。其中N和S是由Gm-C型复数滤波器决定。

图1为Gm-C型复数滤波器在无直流失调消除电路和有直流失调消除电路 情况下的频率响应曲线，从图1中可以看出，在本发明的直流失调消除电路的 作用下，明显降低了Gm-C型复数滤波器低频处的增益，提高复数滤波器在低 频处的抑制。

在本发明中，Gm-C型复数滤波器I路和Q路的输入也可以是单端输入信 号，此时，图3中的跨导放大器单元均为单输入单输出的跨导放大器组成，接 收的信号为单端输入信号；图4中的跨导放大器单元均为单输入单输出的跨导 放大器组成，且图4中I路积分器单元和Q路积分器单元中的放大器A1和A2 也选用单端输入单端输出的放大器。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。