一种具备高镜像抑制比的带通滤波器设计
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一种具备高镜像抑制比的带通滤波器设计
王海兵
【摘要】介绍一种高镜像抑制比的带通滤波器的设计。
在音频领域里所接触的大
多为实数滤波器,滤波器的频率点具备对称性的特点,这就对信号处理领域带来很大的麻烦,如AM、FM中频滤波时产生的镜像频率,会对正常的搜台产生很大的干扰。
此设计利用复数滤波器的特点,设计出一种具备高镜像抑制比的带通滤波器,应用于数字调谐收音机解调系统里面。
由于采用的是全集成的复数带通滤波器,节省了传统的外部中频滤波器的成本及空间;实测镜像抑制比达40 dB,大大降低了搜台的误操作,提高了整机系统的信噪比,在信号处理领域有一定的借鉴意义。
%The paper introduces a design of bandpass filter with high image rejection ratio. In the audio field, we contact mostly real filter, this filter have the characteristics of symmetry, which will bring the field of signal processing to a lot of trouble, such as the mirror frequency to produce AM, FM intermediate frequency filtering, will have a lot of interference to the channel search normal, this design uses the characteristics of complex filter, design a rejectio n bandpass filters with high image rejection ratio, it’s used in digital tuning radio demodulation system, due to the use of the fully integrated bandpass filter, saves cost and space outside of the traditional intermediate frequency filter; inhibition ratio of 40 dB image rejection, greatly reduces the error operation channel search, improves the signal-to-noise ratio of the system, has certain reference meanings to the field of signal processing.
【期刊名称】《电子与封装》
【年(卷),期】2014(000)010
【总页数】4页(P16-19)
【关键词】复数域带通滤波器;抑制镜像;信号处理
【作者】王海兵
【作者单位】无锡市晶源微电子有限公司,江苏无锡 214028
【正文语种】中文
【中图分类】TN402
在现代电子接收机中,如手机、收音机等,内含的低中频放大器需抑制镜像频率信号[1]。
就是说射频信号经过正交变频后,输出信号中的有用信号和镜像信号频率相同,但相位相反,即一个为正频率,另一个为负频率。
对于实数域滤波器,由于其幅频响应对于正负频率分量对称,因而无法在滤出正频率信号分量的同时抑制负频率信号分量。
能否对正负频率分量产生不同的幅频响应,实现在滤出有用信号的同时抑制镜像干扰是一个很大的挑战。
一般传统的做法是在外部接IF滤波器,属于无源滤波器的范畴,信号存在一定的衰减,进而对系统的接受灵敏度有一定的影响[2]。
图1为传统收音机的接收回路,需要两个中频滤波器。
一阶实数滤波器的传输函数为:
传递函数如式(1)的一阶低通滤波器的幅频响应[3]是以纵坐标对称的,即在负频率上的幅频响应与正频率是对称的,这一点从拉普拉斯变换角度很容易理解。
这类滤波器也称为实数域滤波器。
一阶实数域低通滤波器的传递函数存在一个极点,p=-ω0,如图2所示。
若将其
沿s平面Y上移ωc,其新的极点变为p′ =-ω0+jωc,如图3所示。
再将s=s′-jωc代入式(1),式(1)的传递函数变为:
式(2)就是一阶复数域带通滤波器的传递函数,此带通滤波器的中心频率为ωc,带宽BW=2ω0,Q值为ωc/2ω0。
图4和图5给出了一阶复数域带通滤波器的
幅频特性曲线和相频特性曲线。
对于正频率(ωc) 幅频响应|H(jωc)|=k0,相频响应≮H(jωc)=0。
对于负频率(-ωc) 的幅频响应为:
相频响应为:
一阶复数域带通滤波器的镜像抑制比(IRR),即正频率(ωc)幅频响应与负频率(-ωc)幅频响应之比为:
很显然一阶复数域带通滤波器的镜像抑制比是大于1的。
实际应用时,为了通频
带外和镜像频率有较高衰减,一阶复数域带通滤波器是不行的,需用多阶复数域带通滤波器来实现。
多阶复数域带通滤波器一般用一阶复数域带通滤波器级联而成。
n阶复数域带通滤波器的镜像抑制比为:
3.1 用运算放大器OA实现
图6给出了用运算放大器OA来实现的一阶复数域带通滤波器。
图中运算放大器OA负输入端的节点电流为零,可得:
此一阶复数域带通滤波器的传递函数如下:
该一阶复数域带通滤波器的中心频率为ωc=1/R2C,带宽BW=2/RC,Q值为
R/2R[4]。
中心频率(ωc)处幅频响应|H(jωc)|=-R/R1,相频响应≮H(jωc)=180°。
镜像抑制比为:
3.2 用跨导放大器OTA实现
图7给出了用跨导放大器OTA来实现的一阶复数域带通滤波器。
跨导放大器OTA输出端的节点电流为零,可得:
选择Ri≮R,忽略项。
上述一阶复数域带通滤波器的传递函数如式(11):
该一阶复数域带通滤波器的中心频率为ωc=Gm/C,带宽BW=2/RC,Q值为GmR/2[5]。
中心频率(ωc)处幅频响应|H(jωc)|=R/Ri,相频响应≮H(jωc)=90°。
镜像抑制比
4.1 AM带通滤波放大器
图8为7级AM低中频滤波器的一级。
运算放大器OA1和OA2是差分输入差分输出放大器,用MOS P沟道晶体管来代替电阻,对比图8和图6,可看出图8为一阶复数域带通滤波器。
此放大器的带通中心频率ωc,带宽BW和镜像比IRR都可通过选择MOS P沟道晶体管的配比和调节MOS P沟道晶体管的栅极电位来控制[6]。
4.2 FM低中频滤波器(Gm/C滤波器)
图9中晶体管Tr1~Tr4和Tr9、Tr10以及晶体管Tr5~Tr8和Tr11、Tr12构成两个跨导放大器OTA。
晶体管Tr1~Tr4和晶体管Tr5~Tr8为不同比例的两差分对并联,这样可提高其输入动态范围。
显然图9与图7是一致的,其为一阶复数域带通滤波器。
选择Ri=645 kΩ,R=25 kΩ,C=70 pF,通过适当跨导放大器的静态偏置电流,可获得中心频率150 kHz的滤波。
图10为本设计模块的整机应用图。
完全满足汽车电子系统的要求。
实装外围应用不需要任何中频滤波元件,全部集成在芯片内部,从实装测试数据来看,无论是灵敏度、信噪比及镜相抑制比都达到了很高的水平,
王海兵(1982—),男,山东滨州人,学士,2006年毕业于安徽大学通信工程专业,现在工作于无锡晶源微电子有限公司,主要研究音频信号处理、视频信号处理及LED驱动。
【相关文献】
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[2] 宋贵林,胡春萍. 现代音响技术入门[M]. 北京:机械工业出版社,2004. 2-34.
[3] 拉扎维. 模拟集成电路设计[M]. 西安:西安交通大学出版社,2002. 243-252.
[4] 杨凌. 模拟电子线路[M]. 北京:机械工业出版社,2007. 268-280.
[5] 谭博学,苗汇静,编. 集成电路原理及应用[M]. 北京:电子工业出版社,2004. 8-9.
[6] Paul R Gray, Paul J Hurst,et al. 张晓林,等译.模拟集成电路的分析与设计[M]. 北京:高等教育出版社,2004.24 9-252,258-261,299-323.。