六阶巴特沃斯滤波器

摘要
个人通信系统和数字卫星电视广播的迅猛发展，对重量轻、体积小、功耗低、成本小的收发器的需求迅速增加，零中频接收器结构重新得到密切关注。

零中频结构简单，无需外部滤波器，信号处理都由集成在片上的滤波器完成，因此射频前端系统中有源集成滤波器的设计就显得十分重要。

论文实现了一个可应用于数字卫星电视零中频接收机调谐芯片中的可变带宽低通滤波器。

论文结合数字卫星电视调谐芯片的具体要求，设计了一款六阶巴特沃兹型Gm．C低通滤波器；在研究了工艺容差和器件老化引起滤波器频率特性不稳定的问题后，论文比较了多种用于频率稳定的方法，设计了一个频率自动调谐电路来保证低通滤波器频率特性的稳定：由于接收机调谐芯片将应用于不同的场合，要求低通滤波器．3dB 带宽可变，论文在比较了近年来改变滤波器带宽的几种方法后，设计了一个可用于Gm．C低通滤波器的带宽可变控制电路。

仿真结果表明，该滤波器的．3dB带宽大于5MHz，在3dB带宽范围内，纹波小于0.5dB；2、过渡带衰减大于40dB/10倍乘。

动态范围约为110dB，总谐波失真在0．5％左右，该滤波器在工作电压为5V情况下，功耗在15mW以下。

该滤波器的各项性能均可以满足系统的指标要求。

关键词：Gm-C；可变带宽；滤波器；Hspice
Abstract
As the further popularity of digital broadcasting television, the chip design of the digital broadcasting television has been more and more concerned．The thirsty for low-cost, low-cost,low-power, high-level-integration and high-performance transceivers makes direct-conversion(Zero—IF)topology attractive．The structure of Zero-IF system is simple，and it doesn’t need any out-chip filters．The signal is processed by the on-chip filters，SO the active filter design in the RF front-end system is very important．
A lowpass filter with variable passband width used in monolithic DVB·S tuner Was presented in this paper．According to the specific requirement of digital direct broadcasting satellite tuner,the advantages and disadvantages of many filter types were discussed and a six —order butterworth lowpass Gm-C filter Was developed．After analyzing the problem of the filter’S frequency stability in monolithic implementation,several frequency automatic tuning techniques were discussed and a frequency automatic tuning circuit was given．The tuner Was used in several situations，SO the filter’S passband width should be tunable．After analyzing several methods for varing the filter’S passband width,a circuit Was introuduced to realize the variable passband width of the lowpass filter.
Based on Hspice Software design process，both the schematic and layout were designed．The simulation results showed good performance．The passband width varied from 4]VIHz to 32MHz．The dynamic range Was 110dB．The THD was O．5％．The filter drew less 15mW from a 5V supply voltage．
Key words：Gm-C；variable passband；Filter; Hspice
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
1 绪论 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 滤波器概述 (2)
1.2.1滤波器作用 (2)
1.2.2滤波器类型 (2)
1.2.3滤波器阶数 (3)
1.2.4滤波器设计 (3)
1. 3 国内外研究现状 (3)
1. 4 课题的主要工作 (5)
2 滤波器的设计 (6)
2.1级联型Gm-C滤波器 (6)
2.2小结 (10)
3 软件仿真与结果分析 (11)
3.1 HSPICE软件的介绍 (11)
3.2 HSPICE软件的运行 (11)
3.3 网表程序 (12)
3.3.1二阶巴特沃斯滤波器的网表内容 (12)
3.3.2六阶巴特沃斯滤波器的网表内容 (12)
3.3.3 Hspice程序命令 (12)
3.4 二阶滤波器的仿真结果如下： (12)
3.5 小结 (1)
致谢 (2)
参考文献 (16)
附录1 (18)
附录Ⅱ (20)
附录Ⅲ (24)
1绪论
1.1 课题背景
数字电视已成为时代的主流。

世界通信与信息技术的迅猛发展将引发整个电视广播产业链的变革，数字电视是这一变革中的关键环节。

伴随着电视广播的全面数字化，传统的电视媒体将在技术、功能上逐步与信息、通信领域的其它手段相互融合，从而形成全新的、庞大的数字电视产业。

中国大陆于近年来大力推行由电视模拟信号向数字信号的转换。

计划于2015年前在全国范围关闭模拟信号。

数字电视(DTV：Digital Television)指电视信号的处理、传输、发射和接收过程中使用数字信号的电视系统或电视设备。

由电视台送出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视信号，经过卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送，由数字电视接收后，通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。

数字电视是所有的信号传播都是通过由0、1数字串所构成的数字流来传播的电视类型。

因为全过程均采用数字技术处理，因此信号损失小，接收效果好。

与传统的模拟电视相比，数字电视在图像和声音质量两面都有重大改进。

在过去短短十年内，数字电视和手机等个人通信系统的迅猛发展使得无线的概念被广泛应用和接受。

无线通信在社会生活中扮演了越来越重要的角色。

因此，对重量轻、体积小、功耗低、成本低的射频集成电路产品需求迅速增加。

而提高射频前端的电路集成度和减小该部分的功耗无疑是满足上述需求的重要途径。

但是对于超外差接收机来说，至少有两个元件是到目前为止无法集成到芯片上去的，这就是它的镜像抑制滤波器和信道选择滤波器。

相比较而言，零中频接收机不存在镜像频率问题且只需用基带低通滤波器来选择信道，而低通滤波器的集成技术已经很成熟，即使集成有困难，也可以用廉价的电容和电感来实现。

零中频接收机避免了片外镜像抑制滤波器的使用，可以只用极少的片外元件而达到极高的集成度。

图1-1 零中频接收机结构示意图
如图1所示，零中频接收机结构简单，仅需2个混频器，而且大部分的滤波和放大在基带进行，大大减小了功耗和成本，有效解决了直流偏移问题后，零中频结构将占有绝对优势。

近年来，零中频结构以其突出优势受到青睐，成为目前接收机研究热点。

由于零中频接收机相比超外差接收机来说，不需要片外的镜像抑制滤波器和信道选择滤波器，使用片内集成的有源滤波器就可以实现，因此零中频结构接收机系统中射频前端里的集成滤波器的设计就显得十分重要。

1.2 滤波器概述
滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。

对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。

1.2.1滤波器作用
滤波器，顾名思义，是对波进行过滤的器件。

“波”是一个非常广泛的物理概念，在电子技术领域，“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。

该过程通过各类传感器的作用，被转换为电压或电流的时间函数，称之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。

因为自变量时间‘是连续取值的，所以称之为连续时间信号，又习惯地称之为模拟信号(Analog Signal)。

随着数字式电子计算机(一般简称计算机)技术的产生和飞速发展，为了便于计算机对信号进行处理，产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。

也就是说，可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而不丢失任何信息，波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化，自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。

信息需要传播，靠的就是波形信号的传递。

信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变，有时，甚至是在相当多的情况下，这种畸变还很严重，以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了。

滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息的过程。

1.2.2滤波器类型
巴特沃斯响应（最平坦响应）
巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。

该响应非常平坦，非常接近DC信号，然后慢慢衰减至截止频率点为-3dB，最终逼近-20ndB/decade的衰减率，其中n为滤波器的阶数。

巴特沃斯滤波器特别适用于低频应用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。

●贝塞尔响应
除了会改变依赖于频率的输入信号的幅度外，滤波器还会为其引入了一个延迟。

延迟使得基于频率的相移产生非正弦信号失真。

就像巴特沃斯响应利用通带最大化了幅度的平坦度一样，贝塞尔响应最小化了通带的相位非线性。

●切贝雪夫响应
在一些应用当中，最为重要的因素是滤波器截断不必要信号的速度。

如果你可以接受通带具有一些纹波，就可以得到比巴特沃斯滤波器更快速的衰减。

1.2.3滤波器的阶数
滤波器的阶数是指在滤波器的传递函数中有几个极点.阶数同时也决定了转折区的下降速度，一般每增加一阶(一个极点)，就会增加一20dBDec(一20dB每十倍频程)。

1.2.4滤波器设计
滤波器特性可以用其频率响应来描述，按其特性的不同，可以分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器等。

用来说明滤波器性能的技术指标主要有：
➢中心频率f0，即工作频带的中心
➢带宽BW
➢通带衰减，即通带内的最大衰减
➢阻带衰减
对于实际滤波器而言，考虑到实际的组成元件的品质因数的取值是一有限值（因为受限于材料与工艺的水平），所以所有工程上的实用滤波器都是有损滤波器，因此对于这些滤波器还应考虑通带内的最小插入衰减。

现代滤波器设计，多是采用滤波器变换的方法加以实现。

主要是通过对低通原型滤波器进行频率变换与阻抗变换，来得到新的目标滤波器。

1. 3 国内外研究现状
近年来随着数字电视的迅猛发展，基于数字视频广播(DVB)标准的接收机设计受到广泛关注。

和大多数通信标准一样，DVB标准确定了发射机和接收机之间的接口。

在DVB接口是发射机和接收机之间通过射频信号(RF)的情况下，DVB标准确定该信号的内容和结构并特别规定其RF特性。

在DVB标准下，射频接收机质量被认为是影响整个系统成本和性能的主要因素。

随着无线通讯中移动终端正朝着小尺寸低成本低功耗方向发展，零中频结构已经成为移动终端设计的主流方向，射频前端系统中的集成滤波器的设计十分重要。

滤波器包括了无源滤波器和有源滤波器。

无源滤波器使用单纯的电阻，电感以及电容来搭构成滤波器网络，它不需要提供电源，装置由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，其具有结构简单、运行可靠性较高、费用较低等优点，应用很广泛．。

无源滤波器噪声低，线性度高，工作频率高，无源滤波器的缺点在于电感集成占用很大芯片面积，因此无源滤波器体积大，Q值小，当使用在集成电路中时，远不能达到系统的要求。

有源滤波器由无源元件(R和C)和有源器件(集成运算放大器)组成。

这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽。

使用于单芯片集成电路中时可以大大降低系统的成本。

因此在单芯片集成电路中，有源滤波器是最佳的选择。

因此，有源滤波器成为信号处理系统中一个必要的组成部分，经过多年的发展，技术比较成熟。

滤波器在电路功能的区别上可以分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器以及全通滤波器；滤波器在具体的近似实现方法的区别下，可以分为巴特沃兹滤波器，贝塞尔滤波器，切比雪夫滤波器，椭圆滤波器等等类型，每种类型下的滤波器的性能不同，在对于不同的系统要求下，可以有针对性的选择所需要的滤波器类型。

在滤波器的综合方法的区别下，分为级联型与梯形网络结构；在滤波器工作方式的区别下，分为离散滤波器与连续时间滤波器。

离散有源滤波器采用采样保持电路将时间连续信号转换为周期采样信号，开关电容有源滤波器是典型的离散有源滤波器，它需要在时域范围内进行采样，采样频率至少要两倍于用于消除混叠的最高频率。

事实上，采样频率要比信号带宽的两倍还要大得多，以降低消除混叠滤波器的要求，因此，离散有源滤波器在高频信号的处理上受到限制。

但相对于时序滤波器有几个优点：1)特征频率由电容的比率确定，受工艺和环境温度的影响较小；2)线性度较高。

而时序有源滤波器能让信号在时间范围内连续，并保持模拟信号状态。

由于不需要采样，时序滤波器比离散滤波器在速度上有更大的优势，适用于高动态范围和高频率范围内使用。

目前集成的连续时间滤波器主要包括有源RC、MOSFET-C和Gm-C三种类型。

Gm-C滤波器与有源RC，MOSFET-C，MOSFET-RC这三种滤波器相比，适用频率高，因此在射频领域得到广泛应用，但线性度较差，可以通过一些方法将其线性度提高，，同时在制造过程中频率特性由于电容和电阻存在的精度问题，以及受温度与电压变化而发生变化，必须设计频率自动调谐电路来解决这个问题，滤波器的频率调谐方法有很多种，可以分为两种方式：直接方式和间接方式，直接方式的优点是频率调谐后，滤波器频率特性性能好，缺点是需要非工作时间段对滤波器调整。

间接方式的优点是不需要将从滤波器从系统中断开调整，缺点是要求主从滤波器元件匹配性高。

在实际使用中，多以间接方式为主。

在使用间接方式时，可采用多种方法，包括压控振荡器自动调谐技术，压控滤波器自动调谐技术，开关电容自动调谐系统等等。

这几种方法各有优缺点，可以适用于不同的工
作场合。

对于系统提出的可变带宽技术，在目前的各国的技术发展中，主要有改变电阻的大小，改变电容的大小，改变跨导值大小等等方法，这几种方法都用于不同的场合，在各自的使用领域中有着不可替代的地位。

然而对于工程应用而言，上述文献的分析多为纯理论，站在一个相对较高的层面，涉及复杂建模及对寄生效应的综合考虑。

论文则主要在工程实际应用的角度，本着简化电路，提高性能的目标对滤波器系统进行分析和设计。

论文设计和实现了一款可用于DVB．S标准以及其他标准下的一款六阶巴特沃斯低通模拟滤波器。

1. 4课题的主要工作
论文设计的滤波器应用于DVB．S标准以及其他标准下的接收调谐器，借鉴部分滤波器产品的技术指标，并结合工艺和系统要求，关注滤波器的带宽范围，动态范围，总谐波失真以及功耗，其具体设计指标如下：
1、3dB带宽大于5MHz，在3dB带宽范围内，纹波小于0.5dB；
2、过渡带衰减大于40dB/10倍乘；
3、输入三阶交调点大于12dBm；
4、功耗小于15mW
今天工作内容包括：
a)查阅国内外最近的十多年的资料，了解目前世界范围内的主流的有源滤波器的设计方法，并分析各种有源滤波器的优缺点；
b)根据系统提出的要求，设计零中频接收机调谐器中所需要的片上集成有源滤波器的电路结构以及一些其他的模块；
c)对已设计的各个电路模块分别进行模拟仿真，然后对参数和结构进行优化，直至结果满足设计要求；
d)对设计好的电路图进行版图设计，然后进行后仿真，验证性能指标，与前仿结果进行一些比较；
e)对得出的仿真数据进行整理、分析和总结，为后继的进一步优化工作作出指导。

2 滤波器的设计
2.1级联型Gm-C滤波器
Gm-C滤波器运算放大器为跨导运算放大器，输入为电压信号，输出为电流信号。

跨导放大器的特点是较高输出阻抗，输出信号的形式为电流信号，不能驱动电阻负载，适用于Gm-C滤波器。

Gm-C高频性能好，功耗低，面积上要小四倍左右的面积。

级联型Gm-C滤波器的原理是将多个高输入阻抗的低阶滤波器相互级联，形成和传输函数一致的高阶滤波器。

级联用的低阶滤波器有多种，目前比较常用的是一阶滤波器和二阶滤波器。

滤波器设计时，级联电路各级影响较小，可以方便调整元件参数以满足设计要求。

但这种结构的缺点是对于元件参数变换的灵敏度高，高阶滤波器零极点的配对比较难确定。

图2-1 跨导器电路图
滤波器类型动态范围频率特性范围功耗
Opamp-RC 60-90dB <10MHz 高
Opamp-MOSFET-C 40-60dB <5 MHz 高
Opamp-MOSFET-RC 50-90dB <5 MHz 高Gm-C 40-70dB <100 MHz 低
表2-1 滤波器性能比较
图2-2 跨导器电路的符号
在目前常用的射频接收机架构主要有超外差和零中频两种方案。

超外差式接收机架构自从诞生的那天起就被普遍使用并受到广泛的好评。

事实上一个精心设计的超外差接收机通过周密的中频频率选择和高品质的射频(镜像抑制)和中频(信道选择)滤波器可以达到很高的灵敏度，选择性和动态范围。

但是现代无线通讯的飞速发展，要求无线接收机具有低成本、低功耗、高集成的特点。

超外差接收机复杂的电路和无法集成的片外滤波器制约了它在射频接收机领域的广泛应用。

相反，零中频接收机结构简单，需要的模块较少且不需要接片外滤波器，在提高了射频芯片的集成度的前提下还满足了现代集成电路低功耗，低成本的要求，因而得到越来越多的重视。

只要能有效处理直流偏移问题，零中频接收机架构将能提高集成度、降低功耗、减小成本、简化设计，成为了近年来研究的热点。

在用于数字卫星电视接收机的调谐芯片设计中，采用了零中频接收机架构，基本框图如图4所示：
图2-3 零中频接收机框图
通过系统对滤波器的要求，结合近些年来世界范围内滤波器设计的主流技术，并分析各种有源滤波器的适用范围以及特点，本文最终给出了如图5所示的整个低通滤波器系统的总体框架图：
图2-4 滤波器总体框架图
在图5中，整个低通滤波器系统包括了一个从滤波器，一个主滤波器和鉴相器组成的频率调谐系统和一个数模转换电路。

从滤波器用于处理连续时间信号。

根据零中频接收机结构的要求，在选择信道范围内的连续时间信号应最大限度的保留其原有的幅频特性，对于选择信道范围外的信号要最大限度的滤除。

根据系统给予的滤波器性能特点，本文选取巴特沃兹低通滤波器。

根据系统对于低通滤波器提出的性能要求：1、3dB带宽大于5MHz，在3dB带宽范围内，纹波小于0.5dB；2、过渡带衰减大于40dB/10倍乘；3、输入三阶交调点大于12dBm；
4、功耗小于15mW，查阅滤波器工具书，得出需要采用六阶的巴特沃兹低通滤波器。

由四个跨导器以一定的方式级联为一个二阶的滤波器：
图2-5 二阶滤波器
图4中的二阶滤波器的传输函数为：
2
14
22322
121(s)C C g g s C g s C C g g H m m m m m ++=
频率特性函数:
2
1210C C g g m m =
ω
把这个二阶滤波器看做一个子电路：
图2-6 子电路：二阶滤波器
由3个这样的二阶滤波器以类似于电阻串联的级联形式构成一个六阶滤波器：
图2-7 六阶滤波器的电路
图6中的六阶巴特沃斯滤波器的传输函数为：
两个传输函数类比下可得到带宽和Q 值：
Q 1=
5176.01≈1.932 Q 2=414
.11
≈0.707 Q 3=9381.11≈0.516
在此只要保证C1与C2的乘积是一个固定值即可分别求出相对应的C1 、C2的值。

2.2小结
本章先简单介绍了滤波器系统在零中频接收机架构中的作用。

随后具体给出了滤波器系统的组成部分，其中包括了从滤波器，主滤波器，鉴相器，以及一个数模转换器。

然后详细介绍了从滤波器也就是六阶巴特沃兹低通滤波器的具体设计方法。

随后计算了相关参数的数值。

2
1
C C Q =
2
12
0C C G m =
ω)
19381.1(1
)1414.1(1)15176.0(1(s)222++++++=s s s s s s H
3 软件仿真与结果分析
3.1 HSPICE软件的介绍
HPICE软件主要用于模拟电路的仿真。

模拟电路仿真工具是以电路理论、数值计算方法和计算机技术为基础实现的，由于模拟电路在性能上的复杂性和电路结构上的多样性，对仿真工具的精度、可靠性、收敛性以及速度等都有相当高的要求。

HSPICE程序由于收敛性好，适于做系统及电路仿真，又有工作站版和微机版本，在国内外的用户十分广泛。

3.2 HPICE软件的运行：
1.启动Hspui.exe，出现Star-Hspice Launcher。

2.在Star-Hspice Launcher下，按Open，选取网表输入文件（*.sp），然后按确定。

3.在Star-Hspice Launcher下，按Simulate，就会自动弹出Hspice窗口，并对电路
进行模拟。

4.模拟结束后，Hspice窗口关闭。

5.在Star-Hspice Launcher下，按Avanwaves，查看输出波形。

图3-1 软件使用步骤在一个图上展现
3.3 网表程序
3.3.1二阶巴特沃斯滤波器的网表内容
二阶巴特沃斯滤波器的网表内容：见附录Ⅰ
3.3.2 六阶巴特沃斯滤波器的网表内容
六阶巴特沃斯滤波器的网表内容：见附录Ⅱ
3.3.3 Hspice程序命令
Hspice程序命令：见附录Ⅲ
3.4 二阶滤波器的仿真结果如下：
图3-2
从该图可以看出，整个曲线成一个阶梯状的曲线，该滤波器带宽为12MHz，带内纹波1dB,阻带衰减-35dB/dec。

滤波器在通带内平坦，纹波抖动还是很明显，在过渡带中增益下降得也不是很快，滤波器的滤波特性没有达到设计预期的目标，滤波器工作不稳定。

图3-3
从该图可以看出，整个曲线成一个阶梯状的曲线，该滤波器带宽为12MHz，带内纹波1dB,阻带衰减-35dB/dec。

滤波器在通带内平坦，纹波抖动还是很明显，在过渡带中增益下降得也不是很快，滤波器的滤波特性没有达到设计预期的目标，滤波器工作不稳定。

图3-4
从该图可以看出，该滤波器带宽为12MHz，带内纹波2dB,阻带衰减-110dB/dec。

图3-5
从该图可以看出，整个曲线成一个阶梯状的曲线，该滤波器带宽为12MHz，带内纹波2dB,阻带衰减-110dB/dec。

滤波器在通带内平坦，纹波抖动基本没有，在过渡带中增益下降很快，迁跃带陡直，滤波器的滤波特性达到了设计预期的目标，滤波器工作稳定。

3.5 小结
本章先简单介绍了Hspice软件的基本常识和操作步骤。

接着以具体网表的内容简单说了下软件中的一些命令，随后就分别对二阶滤波器，六阶滤波器的网表进行了撰写。

再下来对以上两个网表分别进行软件的仿真、并逐步的调节相关参数以达到期望结果。

最后是对仿真结果的分析。

致谢
致谢
论文的研究工作自始至终都是在我的导师耿志卿的悉心指导下进行的，首先向在本次论文研究工作中付出大量心血的耿老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。

耿老师渊博的知识、严谨的科研作风和扎实的专业知识使我在学习中受益匪浅：他忘我的工作精神、诲人不倦的教学精神给我留下了深刻的印象。

这一切都将使我终生受益。

在此深深地感谢耿老师对我的谆谆教诲和辛勤培养。

论文的研究以及撰写工作，还得到了导员赵建娇、姜瑞云老师的大力支持。

他们不仅在学术上给予了严谨、科学细致而富有远见的指导，而且在生活等各方面给予了极大的关心、照顾和支持，使我的论文工作得以顺利进行。

谨向各位老师表示忠心的感谢!
同时我要感谢皮振刚、李辉、王建、肖李济等同学的帮助。

在我本科阶段，从我在实验室的学习研究，他们的教导和帮助使我终身受益。

在次我向各位表示深深的感谢!
感谢我的父母，这么多年来一直默默的关心我，在我遇到困难的时候给我最大的支持和安慰。

谨以此论文献给所有关心、爱护、帮助我的老师、父母、家人、朋友！
杨宝荣
二零一二年六月
河北工程大学。