ОСОБЕННОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛИФАЗНЫХ ФИЛЬТРОВ В ЦЕПЯХ РЕЖЕКЦИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Направление: 6.2 Радиотехника; ключевые слова: полифазный фильтр, интегральная схема.
1. Введение
В настоящее время существует широкий спрос на дешевые интегральные схемы (ИС) радиоприемников, используемых для приема данных. Их низкая цена требует однокристального исполнения с минимальным количеством навесных элементов. Современные приемники строят по схеме с двойным преобразованием частоты, поэтому важной целью является замена внешних фильтров тракта второй промежуточной частоты фильтрами в интегральном исполнении. При этом необходимо обеспечить требуемый уровень подавления зеркального канала. Одним из применяемых решений является использование прямого преобразования частоты, например, с использованием нулевой промежуточной частоты. Но прямое преобразование имеет много хорошо известных недостатков, таких как сдвиг постоянной составляющей, шумы, плохое подавление сигнала гетеродина и т. д. Решение, которое позволяет избежать эти проблемы использует низкую мегагерцовую промежуточную частоту, для которой могут быть построены фильтры в интегральном исполнении в рамках высокочастотной технологии ИС.
Но для малого значения промежуточной частоты, зеркальный канал находится так близко к основному, что его подавление перед смесителем требует очень высокой добротности фильтра стоящего перед смесителем. Фильтр с такой добротностью тяжело реализовать в интегральном исполнении. Решением этой проблемы является использование квадратурного смесителя с подавлением зеркального канала, который имеет два квадратурных выхода. На выходах смесителя основной и зеркальный каналы оказываются на одной частоте, но сдвинутыми по фазе на 90º. Наличие этого фазового сдвига позволяет разделить каналы и подавить зеркальный.
Существует две схемы, позволяющие это сделать. Первая, предполагает выходы смесителя подключать к двум фильтрам, которые не различают основной и зекральный каналы. Подавление зеркального канала достигается за счет использования режектора, осуществляющего дополнительный сдвиг фазы выхода одного фильтра на 90º и сложение этого сигнала с сигналом со второго фильтра. В этом случае сигналы зеркального канала оказываются в противофазе и ослабляются.
Более выгодным является второй способ, предполагающий замену двух отдельных фильтров одним полифазным фильтром. Этот метод имеет три преимущества [3]. Во первых, частотная характеристика полифазного фильтра зависит от разницы фаз между его входными сигналами. Таким образом, в противоположность первому способу, он имеет полосу пропускания для основного канала и полосу подавления для зеркального. В приемниках данных с низкой промежуточной частотой, ширина полосы частот передаваемого сигнала является значительной по отношению к центральной частоте фильтра. Т. е. фильтры должны иметь низкую добротность. Частотная характеристика обычного низкодобротного полосового фильтра не симметрична относительно центральной частоты полосы пропускания, в то время как у полифазного фильтра она симметрична. Это является вторым его преимуществом.
Третье достоинство полифазных фильтров состоит в том, что для одного и того же уровня подавления зеркального канала, технологический разброс параметров на него влияет меньше чем на схему, использующую отдельные фильтры и режектор.
Целью работы является анализ перспектив для использования полифазных фильтров в цепях режекции интегральных схем.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– определить зависимость уровня ослабления зеркального канала от числа каскадов фильтра;
– проанализировать влияние амплитудных и фазовых ошибок на степень подавления зеркального канала;
– определить оптимальное количество каскадов схемы;
– оценить уровень режекции, который можно получить в реальных микросхемах с учетом влияния температурной нестабильности и разброса параметров технологического процесса изготовления ИС приемника.
2. Зависимость уровня ослабления ЗК от числа каскадов фильтра
Исследование проводилось для пассивных фильтров, построенных только на резисторах и конденсаторах. Пример схемы полифазного фильтра приведен на рисунке 1. Моделирование проводилось в программе Cadence.
Для проведения исследований были собраны схемы фильтров с различным количеством каскадов (от одного до пяти).
Рис. 1 — Принципиальная схема трехкаскадного полифазного фильтра
Для фильтров была выбрана стандартная ПЧ, равная 10,7 МГц.
Частотные характеристики моделируемых схем приведены на рисунке 2. Частоты минимумов частотной характеристики приблизительно можно определить с помощью выражения 
, где R и C — сопротивление резистора и емкость конденсатора, входящих в каскад, который формирует минимум. Однако, так как программная модель учитывает влияние паразитных элементов схемы, то частоты оказываются немного смещенными [1]. Кроме того, на положение минимумов влияют температурная нестабильность и технологический разброс параметров (см. п. 4). Поэтому, частоты крайних минимумов выбирались таким образом, чтобы при максимальном отклонении частотной характеристики, они оказывались на центральной частоте (-10,7 МГц). В этом случае, значительный разнос по частоте крайних минимумов ухудшает уровень подавление ЗК для идеального
Рис. 2 — Частотные характеристики фильтров с разным числом каскадов
случая, но с учетом разбросов, данный уровень оказывается максимальным.
Частоты средних минимумов расчитаны таким образом, чтобы уровни максимумов в полосе подавления были одинаковыми.
Как видно из рисунка 2, увеличение числа каскадов приводит не только к увеличению уровня ослабления зеркального канала, но и к большему ослаблению основного канала, которое необходимо учитывать при расчете величины подавления схемы по зеркальному каналу.
На рисунке 3, представлена зависимость величины полного подавления зеркального канала от числа каскадов фильтра.
3. Влияние амплитудных и фазовых ошибок
Для определения влияния амплитудных и фазовых ошибок, на один из входов, подавался сигнал с дополнительным амплитудным (а затем фазовым) приращением. Результаты этих измерений приведены на графиках рисунка 4.
Из графиков видно, что амплитудные и фазовые ошибки оказывают сильное влияние на уровень подавления зеркального канала. Наиболее чувствительными к ним оказались полифазные фильтры, состоящие из четырех и пяти каскадов. Уже при уровнях амплитудной ошибки — 1% и разбалансе фаз — 1º, их ослабление по зеркальному каналу оказывается меньшим, чем для трехкаскадного фильтра. В
Рис. 4 — Зависимости коэффициента ослабления от ошибок амплитуды и фазы
Рис. 5 — Частотные характеристики фильтров при амплитудной ошибке в 1%
связи с этим, их использование является нецелесообразным. Наиболее оптимальным с точки зрения устойчивости к ошибкам является трехкаскадный фильтр, поэтому, для него и проводились дальнейшие исследования.
Чтобы показать характер влияния ошибок, приведены частотные характеристики фильтров при амплитудной ошибке в 1% (рисунок 5), при фазовой ошибке в 1º (рисунок 6), а также при их совместном воздействии (рисунок 7).
Рис. 6 — Частотные характеристики фильтров при фазовой ошибке в 1º
Рис. 7 — Частотные характеристики фильтров при амплитудной ошибке в 1% и фазовой в 1º
4. Влияние технологического разброса и температурной нестабильности
При разработке любой микросхемы, необходимо учитывать изменение ее параметров в зависимости от температурного режима работы, а также от технологического разброса параметров элементов схемы.
На рисунке 8 представлены семейства частотных характеристик, учитывающих температурную нестабильность и технологический разброс параметров. Как видно, наибольшее влияние оказывает технологический разброс. Его можно уменьшать, увеличивая площадь резисторов (таким образом, уменьшается относительный разброс номиналов). За счет этого есть возможность немного увеличить и уровень подавления зеркального канала. Однако значительное увеличение площади элементов невозможно, так как это ведет к увеличению размеров самого кристалла и, соответственно, цены микросхемы. Так в [1] описывается микросхема, имеющая уровнь подавления 60 дБ и площадь 2 мкм2, в то время как анализируемая схема при выбранных размерах элементов с учетом разброса параметров может обеспечить уровень подавления зеркального канала равным 50 дБ при площади кристалла 6 760 мкм2 (размеры схемы показаны на рисунке 9).
Температурные режимы — -40º, 27º и 135º; —— нормальные условия;
– – – и — - — максимальные отклонения технологических параметров
Рис. 8 — Семейство частотных характеристик 3х-каскадного фильтра учитывающие температурную нестабильность и технологический разброс параметров
Рис. 9 — Топология схемы на микросхеме
5. Заключение
1. Проведено моделирование схем полифазных фильтров с разным числом каскадов. Увеличение числа каскадов ведет к росту величины ослабления зеркального канала.
2. Осуществлен анализ влияния амплитудных и фазовых ошибок на степень подавления зеркального канала. С учетом их влияния, сделан вывод, что оптимальным является трехкаскадный фильтр.
3. Оценен уровень режекции, который можно получить в реальных микросхемах с учетом влияния температурной нестабильности и разброса параметров схемы. Для выбранных размеров элементов, он составляет 50 дБ.
Так как в схеме помимо полифазного фильтра существуют и другие избирательные цепи, стоящие перед смесителем, то уровень подавления зеркального канала второй промежуточной частоты может быть достигнут не менее 60 дБ.
Использование полифазного фильтра позволяет отказаться от применения навесного фильтра тракта второй промежуточной частоты, и соответственно, освободит дополнительные четыре (так как в микросхемах обычно используются дифференциальные схемы) выходных контакта. Они могут быть использованы в других целях, например для контроля параметров схемы.
6. Список источников
1. F. Behbahani, “CMOS Mixers and Polyphase Filters for Large Image Rejection,” IEEE J. of Solid-State Circuits, pp. 873-886, June. 2001.
2. “What are Polyphase Filters,” Wireless Comm. May. 2005.
3. T. Hornak, “Using polyphase filters as image attenuators,” RF Design, June. 2001, pp.26-34.
4. J. Crols, M Steyaert, “An Analog Integrated Filter for a High Performance Low-IF Receiver,” Proceedings of the VLSI Circuit Symposium Kyoto, pp 87-88, June. 1995.
