四阶连续时间正交带通ΣΔ调制器的设计

在低中频射频接收机中，如图1所示，射频信号经过下混频，产生I、Q两路正交低中频信号，之后直接通过带通ΣΔADC进行模数转换。由于中频不在直流处，可以避免直流失调和闪烁噪声。正交带通ΣΔADC比传统的带通ΣΔADC更适用于低中频架构，这是因为前者的噪声整形零点全部分布在单一频域，后者的噪声整形零点则对称的分布在正负频域，负频域的噪声整形零点是浪费，正交带通ΣΔADC在噪声整形性能上有优势。正交带通ΣΔADC由模拟和数字两部分组成，模拟部分是正交带通ΣΔ调制器，数字部分是抽取滤波器，本文主要研究正交带通ΣΔ调制器。

图1　低中频接收机架构

　　连续时间ΣΔ调制器与离散时间ΣΔ调制器相比，它具有一些显着的优势，特别是无需独立的抗混叠滤波器，同时降低对运放单位增益带宽和摆率的要求，从而有利于降低了调制器的功耗。文献首次提出并验证了连续时间正交带通ΣΔ调制器架构，近几年文献也提出了一些成功的设计。其根本设计方法都是将两个低通滤波器的输入输出进行交叉耦合来构成一个具有带通滤波特性的复数滤波器。

　　众所周知，连续时间ΣΔ调制器有一些固有的非理想特性，时钟抖动就是最主要的非理想特性之一。本文主要研究如何减少时钟抖动影响，设计了一个对其不敏感的四阶连续时间正交带通ΣΔ调制器。

　　1　复数滤波器

　　在低中频架构中，经过下混频产生的I、Q两路正交实信号可以表示成一个复数信号:

　　复数信号最重要的特性之一就是频谱关于直流不对称。处理复数信号就需要复数滤波器，如图2所示，它是由实数滤波器经过交叉耦合而形成，

图2　复数积分器

　　其传输函数为:

　　实数积分器具有低通特性，其传输函数的频谱关于直流对称，而复数积分器具有带通特性，其传输函数频谱的对称轴平移到了：

　　复数滤波器是构成正交带通ΣΔ调制器的基本模块，其传输函数的极点就是ΣΔ调制器的噪声整形零点。

　　2　正交带通调制器

　　目前连续时间正交带通ΣΔ调制器的设计方法主要有两种: (1)先设计一个优化好零点位置的连续时间低通ΣΔ调制器，然后用它构成I、Q两路，最后对两路调制器进行交叉耦合实现频谱搬移; (2)通过平移离散时间低通ΣΔ调制器的NTF，得到一个离散时间的复数NTF，然后对它进行DT2TO2CT变换，最终可以求得调制器的各支路系数。方法2设计过程繁琐，且整个调制器系数多，在电路实现时意味着更多的元件。

　　本文采用的方法与第一种类似，调制器的设计分为两步: 首先设计四阶连续前馈低通ΣΔ调制器，然后根据文献提供的四阶ΣΔ调制器的零点位置确定耦合电阻大小。

　　四阶前馈低通ΣΔ调制器整个环路滤波器是由有源RC积分器构成的，这是因为与开环结构的gm2C滤波器相比，反馈结构的有源RC积分器具有更好的线性度。之所以选择前馈结构，是因为前馈结构中只有误差信号通过整个环路滤波器，这降低了对各级积分器动态范围的要求，从而减少了功耗。然而前馈结构需要额外的求和模块，为了使求和网络在大的输入信号下仍具有良好线性，选择采用电阻比例积分器。

　　量化器选择本质上线性的1 bit比较器，反馈路径上采用对时钟抖动不敏感的开关电容DAC。

　　调制器零点频率即为复数积分器的中心频率fC ，根据式( 3)可以求出各级耦合电阻Rωi的值。表1反映了本文设计的正交带通ΣΔ调制器零点的分布情况， Ci 为各级积分器的积分电容。