模數(shù)混合型FIR噪聲濾波器設(shè)計

　　圖8是4電平量化下支路準(zhǔn)同步后的時鐘信號示例。各支路信號時鐘在同樣的4個備選相位間切換，從而對于任何一個支路而言，其工作狀態(tài)都和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全一致，這就實現(xiàn)了真正意義上并行操作和離散時間域的信號合成。

　　就電荷泵本身而言，由于其總電流與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致，這使得所用的有源器件總體尺寸保持不變，從而貢獻(xiàn)的噪聲也就不變。惟一的差別是多輸入電荷泵中需要多用若干個開關(guān)管，其帶來的噪聲惡化幾乎可以忽略。

4 電荷泵非線性的改善

　　在△-∑鎖相環(huán)或△-∑延時鎖定環(huán)里，電荷泵的非線性將造成高頻量化噪聲被折疊到低頻，從而影響帶內(nèi)相位噪聲性能。采用了混合型FIR噪聲濾除技術(shù)后，由于環(huán)路中并行的鑒相器和電荷泵支路是由△-∑調(diào)制器的輸出經(jīng)過不同時鐘周期延時后依次控制的，因此會對各支路受數(shù)字控制的相位誤差有類似“桶形移位”的效果。如圖9所示，盡管該結(jié)構(gòu)沒有像模/數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計中的桶形移位技術(shù)一樣存在控制字的卷繞，但多支路的并行工作配合依序的控制，使得所有相位誤差電荷在電荷泵中合成后，各支路數(shù)控相位到模擬域電荷的非線性映射可以得到平均和改善。

　　這種結(jié)構(gòu)對電荷泵非線性的改善還可以從另一個角度來解釋，即造成電荷泵非線性的一個重要原因是其上下電流存在和輸出電壓相關(guān)的動態(tài)失配。圖5(b)表明，在采用了混合型FIR噪聲濾除技術(shù)后，電荷泵輸出電壓擺幅遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這就意味著電荷泵的線性度得到了提高。

　　可以看出，混合型FIR濾波器在實現(xiàn)預(yù)期噪聲整形的同時，也減小了由于電荷泵非線性造成帶內(nèi)噪聲的惡化。作為一個特例，盡管各支路存在如圖9所示的非線性，但當(dāng)它們疊加之后恰好是線性特性時，該結(jié)構(gòu)將能完全消除每個支路非線性的影響。但是由于這種巧合在實際電路中幾乎不存在，因此通常不能實現(xiàn)徹底的線性化改善，在設(shè)計中仍然需要注意結(jié)合其他一些提高線性度的考慮。

　　5 額外的開銷

　　從圖1給出實現(xiàn)混合型FIR噪聲濾波的電路結(jié)構(gòu)可以看出，該技術(shù)相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要額外的硬件開銷，包括一個多輸入電荷泵、多個鑒相器，以及用于實現(xiàn)調(diào)制器輸出延時的寄存器鏈。此外，由于送至鑒相器的環(huán)路反饋信號在鎖相環(huán)和延時鎖定環(huán)中分別由分頻器和相位選擇器或插值器得到，這意味著這些模塊也需要有多個。

　　對于多輸入電荷泵，由于其總電流必須和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的電荷泵一致，以維持環(huán)路原始動態(tài)特性，因此電路中只是存在更多的開關(guān)管，幾乎沒有額外的面積和功耗的開銷。

　　對于其他模塊，由于它們都屬于單端數(shù)字電路，因此面積和功耗可以隨著CMOS工藝的進(jìn)步得到成比例的改善。這也意味著如果采用先進(jìn)的工藝，則可以在較低的代價下實現(xiàn)更多抽頭數(shù)的FIR濾波器，以達(dá)到更好的噪聲抑制效果。

　　然而由于分頻器消耗的電流隨著工作頻率的提高而急劇增加，這使得在高頻無線應(yīng)用中采用混合型FIR噪聲濾除技術(shù)時存在巨大的功耗開銷。為了解決這個問題，在分頻器設(shè)計上可以遵照移相的方法來實現(xiàn)等效分頻，從而使并行支路問可以共用最耗電流的前級預(yù)分頻器，以降低總功耗。

　　6 結(jié)語

　　本文提出的一種混合型FIR噪聲濾波技術(shù)，其基本電路結(jié)構(gòu)是：將△-∑調(diào)制器的輸出經(jīng)過一個寄存器鏈加以延時，從中選取若干抽頭去控制并行的多支路分頻器或相位選擇器，并各自經(jīng)過鑒相器判別相位差，最后各支路對應(yīng)的誤差電荷在一個多輸入電荷泵中加以合成，由此可以在不改變環(huán)路動態(tài)特性的同時，實現(xiàn)對量化噪聲的等效FIR濾波。由于這種技術(shù)基于離散時間域工作，因此繼承了現(xiàn)有數(shù)字FIR噪聲濾除技術(shù)對PVT變化以及模擬失配不敏感的優(yōu)點(diǎn);同時又結(jié)合模擬域的電荷合成解決了數(shù)字FIR濾波器的噪聲增益問題;而其并行多支路工作配合依序控制的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又帶來降低對電荷泵線性度要求的額外好處。此外，相比其他純模擬的量化噪聲抑制技術(shù)，該技術(shù)也有硬件成本上的優(yōu)勢。