摘要:红外遥控接收器的应用非常广泛， 而带通滤波器是红外遥控接收器芯片中的一个重要的模块。滤波器的实现通常需要电感，而电感是很难集成到集成电路中的， 本文介绍一种利用放大器和电容实现有源电感的方法。
关键词:红外接收器、带通滤波器、有源电感
1、引言
现代信息社会，人与人之间、人与机器之间的信息交互越来越多，而信息的传递以无线方式最为便捷。近几年来，无线通讯无论是在技术上还是商业市场上，都有了很大的发展[1][2]。
红外传输系统就是利用红外线传输信息的一种无线通讯系统。而红外遥控接收器（IR RECEIVER）是红外传输系统中最重要的部分，其应用极为广泛，电视机、VCRs、音频仪器、VCD、DVD、幻灯片投影仪、电风扇、音响设备、空调和数据通讯等现代电子产品的几乎所有功能都可以很方便地通过红外遥控来实现。仅国内彩电行业每年对红外接收器芯片的需求量就达二千万只以上，全世界的需求大概在每年10亿个[3]。
红外设备之所以有着如此广泛的应用，是因为它具有点对点传输、安全性高、制造成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑等特点，而且它的这些特点无法由其它的技术如蓝牙、WLAN等取代。
带通滤波器是红外遥控接收器中一个重要的模块。在红外遥控接收器工作的环境中难免有其它频率的干扰信号存在，为了使红外遥控接收器能正常工作，需要去除干扰信号，这就需要带通滤波器，而我们知道设计一个带通滤波器（BPF---Band Pass Filter），通常需要较大的电感，而高品质的电感可能会因为尺寸太大而无法集成在集成电路内，同时会产生较大的寄生电容、电阻，这也限制了集成电感的应用[4]。
针对于此，本文介绍了一种利用放大器和电容实现有源电感的方法[5]，该方法实现的电感以及带通滤波器已应用到本中心设计的红外遥控接收器芯片中，该芯片已经0.6μmCMOS工艺进行流片，测试结果表明具有较好的性能。
2有源电感的实现
为了实现有源电感，首先我们引入回旋器（gyrator）这样一个概念，它是一个类似变压器的两端口元件，其符号可由图1来表示。
由图1及式（1）可以得出：
V1=-r*I2…..(2)
V2=r*I1………………………(3)
于是，由式（2）和式（3）可得图1的等效输入阻抗为：
由式(4)可以得到，如果Z是电容，则等效输入阻抗为感性，即整个电路等效为一个电感。
如果运算放大器的输入、输出阻抗为无穷大，则我们可以通过图2来实现gyrator，其中gm1、gm2为运算放大器的跨导。
其传输函数为：
利用上面的原理，可由图3的结构实现有源电感。如图所示两个跨导和一个电容连接成反馈环路，忽略运算放大器的输出电阻和输入寄生参数，gm1=gm2=gm，则等效电感L=C/gm2。
3 带通滤波器的实现
于是我们可以用图4的电路结构形式形成带通滤波器。
其中第一个运算放大器接成单位增益缓冲器结构，作为输入级，其等效电阻R作为输入级的电阻，后两个运算放大器和电容C19实现有源电感，该电感和C17以及输出等效电阻r0组成RCL网络。等效电路图如图5所示。
由图5可以得到如下关系式：
由上式可以看出当频率趋于零或者无穷大时，输出电压都将趋于零，因而该结构为带通滤波器。
对上式取模，可以得到：
因而，其中心频率，也就是上式的最大值，由下式决定， 即。
为了实现更好的滤波效果，本设计采用了两级结构，第二级的结构和第一级完全相同，整体结构如图6。具体的电路实现如图7。
4 仿真和分析
1）仿真结果
我们采用cadence的仿真工具，对本文设计实现的两级带通滤波器进行了仿真，其仿真结果见图8，其中net0218是第一级滤波器的输出，OUT是第二级滤波器的输出。
2）电路性能分析
从前面的设计分析可以得到，电路中的电容对滤波器的中心频率影响非常大，改变电容C17、C18、C19、C20的电容值会改变中心频率F0，电容值变小，F0变大。我们在仿真时验证了这个结论。
5 结论
本文提出了一种新的实现有源电感，进而实现带通滤波器的方法，不仅给出了电路的原理图，并且用candence工具对电路进行了仿真，同时我们将该滤波器电路应用到了我们设计的红外遥控接收器芯片当中，该芯片流片后的测试结果证明我们所设计滤波器完全满足其在红外遥控接收器芯片中的应用。
参考文献
1. J.Crols and M.Steyaert. CMOS Wireless Transceiver Design. Kluwer Academic Publishers, First edition, 1997.
2. B.Razavi. “Design Considerations for Direct-Conversion Receivers”.IEEE Transaction on Circuits and Systems. June, 1997, 44(6): 428-435
3. W.Kuhn, F.Stephenson and A. Elshabini-Riad. “A 200 MHz CMOS Q-enhanced LC Bandpass Filter”. IEEE Journal of Solid-State Circuit, 31(8) August 1996: 1112-1122
4. 叶建国，谢康林.红外遥控接收器的研制.上海交通大学学报. 1996, 30(6): 28～32
5. B.Nauta Analog CMOS Filters for Very High Frequencies, Kluwer Academic Publishers, First edition, 1993.
（注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文）