Conception d’un filtre channelisé à base de filtres à N-path dédié au système Zigbee

Conception d’un filtre channelisé à base de
filtres à N-path dédié au système Zigbee

Performance d’un filtre N-path élémentaire

La montée en fréquence des filtres N-path est limitée par la capacité à générer l’horloge polyphase à une fréquence élevée. En effet des études ont montré qu’afin d’optimiser la réjection des filtres N-path, le recouvrement entre les différentes phases de l’horloge doit être minimisé [123]. L’augmentation du nombre de path permet théoriquement une réduction des pertes d’insertion du filtre mais augmente la complexité de l’horloge polyphase et la fréquence maximum de travail se trouve réduite. La conception de l’horloge présentée en Annexe nous a permis de déterminer que pour atteindre une fréquence maximale de 1 GHz avec la technologie dont nous disposons (NXP QUBIC4XI BiCMOS 0,25 um), nous devons nous limiter à 4 phases (l’utilisation d’un nombre de phase inférieur augmenterait les pertes d’insertion). On considère donc le filtre 4-path illustré sur Figure III-1(a). On peut vérifier que la réponse en fréquence de ce filtre est périodique. La fréquence 2fo est l’harmonique présentant la plus forte transmission.Afin d’éliminer cette transmission du second harmonique, nous proposons d’utiliser une structure différentielle comme illustré sur la Figure III-2(a). La structure différentielle permet bien d’éliminer la périodicité de la réponse sur les harmoniques pairs (2 k * fréquences fCLK avec k = 1, …, N) comme le montre la Figure III-2 (b). La variation de la fréquence centrale du filtre est obtenue grâce à la variation de la fréquence d’horloge fCLK. Dans toutes les simulations présentées l’horloge utilisée est l’horloge « réelle » présentée en Annexe. Le filtre 4-path différentiel présente des pertes d’insertions d’environ -3,8 dB qui sont cohérentes avec le nombre de voies utilisé : si les commutateurs et les capacités étaient idéaux, les pertes d’insertions seraient d’environ 2 dB (cf. équation (I.24)).On peut constater que le filtre N-path se comporte comme un filtre passif : ses pertes d’insertion donnent directement son facteur de bruit. Le filtre N-path présente potentiellement de faibles pertes d’insertion et une linéarité élevée qui permettent d’envisager son intégration en tête de la chaine de réception RF. Cependant, la bande passante du filtre 4-path étudié est limitée à une valeur supérieure à 14MHz, pour une valeur de capacité CBB de 300pF. Une architecture particulière doit donc être introduite pour répondre au cahier des charges. Commençons par étudier les solutions présentes dans l’état de l’art. 

Etat de l’art des Filtres N-path sélectifs

 D’après le Tableau I-6, deux structures se rapprochent des besoins de notre application : [102] et [124]. Ces travaux récents sont basés sur la combinaison de plusieurs filtres N-path (de type passe-bande et stop-bande) pour la conception de filtres RF. Le premier exemple est un filtre ultra sélectif conçu à base de filtre N-path comme illustré sur la Figure III-6. Le circuit est constitué de deux branches :  Une branche principale contenant un étage amplificateur formé par la transconductance Gm1 placée entre deux filtres passe bande de type 4-path.  Une branche auxiliaire contenant un filtre stop bande qui est précédé par un étage amplificateur formé par la transconductance Gm2. Les sorties des deux branches (branche principale et auxiliaire) sont connectées à un amplificateur différentiel diviseur (DDA) jouant le rôle d’un recombineur. En effet, le DDA a pour mission de recombiner les deux signaux différentiels provenant de chacune des deux  branches principale et auxiliaire en un signal différentiel à sa sortie tout en apportant le gain désiré. Le second exemple [124] est réalisé par les mêmes auteurs du circuit précédent (Figure III-7). Le circuit est constitué de trois branches connectées en parallèle :  Une branche principale contenant d’une part trois filtres passe bande de type 4- path pour but d’augmenter la sélectivité de cette branche et d’autre part deux étages amplificateurs (Gm1 et Gm2).  Deux branches auxiliaires contenant chacune un filtre stop bande centré à la fréquence f0. Chacun de ces derniers est précédé par un étage amplificateur (Gm4 et Gm5).

Filtres channelisés utilisant des filtres N-path

 Le but de cette partie de ma thèse a été de concevoir un filtre passe-bande accordable hautement sélectif qui peut résister à de forts interféreurs pour la sélection de canal au niveau RF. En effet, pour augmenter la sélectivité de filtrage et atténuer l’effet des canaux adjacents d’autres systèmes RF, un filtre avec une réjection élevé est nécessaire. Afin de concevoir un filtre passe-bande présentant une réjection élevée en dehors de la bande utile, une fonction de filtrage présentant des zéros de transmissions est nécessaire. Un filtre channelisé contenant deux zéros de transmissions a été développé il y a quelques années au sein de notre équipe [86]. Son bloc diagramme simplifié est présenté sur la Figure III-8. Ce circuit filtrant est constitué de trois branches structurées comme suit :  Une branche principale formée par un filtre passe bande récursif suivie d’un étage amplificateur Gm.  Une première branche auxiliaire A1 contenant un filtre passe bande récursif avec un retard unitaire représenté par τA1 et un étage amplificateur GA1.  Une deuxième branche auxiliaire A2 contenant un filtre passe bande récursif avec un retard unitaire représenté par τA2 et un étage amplificateur GA2.