《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的可變帶寬低通濾波器設(shè)計(jì)
摘要: 討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTA—C)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn),使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制,,并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證,。仿真結(jié)果表明,該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為1~26 MHz,,阻帶抑制率大于35 dB,,帶內(nèi)波紋小于0.5 dB,采用1.8 V電源,,TSMC 0.18μm CMOS工藝庫(kù)仿真,,功耗小于21 mW,頻響曲線接近理想狀態(tài),。
Abstract:
Key words :

  0 引言

  射頻接收機(jī)質(zhì)量被認(rèn)為是影響整個(gè)系統(tǒng)成本和性能的主要因素,。隨著無線通信移動(dòng)終端朝著小尺寸、低成本,、低功耗方向發(fā)展,,射頻前端系統(tǒng)中的集成濾波器" title="濾波器">濾波器設(shè)計(jì)顯得十分重要。其中,,基于CMOS工藝的設(shè)計(jì)方案以其成本和功耗的優(yōu)勢(shì),,已成為有源濾波器設(shè)計(jì)選擇的主流方向。

  跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(Operational Transconductance Amplifier)因其工作頻率高,,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,具有電控能力,便于集成等特點(diǎn)被廣泛用于有源濾波設(shè)計(jì)中。電壓功耗低的COMS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器,,同時(shí)有熱穩(wěn)定性能好,,芯片面積小,便于集成等優(yōu)點(diǎn),。由OTA及電容C構(gòu)成的OTA—C濾波器,,僅含電容,不含電阻以及其他無源元件,,有較低的功耗和較高的應(yīng)用頻率,,被普遍應(yīng)用于高頻集成電路領(lǐng)域。

  從總體上看,,國(guó)內(nèi)的模擬濾波器研究成果較少且工藝陳舊;從帶寬上來看,,低中頻結(jié)構(gòu)接收器中高帶寬的應(yīng)用比較少。本文采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)用于片上全集成接收機(jī)中頻寬帶低通濾波器,。

  1 濾波器電路設(shè)計(jì)

  梯形結(jié)構(gòu)電路的元件參數(shù)靈敏度低,,實(shí)現(xiàn)時(shí)不用考慮傳輸函數(shù)零極點(diǎn)的配對(duì),設(shè)計(jì)方便,,在寬帶濾波器設(shè)計(jì)中有一定的優(yōu)越性,。跳耦結(jié)構(gòu)電路具有較小的寄生敏感度和較大的動(dòng)態(tài)范圍。本文低通濾波器設(shè)計(jì)采用信號(hào)流程圖方式實(shí)現(xiàn)梯形跳耦結(jié)構(gòu),。

  本文考慮到無源LC濾波電路有優(yōu)良的靈敏度特性,,并且LC電路設(shè)計(jì)理論非常成熟。所以本文采用LC梯形電路法設(shè)計(jì)電路,。首先根據(jù)濾波器指標(biāo)參數(shù),,查表得LC梯形濾波器電路和參數(shù),后對(duì)此電路做狀態(tài)變量分析,,寫出其電路電壓方程,,依據(jù)狀態(tài)方程得出相應(yīng)的信號(hào)流圖,然后應(yīng)用跨導(dǎo)運(yùn)放和電容實(shí)現(xiàn)型號(hào)流圖中的積分器,,模擬狀態(tài)變量,。可實(shí)現(xiàn)無源LC梯形濾波器到跨導(dǎo)-電容濾波器的模擬變化,。查閱濾波器工具書得出,,需要采用七階Butterworth低通濾波器。本文以-3 dB帶寬為26 MHz時(shí),,50 MHz幅頻曲線以-40 dB予以說明,。根據(jù)上述性能要求,查閱濾波器工具書得出,,需要采用七階Butterworth低通濾波器,,原型電路如圖1所示,。

  

 

  由圖2所示電路框圖,以電感上的電流及接地電容上的電壓為變量列出狀態(tài)方程,,經(jīng)過方程變化,,最后得到全電壓量狀態(tài)方程:

  

 

  類似式(1)、式(2)可以得V3~V7的狀態(tài)方程,。圖3電路為最終實(shí)現(xiàn)電路,。模擬電阻Ⅲ采用跨導(dǎo)Gm,,實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋運(yùn)放等效代替,,電路僅由跨導(dǎo)運(yùn)放和電容元件來實(shí)現(xiàn)七階Butterworth濾波器,其中OTA跨導(dǎo)值的大小可以通過其偏置電流得到精確調(diào)節(jié),。

  

2 跨導(dǎo)單元設(shè)計(jì)

 

  線性度和帶寬是跨導(dǎo)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)考慮的兩個(gè)主要方面,。帶寬的大小和跨導(dǎo)值成正比,但增大跨導(dǎo)值會(huì)使芯片功耗變大,,對(duì)于相同的傳輸函數(shù),,增大跨導(dǎo)值時(shí),電容值也需要相應(yīng)的增大,,從而增大了芯片面積,。同時(shí)跨導(dǎo)值減小時(shí),電容值也要減小,,這對(duì)版圖匹配造成影響,。

  本文采用經(jīng)典的交叉耦合差動(dòng)式COMS跨導(dǎo)器,其I/V傳輸特性有理想的線性關(guān)系,。圖4中,,M1和M2偏置電流為I;M3和M4偏置電流為nI。電路設(shè)計(jì)中,,M1~M4有相同的溝道長(zhǎng)度L,,M3,M4的溝道寬度W=nL,。設(shè)Y1=i1/I,,Y2=i2/I,X=Vid/Vb,,則輸出電流Io=i1+i2的歸一化表達(dá)式為:

  

 

  可以看出,,n值增大時(shí),β值減小,,式(4)中根號(hào)內(nèi)的βX2項(xiàng)減小,,跨導(dǎo)器線性度得到改善。n值越大,,信號(hào)電流分量在M3,,M4中所占比例越小,,傳輸特性越接近理想狀態(tài)。

  

 

  3 可編程電路設(shè)計(jì)

  如圖5所示,,OTA為跨導(dǎo)運(yùn)算放大器,,其跨導(dǎo)值可通過偏置電流(圖6所示電路)來調(diào)節(jié)。一般采用可變電阻完成,,但傳統(tǒng)R-2R可變電阻結(jié)構(gòu)需要大量的控制開關(guān),,增加了電路面積,并產(chǎn)生開關(guān)操作的功耗,。本文采用一種新型微功耗硬件可編程變阻電路,,如圖7所示,電路基于三態(tài)門概念,,端口除高,、低電平,用懸空狀態(tài)產(chǎn)生第三種狀態(tài),,實(shí)現(xiàn)了27級(jí)變阻電路,,總電阻表示為:

  

 

  式中:表示第m個(gè)三態(tài)輸入產(chǎn)生的第n個(gè)進(jìn)制狀態(tài)碼;Rm為第m個(gè)三態(tài)輸入驅(qū)動(dòng)的權(quán)電阻(m=1,2,,3;n=1,,2)。

  

 

  可編程電阻(RDAC)的輸出偏置電流:

  

 

  又知跨導(dǎo):

  

 

  可見,,在電源電壓確定的情況下,,OTA的跨導(dǎo)值與輸入數(shù)據(jù)Rx成平方根倒數(shù)關(guān)系,跨導(dǎo)值隨著輸入數(shù)據(jù)的增大而減小,。通過改寫輸入數(shù)據(jù)RDAC的值,,即可實(shí)現(xiàn)26種(全零狀態(tài)禁用)變化電阻,達(dá)到改變偏置電流,,產(chǎn)生跨導(dǎo)值的變化,,最終實(shí)現(xiàn)濾波器帶寬的調(diào)節(jié)。4 仿真結(jié)果

 

  上述電路,,采用1.8 V電源,,TSMC 0.18μmCMOS工藝庫(kù)仿真。圖8為該濾波器-3 dB帶寬26 MHz時(shí)仿真結(jié)果,,該濾波器50 MHz帶阻抑制為-40.49 dB,,帶內(nèi)波紋小于0.5 dB,功耗約為21 mW,,滿足設(shè)計(jì)要求,。圖9為濾波器帶寬調(diào)節(jié)為14 MHz的頻響曲線。

  

 

  5 結(jié)語

  設(shè)計(jì)中,,采用跨導(dǎo)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)了一種可變帶寬" title="可變帶寬">可變帶寬低通濾波器,,最高帶寬為26 MHz,,阻帶抑制率大于35 dB,帶內(nèi)波紋小于0.5 dB,,在低中頻結(jié)構(gòu)接收器中,,該頻率相對(duì)較高。同時(shí)濾波器帶寬可由外部可編程電路調(diào)節(jié)變化,,與普通模擬濾波器電路相比,,本文設(shè)計(jì)電路具有電路簡(jiǎn)單,易于高集成,,便于后期維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),,是OTA電路設(shè)計(jì)的未來發(fā)展趨勢(shì),有著廣泛的應(yīng)用前景,。

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