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實現了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導放大器-電容(OTA—C)連續時間型濾波器的結構、設計和具體實現，使用外部可編程電路對所設計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設計和仿真驗證。仿真結果表明，該濾波器帶寬的可調范圍為1～26 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內波紋小于0.5 dB，采用1.8 V電源，TSMC 0.18μm CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態。 0 引言 射頻接收機質量被認為是影響整個系統成本和性能的主要因素。隨著無線通信移動終端朝著小尺寸、低成本、低功耗方向發展，射頻前端系統中的集成濾波器設計顯得十分重要。其中，基于CMOS工藝的設計方案以其成本和功耗的優勢，已成為有源濾波器設計選擇的主流方向。 跨導運算放大器(Operational Transconductance Amplifier)因其工作頻率高，電路結構簡單，具有電控能力，便于集成等特點被廣泛用于有源濾波設計中。電壓功耗低的COMS跨導運算放大器，同時有熱穩定性能好，芯片面積小，便于集成等優點。由OTA及電容C構成的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用頻率，被普遍應用于高頻集成電路領域。 從總體上看，國內的模擬濾波器研究成果較少且工藝陳舊;從帶寬上來看，低中頻結構接收器中高帶寬的應用比較少。本文采用CMOS工藝實現了一個應用于片上全集成接收機中頻寬帶低通濾波器。 1 濾波器電路設計 梯形結構電路的元件參數靈敏度低，實現時不用考慮傳輸函數零極點的配對，設計方便，在寬帶濾波器設計中有一定的優越性。跳耦結構電路具有較小的寄生敏感度和較大的動態范圍。本文低通濾波器設計采用信號流程圖方式實現梯形跳耦結構。 本文考慮到無源LC濾波電路有優良的靈敏度特性，并且LC電路設計理論非常成熟。所以本文采用LC梯形電路法設計電路。首先根據濾波器指標參數，查表得LC梯形濾波器電路和參數，后對此電路做狀態變量分析，寫出其電路電壓方程，依據狀態方程得出相應的信號流圖，然后應用跨導運放和電容實現型號流圖中的積分器，模擬狀態變量。可實現無源LC梯形濾波器到跨導-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，50 MHz幅頻曲線以-40 dB予以說明。根據上述性能要求，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方程，經過方程變化，最后得到全電壓量狀態方程： 類似式(1)、式(2)可以得V3～V7的狀態方程。圖3電路為最終實現電路。模擬電阻Ⅲ采用跨導Gm，實現負反饋運放等效代替，電路僅由跨導運放和電容元件來實現七階Butterworth濾波器，其中OTA跨導值的大小可以通過其偏置電流得到精確調節。 2 跨導單元設計 線性度和帶寬是跨導運算放大器設計考慮的兩個主要方面。帶寬的大小和跨導值成正比，但增大跨導值會使芯片功耗變大，對于相同的傳輸函數，增大跨導值時，電容值也需要相應的增大，從而增大了芯片面積。同時跨導值減小時，電容值也要減小，這對版圖匹配造成影響。 本文采用經典的交叉耦合差動式COMS跨導器，其I/V傳輸特性有理想的線性關系。圖4中，M1和M2偏置電流為I;M3和M4偏置電流為nI。電路設計中，M1～M4有相同的溝道長度L，M3，M4的溝道寬度W=nL。設Y1=i1/I，Y2=i2/I，X=Vid/Vb，則輸出電流Io=i1+i2的歸一化表達式為： 可以看出，n值增大時，β值減小，式(4)中根號內的βX2項減小，跨導器線性度得到改善。n值越大，信號電流分量在M3，M4中所占比例越小，傳輸特性越接近理想狀態。 3 可編程電路設計 如圖5所示，OTA為跨導運算放大器，其跨導值可通過偏置電流(圖6所示電路)來調節。一般采用可變電阻完成，但傳統R-2R可變電阻結構需要大量的控制開關，增加了電路面積，并產生開關操作的功耗。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，電路基于三態門概念，端口除高、低電平，用懸空狀態產生第三種狀態，實現了27級變阻電路，總電阻表示為： 式中：表示第m個三態輸入產生的第n個進制狀態碼;Rm為第m個三態輸入驅動的權電阻(m=1，2，3;n=1，2)。 可編程電阻(RDAC)的輸出偏置電流： 又知跨導： 可見，在電源電壓確定的情況下，OTA的跨導值與輸入數據Rx成平方根倒數關系，跨導值隨著輸入數據的增大而減小。通過改寫輸入數據RDAC的值，即可實現26種(全零狀態禁用)變化電阻，達到改變偏置電流，產生跨導值的變化，最終實現濾波器帶寬的調節。 4 仿真結果 上述電路，采用1.8 V電源，TSMC 0.18μmCMOS工藝庫仿真。圖8為該濾波器-3 dB帶寬26 MHz時仿真結果，該濾波器50 MHz帶阻抑制為-40.49 dB，帶內波紋小于0.5 dB，功耗約為21 mW，滿足設計要求。圖9為濾波器帶寬調節為14 MHz的頻響曲線。 5 結語 設計中，采用跨導運算放大器實現了一種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，帶內波紋小于0.5 dB，在低中頻結構接收器中，該頻率相對較高。同時濾波器帶寬可由外部可編程電路調節變化，與普通模擬濾波器電路相比，本文設計電路具有電路簡單，易于高集成，便于后期維護等優點，是OTA電路設計的未來發展趨勢，有著廣泛的應用前景。 |
