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技術(shù)討論:可變帶寬OTA—C低通濾波器電路

發(fā)布時(shí)間:2015-02-18 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】本文實(shí)現(xiàn)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(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工藝庫仿真,功耗小于21 mW,頻響曲線接近理想狀態(tài)。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。
  
濾波器電路
  
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??蓪?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。
濾波器電路
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)。
濾波器電路
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:
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)。
 
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