可变带宽OTA_C连续时间低通滤波器设计

2011年3月15日第34卷第6期

现代电子技术

M odern Electro nics T echnique

M ar.2011V ol.34N o.6

可变带宽OTA C 连续时间低通滤波器设计

周德福1,张勇虎1,葛 锐1,戴 冲2

(1.国防科学技术大学电子科学与工程学院卫星导航研发中心,湖南长沙 410073;

2.武警云南森林总队,云南昆明 650011)

摘 要:实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器,讨论分析了跨导放大器 电容(O T A C)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现,使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制,并利用A DS 软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明,该滤波器带宽的可调范围为1~26M H z,阻带抑制率大于35dB,带内波纹小于0.5dB,采用1.8V 电源,T SM C 0.18 m CM O S 工艺库仿真,功耗小于21mW,频响曲线接近理想状态。

关键词:Butt erw orth 滤波器;连续时间;电流模式;跨导运算放大器

中图分类号:T N710 34 文献标识码:A 文章编号:1004 373X(2011)06 0157 03

Design of Variable bandwidth OTA C Continuous time Low pass Filter

ZHO U De fu 1,ZH A NG Yo ng hu 1,GE Rui 1,DA I Chong 2

(1.Satellite N aviga tion R&D Center,N ational U niv ersity o f Defense T echnolo gy ,Chang sha 410073,Chi na;

2.Fo rest Co rps o f CAPF,Kunming 650011,China)

Abstract :A fully integr ated w ideband var iable bandwidth IF low pass filter is presented.T he structure,desig n and im plementatio n o f the co nt inuous time O T A C filter are discussed and analyzed.T he ex ternal cir cuit desig n and simulatio n are used by the so ftwar e of AD S.T he simulation r esults show that the filter tuning range of 3dB bandwidth o f 1M Hz ~26M Hz,sto p band r ejectio n r ate of g reater t han 35dB,and the pass band ripple less than 0.5dB,w ith 2.8V pow er supply ,T SM C 0.18 m CM O S technolog y librar y of simulation,pow er co nsumpt ion is less than 21mW,fr equency response cur ve close to t he ideal state.

Keywords :Butter wo rth filter;co nt inuo us time;cur rent mode;O T A

收稿日期:2010 10 30

0 引 言

射频接收机质量被认为是影响整个系统成本和性能的主要因素。随着无线通信移动终端朝着小尺寸、低成本、低功耗方向发展,射频前端系统中的集成滤波器设计显得十分重要。其中,基于CM OS 工艺的设计方案以其成本和功耗的优势,已成为有源滤波器设计选择的主流方向。

跨导运算放大器[1](Operational T ransco nductance Amplifier)因其工作频率高,电路结构简单,具有电控能力,便于集成等特点被广泛用于有源滤波设计中。电压功耗低的COM S 跨导运算放大器,同时有热稳定性能好,芯片面积小,便于集成等优点。由OT A 及电容C 构成的OT A C 滤波器,仅含电容,不含电阻以及其他无源元件,有较低的功耗和较高的应用频率,被普遍应用于高频集成电路领域。

从总体上看,国内的模拟滤波器研究成果较少且工艺陈旧;从带宽上来看,低中频结构接收器中高带宽的

应用比较少。本文采用CM OS 工艺实现了一个应用于片上全集成接收机中频宽带低通滤波器。1 滤波器电路设计

梯形结构[2]

电路的元件参数灵敏度低,实现时不用

考虑传输函数零极点的配对,设计方便,在宽带滤波器设计中有一定的优越性。跳耦结构[3 4]电路具有较小的寄生敏感度和较大的动态范围。本文低通滤波器设计采用信号流程图方式实现梯形跳耦结构。

本文考虑到无源LC 滤波电路有优良的灵敏度特性,并且LC 电路设计理论非常成熟。所以本文采用LC 梯形电路法设计电路。首先根据滤波器指标参数,查表得LC 梯形滤波器电路和参数,后对此电路做状态变量分析,写出其电路电压方程,依据状态方程得出相应的信号流图,然后应用跨导运放和电容实现型号流图中的积分器,模拟状态变量。可实现无源LC 梯形滤波器到跨导 电容滤波器的模拟变化。查阅滤波器工具书[5]得出,需要采用七阶Butterw o rth 低通滤波器。本文以-3dB 带宽为26M H z 时,50MH z 幅频曲线以-40dB 予以说明。根据上述性能要求,查阅滤波器工

具书[5]得出,需要采用七阶Butterw orth 低通滤波器,原型电路如图1所示。

由图2所示电路框图,以电感上的电流及接地电容上的电压为变量列出状态方程,经过方程变化,最后得到全电压量状态方程

[4]

:

I 1=Y 1*(V in -V 2) V 1=Y 1(V in -V 2)/G m (1)

V 2=Z 2*(I 1-I 3) V 2=G m Z 2(V 1-V 3)(2)

Z 8=R 8/(1+SC 8R 8) V 8=G m Z 8V 7

(3)

类似式(1)、式(2)可以得V 3~V 7的状态方程。图3电路为最终实现电路。模拟电阻[1]

采用跨导G m ,实现负反馈运放等效代替,电路仅由跨导运放和电容元件来实现七阶Butterw or th 滤波器,其中OTA 跨导值的大小

可以通过其偏置电流得到精确调节。

图1 七阶Butter wo rth

低通滤波器无源梯形电路图

图2 电路的框

图形式

图3 梯形电路跳耦电路实现图

2 跨导单元设计

线性度和带宽是跨导运算放大器设计考虑的两个主要方面[6]。带宽的大小和跨导值成正比,但增大跨导值会使芯片功耗变大,对于相同的传输函数,增大跨导值时,电容值也需要相应的增大,从而增大了芯片面积。同时跨导值减小时,电容值也要减小,这对版图匹配造成影响。

本文采用经典的交叉耦合差动式[1,7]COM S 跨导器,其I /V 传输特性有理想的线性关系。图4中,M 1和M 2偏置电流为I ;M 3和M 4偏置电流为nI 。电路设计中,M 1~M 4有相同的沟道长度L ,M 3,M 4的沟道宽度W =nL 。设Y 1=i 1/I ,Y 2=i 2/I ,X =V i d /V b ,则输

出电流I 0=i 1+i 2的归一化表达式为:

Y =

I 0

I

= X 1- X 2,|X |

n +1n

(4)

式中: =4n/(n+1); =n/(n+1)2。当n =1时, =2, =1/4;当 =0时,则下式成立:

Y =2X

1-14

X 2(5)

可以看出,n 值增大时, 值减小,式(4)中根号内的 X 2

项减小,跨导器线性度得到改善。n 值越大,信号电流分量在M 3,M 4中所占比例越小,传输特性越接近理想状态。

图4 交叉耦合COM S 跨导器

3 可编程电路设计

如图5所示,OT A 为跨导运算放大器,其跨导值可通过偏置电流(图6所示电路)来调节。一般采用可变电阻完成,但传统R 2R 可变电阻结构需要大量的控制开关,增加了电路面积,并产生开关操作的功耗。本文采用一种新型微功耗硬件可编程变阻电路[8],如

图7所示,电路基于三态门[9]概念,端口除高、

低电平,用悬空状态产生第三种状态,实现了

27级变阻电路,总电阻表示为:

R X =(Q 11R 1 Q 12R 1) (Q 2

1R 2

Q 22R 2) (Q 31R 3 Q 3

2R 3)

(6)

式中:Q m n 表示第m 个三态输入产生的第n 个进制状态码;R m 为第m 个三态输入驱动的权电阻(m =1,2,3;n =1,2)

[10]

。

图5 可编程跨导运放示意图

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