基于跨导运算放大器的可变带宽低通滤波器设计

2012-02-16 13:55:15来源: 互联网
讨论分析了跨导放大器-电容(OTA—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ADS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1~26 MHz,阻带抑制率大于35 dB,带内波纹小于0.5 dB,采用1.8 V电源,TSMC 0.18μm CMOS工艺库仿真,功耗小于21 mW,频响曲线接近理想状态。

  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CMOS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(Operational Transconductance 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COMS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OTA及电容C构成的OTA—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CMOS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。查阅滤波器工具书得出,需要采用七阶Butterworth低通滤波器。本文以-3 dB带宽为26 MHz时,50 MHz幅频曲线以-40 dB予以说明。根据上述性能要求,查阅滤波器工具书得出,需要采用七阶Butterworth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:

  

 

  类似式(1)、式(2)可以得V3~V7的状态方程。图3电路为最终实现电路。模拟电阻Ⅲ采用跨导Gm,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Butterworth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。

  

  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。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COMS跨导器,其I/V传输特性有理想的线性关系。图4中,M1和M2偏置电流为I;M3和M4偏置电流为nI。电路设计中,M1~M4有相同的沟道长度L,M3,M4的沟道宽度W=nL。设Y1=i1/I,Y2=i2/I,X=Vid/Vb,则输出电流Io=i1+i2的归一化表达式为:

  

 

  可以看出,n值增大时,β值减小,式(4)中根号内的βX2项减小,跨导器线性度得到改善。n值越大,信号电流分量在M3,M4中所占比例越小,传输特性越接近理想状态。

  

 

  3 可编程电路设计

  如图5所示,OTA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,如图7所示,电路基于三态门概念,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:

  

 

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

  

 

  可编程电阻(RDAC)的输出偏置电流:

  

 

  又知跨导:

  

 

  可见,在电源电压确定的情况下,OTA的跨导值与输入数据Rx成平方根倒数关系,跨导值随着输入数据的增大而减小。通过改写输入数据RDAC的值,即可实现26种(全零状态禁用)变化电阻,达到改变偏置电流,产生跨导值的变化,最终实现滤波器带宽的调节。

  上述电路,采用1.8 V电源,TSMC 0.18μmCMOS工艺库仿真。图8为该滤波器-3 dB带宽26 MHz时仿真结果,该滤波器50 MHz带阻抑制为-40.49 dB,带内波纹小于0.5 dB,功耗约为21 mW,满足设计要求。图9为滤波器带宽调节为14 MHz的频响曲线。

  

 

  5 结语

  设计中,采用跨导运算放大器实现了一种可变带宽低通滤波器,最高带宽为26 MHz,阻带抑制率大于35 dB,带内波纹小于0.5 dB,在低中频结构接收器中,该频率相对较高。同时滤波器带宽可由外部可编程电路调节变化,与普通模拟滤波器电路相比,本文设计电路具有电路简单,易于高集成,便于后期维护等优点,是OTA电路设计的未来发展趋势,有着广泛的应用前景。

关键字:运算放大器  可变带宽  低通滤波器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0216/article_14303.html
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