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)

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)。

　　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)。

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