基于Switched-RC技術(shù)的0.8 V帶通濾波器

　　1 引 言

　　隨著集成電路步入深亞微米階段，便攜式電子產(chǎn)品市場份額的不斷擴(kuò)大，低電壓低功耗集成電路已成為該類電子產(chǎn)品的發(fā)展主流。由于電源電壓的降低，很多模擬集成電路芯片中的基本單元需要重新設(shè)計(jì)，特別是目前廣泛應(yīng)用于信號處理系統(tǒng)的開關(guān)電容電路芯片也面臨著低壓工作問題，即低壓時(shí)開關(guān)電容電路中浮動(dòng)開關(guān)呈高阻態(tài)，影響信號無法正常通過。

　　目前解決低壓情況下開關(guān)電容電路中浮動(dòng)MOS開關(guān)管的導(dǎo)通問題，主要有以下幾種方案：用低閾值電壓器件，用電壓倍增電路，使用開關(guān)運(yùn)放技術(shù)以及本文使用的開關(guān)電阻電容(Switched-RC)技術(shù)。低閾值電壓器件需要特殊制造工藝所以成本過高，電壓倍增電路由于過高的時(shí)鐘電壓限制了其在深亞微米工藝中的使用，開關(guān)運(yùn)放技術(shù)由于運(yùn)放的不斷開啟和關(guān)閉而不適用于高速信號處理。相比之下，開關(guān)電阻電容技術(shù)則不存在這些問題，同時(shí)還具有采樣線性度更高的優(yōu)點(diǎn)。

　　本文介紹了開關(guān)電阻電容技術(shù)的基本原理，并采用該技術(shù)設(shè)計(jì)了一種0.8 V六階帶通開關(guān)電容濾波器。該濾波器將應(yīng)用于心率檢測設(shè)備，起到放大心率信號和衰減干擾信號的功能。最后采用TSMC 0.18μm CMOS工藝，對所設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明該濾波器符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了低壓環(huán)境下的正常工作，實(shí)現(xiàn)了低壓下開關(guān)電容濾波器的一種全新設(shè)計(jì)方案。

　　2 濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路實(shí)現(xiàn)

　　2.1 Switched-RC和Split-RC電路

　　開關(guān)電容積分器是開關(guān)電容濾波器的基本組成模塊。圖1所示為基于Switched-RC技術(shù)的開關(guān)電容積分器，圖中Cd支路為保持運(yùn)放反向輸入端電平為VA而加的電平轉(zhuǎn)移支路。如圖1所示，原來的浮動(dòng)MOS開關(guān)被電阻R1所替換。利用電阻替換浮動(dòng)開關(guān)，不僅避免了低電壓時(shí)浮動(dòng)開關(guān)的高阻抗問題，而且還能提高電路的線性度。具體原理如下：在t1時(shí)刻，輸入信號經(jīng)過電阻R1被采樣到電容Cs上，在t2時(shí)刻，開關(guān)Ms閉合，信號電荷轉(zhuǎn)移到積分電容Ci中。根據(jù)電荷守恒，此時(shí)輸出節(jié)點(diǎn)電壓表示為：

　　在過采樣條件下，Vin(n+1／2)近似等于Vin(n)，因此由式(1)可以看出開關(guān)導(dǎo)通電阻引入的增益誤差可以近似表示為：

　　是Ms的導(dǎo)通電阻，由式(2)可知，只要R1?Ron，那么電阻R1替代MOS開關(guān)管帶來的誤差就會(huì)很小。由于Ron具有非線性，會(huì)引入非線性誤差，但在Switched-RC電路中，節(jié)點(diǎn)X的電壓，變化幅度比Vin小很多，所以由于R1的替換而帶來的電路非線性誤差仍然可以保持在很低的水平。顯然，R1越大電路增益誤差越小，同時(shí)線性度也越好。但R1過大會(huì)導(dǎo)致采樣時(shí)間常數(shù)R1Cs過大，當(dāng)R1Cs>T／2時(shí)(丁為時(shí)鐘周期)，將無法實(shí)現(xiàn)信號的正常采樣。通過合理選擇R1阻值和開關(guān)寬長比，并經(jīng)過反復(fù)模擬仿真就可使積分器精度達(dá)到較好水平。

　　為了使積分器性能進(jìn)一步優(yōu)化，還采用了split-RC技術(shù)。圖1中積分器在采樣周期輸入共模電平為VDD／2，在積分周期的輸入共模電平則為0，所以兩相時(shí)鐘對應(yīng)兩個(gè)不同的輸入共模電平，因此需要加入電平轉(zhuǎn)移支路Cd使運(yùn)放反向輸入端共模電平始終維持在虛地，以避免積分電容Ci出現(xiàn)電荷積累，從而使積分器輸出共模電平恒定。但是由于Cd支路的存在引入了額外的KT／C噪聲。為了使輸入信號共模電平始終為VDD／2，達(dá)到較大輸入差模信號擺幅，同時(shí)避免Cd支路引入KT／C噪聲，采用split-RC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的偽差分積分器如圖2所示。

　　在圖2中，原本圖1中的R1和Cs被鏡像成兩個(gè)完全對稱的支路(同時(shí)采樣電容值變?yōu)镃s／2)，采樣電容左端的開關(guān)一只接VDD，另一只接Gnd。工作過程為：在t1時(shí)刻兩個(gè)采樣電容Cs／2均經(jīng)過電阻R1接Vi，此時(shí)Vi的輸入共模電平為VDD／2，在t2時(shí)刻采樣電容Cs／2一只接VDD，另一只接Gnd，共模電平也為VDD／2，從而實(shí)現(xiàn)共模電平恒定在VDD／2處。

　　通常差分運(yùn)放需要共模反饋電路來維持共模電平的穩(wěn)定，為了使低電壓工作情況下共模反饋電路更易于實(shí)現(xiàn)，本文采用文獻(xiàn)[7]中提出偽差分電路方法。在圖2中Cm為反饋電容，Cm的取值大小與采樣電容Cs的大小有關(guān)。反饋電路的工作原理為：在t1時(shí)刻反饋電容采樣兩輸出端預(yù)置的共模電平，在ts時(shí)刻采樣實(shí)際的共模電平，同時(shí)將預(yù)置共模電平和實(shí)際共模電平的差值反饋到各個(gè)運(yùn)放的輸入端，從而維持輸出共模電平的穩(wěn)定。同時(shí)也保持運(yùn)放反向輸入端的共模電平始終為虛地。該反饋電路具有易于實(shí)現(xiàn)和KT／C噪聲小的優(yōu)點(diǎn)。

　　2.2 運(yùn)算放大器

　　本文設(shè)計(jì)的運(yùn)放為一個(gè)使用PMOS輸入級的低壓兩級運(yùn)算放大器。第一級為折疊結(jié)構(gòu)的PMOS低壓差分輸入級，采用共源共柵結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)增益的最大化。第二級采用普通的共源結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)最大的輸出擺幅。輸入輸出共模電平分別單獨(dú)設(shè)置，輸入共模電平為0 V，輸出共模電平為0.4 V。仿真結(jié)果為：電源電壓0.8 V，直流增益78 dB，單位增益帶寬12 MHz，相位裕度61°。以上指標(biāo)表明該運(yùn)放適合于開關(guān)電容電路的應(yīng)用。