可變帶寬OTA―C連續時(shí)間低通濾波器設計

摘要：實(shí)現了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導放大器-電容(OTA—C)連續時(shí)間型濾波器的結構、設計和具體實(shí)現，使用外部可編程電路對所設計濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設計和仿真驗證。仿真結果表明，該濾波器帶寬的可調范圍為1～26 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內波紋小于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(xiàn)接近理想狀態(tài)。
關(guān)鍵詞：Butterworth濾波器；連續時(shí)間；電流模式；跨導運算放大器

0 引言
射頻接收機質(zhì)量被認為是影響整個(gè)系統成本和性能的主要因素。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信移動(dòng)終端朝著(zhù)小尺寸、低成本、低功耗方向發(fā)展，射頻前端系統中的集成濾波器設計顯得十分重要。其中，基于CMOS工藝的設計方案以其成本和功耗的優(yōu)勢，已成為有源濾波器設計選擇的主流方向。
跨導運算放大器(Operational Transconductance Amplifier)因其工作頻率高，電路結構簡(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計中。電壓功耗低的COMS跨導運算放大器，同時(shí)有熱穩定性能好，芯片面積小，便于集成等優(yōu)點(diǎn)。由OTA及電容C構成的OTA—C濾波器，僅含電容，不含電阻以及其他無(wú)源元件，有較低的功耗和較高的應用頻率，被普遍應用于高頻集成電路領(lǐng)域。
從總體上看，國內的模擬濾波器研究成果較少且工藝陳舊；從帶寬上來(lái)看，低中頻結構接收器中高帶寬的應用比較少。本文采用CMOS工藝實(shí)現了一個(gè)應用于片上全集成接收機中頻寬帶低通濾波器。

1 濾波器電路設計
梯形結構電路的元件參數靈敏度低，實(shí)現時(shí)不用考慮傳輸函數零極點(diǎn)的配對，設計方便，在寬帶濾波器設計中有一定的優(yōu)越性。跳耦結構電路具有較小的寄生敏感度和較大的動(dòng)態(tài)范圍。本文低通濾波器設計采用信號流程圖方式實(shí)現梯形跳耦結構。
本文考慮到無(wú)源LC濾波電路有優(yōu)良的靈敏度特性，并且LC電路設計理論非常成熟。所以本文采用LC梯形電路法設計電路。首先根據濾波器指標參數，查表得LC梯形濾波器電路和參數，后對此電路做狀態(tài)變量分析，寫(xiě)出其電路電壓方程，依據狀態(tài)方程得出相應的信號流圖，然后應用跨導運放和電容實(shí)現型號流圖中的積分器，模擬狀態(tài)變量?？蓪?shí)現無(wú)源LC梯形濾波器到跨導-電容濾波器的模擬變化。查閱濾波器工具
書(shū)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(xiàn)以-40 dB予以說(shuō)明。根據上述性能要求，查閱濾波器工具書(shū)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(guò)方程變化，最后得到全電壓量狀態(tài)方程：

類(lèi)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)現電路。模擬電阻Ⅲ采用跨導Gm，實(shí)現負反饋運放等效代替，電路僅由跨導運放和電容元件來(lái)實(shí)現七階Butterworth濾波器，其中OTA跨導值的大小可以通過(guò)其偏置電流得到精確調節。