（信息与通信工程专业论文）cmos跨导放大器及其构成的滤波器的研究与设计.pdf

r e s e a r c ha n dd e s i g no fc m o s l l i l ll li iii i i iii i i iiiil y 19 0 6 12 9 o p e r a t i o n a lt r a n s c o n d u c t a n c e a m p l i f i e ra n di t sa p p l i c a t i o ni nf i l t e r b y l ia n b e ( x i a n g t a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rg u o x i a o r o n g m a y ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 7 二_ 代遵 e l 期：a d ，年r 月；。e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) o ， 矾尹 月月 s ， 年年 o 扎 矽 期期 日日 ，一， 罄 岳小 唇布 名名签签 者师作导 硕i ：学位论文 摘要 自上世纪9 0 年代以来，全集成连续时间滤波器一直是微电子领域研究的重 点课题。全集成连续时间滤波器在电子测量、自动控制等方面有着广泛的应用， 模拟滤波器作为连续时间滤波器的一种，其结构生成方法和电路设计理论可推广 至大规模集成电路，因而具有重要的研究意义和实际应用价值。从构成原理上看， 连续时i 日j 模拟滤波器包括有源r c 滤波器、金属氧化物半导体场效应管电容 ( m o s f e t - c ) 滤波器、开关电容( s c ，s w i t c h e dc a p a c i t o r ) 滤波器以及跨导放 大器( o t a ，o p e r a t i o n a lt r a n s c o n d u c t a n c ea m p l i f i e r ) 电容( o t a c ) 滤波器。 与其他类型的滤波器相比，o t a c 滤波器采用o t a 作为有源增益器件，具有工 作频率高、调节方便等特点。o t a c 滤波器具有良好的高频性能和电控能力、 与超大规模集成电路( v l s i ，v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 工艺兼容等优点，因 而成为现代滤波器领域中的一个极有前景的发展方向。本文主要研究了c m o s o t a 原理及其在o t a c 滤波器中的应用，主要工作及创新点如下： c m o s 跨导放人器原理及】柏j 滤波器中的戍用 a b s t r a c t s i n c ei n t e g r a t e dc i r c u i t sc a m eo u th a l f - c e n t u r ya g o ，t h e yb r i n gg r e a ti n f l u e n c eo n o u rd a i l yl i f e t h ef u l l yi n t e g r a t e dc o n t i n u o u s t i m ef i l t e ri sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s a n di saa d v a n c e da n dv a l u a b l ef i e l d t h ec o n t i n u o u s t i m ef i l t e r sh a v eb e e na d o p t e d i nm a n yf i e l d ss u c ha sc o m m u n i c a t i o n ，n a v i g a t i o n ，m e d i c a le x a m i n a t i o na n ds i g n a l p r o c e s s i n g a n a l o gf i l t e ri sa ne s s e n t i a lb l o c ko fa n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t s t h e d e s i g na p p r o a c hf o ra n a l o gf i l t e r sc a nb ew i d e l ya d o p t e di nl a r g e - s c a l ei n t e g r a t e d c i r c u i t ，w h i c hi so fs i g n i f i c a n ta p p l i c a t i o nv a l u e f r o ma r c h i t e c t u r e ，i tc a nb es p l i t i n t ot w oc a t e g o r i e s ：o n ei sm o s f e t - cf i l t e r ；t h eo t h e ri so t a cf i l t e r i ta d o p t s o t a ( o p e r a t i o n a lt r a n s c o n d u c t a n c ea m p l i f i e r ) a si t sc o m p o n e n t ，n o tt r a d i t i o n a l o p e r a t i o n a la m p l i f i e r i tc o n s t r u c t sc u r r e n t c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e s o fh i g h - f r e q u e n c ya n dc o n v e n i e n t t u n i n g t h ed e s i g np r i n c i p l e ，m e t h o da n d r e a l i z a t i o nc i r c u i to ft h ec m o so t aa n di t sa p p l i c a t i o ni no t a - cf i l t e rh a db e e n s t u d i e di nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： al o wp o w e rw i d el i n e a rr a n g eo t ai s p r e s e n t e db a s e d o nc o m p r e h e n s i v e s u m m a r yo nt h ec i r c u i to fo t aa b o u ta p p l i c a t i o n ，i ta d o p t sc a s c o d es t r u c t u r ea s i n p u ts t a g e ，n e g a t i v ec u r r e n tf e e d b a c ki su s e dt oe n h a n c et h el i n e a r i t y ，t h e mc u r r e n t m i r r o ri sa d o p t e da so u t p u ts t a g e ，t h u st h ep r o p o s e ds t r u c t u r ei so fg r e a tl i n e a r i t ya n d l o wp o w e rc o n s u m p t i o n a tl a s t ，t h ec i r c u i ti ss i m u l a t e db yc a d e n c ew i t h0 18 1 a m t e c h n o l o g yi no r d e r t ov e r i f yt h er e l i a b i l i t y h a v i n gc o m p a r e dt h ed e s i g na p p r o a c h e so fo t a - c f i l t e r ss u c ha st h es i g n a lf l o w g r a p h i c sm e t h o da n dp a s s i v el cl a d d e rt y p em o d e l i n gm e t h o d ，t h em e t h o dt h a tt h e c i r c u i to fo t aa b o u ta p p l i c a t i o ni su s e da sp a s s i v ee l e m e n ti sa d o p t e dt or e a l i z ea n o t a cf i l t e rw h i c hh a sl o wp o w e ra n dg o o dl i n e a r i t y at h i r d - o r d e re l l i p t i co t a - c f i l t e rh a sb e e nr e a l i z e da n ds i m u l a t e db yc a d e n c ew i t h0 18 p mt e c h n o l o g yi no r d e r t oi n d i c a t et h a tt h i sf i l t e ri sf e a s i b l e k e yw o r d s ：a n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t ；f i l t e r ；o t a - cf i l t e r ；o t a i i i 硕 ：学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v l 附表索引v i i i 第l 章绪论1 1 1 引一言1 1 2 滤波器概述2 1 2 1 滤波器的研究背景2 1 2 2 滤波器分类3 1 3 本文研究的目的和意义5 1 4 本论文的结构安排6 第2 章 c m o s 模拟集成电路概论一8 2 1引言8 2 2m o s 晶体管模型8 2 2 1m o s 基本原理8 2 2 2m o s 管的大信号模型9 2 2 3m o s 管的小信号模型l0 2 2 4m o s 管的噪声模型1l 2 3m o s 模拟集成电路的基本单元1 2 2 3 1 m o s 有源电阻一1 2 2 3 2m o s 电流镜1 3 2 3 3 共源共栅电流镜1 5 2 3 4 带源极负反馈的共源级放大器1 6 2 4 小结1 7 第3 章c m o s 跨导放大器原理1 8 3 1 引言18 3 2 跨导放大器原理1 8 3 2 1 基本结构18 3 2 2 基本的c m o s 跨导运算放大器一2 0 3 3 改进型的c m o s 跨导放大器2 2 3 3 1 带辅助源耦对的c m o s 跨导放大器一2 2 i v c m o s 跨甘放人器原理及j e 相：滤波器中的应用 3 3 2 带辅助电压源的交叉耦合c m o s 跨导放大器一2 4 3 4 o t a 的应用原理一2 5 3 4 1 增益可控电压放大器2 6 3 4 2 模拟电阻2 6 3 4 3 加法器2 8 3 4 4 压控回转器2 8 3 4 5 模拟电感一3 0 3 5 小结31 第4 章一种低功耗宽线性范围的跨导放大器的设计一3 2 4 1 引言3 2 4 2 改进型的跨导放大器电路实现一3 2 4 2 1 输入级的设计3 2 4 2 2 源极电流负反馈电路的设计3 3 4 2 3 输出级的设计3 6 4 2 4 总体电路设计3 7 4 3 实验仿真4 0 4 4 小结4 2 第5 章 o t a c 滤波器的实现一4 3 5 1 引言4 3 5 2o t a c 滤波器的发展4 3 5 3o t a c 滤波器的设计方法4 4 5 3 1 有源r c 网络法一4 4 5 3 2 信号流图法4 6 5 3 3 无源l c 梯形电路模拟法4 8 5 4 三阶低通椭圆o t a c 滤波器的设计5 l 5 5 小结5 5 结论5 7 参考文献。5 9 驾【j 射6 4 附录a ( 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录) 6 5 v 硕i j 学化论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 10 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 10 图3 1l 图3 12 图3 13 图3 14 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 插图索引 n m o s 管器件结构示意图9 m o s 管大信号模型10 m o s 管的交流小信号模型1 1 低频时m o s 管的交流信号模型一1 1 m o s 管的噪声模型1 2 m o s 有源电阻12 基本m o s 电流镜1 4 m o s 威尔逊电流镜1 4 共源共栅电流镜1 5 带源级负反馈的共源级1 6 o t a 模型1 9 c m o s 跨导运算放大器的基本电路一2 0 辅助源耦对引入负反馈原理2 2 改进型c m o s 跨导器2 4 交叉耦合c m o s 跨导器一2 5 基本电压放大器2 6 接地模拟电阻2 7 浮地模拟电阻2 7 r 作负载的加法器2 8 l g 卅，作负载的加法器2 8 接地回转器2 9 浮地回转器电路2 9 接地模拟电感一3 0 浮地模拟电感一3 1 共源共栅结构3 3 传统的源极负反馈电路3 4 带源极负反馈的共源级一3 5 源极电流负反馈结构3 5 n m o s 电流镜3 6 本文提出的跨导放大器。3 7 小信号模型3 8 跨导增益曲线4 0 三阶互调截点i i p 3 曲线一4 l v l c m o s 跨导放人器原理及) n i 滤波器中的j 如用 图4 1o 跨导放大器的输出噪声4 1 图5 1 运放有源r c 二阶低通滤波器一4 5 图5 2o t a c 二阶低通滤波器4 6 图5 3o t a 基本电路模块及其信号流图4 7 图5 4l c 梯形滤波器4 8 图5 5 无源l c 梯形电路状态变量方框图一5 0 图5 6模拟l c 梯形电路的o t a c 滤波器5 0 图5 7r l c 梯形椭圆滤波器电路5 2 图5 8无源电感跨导等效电路5 2 图5 9无源电阻跨导等效电路5 3 图5 1 0 三阶椭圆低通o t a c 滤波器5 3 图5 1 l 幅频特性5 4 图5 12 三阶互调截点( i i p 3 ) 曲线图一5 4 图5 13 输出噪声5 5 v l i 硕 ：学位论文 附表索引 表3 1式( 3 7 ) 函数的传输特性的非线性误差值2l 表4 1o t a 性能比较4l 表5 1三阶椭圆低通o t a c 滤波器的性能比较5 5 硕i ：学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 2 1 世纪，信息科学技术已经成为社会的生产力，在国民经济中占据主导地 位。以计算机通信、微电子等为主的信息技术革命是社会信息化的动力源泉。信 息技术广泛应用于工业生产、科研教育、医疗检测、企业资源管理以及家庭同常 生活中，对经济和社会发展产生了巨大深远的影响，人们的思维方式、生活方式 和价值观念发生了翻天覆地的变化。从某种意义上来说，信息处理能力在很大程 度上决定了民族的经济发展和兴衰成败。信息技术的基础是微电子技术，而模拟 集成电路又是微电子技术的核心，是整个信息产业和信息社会最根本的技术基 础，因此对模拟集成电路的研究显得尤为重要。随着近年来集成电路的发展，模 拟集成电路芯片在宇航、科研、军事、医疗等领域也扮演着越来越重要的角色。 集成电路经历了小规模集成( s s i ，s m a l ls c a l ei n t e g r a t i o n ) 、中规模集成( m s i ， m i d d l es c a l ei n t e g r a t i o n ) 、大规模集成( l s i ，l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 、超大规模 集成( v l s i ，v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 年l 特大规模集成( u l s i ，u l t r al a r g es c a l e i n t e g r a t i o n ) 等五个不同发展阶段。近几年来，集成电路的发展趋向于高集成、高 频率和低功耗。目前，整个系统中完成所需功能的数字电路、模拟电路都可以集 成在单个芯片上【l 】。在信号处理系统中，系统接收的信号均为模拟信号，通常先 进行预处理，然后经数字信号处理器分析处理，再经过后处理过程，最后输出模 拟信号。模拟信号的处理过程，包括预处理和后处理过程，需大量的集成电路和 无源器件来完成，一般需经过滤波、模拟信号数字信号( a d ) 及数字信号模 拟信号( d a ) 转换等过程。随着模拟电路集成技术、m o s 工艺的进步，这样 的系统可以在单芯片上完成所需的功能1 2 j 。 在电子电路中【3j ，一般将电压作为信号变量，通过对电压信号进行一系列处 理来完成电路所需的功能，大量的电压信号处理电路诞生，电压模式电路有了较 大发展。但是，随着高频率电路的发展，电压模式电路开始暴露出一系列缺陷， 在高频应用中有着很大的局限性。近年来出现了以电流为信号变量的电路，这类 电路在信号处理中表现出了绝对优势，电流模式电路具有更高的速度、更宽的频 带、更低的功耗等优势，因而逐渐成为了微电子领域的主流电路。以电流为信号 变量的跨导放大器( o t a ，o p e r a t i o n a lt r a n s c o n d u c t a n c ea m p l i f i e r ) 是一种以电压 作为输入信号、以电流作为输出信号的运算放大器，它在模拟集成电路领域得到 了广泛的应用，因而成为了微电子领域研究的热点。跨导电容( o t a c ) 滤波 器是由有源器件o t a 和电容c 组成的，该类滤波器不需采用电阻和电感等大功 c m o s 跨导放人器原理及其n ：滤波器中的戍用 率元件，并且在m o s 工艺下o t a 的跨导增益值很低，所需的电容值也很小，当 电路处于较低频率时，电容也可以很方便地集成到芯片上，所以该类滤波器很便 于实现集成。 1 2 滤波器概述 1 2 1 滤波器的研究背景 滤波的目的在于让有用信号尽可能无衰减地通过，对无用信号尽可能衰 减，滤波器作为一种应用非常广泛的信号处理电路，主要功能是对指定频段或 该频段以外的频率进行有效滤除，它在电子测量、通信系统、机械控制等方面有 着广泛应用。在模拟电路中，滤波器是使用最多、技术也最为复杂的电子模块， 它的优劣直接决定产品的优劣，因此各国历来都非常重视滤波器的研究和生产。 l9 15 年，美国的g c a m p b e l l 和德国的k w a g n e r 首次提出滤波器的概念i4 1 。 从此，滤波器的理论和技术一直不断地飞速前进，在各种电子设备中大显身手。 1 9 17 年，美国和德国科学家分别发明了由分立的电阻、电感、电容等无源元件 构成的l c 滤波器l5 1 ，它的优点是电路结构简单，不需直流电源供电，可靠性 高、噪声低，品质因数( q u a l i t yf a c t o r ) 一般为数百，缺点是通带内的信号有 能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感 较大时滤波器的体积和重量都比较大，因此不适用于低频域。其后，半导体 技术开始有了较大发展，小型化、便携式的通信设备逐渐进入电子领域，无源滤 波器问世。到2 0 世纪5 0 年代，无源滤波器的技术已经非常成熟，同时集成电路 工艺、航空航天、电子计算机得到了巨大的发展。随着单片集成运放的问世，有 源r c 滤波器的时代来临，滤波器开始步入了全新的发展阶段，滤波器的发展趋 向于更低的功耗、更高的精度、更小的体积、更强大的信号处理能力以及更低廉 的价格。7 0 年代初，随着薄膜混合集成电路的发展，有源r c 滤波器的成本变 得低廉，到7 0 年代中期，混合集成电路的尺寸进一步缩小，有源r c 滤波器开 始步入了集成阶段。理论上说，有源r c 滤波器可以实现集成，但事实上，有 源r c 滤波器的集成还是存在很多技术难题：一方面因为大电阻占用的芯片面积 非常大，且该类滤波器所需的大电容很难集成到芯片上；另一方面，由于有源 r c 滤波器的性能指标取决于r c 时间常数，而集成电路中电阻、电容值将与理 论值产生一定的偏差，因此很难取到精确的时问常数。5 0 年代后期，滤波器在 我国得到广泛应用1 6 j ，主要用在话路信号、报路信号处理电路中。近年来，我国 滤波器在研发、生产和应用等方面取得了很大的发展，但是没有形成专业研制产 业，因此对于先进的现代滤波器的研发与发达国家仍存在差距。 2 硕f ：学位论文 1 2 2 滤波器分类 滤波器的分类方法很多1 7 j ，一般有如下几种：( 1 ) 按所处理信号类型分类， 一般分为模拟滤波器和数字滤波器1 8 】：( 2 ) 根据滤波器的安放位置分类，一般 分为板上滤波器和面板滤波器；( 3 ) 按所通过信号的频段分类，一般分为低 通、高通、带通、带阻、全通五种；( 4 ) 按所采用的元器件分类，一般无源和 有源滤波器两种，无源滤波器仅由无源元件( r 、l 和c ) 组成的滤波器，它 是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成，有源滤波器 由无源元件( 一般用r 和c ) 和有源器件( 如集成运算放大器) 组成。滤波器种 类繁多，有些是常见的，有些可能比较陌生，下面着重介绍用的较多的几种典型 滤波器。 l 有源r c 滤波器 有源滤波器一般由下列有源元件组成【9 】：正阻抗倒置器( p i i ) 、负电阻、频 率变阻器( f d n r ) 、负电容、广义阻抗变换器( g i c ) 、负电感、负阻抗变换器 ( n i c ) 、运算放大器、j 下阻抗变换器( p i c ) 、负阻抗倒置器( n i l ) 、受控源， 另外还有病态元件极子和零子 1 0 - 1 2 】。 2 0 世纪6 0 年代，单片集成运算放大器诞生【1 3 】。7 0 年代木期，单片有源r c 滤波器问世，大大推动了集成滤波器的发展进程。运算放大器的增益、相位均受 频率控制，由于运算放大器的增益不高，因此其工作频率也十分受限，一般为为 2 m h z 左右，经过补偿工作频率也只能达到l0 m h z 左右。2 0 世纪8 0 年代，有源 r c 滤波器的工作频率可高达g b 4 ( g 指运算放大器的增益，b 指带宽) 。以r c 滤波器为原型的有源滤波器去掉了电感器后，体积变小，通带内的信号可以放 大，没有能量损耗，负载效应比较弱，q 值可达l0 0 0 ，克服了r l c 无源滤 波器体积大，q 值偏小的缺点。另外，由于不使用电感元件，它不需要磁屏 蔽。它的缺点如下1 1 4 】：实际特性与理想运算放大器存在一定的偏差；通带范 围受有源器件带宽限制，由于需要直流电源供电，可靠性降低，在高压、高 频、大功率的场合不适用；元件的绝对值存在容差，滤波器精度和性能比较 低。尽管面临诸多难题，有源r c 滤波器仍得到了不断的发展。 2 开关电容滤波器( s c f ) 2 0 世纪8 0 年代微电子领域的一个重大突破是大规模集成电路的全面实现 引，电子设计者常用的滤波器如有源r c 滤波器、无源滤波器等成为实现大规模 集成电路的拦路虎。19 7 2 年，美国科学家f r i e d 提出用开关和电容模拟电阻来实 现开关电容滤波器，他指出开关电容滤波器的特性参数均为电容的函数【l6 1 ，电 容决定了开关电容滤波器的性能，从此这类滤波器成为了微电子领域的研究热 点。1 9 7 9 年，很多国家的s c f 已经能在单芯片上实现集成，并形成有规模的产 c m o s 跨导放人器原理及】e n i 滤波器中的心用 业链，应用到科研、军事等领域中。随着开关电容( s c ，s w i t c h e dc a p a c i t o r ) 技术的飞速发展，m o s 工艺技术应用到s c f 中，成为了2 0 世纪8 0 年代微电子 领域的重大突破。s c f 的电压系数很高，趋向于理想值，当前m o s 电容值一般 在1 0 0 p f 之内。s c f 具有下列一些优剧r 7 】：滤波器的特性参数精度高，其性能 取决于m o s 电容的比值，而m o s 电容值比值的误差几乎可以忽略；相比数字 滤波器来说，s c f 更易于实现，结构简单通俗，它在滤波器前后不需经过a d 、 d a 转换，能实现大规模集成；功能多，s c f 通常能够满足应用于音频范围的 要求；功耗低，能达到1o m w 以下。 s c f 的应用以声频应用为主体，工作频率一般在l0 m h z 之内。s c f 在通信 信号处理方面得到了广泛的应用【l 引，例如在程控交换、自适应性滤波、离散滤 波、振动分析、音频解码、音调选择、语音编码、共振谱、语言综合器、声频分 析、均衡器、解调器、锁相电路等领域都有不俗的表现。总之，s c f 的诞生是微 电子、集成电路领域一次新的突破。 3m o s f e t - c 滤波器 m o s f e t - c 滤波器是基于有源r c 滤波器得来的，它由m o s 晶体管构成的 有源电阻、运算放大器、电容来实现，该类滤波器的结构与有源r c 滤波器的结 构基本相似。m o s 管工作于线性区时，可等效为受电压控制的电阻( 具体分析 详见2 3 1 小节) ，来替换有源r c 滤波器中的电阻r ，m o s 管的过驱动电压的 变化会导致m o s 电阻的改变，从而有源r c 滤波器的转折频率能实现可调。 m o s f e t - c 滤波器采用二氧化硅介质的双层多晶硅电容，完全与硅平面制作 工艺兼容，便于集成。另外，m o s f e t - c 滤波器采用平衡对称的电路结构，可以 消除m o s f e t 构成电阻带来的非线性因素，实现线性电阻积分器的功能，其关 键元件是平衡对称的运算放大器。 它的缺点是带来了失真，虽然采用单个晶体管代替一组晶体管可以消除失 真，但是即使消除了失真，m o s f e t - c 滤波器的工作频率也不高，因为运算放大 器的增益、相位均受频率控制，由于运算放大器的增益不高，因此其工作频率也 十分受限。 4o t a c 滤波器 随着微电子技术的发展，有源滤波器广泛地应用于各种电子设备中，由于电 子设备和装黄趋近于微型化，因此低电压、低功率且集成度高的滤波器成为了研 究的热点，滤波器也向着高精度、高速度、低功耗、低电压发展。跨导电容 ( o t a c ) 滤波器因为具有良好的高频性能和电控能力、与超大规模集成电路 ( v l s i ) 工艺兼容等优点，广泛应用于电子测量、通信系统、机械控制等领域， 并成为了连续时间滤波器设计的首选结构。 o t a c 滤波器的核心模块o t a 是一种输入信号为电压变量、输出信号为电 4 硕一i ：学位论文 流变量的运算放大器。2 0 世纪6 0 年代，o t a 电路大都采用双极型技术，双极 型o t a 在很长一段时间内成为连续时间滤波器的主流电路。2 0 世纪8 0 年代， 美国科学家k h o r r a m a b a d i 和g r a y 提出了采用c m o s 工艺并以o t a 为基本模 块的全集成连续时间o t a c 滤波器【”j ，c m o so t a c 滤波器从此成为国际学 术界关注的前沿课题，逐渐成为了连续时间滤波器的重要分支。o t a c 滤波器 有着如下优点： ( 1 ) 具有外部可调性：o t a c 滤波器的截止频率等性能指标取决于跨导增 和电容值，而o t a 的外部电压或者电流可以调节跨导增益，因而o t a c 滤波器 相比其他类型的滤波器具有可调的优势。 ( 2 ) 广泛的应用的景：参阅大量关于o t a 的科技文献可发现，o t a 是一 个非常强大的集成电路通用模块，可以用来实现几乎所有的线性和非线性电路， 且电路结构简单，易于集成。 ( 3 ) 良好的高频性能：o t a 一般为开环结构，o t a c 滤波器的工作频率可 拓宽到l o o m h z 。而普通运算放大器的带宽仅为2 m h z 。 ( 4 ) 能实现m o sv l s i ：o t a c 滤波器仅由跨导放大器和电容组成，可以 实现大规模的c m o s 工艺集成电路。 1 3 本文研究的目的和意义 连续时间滤波器不需经过a d 和d a 转换、采样保持、防混叠滤波器 ( a n t i a l i a s i n gf i l t e r ，简称a a f ) ，能直接处理接收到的模拟信号。现在，连续 时间滤波器的工作频率达到g h z ，在高频中得到了广泛应用【20 1 。连续时间滤波 器包括有源r c 滤波器，m o s f e t - c 滤波器，开关电容滤波器( s c f ) 等，一般采 用m o s 工艺来实现。 有源r c 滤波器一般由有源元件构成，包括电阻，运算放大器等。在模拟集 成电路中，有源r c 滤波器中的电阻一般采用多晶硅材料，但是由于该类滤波器 的特性参数对r c 元件的敏感度高，因此一般适用于低频应用中。另外，有源 r c 滤波器集成时占用的面积比较大，不能直接用于片上系统( s o c ，s y s t e mo n c h i p ) 中，这些都很大程度地限制了r c 滤波器的应用。 s c f 滤波器由于受到了运算放大器和控制m o s 开关采样频率的限制，使得 s c f 只能应用在音频等低频段中。虽然近年来诞生的新型s c f 中没有采用运算 放大器，但由于在s c f 中采用了m o s 开关，受其采样频率限制，该类滤波器的 工作频率仅1m h z 左右，而m o s 开关控制的电容本身产生较大的寄生电容，这 使得s c f 的频率响应将发生较大失真。另外，m o s 开关与m o s 运算放大器产 生较大的热噪声，这将大大限制s c f 的动态范围。 m o s f e t - c 滤波器是通过改造有源r c 滤波器得来，它采用工作在线性区 c m o s 跨导放人器原理及j e n ：滤波器中的心用 m o s 管代替滤波器中的电阻。m o s f e t o c 滤波器的缺点是失真问题，虽然单个 的晶体管可用一组晶体管替代从而消除失真。但是运算放大器仍然会限制 m o s f e t - c 滤波器的工作频率。 与以上三种典型滤波器相比1 2 ，o t a c 滤波器有着明显的优势，最主要的 是它能应用于较高的频段中，并且该类滤波器的功耗相对较低。o t a - c 滤波器 由跨导o t a 和电容c 组成，由于o t a 具有外部可调性，故o t a c 滤波器也能 很方便地实现可调。而作为o t a c 滤波器的核心模块，工作在开环状态下时的 o t a 增益较低，线性范围很小，弱的非线性可能引起各种非线性失真，包括谐 波失真、交叉调制串音和滤波特性曲线不对称等。近年来，虽然有大量文献中提 出了改善o t a 电路线性度的方法，但是大都以牺牲电路的增益和功耗剧增为代 价的。由于在模拟电路中，增益、功耗、线性度等电路参数都是互相牵制，因此 研究具有低功耗高线性度的o t a 电路对于设计高性能的o t a c 滤波器具有重要 的研究意义。 1 4 本论文的结构安排 本论文内容总体上分为五章： 第1 章：首先介绍了滤波器概况及滤波器的分类，分析了几种典型滤波器的 结构及性能特点，突出了o t a c 滤波器特有的优势，简述了o t a c 滤波器的核 心模块o t a 存在的缺陷，强调了对低功耗高线性度o t a 研究的必要性和重要性。 第2 章：首先介绍了m o s 晶体管的基本原理，包括大信号分析、小信号分 析以及噪声分析，接着简述了m o s 模拟集成电路的基本单元电路，包括m o s 有源电阻、m o s 电流镜、带源极负反馈的共源放大器等，这些都是后述章节研 究o t a 及o t a c 滤波器的理论基础。 第3 章：介绍了跨导放大器的工作原理，详述了基本的c m o s 跨导放大器 电路以及几种改进型的c m o s 跨导放大器的电路结构；随后分析了以o t a 为基 本模块的应用电路，如增益可控电压放大器、模拟电阻、加法器、压控回转器、 模拟电感和低通o t a c 滤波器电路等。 第4 章：对近期有关o t a 的文献进行了综述，系统的比较了不同方法以及 基于不同电路结构的o t a 电路的优缺点，提出了一种全差分低功耗宽线性范围 的跨导运算放大器，详述了其结构、工作原理、及具体实现电路，最后在c a d e n c e 上完成电路设计及仿真。 第5 章：简述了o t a c 滤波器的发展，系统的介绍了几种o t a c 滤波器结 构的优缺点；对几种典型的o t a c 设计方法进行了详细介绍，最后提出了采用 o t a 和c 组成的应用电路来代替无源l c 网络中大功率元件的方法设计三阶椭 圆滤波器电路，并对所设计的电路在c a d e n c e 进行仿真。 6 硕i j 学位论文 最后给出了全文的总结，对本文所作的工作进行全面深入的总结，并指出了 未来研究工作的方向。 7 c m o s 跨导放人器原理及j e 在滤波器中的j 妊用 2 1 引言 第2 章c m o s 模拟集成电路概论 金属氧化物半导体场效应管( m o s f e t ) 的概念来源于l9 3 0 年j e l i l i e n f e l d 申请的专利【2 2 1 。2 0 世纪6 0 年代，互补型c