（信号与信息处理专业论文）低敏感度全集成有源滤波器设计研究.pdf

摘要 近年来，随着片上系统、集成电路技术和通信技术的发展，全集成有源滤波 器的设计不但已经成为电路与系统领域的研究热点，而且也深受国际学者的广泛 关注。 本文在全面归纳总结国内外全集成有源滤波器的研究现状和发展动态的基 础上，从网络综合理论出发，较系统地研究了基于信号流图模拟法的低敏感度全 集成有源滤波器设计技术。 首先，介绍了应用于有源滤波器中的全差分运算放大器的基本模块和特点， 通过h s p i c ez 2 0 0 7 0 3 软件创建了适用于电路仿真的全差分运算放大器电路，为 验证后文所设计的全集成有源滤波电路的正确性创造了必要条件。 其次，利用双端接载的无源l c 梯形滤波电路具有响应对元件变化灵敏度低 的优点，将其作为原型滤波器，详细地推导了四阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器、四阶 c h e b y s h e v 高通滤波器的信号流图，并实现了相应的基于反相积分器的有源r c 滤 波器和全差分有源r c 滤波器。 最后，通过相应的设计实例和仿真结果，不但具体说明了基于信号流图技术 的滤波器设计方法，而且还表明了该设计方法的有效性和实用性。 本文的创新之处在于利用信号流图技术实现了基于全差分加法器和全差分 积分器的全差分有源r c 低通滤波器和全差分有源r c 高通滤波器的设计。 关键词：全集成有源滤波器信号流图运算模拟法 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g i e so fs y s t e mo nc h i pa n dt h ei n t e g r a t e d c i r c u i t sa sw e l la st e l e c o m m u n i c a t i o n s ，t h ed e s i g no ff u l l - i n t e g r a t e da c t i v ef i l t e r sh a s b e e np a i dg r e a ta t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h er e s e a r c h e sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so ft h ef u l l - i n t e g r a t e d a c t i v ef i l t e r sa r es y s t e m a t i c a l l yr e v i e w e d t h ed e s i g nt e c h n o l o g yo fl o ws e n s i t i v i t y f u l l i n t e g r a t e da c t i v ef i l t e r st h a tb a s e do nt h et h e o r yo fn e t w o r ks y n t h e s i sa n ds i g n a l f l o wg r a p hi sd e e p l ys t u d i e d f i r s t , t h eb a s i cm o d u l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s o ff u l l - d i f f e r e n t i a lo p e r a t i o n a l a m p l i f i e ra r ei n t r o d u c e d a n dt h ec i r c u i ts i m u l a t i o no f t h ef u l l yd i f f e r e n t i a lo p a m pi n t h ea c t i v ef i l t e r si sc r e a t e dt h r o u g hh s p i c ez 一2 0 0 7 0 3s o f t w a r e t h i se s s e n t i a ls t e pi s r e q u i r e df o rv e r i f y i n gt h ec o r r e c t n e s so ff u l l - i n t e g r a t e d a c t i v ef i l t e r sw h i c ha r e d e s i g n e di nt h ed i s s e r t a t i o n s e c o n d ，b a s e do nt h ed o u b l yt e r m i n a t e dl cl a d d e rp r o t o t y p e ，w h o s em a g n i t u d e r e s p o n s ei se x t r a o r d i n a r i l yi n s e n s i t i v et op e r t u r b a t i o n so ft h el ce l e m e n t sa n d t ot h e t e r m i n a t i n gr e s i s t a n c e s ，t h ed e t a i l e ds i g n a lf l o wg r a p h so ff o r t h o r d e rb u t t e r w o r t h l o w p a s sf i l t e ra n df o r t h o r d e rc h e b y s h e vh i g h p a s sf i l t e ra r ed e r i v e dr e s p e c t i v e l y , t h e c o r r e s p o n d i n ga c t i v er cf i l t e r sb a s e do ni n v e r t i n gi n t e g r a t o ra n df u l l - d i f f e r e n t i a l a c t i v er cf i l t e r sa r er e a l i z e d f i n a l l y , t h ed e s i g ne x a m p l e sa n ds i m u l a t e dr e s u l t sa r eg i v e n ，w h i c hn o to n l y s h o wt h ep r o c e s s e so ft h ed e s i g no ff u l l i n t e g r a t e da c t i v ef i l t e r st h a tb a s e do ns i g n a l f l o wg r a p h ，b u ta l s ov 嘶f 3 ，t h ev a l i d i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h eg i v e nm e t h o d a tt h e s a m et i m e ，i no r d e rt oi m p r o v et h ed y n a m i cr a n g eo ff u l l - i n t e g r a t e da c t i v ef i l t e r s ，t h e m e t h o dt h a ts c a l i n gt h eo u t p u tv o l t a g eo fi n t e g r a t o r si nt h ec i r c u i t si su s e d t h ei n n o v a t i o np o i n t so ft h i st h e s i si n c l u d et h er e a l i z a t i o no ff u l l - d i f f e r e n t i a l a c t i v er ch i g h p a s sa n dl o w p a s sf i l t e r st h a tb a s e do i ls i g n a lf l o wg r a p ha n dt h e m e t h o do fs c a l i n gt h eo u t p u tv o l t a g eo fi n t e g r a t o r si nt h ec i r c u i t s k e yw o r d s ：f u l l - i n t e g r a t e da c t i v ef i l t e r s ，s i g n a lf l o wg r a p h ，c o m p u t i n g 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：向南 签字日期： 刎年月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞叁鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤星盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：缅葛 导师签名： 签字日期： 年月j 日 蒡甜 签字日期：加哆年易月7 目 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 全集成有源滤波器是近年来模拟超大规模集成电路( v l s i ) 技术取得最重要 进展的领域之一，也是当今国际上的前沿课题，近几年来，全集成连续信号处理 取得了迅速的发展，它的应用也开始向非线性信号处理、非滤波应用、编程系统 等领域扩展，它的诞生向传统的信号处理技术开关电容和数字滤波技术提出 了强有力的挑战。滤波器作为- - v j 学科发展到现在已有6 0 多年的历史，它除在 通信领域大量使用外，还在控制雷达、人造卫星、仪器仪表和计算机等领域有着 广泛的应用，很难设想哪一个电子设备中不使用这样或那样的滤波器。v l s i 技 术发展的最主要动力也是来自于制作全集成高质量模拟滤波器的需要，它的发展 已经并且还正在日益加速改变计算机、通信、微电子技术、信息科学、控制和机 器人等技术的面目。近两三年来得到迅速发展的人工神经网络就是例证。 全集成有源滤波器是一种具有特定频率响应的放大器，它是在运算放大器的 基础上增加一些尺、c 等无源元件而构成的。近年来，随着通信技术，特别是移 动通信技术和计算机技术的发展，全集成有源滤波器的设计已成为信号与信息处 理、电路与系统、微电子学与固体电子学领域的研究热点之一。它与a d 转换器 和d a 转换器一起，成为片上系统设计的主要瓶颈。全集成有源滤波器具有动态 范围大、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、成本低等优点，并且可以克服开 关电容滤波器和数字滤波器在处理连续时间信号时由于混叠作用而降低信道的 信噪比、高频应用受到限制以及引入量化噪声等缺点。所以全集成滤波器的研究 已成为国际学术界所关注的前沿课题和热点课题之一，具有一定的理论意义和重 要的实用价值【l 】。 为了更好地进行全集成有源滤波器设计研究，首先应对各种类型滤波器有所 了解，为此本文简要回顾下各种滤波器的发展过程、分类及其主要设计方法。 1 2 滤波器概述 1 2 1 滤波器的发展 从1 9 1 5 年德国的瓦格纳( w a g n e r ) 和美国的坎i ) 1 尔( c a m p b e l l ) 提出滤波器的概 第一章绪论 念以来，滤波器的发展取得了长足的进步，在近代电信装备和各类控制系统中， 滤波器的应用极为广泛，所以对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 从电路元件的分立和集成的角度看，滤波器的发展经历了从全部分立到部分 集成再到全部集成的历程。早期的无源r l c 滤波器是全部分立元件的，由于电感 的固有缺陷，如损耗大、体积大、非线性、易引入干扰噪声又难以集成实现等， 因而，人们开始研究有源滤波器的实现方法。最早出现的有源滤波器可以追溯到 1 9 3 8 年s c o t t 的选择性放大器：1 9 5 4 年，l i n v i l l 用负阻抗变换器真正实现了第一 个有源滤波器【2 】；1 9 5 5 年，s a u e n 和k e y 应用单放大器实现了有源r c 滤波器，开 辟了设计有源滤波器的技术途径；1 9 6 5 年，低成本的单片运算放大器初步制作 成功，使人们用有源技术模拟电感成为可能，为有源r c 滤波器的实现奠定了基 础；2 0 世纪7 0 年代发展起来的混合集成电路技术把有源r c 滤波器推向成熟，成 为滤波器学科发展史上的重要里程碑。从此，滤波器的发展上了一个新台阶，并 且开始朝着低功耗、小体积、多功能、高精度、稳定可靠和价格低廉的方向发展， 其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为2 0 世纪7 0 年代以后的主攻方向， 导致了有源r c 滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器等各种滤波器的设计技术 飞速发展p j 。 2 0 世纪8 0 年代以来，滤波器学科进入了全集成系统发展的时期。1 9 8 3 年， 用m o s 晶体管的线性区实现了压控电阻，建立了m o s f e t - c 全集成滤波器；1 9 8 4 年，用m o sv l s i 技术实现了跨导一电容( o t a c ) 滤波器，使o t a c 滤波器也焕 发出了新的活力；1 9 8 9 年，用m o s 晶体管和模拟开关构成了开关电流滤波器； 当代有源滤波器正朝着系统高度集成化、元件单一性、低电源和微功耗等方向发 展【4 1 。 从滤波器的实现技术角度看，滤波器的发展经历了模拟一数字一模拟的道路 【5 】。最早的滤波器是以模拟形式出现的，但是由于模拟集成电路设计的不准确性 和非标准化以及数字信号处理技术的迅速发展和数字电路的模块化，使得数字滤 波器最先得到发展。2 0 世纪7 0 年代中期，随着开关电容( s w i t c h e dc a p a c i t o r 简写 为s c ) 理论的问世，开关滤波器( s cf i l t e r ) 以更快的速度发展起来，同时也出现了 各种各样的数字滤波器( d i g i t a lf i l t e r 简写为d f ) 【6 】。 开关电容滤波器和数字滤波器在处理连续时间信号时，都需要特殊的数字处 理过程，如开关电容滤波器需要利用开关和电容组成的数据采样电路，数字滤波 器需要有a d 和d a 电路。开关电容滤波器和数字滤波器虽然是集成滤波器，但 是用于连续时间信号处理却有明显的不足，如由于混叠作用而降低了信道的信噪 比、电路结构复杂、引入了量化噪声等。从而直接用全集成有源滤波器处理信号 成为国际学术界所关注的前沿课题，而系统的全集成化正是未来v l s i 技术发展 6 第一章绪论 的技术基础。人们不仅迫切希望具有设计简单、易于模拟仿真、功耗低、芯片面 积小、适于静噪运用和高频应用等性能的全集成有源滤波器理论和实现，而其希 望有类似的技术用于非线性信号处理和非滤波应用，如人工神经网络的全集成实 现等用。 1 2 2 滤波器分类 为了满足信号处理的不同需要，产生了很多类型的滤波器。一般来说，根据 信号幅度的连续和离散可把滤波器分为数字滤波器和模拟滤波器两大类。数字滤 波器常用于数字信号处理中，它有着很好的低频特性，在数字系统的设计中有着 重要的作用。但在处理高频信号时由于受到采样率的限制，且需要加抗混叠滤波 器，限制了其应用范围。 模拟全集成滤波器可分为采样数据滤波器和连续时间滤波器。 1 采样数据滤波器 采样数据滤波器是对模拟信号采样后再进行滤波，然后，通过连续时间平滑 滤波后得到所要的连续信号。s c f 和s f i 是两种典型的采样数据滤波器。s c f 技 术是通过周期性的开关电容来模拟电阻匹配。它的特点是电路的极点和时间常 数由电容的比值确定，即使集成工艺使电容有一定的误差，但两个电容的比值误 差很小，从而提高了电路的精度。s f i 是对s c f 的改进，它利用了m o s 管栅极 存储能力，所以不需要外加电容。它与s c f 的区别是s i f 是电流采样。它的特 点是：不需要运算放大器，适合于数字c m o s 集成工艺，且电路以集成模式工作， 可以采用低电源标准，特别适合于混合模数系统及高频应用。采样数据滤波器的 共同缺点是： ( 1 ) 需要对连续时间信号进行采样，因此，系统工作频率受奈奎斯特采样 定理的限制； 7 ( 2 ) 采样带来的时钟馈入问题导致滤波器精度下降、噪声和失真增加： ( 3 ) 为满足奈奎斯特定理，需要在滤波器前端加防混叠滤波器以对输入信 号作带限处理，在后端加平滑滤波器以得到平滑输出。 由于采样过程的存在，高频噪声仍能混叠到基带中，并且滤波器变的非常复 杂。因此，从上世纪9 0 年代开始，人们把研究重点投向了电流模式连续时间滤 波器【8 】o 2 连续时间滤波器 工作在连续时间域的滤波器称为连续时间滤波器，其工作方式是对模拟信号 进行直接处理。连续时间滤波器不像数字滤波器那样，需要经过a d 变换、数据 处理、d a 变换等多个技术环节才能完成对模拟信号的滤波作用，也不像采样数 7 第一章绪论 据滤波器那样，需要借助开关动作对模拟信号在离散时间进行数据采样。因此， 它不需要远高于通带的时钟信号，避免了时钟馈入的影响。它具有处理速度快、 电路结构简单、功耗小等突出优点，当需要在低功耗条件下对高频率信号( 通常 在1 m h z 以上) 进行处理时，连续时间模拟滤波器通常是惟一可选的方法。连续时 间滤波器的典型代表是全集成连续时间m o s f e t c 滤波器和全集成连续时间 o t a c 滤波器。m o s f e t c 滤波器从原理上解决了有源r c 滤波器难以集成的问 题，是继s c f 之后的第二种全集成电路，它对寄生参数不很敏感，但受运算放大 器频率限制，工作频率较低。o t a c 滤波器是由跨导运算放大器( o t a ) 与电容构 成的有源r c 集成滤波器。其特点是：电路简单，工作频率高，可实现电子控制， 调节方便，便于单片集成。近年来，随着v l s i 的发展和电流模式技术的崛起， 全集成电流模式连续时间滤波器后来居上，己成为国际学术界所关注的前沿课题 【9 】 o 模拟全集成滤波器又可分无源滤波器和有源滤波器两类。 1 无源滤波器 早期的无源滤波器基本上是用无源分立的r l c 元件实现的滤波器，其中双端 接载的无源l c 梯形网络是一种非常有用的结构，因为它具有响应对元件的变化 不太敏感的特点，因此双端接载的l c 梯形网络成为众多滤波器的设计原形，也 是本文集成滤波器设计的原形。无源l c 滤波器的主要缺点是在低频应用时体积 大、电感的q 值低，电感电容数值、体积、重量和价格等方面可能超出实用的要 求。在微波波段，l c 无源滤波器仍具有重要的应用价值。 随着现代通信设备都向着小型轻便化发展，大部分电阻及电容都将为半导体 集成电路和薄膜集成电路所代替，于是如何去掉电感线圈，做成无感有源滤波器 是滤波器发展的必然趋势。 实现无源滤波器的办法之一是直接集成电感。虽然进行了大量的研究，但目 前集成电感仍未取得突破。通常集成电感值小于1 0 n h ，且其q 值小于1 0 。尚不能 满足片上系统的需要【l o 】。 2 有源滤波器 有源滤波器是由r c 网络和运算放大器组成的。r c 有源滤波器的使用范围是 q 小于1 0 0 0 、频率小于1 m h z 的滤波。滤波器电路中常用的器件包括：r c 器件、 l c 器件、开关电容( 带有高速转换开关的电容) 等。l c 滤波器电路具有较好的 低通滤波特性。但当要求通带截止频率很低的时候，为了保证滤波性能，势必要 求电感量很大，导致电感的重量和体积过大，既不易制作( 特别是不利于集成化) ， 第一章绪论 成本又高，有时还要加屏蔽，制造和安装都很麻烦。r c 滤波器电路避免了l c 电路的缺点，但是电阻在消耗噪声能量的同时也消耗信号的能量。有源滤波器电 路为了克服i 无源滤波电路消耗信号能量的缺点，使用放大电路和r c 网络组成 了有源滤波电路，以提高滤波性能。有源滤波的优点是： ( 1 ) 由于不使用电感元件，体积小、重量轻，不需要磁屏蔽。 ( 2 ) 有源滤波电路中的运算放大器可加电压串联负反馈，可以获得高输入 阻抗和低输出阻抗，从而可在输入与输出之间进行很好的隔离。这样可以通过级 联的形式得到高阶的滤波器器，不必象l c 滤波电路那样需要考虑级间的影响。 ( 3 ) 可在滤波的同时实现信号放大。开关电容滤波器：开关电容滤波器是 一种利用开关电容网络构成的滤波器，它的出现使有源滤波器的集成化成为现 实。 根据处理信号时间的连续和离散性，可把模拟有源滤波器分为离散时间滤波 器和连续时间滤波器两大类【1 1 】。 1 离散时间滤波器 典型的离散时间滤波器就是模拟取样滤波器，模拟取样滤波器是对模拟信号 进行取样后再进行滤波，最后通过连续时间平滑滤波后得到所要的连续信号。为 了使取样时满足奈奎斯特定理而不出现混迭效应，在取样前还需加上抗混迭滤波 器。 常见的模拟取样滤波器有开关电容滤波器( s c f ) 和开关电流滤波器( s i f ) 。其 中，开关电容滤波器的应用范围比较广，从音频到视频中都有它的踪影。开关电 容滤波器的主要特性由时钟频率和电容的比值决定。由于这两个参数与工艺和温 度的变化无关，因此，这种滤波器的积分时间常数比较精确，能够达到0 1 ， 所以该滤波器不需要调谐电路。然而，到了高频段的应用后，这种特性不能很好 地保持，因为开关电容滤波器要求在时域中采样时，时钟频率至少是要处理的信 号的最高频率的两倍，这样才能消除混叠效应，因而所需要的时钟频率较高，一 般不适合用于高频应用中旧。 2 连续时间有源滤波器 连续时间有源滤波器是处理在时间上和幅度上都是连续变化的信号。连续时 间有源滤波器能够直接处理模拟信号，它不需要经过a d 、d a 转换、采样和保 9 第一章绪论 持以及抗混叠滤波器。连续时间有源滤波器的工作频率主要受放大器的影响，目 前连续时间滤波器的频率能够达到几百m h z 。 对于高性能的连续时间滤波器，收到关注度比较高的有：r c 有源滤波器、 m o s f e t c 滤波器、对数域滤波器、o t a c 滤波器及c c i i ( 第二代电流传输器) 滤 波器掣1 3 1 ，下面分别介绍上述滤波器的特点。 ( 1 ) r c 有源滤波器 r c 有源滤波器是由运算放大器、电阻、电容这些基本元件构成的。在集成 电路中，这些电阻由普通的电阻或多晶硅来实现。但是，这类滤波器对r c 元件 的变化比较敏感。一般来说，电路中会使用调谐电路来确定滤波器的截止频率。 r c 有源滤波器多用于低频应用中，但由于电容占用的面积过大而限制了它的集 成应用，现也多用于实现通信系统中的回路滤波器( 1 0 0 p f i l t e r ) 1 4 】。 ( 2 ) m o s f e t - c 滤波器 m o s f e t c 滤波器是由b a n um 和t s n i d i sy 于1 9 8 3 年首先提出来的。它由 m o s f e t 、运放及电容c 构成。1 9 8 6 年他们又系统地研究了m o s f e t c 滤波器的 设计问题。我国的学者也对m o s f e t - c 滤波器进行了研究例。m o s f e t c 滤波器 是有源r c 滤波器的扩展，它是基于有源r c 滤波器得来的，它的电阻用工作在线性 区m o s 管来实现。它的一个主要问题是失真问题。可以用一组晶体管来代替单 个的晶体管来消除失真。然而，即使采用了这样的措施，由于受运算放大器带宽 的限制，m o s f e t c 滤波器的工作频率仍然很低，一般适用工作于音频范吲15 1 。 ( 3 ) c c i i 电流模式滤波器 c c i i 电流模式滤波器是以处理电流信号变量为主要特征的连续时间电流型 模拟电路技术，具有宽的信号带宽、大动态范围、电路结构简单及较低功耗等优 点，向传统的电压模式电路提出了强有力的挑战。电流传送器是由加拿大的k c s m i t h 和a s e x i r a 于1 9 6 8 年提出的 1 6 q 8 】。在此之后，许多学者对此进行了研究，然 而只是在最近几年，由于模拟v l s i 技术的发展使其高性能的芯片实现成为可能， 从而对传统的以运算放大器为主的电压模式电路提出了新的挑战。 ( 4 ) o t a c 滤波器 o t a c 滤波器是由o t a ( 运算跨导放大器) 与电容c 构成。o t a 是一电压控制 电流输出器件。其输出电流与输入电压成正比，比例因子为跨导g 。o t a 有双 1 0 第一章绪论 极型和c m o s 型两种。双极型晶体管构成的c a 3 0 8 0 型o t a 己商品化，但与大规模 集成电路c m o s 工艺不兼容。o t a - c 可能是这几年研究的最多的集成滤波器，有 大量的文献可以参考 1 9 - 2 1 】。 随着m o sv l s i 技术的发展，新的滤波技术在不断的涌现。未来的滤波器 也必然会顺应v l s i 技术的潮流，朝着微型化，微功耗的方向发展，将滤波器设 计工作进一步推向高潮。虽然人们在集成滤波器设计方面做了大量的研究工作， 但真正解决滤波器的全集成，特别是片上系统对集成滤波器的要求仍有大量的研 究工作要做。为了满足工艺要求，需要研究全集成有源滤波器的问题。 1 2 3 滤波器的设计方法 滤波器的设计方法是实现滤波器的重要手段。早期主要采用影像参数设计方 法和达林顿( d a l i n g t o n ) 插入损耗综合法。2 0 世纪5 0 年代以来，从塞伦( s a l l e n ) 和 凯( k e y ) 提出的有源滤波器的实用设计到2 0 世纪7 0 年代的信号流图滤波器设计 方法，滤波器的设计方法体系已基本形成和完善【2 2 1 。 到目前为止，滤波器的设计方法概括起来有两大类：一是以滤波器的传递函 数为对象的直接设计方法，具有代表性的是级联设计；二是以无源l c 梯形网络 为对象的间接模拟设计方法，其代表是信号流图模拟法等。 直接设计法包括级联法和多环反馈法。级联法将彼此互相隔离的一阶、二阶 电路级联起来，形成高阶电路所需的极点和零点。级联电路的优点是制作和调节 方便，缺点是电路性能对元件变化的灵敏度高，特别是选择性高的滤波器，将对 元件精度和稳定性提出苛刻的要求。多环反馈结构保留了级联结构的模块式特 点，又能提供比级联结构优越的灵敏度特性，但是这种结构的电路比较复杂，调 节起来比较困难，使其应用受到一定限制。 间接设计法包括元件模拟法和运算模拟法，它模拟了双端接载无源l c 梯形 结构，是构成低灵敏度有源滤波器的主要方法，这是因为双端接载无源l c 梯形 结构具有通带衰减对元件变化灵敏度低的优点，可以较好地克服级联设计灵敏度 高的缺点【2 3 】。 1 元件模拟法 此方法是用有源技术模拟l c 梯形网络中的有源元件。元件模拟又分为电感 模拟、频变负阻( f d n r ) 模拟。主要技术有里奥登电感，广义阻抗变换器( g i c ) 技 术，回转器技术，有源r c 、开关电容( s c ) 技术，o t a 技术，电流传输器技术和 m o s f e t 技术等。其中o t a 技术和m o s f e t 技术可以实现电调节的模拟电感和 第一章绪论 f d n k 。 2 运算模拟法 ( 1 ) 信号流图模拟 信号流图模拟是一种以l c 梯形网络中的电感电流、电容电压为状态，列写 状态变量的运算关系，并用信号流图模拟和有源技术实现的种设计方法。 ( 2 ) 节点电压模拟 节点电压模拟是一种以l c 梯形网络中的节点电压为状态变量，并列写其运 算过程，用有源双二次耦合实现的方法。这一方法尤其适于高通带通梯形网络设 计。 ( 3 ) 回路电流模拟 回路电流模拟和节点电压模拟对偶，是一种以l c 梯形网络中的回路电流为 状态变量，并用有源双二次模拟其运算关系的方法，它特别适于电流模式滤波器 设计。 ( 4 ) 线性变换滤波器 线性变换滤波器是一种以l c 梯形网络中的阻抗端口电压一电流为状态变 量，线性变换为入射波和反射波运算关系的子网络，然后用有源技术实现的一种 方法【2 4 1 。 1 3 选题的意义及研究内容 近年来，迅速发展的移动通信技术和计算机技术成为全集成有源滤波器技术 发展的重要动力。全集成有源滤波器主要具有动态范围大、体积小、重量轻、功 耗低、可靠性高以及成本低等优点，并且可以克服开关电容滤波器和数字滤波器 在处理连续时间信号时由于混叠作用而降低信道的信噪比以及引入量化噪声等 缺点。所以，全集成有源滤波器的研究已成为国际学术界所关注的前沿课题，而 且片上系统( s y s t e m0 1 1c h i p ) 的发展也迫切需要解决有源滤波器的全集成问题 【2 5 】 o 全集成有源滤波器是单片集成的，与由分立有源元件构成的滤波器相比，这 些单片集成电路有着许多优点，由于芯片上元件的良好匹配性使得滤波器的设计 简化了很多；当集成滤波器进行大规模生产时，其成本也大大地降低了，对于消 费者来说，集成滤波器相对便宜：此外，自动调节电路能够减少工艺和温度变化 所带来的误差，与分立无源滤波器相比，集成滤波器极大地减少了寄生电容；因 此，全集成有源滤波器的研究对于实现片上系统( s y s t e mo i lc h i p ) 具有重要的意义 1 2 6 。 1 2 第一章绪论 本文从网络综合理论出发，系统地研究了基于信号流图模拟法的全集成有源 滤波器设计技术，并通过实例设计和结果仿真，说明了利用该方法设计全集成有 源滤波器的有效性和实用性。 文中第二章主要介绍了全集成有源滤波器的基本运算模块，包括全差分运算 放大器、全差分加法器和全差分求和积分器这三个基本模块的定义和特点等。 第三章主要介绍了应用于全集成有源滤波器中的全差分运算放大器的特性 和各项技术指标以及使用电路仿真软件h s p i c ez 2 0 0 7 0 3 建立全差分运算放大器 仿真模型的步骤。 第四章介绍了无源l c 梯形电路模拟法及跳藕结构滤波器的设计方法，利用 双端接载的无源l c 梯形滤波电路具有响应对元件变化灵敏度低的优点，从无源 l c 梯形原型滤波电路出发，以四阶b u t t e r w o r t m 氐通滤波器设计和四阶c h e b y s h e v 高通滤波器设计为例，在信号流图的基础上，详细推导了基于反相积分器的有源 r c 低通滤波电路和有源r c 高通滤波电路以及全差分运算放大器实现的全差分 有源r c 低通滤波电路和有源r c 高通滤波电路，并对所设计电路的准确性进行了 仿真验证。 第五章对全文的主要内容进行了总结并提出了未来研究工作中将面临的困 难和挑战。 1 3 第二章全集成有源滤波器基本运算模块 第二章全集成有源滤波器基本运算模块 全差分运算放大器是本文实现全集成有源滤波器的重要元件之一，因为它是 组成滤波器基本运算模块即加法器和积分器的基本积木块。本章主要对全差分运 算放大器、全差分加法器和全差分求和积分器这三个基本模块的定义和特点等加 以介绍。 2 1 全差分运算放大器 全差分运算放大器是组成有源滤波器的运算模块的基本元件，它也称为平衡 差分运算放大器，是普通差分输出运放的一种特殊形式，两个输出端的电压大小 相等极性相反，其电路符号如图2 1 所示。 l 图2 1 全差分运算放大器 全差分运放采用了对称网络结构，使得输入和输出都保持平衡状态。因此， 近年来，全差分对称网络结构被广泛应用于低功耗、高频率的模拟信号处理电路 中【2 0 - 2 1 。 与单端输出的运算放大器相比，全差分运算放大器有许多优点：它能提供两 倍于单端输出运算放大器的输出电压摆幅，而且不易受共模噪声的影响；同样， 输出信号的偶数阶非线性谐波分量没有出现在全差分输出中，又因为三次以上的 奇次谐波较前几次谐波的幅度小许多，因而对外部环境噪声具有更强的抗干扰能 力 2 2 - 2 4 】。 下一章将对全集成有源滤波器设计中使用的全差分运算放大器的特性做具 体介绍。 1 4 第二章全集成有源滤波器基本运算模块 2 2 全差分加法器 在介绍全差分加法器之前首先简要介绍反相加法器。反相加法器其电路如图 2 2 所示。 = 0 图2 2 反相加法器 对于图2 2 中的反相加法器，我们同样利用理想运算放大器计算网络函数的 两个规则来进行分析，可得： = 鲁 ，：堡 r l = 乏 v i ，= 一i - r ， 由式( 2 1 ) 式( 2 - 5 ) 可以得到： ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 _ 4 ) ( 2 5 ) v o = - r s ( - 鲁+ + 等 口6 ， 当r 。= r 2 = = r 。时，x - 戈( 2 6 ) 可以化简为： 第二章全集成有源滤波器基本运算模块 r ， 1 ：o 一云( 巧+ + ”件圪) ( 2 7 ) 由式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 可以看出，在运算放大器具有理想特性时，各相加项的比 例因子仅与外部电路的电阻有关，而与放大器本身的参数无关，适当选择各电阻 的阻值，就能得到所需的比例因子，因此这种加法电路可以达到很高的精度和稳 定性。 全差分加法器的正半电路与图2 2 所示的反相加法器电路相同，其负半电路 与正半电路是对称的，具体电路如图2 3 所示。 图2 3 全差分加法器 吁 吁 在图2 - 3 所示的全差分加法器电路中，假设运放的输入电压为，我们可以 得到： 弘n 聃“= 半+ 半+ + 半 ，7 - - 1 h + p 竿+ 警+ + 半 输出信号可以由下式得到： v o + = 以一，；r z v ：= v 。一i t rf 1 6 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一l o ) ( 2 1 1 ) 第二章全集成有源滤波器基本运算模块 用式( 2 1 1 ) 减去式( 2 1 0 ) ，可以得到差分输出信号： y 赫= v o + 一v o - = 一r i ( c 一，；) 训，c 半+ 警等，口 、 尺，r ，r 。 、 当r 。= r 2 = = r 。时，式( 2 1 2 ) 可以化简为： = 一鲁( k + 一巧一+ 吁一吁+ + 嘭一吁) ( 2 - 1 3 ) 由式( 2 一1 2 ) 和式( 2 一1 3 ) 可以看出，共模信号圪不影响输出结果。 2 3 全差分求和积分器 在介绍全差分求和积分器之前首先简要介绍反相积分器。由运算放大器构成 的反相积分电路，如图2 4 所示。 图2 - 4 反相积分器 用电容c - 的阻抗专取代式( 2 - 1 2 ) 中的r ，可得： 量；一尘：一j 一 巧r lr 1 c l s 1 7 ( 2 1 4 ) 第二章全集成有源滤波器基本运算模块 不难看出式( 2 1 7 ) 所表达的是积分运算，r 。c l 为积分时间常数。在时域中该 式可以改写为： 圪= 一丽1 班 ( 2 1 5 ) 另外，值得一提的是：若将图2 4 所示的c ，和r 。互换位置，则该电路可进行 微分运算。在实际应用中，微分运算电路存在以下缺点 2 5 - 2 6 】： ( 1 ) 输出脉冲电压的幅值高、宽度很窄，电路工作不稳定。 ( 2 ) 易受高频噪声干扰的影响。 ( 3 ) 输出幅值可能高于运算放大器本身的最大输出电压。 ( 4 ) 在高频信号输入时，输入阻抗不大。 ( 5 ) 由于反馈回路构成另一个r c 滞后环节，它和运算放大器本身内部的 滞后环节结合在一起，使稳定储备降低，很容易产生自激振荡。 由于以上各种原因，所以人们在有源滤波器的设计中尽量避免使用微分运算 电路，而更乐于使用积分器。 如果用电容c 。将图2 2 所示的反相加法器电路中的电阻r ，代替，也可以得到 求和积分器，如图2 5 所示。全差分求和积分器的正半电路与图2 5 所示的求和积 分器电路相同，其负半电路与正半电路是对称。 1 用电容c l 的阻抗击取代式( 2 - 1 4 ) q b 的r r 可得： 铲专c 等+ 警半，协峋 当r l = r 2 = = r 。时，式( 2 - 1 6 ) 可以化简为： 第二章全集成有源滤波器基本运算模块 响。 = 0 图2 5 求和积分器 = 一百知( _ + 一巧一+ 吁一吁+ 一+ 嘭一吁) ( 2 - 1 7 ) 图2 6 全差分求和积分器 v ： v - 从式( 2 1 6 ) 乘1 式( 2 1 7 ) 可以看出，全差分求和积分器也不受共模信号匕的影 2 4 本章小结 本章介绍了实现全集成有源滤波器所需的基本运算模块： ( 1 ) 全差分运算放大器，全差分运放采用对称网络结构，使得输入和输出 都保持平衡状态。不易受共模噪声的影响，对外部环境噪声具有更强的抗干扰能 力。 ( 2 ) 全差分加法器，在运算放大器具有理想特性时，各相加项的比例因子 仅与外部电路的电阻有关，而与放大器本身的参数无关，适当选择各电阻的阻值， 1 9 第二章全集成有源滤波器基本运算模块 就能得到所需的比例因子，这种加法电路可以达到很高的精度和稳定性。 ( 3 ) 全差分求和积分器，用电容将全差分加法器电路中的反馈电阻代替， 就可以得到全差分求和积分器，全差分求和积分器的负半电路与正半电路是对称 的，输出结果不受共模信号n 的影响。 通过上述三大模块原理的介绍为后文全集成有源滤波器的设计中关系式推 导提供了理论基础。 第三章全差分运算放大器及其仿真 第三章全差分运算放大器及其仿真 作为全集成有源滤波器的核心组成部分，全差分运算放大器的特性和各项技 术对全集成有源滤波器的设计效果有重要影响。设计中使用仿真软件h s p i c e z 2 0 0 7 0 3 建立全差分运算放大器的仿真模型，测试各项技术指标以及对滤波器 整体电路进行仿真。因此，本章将对全差分运算放大器电路的基本情况、仿真软 件h s p i c e 以及全差分运算放大器的仿真模型的建立予以简单介绍。 3 1 滤波器用全差分运算放大器 如前所述，全差分运算放大器是实现全集成有源滤波器的基本元件之一，因 此，有必要介绍设计中所使用的l m h 6 5 5 1 全差分运算放大器的基本情况。 3 1 1 全差分运算放大器基本模块 全差分运算放大器可分解为六个模块，各模块之间的关系如3 1 所示。 图3 - 1 全差分运算放大器模块关系图 1 差分输入级 差分输入级将抑制共模信号，将有效的差模信号进行传递到下级放大电路， 即中间放大级。为了放大器的宽带设计，输入级没有采用常用的发射极耦合的差 2 1 第三章全差分运算放大器及其仿真 分输入级和有源电流镜结构，而是用发射极耦合的电压跟随器进行差分信号的放 大和传递，虽然差分输入级增益不大，但是这可以在后面放大电路中进行补偿。 抑制共模信号，特别是共模的噪声，放大差分信号这是差分输入级最主要的作用。 2 中间放大级和输出级 中间放大级采用共发射极结构，既能保证一定的电压增益，而且也有良好的 高频性能，是放大器中较为重要的结构。同时在发射极串联电阻，采用增益级串 联负反馈技术，稳定了电路的直流工作点和交流变化，使得增益级输入阻抗增大， 输出阻抗减小，提高了增益级的高频响应。输出结构采用发射极耦合的推挽式输 出，a b 类前馈控制，这种结构的好处是输出电阻小，驱动能力大，可以驱动小 电阻负载，同时具有较好的频率响应。在这部分电路中，还包含了补偿部分，采 用米勒补偿电容，降低第一极点，推远第二极点，得到一定的相位裕度，使放大 器能够在闭环连接中高频情况下也能稳定工作，避免产生自激震荡。 3 共模反馈级 本设计中共模电平检测采用电阻检测，即在差分输出端串接两个相等的电 阻，电阻中间节点即为输出共模电平。此处设计了两组放大器，p n p 发射极耦合 差分对和n p n 发射极耦合差分对，差分对的输入分别是输出共模电平和共模电平 输入，差分放大器较大的增益将两者的值限制于近似相等，差分放大器的输出即 为误差输出，反馈到中间上个模块中，从而调整输出共模电平。同时芯片内置了 输入共模电平产生电路，在共模电平输入缺省的情况下代替共模电平输入，设计 值为电源电压的一半。由于这个电压输出阻抗非常大，所以在有外部共模电平输 入的情况下，将不会影响外部共模电平的输入，从而达到可调共模电平的目的。 4 偏置电路 偏置电路的核心电路就是带隙基准源。带隙基准源将利用晶体管压降与电流 的关系式，经过巧妙的结构设计出与带隙电压紧密相关的电流，而与电源电压， 温度是弱函数，即不依靠电源电压和温度变化的基准电压源。然后基准电压源通 过电流镜将基准电流或者电压提供给放大器的其他模块，提供稳定的工作点，给 放大器良好的工作性能奠定基础。 3 1 2 全差分运算放大器特点 应用于有源滤波器中的全差分运算放大器，除了具备一般放大器的特点之 外，还具有其特别之处。 1 差分输出 在绝大多数集成电路中运算放大器的应用中都希望有差分信号。差分信号具 有抵消不需要的共模信号或者噪声信号以及与单端信号相比信号摆幅增加一倍 第三章全差分运算放大器及其仿真 的优点。差分工作是减小时钟馈通影响的好方法。为了处理差分信号，运算放大 器要有差分输入和差分输出。 差分信号处理的优点之一是共模信号抑制特性。差分输入运算放大器的共模 输入信号得益于差模输入信号。这种抑制受到每边差分信号处理电路匹配的影 响。同样重要的是差分信号的偶次谐波也会受到抑制。因为差分信号具有奇对称 性，偶次谐波在奇对称匹配程度内被抵消了。 2 共模反馈 全差分电路相对于单端类似电路有许多优点。然而，高增益差动电路还要求 共模反馈( c m f b ) 。在高增益放大器中，p 型电流源与n 型电流源相