（电工理论与新技术专业论文）高性能数模转换器、滤波器的理论与设计及其在通信系统的应用.pdf

第六章：提出了种新的高精度带隙基准电压源电路，实测该电路的温度系 数指标远远优于国际同类结构电路的温度系数指标，接着提出了高驱动能力全差 分运算放大器电路。 第七章：将本文第二章提出的高速、高精度1 2 位、8 0 m h z 采样率电流舵结 构的数模转换器和第五章提出的r m o s f e t c 结构且具有精确群时延值的贝塞 尔( b e s s e l ) 滤波器以及第六章提出的高精度带隙基准电压源和高驱动能力全差 分运算放大器电路应用于通信g s m 基带输入输出端口芯片，满足系统设计要求 并取得了令人满意的实测结果。同时将前面所设计的高精度带隙基准电压源电 路成功应用于8 位新构架微处理器多用途芯片电路中，取得了良好的使用效果。 结束语部分对本文所做的工作进行了总结，对本研究领域的未来发展趋势提 出了展望。 关键词高精度数模转换器连续时间滤波器 带隙基准电压源跨导 多输出端电流模式积分器全差分运算放大器频率可调 a b s t r a c t d i g i t a l t oa n a l o gc o n v e r t e r 、a n a l o gi n t e g r a t e df i l t e r 、b a n d g a pr e f e r e n c ea n d h i g h d r i v ec a p a b i l i t yo p e r a t i o n a la m p l i f i e ra r ei n d i s p e n s a b i l i t y b a s i cc i r c u i to f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m f o l l o w i n gt h er e c e n t l yi n t e r n a t i o n a l a t t r a c t i v er e s e a r c h t a s k ，w ep u tt h ei m p o r t a n ts t u d y i n gp r o b l e mo nd e s i g no fh i g hf r e q u e n c y 、h i g h d e f i n i t i o nd i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e ra n dh i g hp e r f o r m a n c ea n a l o gi n t e g r a t e df i l t e r a m o n gap r a c t i c a ls y s t e mo fc o m m u n i c a t i o n ，d u r i n gt h er e s e a r c hw o r k ，w eg a i na 1 0 to fn e wh i g hp e r f o r m a n c ec i r c u i t so fd i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e ra n da n a l o g i n t e g r a t e df i l t e r sw i t he n h a n c e m e n to fh i g hc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e a l i z a t i o no fn e w s t r u c t u r e c i r c u i t ，w h i c h h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d i nc o m m u n i c a t i o n i n t e g r a t e dc i r c u i t s ，a n dr e c e i v e sb e t t e rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n e f f e c t t h e s i g n i f i c a n ti n v e s t i g a t i o nr e s u l to f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： i n 也ef i r s t c h a p t e r w ef i r s t l y i n t r o d u c et h eb a s i cc o n c e p ta n d i m p o r t a n t e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fd i g i t a lt o a n a l o g c o n v e r t e ra n db a n d g i pr e f e r e n c e ， r e v i e wt h eh i s t o r i c a lp r o g r e s so fe l e c t r i cf i l t e r s ，s u m m a r i z et h em e t h o d o l o g i e sa n d i m p l e m e n t i n gt e c h n i q u e s o f f i l t e r s ，a n d t h e n a n a l y z e t h e p r a c t i c a l c i r c u i t s r e a l i z a t i o no ff i l t e r sa n du n r e a l i s t i ci m p a c tf a c t o r so np e r f o r m a n c eo ff i l t e r s f i n a l l y ， w es e tf o r t hs i g n i f i c a n c eo ft h i ss t u d y i n gp r o b l e ma n dm a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i s p a p e r i nt h es e c o n dc h a p t e r ，w ef i r s t l yp r e s e n tac i r c u i to f8 - b i t 、8 0 m h zs a m p l e s s t h e r m o m e t e r d e c o d e dd a cw i t hh i e r a r c h i c a l s y m m e t r i c a ls w i t c h i n gs e q u e n c e s w h i c hw i l lc o m p e n s a t eg r a d i e n te r r o r ，o nt h eb a s i so f8 - b i td a c ，w et h e np r e s e n t h i g hf r e q u e n c y 、h i g hd e f i n i t i o n1 2 - b i t 、8 0 m h zs a m p l e s sc u r r e n t s t e e r i n gd a c i nt h et h i r dc h a p t e r ，am e t h o d o l o g i e st or e a l i z es e c o n d o r d e rb a n d p a s sf i l t e r w i t hw h i c hc e n t e rf r e q u e n c yt u n e di naw i d er a n g eu s i n gm c d i ( m u l t i p l eo u t p u t c u r r e n t m o d ed i f f e r e n t i a li n t e g r a t o r ) ，t h e s et w ok i n d so fm c d ia r ec o m p o s e do f p m o sa n dn m o si n p u tt r a n s i s t o r s r e s p e c t i v e l y ，l a s t l y w ec o m p a r et h e s et w o i n t e g r a t o r s m e r i t sa n dd i s a d v a n t a g e s i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，af o u r t h - o r d e rc h e b y s h e vl o w p a s sf i l t e r e m p l o y sn e w l o wv o l t a g e ，h i g h l yl i n e a r ，w i d ei n p u t t i n gr a n g et r a n s c o n d u c t o ri s p r o p o s e d ，t h e n w ep r e s e n t san e wc i r c u i tt ot u n eg ，v a l u eo ft r a n s c o n d u c t o ra c c u r a t e l y ，w h i c h e m p l o y s an e w s w i t c h e d c a p a c i t o r c i r c u i tt o c h a n g e t h eb i a sc u r r e n to f t r a n s c o n d u c t o r ，a t h i r do r d e r e l l i p t i c a l f u n c t i o n l o w p a s s f i l t e rw i t ha c c u r a t e t u n a b l ef r e q u e n c yh a sb e e nd e s i g n e du s i n gt r a n s c o n d u c t o rt h a ti sn o to n l yw i t h v o l t a g e c o m m o n m o d e n e g a t i v ef e e d b a c k ，b u t a l s ow i t h v a r y i n g b i a s - t r i o d e t r a n s i s t o r sw h i c hc a ni m p r o v et h el i n e a r i t yo ft h i sc i r c u i t i nt h ef i f t hc h a p t e r ，an e w f u l l yd i f f e r e n t i a lo p e r a t i o n a la m p l i f i e rw i t hv o l t a g e a n dc u r r e n t - m o d en e g a t i v ef e e d b a c kh a sb e e np r o p o s e d ，w h i c hc a ns t a b i l i z ei t s q u i e s c e n to p e r a t i o np o i n t ，u s i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co fm o st r a n s i s t o r sw h i c h o p e r a t ei n t h et r i o d e r e g i o na c t i n ga sa c t i v ev a r i a b l er e s i s t o r ，af u l l yd i f f e r e n t i a l f o u r t h - o r d e rc h e b y s h e v l o w p a s sf i l t e rw i t ht u n a b l ef r e q u e n c ya n db e s s e ll o w - p a s s f i l t e rw i t ha c c u r a t eg r o u pd e l a yb a s e do nr m o s f e t - ca n do p e r a t i o n a la m p l i f i e r h a sb e e nd e s i g n e d i nt h es i x t hc h a p t e r ，f i r s t l ya h i g ha c c u r a c yb a n d g a pr e f e r e n c ec i r c u i th a s b e e n p r e s e n t e d ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i co ft e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tm u c h b e t t e rt h a n t h a to ft h es a m ec i r c u i to ft h ew o r l d ，a n dt h e nan o v a lh i g hd r i v ec a p a b i l i t yc m o s o p e r a t i o n a la m p l i f i e rh a sb e e np r o p o s e d ，w h i c ha r ea l ls u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o n o fc o m m u n i c a t i o ni n t e g r a t e dc i r c u i ts y s t e m i nt h es e v e n t hc h a p t e r ，s o m eo ft h ea b o v ep r o p o s e dn e wc i r c u i t ，s u c ha sh i g h f r e q u e n c y 、h i g hd e f i n i t i o n 12 一b i t 、8 0 m h zs a m p l e s s c u r r e n t s t e e r i n gd a ca n d f u l l y d i f f e r e n t i a lr m o s f e t cb e s s e lf i l t e r w i t ha c c u r a t e g r o u pd e l a y ，h i g h a c c u r a c yb a n d g a pr e f e r e n c ea n dh i g hd r i v ec a p a b i l i t yc m o s o p e r a t i o n a la m p l i f i e r h a v eb e e na p p l i e di nc o m m u n i c a t i o ng s mb a s e b a n di op o r ti n t e g r a t e dc i r c u i t ，a l l t h ea b o v eb l o c k sm e e tw e l lw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ，a n dg a i n t h eb e t t e r t e s t i n gr e s u l t s ，i n t h em e a nt i m e ，t h ea b o v ep r o p o s e dh i g h a c c u r a c y b a n d g a pr e f e r e n c ec i r c u i ta l s os u c c e s s f u l l yh a sb e e na p p l i e di n8 - b i tn e ws t r u c t u r e m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ( m c u ) c i r c u i tw i t hv e r s a t i l ea p p l i c a t i o n i nt h ee n do ft h i sp a p e r ，w es u m m a r i z et h e s er e s e a r c hw o r k sa n dg i v es o m e f u t u r ed e v e l o p i n gt r e n d si nt h i sa r e a k e y w o r d s h i g hd e f i n i t i o nd i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e rc o n t i n u o u s t i m ef i l t e r 正 b a n d g a p r e f e r e n c et r a n s c o n d u c t o r m u l t i - o u t p u t c u r r e n t - - m o d e d i f f e r e n t i a li n t e g r a t o r ( m c d i ) f u l l yd i f f e r e n t i a lo p e r a t i o n a la m p l i f i e r f r e q u e n c yt u n a b l e i i l 第一章绪论 近年来，数模转换器、模拟集成滤波器和基准电压源电路的研究一直成为 国际电路与系统学界的热点研究课题，由于这些电路是通信芯片系统不可缺少的 模块电路，加上最近几年通信技术的高速发展，使得其对高速、高精度数模转换 器、高性能滤波器以及高精度基准电压源电路模块的需求变得日益迫切，而高性 能以上电路的实际实现及上述电路新结构的设计也一直是广大电路研究工作者的 难点课题，作者紧跟国际研究热点课题，并结合一实际通信系统中包括数模转换 器、滤波器、基准电压源阻及缓冲器共四大模块而对这些电路的高性能实现作了 一些深入的研究，特别是对这些电路的实际实现以及其在通信芯片系统的应用方 面作了许多有益的工作，取得了一些有意义的成果。 本章首先介绍了数模转换器的基本概念以及其关键特性指标，综述了模拟 集成滤波器设计的发展简史及实现方式，对滤波器实际电路实现及其非理想因素 对其性能的影响作出了分析，接着阐述了本课题的研究意义以及本文所作主要研 究工作。 1 1 数模转换器和基准电压源综述 1 1 1 引言 集成数模和模数转换器是跨接于模拟和数字两大系统之间的中、大规模集成 电路，七十年代初，当单片集成数模和模数转换器刚兴起时，因工艺水平所限， 能够单片集成的仅限于数模转换器，由于数模转换器内部多是模拟单元电路，因 此，当时曾将集成数模和模数转换器归属于模拟集成电路。 随着数模转换器集成化程度的逐步提高，一方面转换器中所包括的数字( 逻 辑) 部分已完全实现了集成化，另一方面，由于应用的需要，除了业已发展的数 字和模拟两大集成电路分支外，人们已陆续发展了另一类介于数字和模拟电路两 者之间的集成电路，那就是七十年代后期兴起的接口集成电路，于是，人们将集 成数模和模数转换器转归到接1 ：3 电路中，从信号处理系统中，我们也可以了解 到，系统中有些部分是对模拟信号进行处理，有些部分是对数字信号进行处理 因此，需要将这两种形式的信号反复进行转换，所以说模拟数字转换器和数字模 拟转换器是一切信号处理系统中的重要组成部分。 模数转换器和数模转换器都属于系统级，通常它们都包括一个或以上的比较 器、数字线路、开关、积分器、一个取样保持线路，以及若干个无源元件，除此 之外，数模或模数转换器中还有一个重要的部件，就是精密的基准电压源，本文 先将基准电压作为外部部件考虑，而在后面章节会研究高精度基准电压源的设计 方法，本文介绍的数模转换器并未包括所有种类的转换器，而只是有选择地介绍 了和c m o s 工艺相容的转换器类型。 1 1 2 数模转换器简介及其特性 本节分析数字信号和模拟信号的重要接口中的数模转换器，图1 1 一l 表示了 数模转换器如何在数字系统中的应用。 中继线 磁带记录仪 计算机存储器 纸带机 卡片机 实时处理器 比较器 系统及过程控制 机床数控 小型计算机 微型计算机 聋罔一昏图一 图1 卜1 信号处理系统中的数模转换器 音频系统 控制器 执行机构 c r t 显示仪 模拟信号记录仪 模拟计算机 混合计算机 模拟信号测量仪 传感器 伺服电机 x y 绘图仪 电路测试装置 元件测试装置 同步机解算器 简单说来，模数的转换过程，是将取样保持的模拟信号变成一数字字，此 数字字能代表该取样模拟信号。通常，模数转换器通过多路转换器可以和几个模 拟信号输入连接。而数模的转换过程是模数转换的逆过程。将一组数字字加在数 模转换器的输入端，利用一基准电压源产生一模拟输出信号，此模拟信号能代表 该数字字。 本节先介绍数模转换器的工作原理，然后介绍其性能特征。要了解数模转换 器的应用和设计，首先要了解它们的技术要求是如何确定的。技术要求确定了转 换器的精确度、静态特性和动态特性。由于模数转换器是数模转换器的逆过程， 数模转换器的特性描述方法也适用于模数转换器的特性描述。 图1 1 2 是一个数模转换器的示意框图，其输入是一个n 位( b l ，b 2 ， b 3 ，b 。) 数字字和一基准电压源v r c f ，其输出电压v 叭n 可表示为： v o 。= 七吒，d( 1 1 1 ) 其中k 为比例因子，数字字d 为： d = 粤专每+ ”+ 争 n 是数字字的总位数，b ，是第i 位系数，b i 或者为0 、 ( 1 1 1 ) 和式( 1 1 2 ) 联立求解，数模转换器的输出可表示为 = t l 争+ 争+ 歹b 3 + - + 争l 或者为： 圪= 七，( 6 1 2 1 + b 2 2 2 + b 3 2 3 + - + b u 2 一“) b 斗 b 一 b ，斗 6 ，+ b 斗 b + 执+ ( a ) 图1 卜2( a ) 数模转换器的示意框图 ( 1 1 2 ) 或者为1 ，将式 ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 时钟 ( b ) ( b ) 时钟控制数模转换器示意框图 在许多情况下，数字字的输入是通过时钟控制同步的，这时需装置锁存器以保持 该字供进行转换，同时在输出端也需装簧取样保持电路，如图1 1 - 3 所示，当玎 关闭合时进入取样状态，模拟信号通过电容器c 圩被取样。当开关断开时进入保 持状态，在输出端可得到取样时的电压值。 工c 一 。， 图1 卜3 简单的取样保持电路 数模转换器的基本构成如图1 1 4 所示，由二进制数码元开关、加权网络和输出 放大器等构成。加权网络和码元开关对基准电压源作用，产生与数字字相当的电 压信号，再经过输出放大器将此信号变为被取样时数值不受影响的电压信号。 刁3 广困一 困与 ttff l数嘉凳掣关il数码元开关i tftf 图1 1 - 4 数模转换器的框图 了解数模转换器的特性对于数模转换器设计十分重要，数模转换器的特性可分为 静态特性和动态特性。 静态转换误差可以影响转换器的下列特性：积分线性度( i n l ) 、微分线性 度( d n l ) 、绝对线性度、分辨率、零点失调和满度失调等。积分线性度是数 模转换器( 对应于任一输入码) 的输出和连接理想最小值与理想最大值所得的直 线之间的最大偏差。积分线性度可以用满度值的百分比来表示，也可以用最低有 效位( l s b ) 来表示。积分线性度可分为三类，它们是：绝对线性度，晟佳直线 线性度和端点线性度。 绝对线性度是用下述方法测量的：假设d a 的输出是通过零点和满度值的 一条直线，d a 的实际输出和该直线进行比较以求得绝对线性度，绝对线性度强 调的是零点和满度的误差，零点误差是当输入数字为零时的实际输出和零的偏 差，满度误差是当输入数字使d a 输出为满度值时，实际输出和满度值的偏 差。另一个和满度误差有关的误差是增益误差，增益误差是实际的静态增益和理 想输入、输出特性曲线的偏差。当实际特性的斜率和理想特性曲线的斜率不相等 时就出现增益误差。绝对线性度的缺点是，当d a 的线性很好，只是存在零点 和满度误差时也会影响绝对线性度。 积分线性度( i n l ) 的另一种表示方法是最佳直线线性度，它不考虑零点或 满度的误差，而是描述在输出范围内d a 转换器和理想情况的差别。端点线性 度以通过实际的端点的直线为比较标准，而不是以通过理想的端点的直线为依 据。 微分线性度( d n l ) 表示的是相邻电平的间隔，它测量相邻位输出电平间 隔和理想输出电平间隔的偏差，而不是测量整个输出范围的积累偏差，假设， 为相邻位问的实际输出电压变化，v s 为理想情况的变化，微分线性度可表示如 下： 微分线性度：f 丘j 竖1 。1 0 0 ( 1 ，l5 ) lr s 如d a 转换器为n 位，满度电压为y 艘： = 籍 ( 1 1 6 ) z 很明显，微分线性度也可以用l s b 来表示 d a 转换器的单调性说明当转换器的数字输入逐步增加达到满度时，其模拟 输出从任一电平改变为下一电平时不会出现电平降低的情况，也就是说，单调性 转换器的转移曲线的斜率不会为负值。 另一项d a 转换器的特性是分辨率。d a 转换器的分辨率是当输入最小数 字码元时模拟输出电平能够做出的反映。从理论上讲，n 位d a 转换器的输出 应可能有2 “个离散的模拟输出电平。然而，如果内部噪声幅度超过量化电平， 或者，当最高有效位( m s b ) 由于部件特性的漂移引起的转换偏差超过量化电 平而发生变化时，实际的分辨率比理想的要低，这些误差源降低了转换器的最大 理想分辨率。 在输入的数字字发生变化时可以观察到d a 转换器的动态特性，转换器的输 出对于输入码元的变化作出反映所需的时间称为稳定时间，稳定时间的意义和运 算放大器的稳定时间类似，不同类型的d a 转换器，稳定时间是不同的，分布 范围可高达1 0 0 p s ，也可低达1 0 0 n s 近年来，随着通信技术的发展，对转换速率在几十兆上百兆，分辨率1 0 1 2 位，并可内嵌的c m o sd a c 提出了新的要求，因此，这种高速、高精度 d a c 的设计成为模拟集成电路设计的一个热点。最近，国外的一些刊物相继报 道了几种采用新的体系结构实现1 2 位、1 0 0 m h zs a m p l e sc m o sd a c 。总的来 说，为了达到较高速度，这些d a c 都采用电流驱动型体系结构：而提高精度的 思想主要有两种，一种是电流自校准【7 们，另一种是误差平均化7 孙。 1 9 8 9 年，w o u t e rd 和g r o e n e v e l dj 提出了一种成功的电流自校准技术 7 6 1 ， 利用这种技术可使静态分辨率达到1 6 位。这种技术的缺点是，必须有一个替代 电流源不断地替换某一路电流源校准时留下的空位，由于替代电流源与被校准电 流源切换时会引入切换电流毛刺，因而使动态范围降低。2 0 0 0 年，b u g e j aa r 提出了一种更为先进的自校准方法【7 趴，其基本原理是，通过检测浮置电流源的 尾电流使自校准完全在后台进行，而不需要替代电流源，但由于尾电流检测电路 包括转换器及大量的辅助电路，使整个芯片的面积和功耗大为增加 ( 3 4 4 m m 3 4 4 r a m ) 。 为了克服上述电流自校准c m o sd a c 电路的缺点，作者在文献6 7 h 7 1 1 的基 础上首先提出了高速度8 位、8 0 m h z 采样率具有梯度误差补偿的温度计码数模 转换器，并在此基础上进步提出了高速度、高精度1 2 位、8 0 m h z 采样率具有 梯度误差补偿的电流舵结构数模转换器，该芯片在台湾联电( u m c ) 成功流 片，芯片测试结果标明该1 2 位d a c 在非线性误差、功耗和芯片面积等方面优 于国际同类电路的性能指标。 1 1 3 基准电压源简介及其特性 基准电压源的稳定性对集成数模和模数转换器的精度有着决定性的影响，因 此研究高稳定的基准电压源对发展数模转换器有积极的意义。 首先我们来考虑基准电压的噪声电平问题。无疑，噪声的存在将会影响基准 电压的稳定性，特别是对高精度的集成基准电压源，噪声影响更大，因此，在基 准电压源的结构设计中，要充分考虑减低噪声的问题。实践发现，采用集电极开 路基射极反向击穿二极管作为基准电压源时其噪声电平很高，而采用基集极短 接的基射结反向击穿二极管作为基准电源时，它的噪声电平就有改善，有可能 低到通常用合金结制作的齐纳二极管水平。然而研究表明：齐纳击穿二极管所产 生的本征噪声与流过齐纳二极管的电流密度有关，随着电流密度的增加，噪声将 会减低，为此，需要改进二极管的设计结构，齐纳击穿二极管在1 0 0 埘的电流 和1 0 m h z 的带宽下的噪声电压为3 m v ，为改善噪声性能使电流密度增大，可在 齐纳二极管的几何图形上进行改进。 以上介绍的是以齐纳二极管为基础的简单基准电压源，它不能用作低的基 准电压，长期的温度稳定性较差，噪声也较大，为了对这种设计进行改进，人们 提出了带隙型( 能隙型) 基准电压源的概念，这种基准电压源能克服简单基准电 压源的缺点，它是利用晶体管的基一射极构成的二极管，并且使其温度得到补偿 的带隙电压，早期传统基准电压源电路 】f 1 4 1 1 中的温度系数指标( 在一5 5 。c 到 8 5 。c 温度范围内具有1 0 0 p p m 。c 的温度系数值) 不高，若需得到更高精度的基 准电压值必须从基准源电路的结构上进行改进，后面第六章我们将对其性能的提 高进行深入地研究。 1 2 模拟集成滤波器的研究背景及意义 1 2 1引言 滤波器是这样一种网络，它以某种规定的方式将输入信号变换成要求的输出 信号。这些信号既可以在时域中研究也可以在频域中研究。与此相对应，滤波器 的输出要求也可用时间或者频率来描述。在后一种情况下，滤波器通常是一种有 频率选择作用的装置，它让某些频率的信号通过而使其它频率的信号受到阻塞或 者衰减。 滤波器已大量渗入现代技术中，很难设想一个稍微复杂的电子设备不使用这 样或那样的滤波器，在现代通信和信号处理方面，电话、电报、电视、无线电、 雷达、声纳和太空人造卫星等只不过是以滤波器作为它们的重要部件的一些例子 而已。超大规模集成电路技术发展的最主要的动力也是来源于制作全集成高质量 模拟滤波器的需要。滤波器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。近二十年来，得到迅速发 展的人工神经网络技术就是例证，滤波器正朝着低成本、高集成度、高频信号处 理能力和低电源和微功耗等方向发展，在此过程中，出现了许多新型有源滤波器 实现技术，提出了许多滤波器设计方法，本文对滤波器的发展过程作一简单的回 顾，综述了其设计方法和实际实现。 1 2 2 滤波器的发展简史 滤波器理论作为一门学科发展至今已有近八十年的历史。最早有关滤波器的 概念源于瓦格纳( w a g n e r ) 和坝贝尔( c a m p e l l ) 于1 9 1 5 年发明的无源滤波 器。早期的滤波器基本上是用无源分立的r l c 元件实现的无源滤波器，本世纪 二十年代，以影象参数法为代表的经典滤波器的理论基础是以达林顿发明的插入 损耗综合法，这种方法比经典法更具有普遍性，更有效。这一时期( 1 9 2 0 s 1 9 5 0 7 s ) ，f o s t e r 、c a u e r 、b r u n e 、d a r l i n g t o n 、b o d e 等人对滤波器学科的发展 做出了重要贡献。 如果说在二十世纪五十年代以前的滤波器是无源滤波器天下，那么，在二十 世纪五十年代后，随着集成电路技术的发展，有源滤波器开始形成并取得了迅速 的发展，成为当今滤波器的发展主流。最早的有源滤波器可追溯到1 9 3 8 年的 s c o t t 选择性放大器，1 9 5 4 年，l i n v i l l 用负阻抗变换器实现了第一个有源滤波 器，1 9 5 5 年，s a l l 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r c 滤波新的技术途径。1 9 6 5 年，单片集成运算放大器研制成功，使人们 用有源技术模拟电感进而完全取代电感成为可能，为有源r c 滤波器实现奠定了 理论基础和物质基础。七十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。 现代滤波器学科的发展是集成电路技术发展的缩影，并经历了从分立集成器 件、混合集成和单片全集成的发展道路。从分立集成器件到单片混合集成，系统 朝着小型化、微型化迈出了一大步。随着航天航空技术、现代通讯技术和控制技 术的发展，对系统的集成化提出了更高的要求，由于有源r c 滤波器中的电阻集 成需要占用较大的芯片面积，七十年代末期，人们开始研究取代电阻的方法。 1 9 7 7 年，采用开关电容模拟电阻获得成功，并由此构成开关电容滤波器f 2 1 ，这 是滤波器从分立走向全集成的重大突破。 八十年代以来，滤波器学科进入了“全集成”系统发展的辉煌时代。1 9 8 3 年，用m o s 晶体管的线性区实现压控电阻 3 1 ，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滤波器，使跨导电容( o t a c ) 滤波器也焕发了新的活力。1 9 8 4 年，用m o s 管本身的分布参数实现阻容时 间常数，提出了全m o s 管滤波器的新概念。1 9 8 9 年，用m o s 管和模拟开关构 成了开关电流滤波器【4 】【5 1 1 6 1 。当代有源滤波器发展的重要特点是系统高度集成 化、元件单性和全m o s 化。 近二十年来，以电流为信号变量的电路在信号处理中的巨大潜在优势逐渐被 认识并被挖掘出来，促进了一种新型电子电路电流模式滤波器的发展。人们 发现，电流模式滤波器可以解决电压模式滤波器所遇到的一些难题，在速度、带 宽、动态范围等方面获得更加优良的性能。研究结果显示，在高频、高速信号处 理领域，电流模式滤波器的设计方法工f 在取代电压模式滤波器的传统设计方法， 电流模式滤波器的发展和应用将把现代模拟集成滤波器推进到一个新阶段。 1 2 3 滤波器的设计方法 目前，滤波器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。二是以无源网络l c 梯型为对象的 间接模拟设计，其代表是信号流图模拟法等。 直接设计方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 整方便，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，但这种结构的电路比较复杂，调整起来比较困难，使其应用受到一定 限制。 间接设计方法包括无源l c 梯形电路模拟法。 双端接阻无源l c 梯形滤波器具有对元件变化灵敏度低的优点，因此，用有 源网络模拟无源l c 梯形结构是构成低灵敏度有源滤波器的主要方法。 1 2 4 滤波器的实际实现 滤波器的实现是滤波器设计的最终目的，它与电路技术和工艺的发展水平密 切相关。早期的经典和近代滤波器实现，其主要实现工具是无源分立的r l c 元 件，由于无源滤波器中电感体积庞大、损耗大、难以实现小型化，很快被以集成 电路技术为代表的有源滤波器所取代。有源r c 滤波器由电阻、电容和有源器件 组成，其历史可追溯到本世纪三十年代。然而只有在1 9 6 5 年以后，随着集成运 算放大器的出现才得到人们的重视并迅速发展起来。从原则上讲，有源r c 滤波 器是可以集成的，而且也有商品，但从单片集成的观点来看，这种滤波器并不令 人满意。原因之一是它需要容量较大的电容，这种电容没法集成到芯片上，而大 电阻又占很大的芯片面积。其次，滤波器的特性参数与r c 时间常数有关而集成 电阻和集成电容的精度很差，准确的时间常数很难获得。 早在l 8 3 7 年，m a x w e l l 就分析了一个周期性开关电容的等效电阻问题。这 一老的思想与m o s 集成技术相结合，导致了新的单元集成滤波器，即开关电容 滤波器，或简称s c 滤波器。 由于开关电容的等效电阻为r 。= 缶，t 是时钟周期，c 是电容，用此等效 。 电阻与另一电容c i 组成r c 电路，其时间常数将等于f = 疋。c l = 鲁t ，即时间 。 常数取决于电容比，而不是电容的绝对值，因此易得到精确的时间常数。此外， 用很小的电容c 即可得到大的等效电阻，因而芯片面积也很小。s c 滤波器的缺 点是工作频率应比时钟频率低得多，否则误差较大，因而高频运用受到限制。其 次，开关工作将引入一定的噪声。 开关电流滤波器是1 9 8 9 年提出的新技术，它是由m o s 晶体管( 包括m o s 开关) 组成，以电流镜或电流复制单元为基本块的全m o s 型集成滤波器。该技 术的特点是：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( 3 3 v ) 等，特别适合于数模混合系统及高频应 用。 采用开关电容和开关电流技术实现滤波器的共同缺点是系统工作频率受奈奎 斯特频率和采样频率的限制，而采样频率取决于集成工艺的水平。此外，系统还 存在防混叠效应和时钟馈入等问题，这些问题制约了开关电容和开关电流滤波器 的性能。 为了消除以上滤波器技术中的一些缺点，许多学者将目光投向了连续时间滤 波器，因为连续时间滤波器是一种直接信号处理方式，不需要采样保持、防混叠 和平滑辅助装置，也没有采样数据滤波器的时钟馈入等问题，近年来，发展十分 迅速。 连续时间滤波器主要包括有无源r l c 滤波器、有源r c 滤波器、跨导电容 ( g 。c ) 、o t a - c 滤波器、m o s f e t c 滤波器和电流传送器滤波器等。其特点 分别如下： 1 、无源r l c 滤波器：由无源r 、l 、c 元件构成的网络，特点是稳定，且 灵敏度低，但体积大，无法集成。 2 、跨导电容( g 。一c ) 和o t a c 滤波器： ( 1 ) 工作频率高。由于在通信电路和系统中的应用，滤波器的工作频率越 来越高。例如，用于视频信号处理和计算机磁盘驱动的集成滤波器，一般工作在 几m h z 几十m h z 频率范围。基于常规电压型运算放大器的有源r c 滤波器已 经在工业上得到普遍应用，但是电压型运算放大器的有限带宽把这种有源r c 滤 波器的应用限定在1 0 0 k h z 以下。跨导放大器是电流模式电路，它们的工作频率 可以伸展到高于5 0 m h z ( c m o s 型) ，甚至高于5 0 0 m h z ( 双极型) ，因而使 设计高频连续时间滤波器成为可能 2 9 【4 3 。 ( 2 ) 电路简单、适于集成。几乎所有源滤波器的电路拓扑结构基本上都是 由积分器、加法器、比例放大器这几种标准组件适当组合构成的，其标准组件都 可以由跨导放大器和电容以非常简洁的方式组成。因此使滤波器的电路简单，容 易设计，可以用任何集成工艺实现，还可以与同一芯片上普遍采用的数字电路集 成工艺兼容，构成全集成的模拟系统或模拟数字混合系统。 ( 3 ) 参数可以电调节。在跨导一电容连续时间滤波器中，滤波器的性能参数 ( 特征频率、品质因数等) 由跨导g 。和电容c 这两个参数决定。在g m 、c 这 两个参数中，跨导放大器的增益g 。可由片外电信号( 电流或电压) 加以调节， 因此很容易实现电可控滤波器，或u q 做可编程滤波器。 ( 4 ) 需有片内自动调谐环节。连续时间模拟滤波器的主要缺点是当存在制 造容差和环境条件变化时，对滤波器性能参数的精度和稳定性产生影响。对跨 导电容连续时间滤波器而言，跨导g 。和电容c 的数值都受工艺参数和环境温 度变化的影响而产生变化，引起滤波器参数偏离设计值。因此，需要设置片内自 校正( 自调谐) 环节，使滤波器参数自动调整到设计标准值，从而保持其设计值 的实现精度。 3 、m o s f e t c 滤波器：与全差分有源r c 滤波器近似，其中的电阻用工作 在线性区的等值的m o s 晶体管有源电阻取代。由于有源r c 和m o s f e t c 滤波 器密切关联，其中电路设计工作者可以采用丰富的用于设计有源r c 滤波器的设 计知识来设计m o s f e t c 滤波器【”，然而，m o s f e t c 滤波器由于使用了密勒 电容补偿( 也就是集成电容跨接在高增益放大器之间) ，其速度比同类型的g 。 c 滤波器速度低。与电容负载类型的g 。一c 滤波器比较，m o s f e t c 滤波器由于 采用c m o s 工艺并驱动电阻性负载，其速度会进一步减小。但是，如果采用 b i c m o s 工艺且电路中具备有高跨导值的运放，其速度会提高。m o s f e t c 滤 波器的缺点是m o s 电阻存在着严重的非线性效应，影响滤波器的性能，若在 m o s 管有源电阻上串联无源电阻r ，可以提高滤波器的总谐波失真( t h d ) 指 标。 4 、电流传送器滤波器( c u r r e n tc o n v e y o r s ) 目前，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