可變帶寬OTA―C連續時間低通濾波器設計

摘要：實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)連續時間型濾波器的結構、設計和具體實現，使用外部可編程電路對所設計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進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，頻響曲線接近理想狀態。
關鍵詞：Butterworth濾波器；連續時間；電流模式；跨導運算放大器

0 引言
射頻接收機質量被認為是影響整個系統成本和性能的主要因素。隨著無線通信移動終端朝著小尺寸、低成本、低功耗方向發展，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，電路結構簡單，具有電控能力，便于集成等特點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，同時有熱穩定性能好，芯片面積小，便于集成等優點。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工藝實現了一個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，實現時不用考慮傳輸函數零極點的配對，設計方便，在寬帶濾波器設計中有一定的優越性。跳耦結構電路具有較小的寄生敏感度和較大的動態范圍。本文低通濾波器設計采用信號流程圖方式實現梯形跳耦結構。
本文考慮到無源LC濾波電路有優良的靈敏度特性，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，后對此電路做狀態變量分析，寫出其電路電壓方程，依據狀態方程得出相應的信號流圖，然后應用跨導運放和電容實現型號流圖中的積分器，模擬狀態變量。可實現無源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，50 MHz幅頻曲線以-40 dB予以說明。根據上述性能要求，查閱濾波器工具書得出，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方程，經過方程變化，最后得到全電壓量狀態方程：

類似式(1)、式(2)可以得V3～V7的狀態方程。圖3電路為最終實現電路。模擬電阻Ⅲ采用跨導Gm，實現負反饋運放等效代替，電路僅由跨導運放和電容元件來實現七階Butterworth濾波器，其中OTA跨導值的大小可以通過其偏置電流得到精確調節。