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1、华中科技大学 硕士学位论文 有源跨导电容低通滤波器的研究与设计 姓名：郑衷杰 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：张科峰 20090525 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 低通滤波器在集成电路设计当中起着至关重要的作用，它能有效阻隔高频率段 的信号的传播从而获得我们需要的信号，同时，它还能为我们提供适当的增益来将 信号放大。 在过去的集成电路设计时代，模拟低通滤波器的研究仅仅局限于有源滤波器和 无源滤波器的研究，但是考虑到之前的工艺和设计手法非常不利于片上的集成，即 低通滤波器占用的面积比较大，并且功耗
2、也比较高，在工艺上不利于实现。因此， 我们需要提出全新的结构，本文便是本着这个出发点，具体研究了一种新型的低通 滤波器，即有源低通跨导电容滤波器。 本文围绕着如何设计一个有源低通跨导电容滤波器为主要问题，分步骤详细研 究了各个过程，并且在理论上和实际仿真过程当中对设计的有源低通跨导电容滤波 器进行了检验。与之前的有源低通滤波器相比，该有源低通跨导电容滤波器不仅能 实现滤除高频信号的功能，而且在增益方面做到了很大的提高。本文不但设计出的 滤波器提供了比较高的增益，还在其他参数的折衷方面做到了比较令人满意的结果， 比如说在低功耗和减小芯片面积上也有部分的提高。 本文是基于“CMOS 0.18m”的
3、工艺，使用 Cadence 工具进行仿真，仿真结果显 示，研究设计基本满足设计要求。最后得出的滤波器达到截止频率 8MHz，增益为 41dB，另外其他指标也满足各项要求。 关键词关键词： 有源低通滤波器，跨导电容单元，有源跨导电容滤波器，高增益， 低功耗 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract Low pass filter plays a very important role in the integrated circuit design.It can effeciently prevent the signal
4、 of high frequence and provide us with the proper signal.At the same time,it can as well give us the certain amount of gain to amplify the signal. In early ages, when we design the integrated circuit, researches on analog low pass filter are mainly about active low pass filter and unactive low pass
5、filter. As the rapid development of the Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) process, high density, low power and low voltage become the features of CMOS process. But the traditional low pass filters are not suitable for integrated circuit anymore.So,we do research on the new structure of
6、low pass filter and basing on this,it is proved that a new kind of low pass filter is provided,which is named as active Gm-C filter. In this dissertation, the main research is about how to design the active low pass Gm-C filter with classic topology and how to make tradeoff between gain and other ch
7、aracters. It starts from introducing the main steps of designing the active low pass Gm-C filter, then adjusts the parameters of relevant components according to the primary theory of gain, and makes tradeoff between gain and other characters. The design of active low pass Gm-C filter, compared to t
8、he precious low pass filters,can not only prevent the high frequence but also provide gain. The parameters of the active low pass Gm-C filter are obtained by simulating and proved to be good. The research is validated by simulating with Cadence based on the 0.18m process, and the simulation results
9、have proved the success of the design.The final spec of the filter is that the stop frequence is about 8 MHz and the gain of 41dB. Keywords: Active Low Pass Filter Gm-C Unite Active Low Pass Gm-C Filter II High Gain Low Power Cost 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文
10、是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 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 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 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，即： 学校有权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。 本人授权华中科技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
11、学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 课题研究背景及意义 近十年来，通信技术以惊人的速度发展，而射频（Radio Frequency，RF）无线 通信技术的发展显得尤为迅猛。当今，射频技术在各个领域得到广泛的应用，如： 蜂窝式个人通信与机站、无线接入系统、卫星通信、全球卫星定位系统、无线局域 网等。随着多种无线通讯系统的蓬勃发展，使无线通讯系统中的关键模块
12、射频 集成电路成为当前的研究热点。射频 IC（Radio Frequency Integrated Circuit.，RFIC） 的优化设计，除了数字 IC 所要求的功耗、速度、产量外，还必须考虑系统部件的噪 声、增益、线性度、最大功率传输等因素。与此同时，由于激烈的市场竞争，通讯 系统对射频 IC 不断提出低成本、低功耗、多功能的要求1,2,3。 随着微电子技术的发展，有源滤波器在电子设备中获得越来越广泛的应用。特 别是近几年电子设备和装置趋近于小型化、微型化，要求高集成度且低电压低功率 的滤波器，使得研制低电压、低功耗的模拟集成电路成为模拟信号处理领域的一个 重要课题。低电压、低功率、高频
13、率以及宽动态范围的滤波器是现代滤波器的发展 方向。随着人们对高性能滤波器要求的提高和电路与系统理论的发展，高性能的器 件和滤波器会不断出现，便携式通信设备的发展，要求电子电路具有很低的电压和 功耗，所以设计低电压、低功耗的CMOS电路具有重要的应用价值。而跨导运算放大 器的CMOS实现模块还有待进一步改进，提高其输入的线性程度和线性范围，特别是 跨导电容滤波器3,4,5,6。 跨导运算放大器(Operational Transconductance Amplifier，简称OTA)是一种 电压输入、电流输出的运算放大器。由跨导运算放大器和电容所构成的跨导电容有 源滤波器电路的研究是现代滤波器领
14、域的一个极为活跃的课题。六十年代末，采用 双极型技术的OTA芯片已经见诸报道， 当时双极型OTA一直主导着滤波器的设计。 1984 年，Khorramabadi和Gray提出了以OTA为基本模块采用CMOS工艺的全集成连续时间跨 导电容滤波器，标志着跨导电容滤波器已经成为全集成连续时间滤波器领域内的一 个重要分支。跨导电容滤波器有着如下优点4： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 (1)良好的高频性能:OTA可以工作在开环状态，滤波器频率可以拓展到高频，其 工作频段可以达到100MHZ甚至更高。而典型的电压运算放大器的带宽仅为1MH
15、Z。 (2)具有电控能力:OTA的跨导增益本身作为设计参数出现在滤波器的设计中，而 跨导参数可以经过外部电压或者电流控制，因而跨导电容滤波器可实现电子控制。 (3)极强的电路综合能力:研究表明，OTA功能强大，可以用它来设计几乎所有的 线性和非线性电路，且电路结构简单。 (4)与CMOS VLSI工艺兼容: 跨导电容滤波器可以完全采用现代大规模的CMOS工 艺制造 4。 正是由于OTA电路具有上述优点，因此跨导电容滤波器在自动控制、通信与信号 处理、仪器仪表及计算机技术等领域得到了广泛的应用3-8。 本文正是基于OTA电路的特点，设计出跨导电容有源低通滤波器，满足了项目的 设计指标。 1.2
16、滤波器的发展现状 滤波器是一种二端口网络。它具有选择频率的特性，即可以让某些频率顺利通 过，而对其它频率则加以阻拦，目前由于在雷达、微波、通讯等部门，多频率工作 越来越普遍，对分隔频率的要求也相应提高；所以需用大量的滤波器。再则，微波 固体器件的应用对滤波器的发展也有推动作用，像参数放大器、微波固体倍频器、 微波固体混频器等一类器件都是多频率工作的，都需用相应的滤波器。更何况，随 着集成电路的迅速发展，近几年来，电子电路的构成完全改变了，电子设备日趋小 型化。原来为处理模拟信号所不可缺少的 LC 型滤波器，在低频部分，将逐渐为有源 滤波器和陶瓷滤波器所替代。在高频部分也出现了许多新型的滤波器，例如：螺旋 振子滤波器、微带滤波器、交指型滤波器等等6,7,8,9。 我们根据信号幅度的连续或者离散的状态，将滤波器分为了数字滤波器和模拟 滤波器这两大类。数字滤波器一般应用于数字信号处理的过程当中，它的低频特性 很好，适用于数字系统的设计和研究。而在处理高频信号的时候，我们一般采
