设计应用

基于单片MO-CDCTA的高集成低功耗高阶有源低通滤波器的设计

0 引言

    近年来,有源滤波器因其结构简单、性能优越以及应用灵活而被广泛应用于许多信号处理领域[1]。电流差分跨导放大器(Current Differencing Transconductance Amplifier,CDTA)是一种功耗低、宽频带、线性度好的电流模式有源器件[2]。基于CDTA的电流模式滤波器已经被大量提出[3-6]。然而,它们都有一个致命的缺陷:需要多个有源器件,电路结构非常复杂,集成度非常低。最近,有学者在CDTA的基础上提出了电流差分级联跨导放大器(Current Differencing Cascaded Transconductance Amplifier,CDCTA)[7],它不仅继承了CDTA的所有电路性能,而且弥补了CDTA端口少且固定的缺陷,是一种功能强大和端口灵活的电流模式有源器件。CDCTA的提出极大地改善了高阶电路在有源器件数目、芯片面积和功耗等方面的性能[8-10]。然而,受限于器件的芯片体积、性能等因素,高集成低功耗高阶滤波器在国内外却鲜有报道。本文在CDCTA的基础上提出了一种多输出电流差分级联跨导放大器(Multiple Output Current Differencing Cascaded Transconductance Amplifier,MO-CDCTA),并使用它设计了一种高阶低通滤波器电路。

1 MO-CDCTA描述

    多输出电流差分级联跨导放大器是一种结合了跨导放大器(Operation Transconductance Amplifier,OTA)和CDTA优点的新型电流模器件,由MO-CDCTA构成的电路,其性能优于OTA、第二代电流传输器(Second Generation Current Conveyor,CCII)和CDTA组成的相应电路。MO-CDCTA的元件符号和等效电路分别如图1和图2所示,理想情况下的输入输出端口特性可表示如下:

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式中,p端口和n端口为MO-CDCTA的低阻抗电流输入端,z端口和Xi端口为它的高阻抗电流输出端,gmi为它的第i级跨导增益,可由偏置电流IBi线性调谐,VT为热电压。当在z端口和Xi端口分别存在一个外部阻抗Rz和Rx时,z端口和Xi端口上的电压Vz和Vxi能够通过跨导转变成下一级的输出电流Ixi。显然,这种高灵活度的端口特性非常适合于高阶电路的设计。

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2 n阶低通滤波器的设计

    图3给出了基于多输出电流差分级联跨导放大器的低通模拟集成电路设计图,它仅需一个MO-CDCTA和n个接地电容,就可以简便地实现n阶低通滤波函数功能。因此,这种结构相对于传统n阶滤波器电路被大大简化,非常适合于高度集成。如图所示,Iin是滤波器的输入信号,Iout是它的输出信号。

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    根据图3和式(1)~式(3),电路输出方程有:

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3 灵敏度分析

    在真实环境中,MO-CDCTA由于存在寄生电流和寄生阻抗,其端口特性改变为:

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4 CADENCE设计与调试

    为了研究电路的集成度、功耗以及频率等性能,使用CADENCE软件设计并仿真了所提出的n阶低通滤波器。MO-CDCTA内部电路使用了文献[9]的电路参数,采用TSMC 0.18 μm CMOS工艺进行版图设计,芯片版图面积仅0.04 mm2,如图4所示。此外,通过测试得到仿真功耗仅为4.18 mW。

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    为验证上述分析,设计并仿真了一个截止频率为10 MHz 的三阶巴特沃斯滤波器,其电路图如图5所示,理论输出函数为:

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    为方便计算,取MO-CDCTA跨导增益gm=1 S,从而设置到内部电路参数VDD=-VSS=1.25 V,IO=30 μA,IB=528.14 μA。根据三阶巴特沃斯滤波器函数理论,当3 dB截止频率为10 MHz时,电容分别取值C1=73.92 pF,C2=30.12 pF,C3=2.65 pF。理论与仿真结果如图6所示,仿真频率为9.98 MHz,频率偏差率为0.02%,仿真结果与理论分析完全一致。

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    为测试三阶低通滤波器瞬态响应,取振幅为15 μA,震荡频率为100 kHz的正弦信号为输入信号,输出结果如图7所示。由测试结果可知,滤波器输出信号与输入信号相位偏移仅为0.03°。此外,为了证明所提出的电路具有极低的灵敏度和较好的稳定性,做了电路总谐波失真测试。当输入信号取500 kHz正弦输入信号时,THD仿真结果如图8所示。显然当滤波器输入电流低于40 μA时,电路的总谐波失真度小于3.5%。

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5 结论

    本文提出了一种新颖的MO-CDCTA,并用它作为有源器件,实现了n阶电流模式低通滤波器电路。该电路仅包含1个MO-CDCTA有源器件且具有以下鲜明特点:(1)电路所含器件最少,结构简单;(2)无浮点无源元件,易于集成;(3)电源电压低,功耗小;(4)灵敏度低,稳定性好。基于这些特点,该电路可以应用在电子设备和控制测量等多种信号处理系统中。

参考文献

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[9] 王春霞,司国斌,郭亚涛.基于CDCTA和MOCCII的低功耗电流模式n阶滤波器[J].微电子学,2017,47(5):625-629.

[10] 王春霞,司国斌,郭亚涛.基于CCII和CDCTA的低功耗电控调谐n阶滤波器设计[J].电子技术应用,2018,44(7):56-58.



作者信息:

罗  佳,孙  亮,吴志光

(池州职业技术学院 机电技术系,安徽 池州247000)

n阶低通滤波器 多输出电流差分级联跨导放大器 电流模式 低功耗 高集成