对数域压扩滤波器（电路）的设计及应用研究

摘要

对数域压扩技术利用BJT晶体管等有源器件的指数I-V特性,对信号作对数压缩处理,大大降低了电路内部节点电压的摆幅,能在低电源电压下保持大信号动态范围和高工作频率,该技术的主要应用是设计具有低电压、宽调谐范围、高工作频率和宽动态范围特性的连续时间全集成滤波器——对数域滤波器(或电路).该文首先介绍了对数域压扩技术利用的有源器件的特性,对数域压扩滤波的基本原理及静态和动态跨导线性原理;基于基本对数域积分器的电路拓扑结构,给出了单输入反相对数域积分器、单输入同相对数域积分器,差分双输入对数域积分器及甲乙类对数域积分器等不同结构的对数域积分器的电路实现,考察了对数域积分器和线性Gm-C积分器的功耗特性,通过对比指出对数域滤波器(电路)在低电源电压下更具低功耗优势;并以对数域积分器电路为例,讨论了晶体管非理想因素对对数域滤波电路性能的影响并提出了有效的补偿措施.接着,该文依次阐述了几种可行的对数域滤波电路综合设计方法,其一是基于LC梯形网络运算模拟的对数域滤波器设计方法,采用该方法设计实现了三阶切比雪夫低通对数域滤波器、五阶切比雪夫低通对数域滤波器和二阶带通对数域滤波器,并通过仿真分析验证了设计的可行性;其二是基于柏努利单元电路的晶体管级对数域滤波器设计方法,给出了采用该方法设计得到的有损对数域积分器和二阶低通对数域滤波器的电路实现,并通过仿真分析考察了其幅频特性;其三是基于状态空间方程的对数域滤波器(电路)设计方法,并基于该方法利用全NPN指数跨导单元电路改进了一二阶对数域振荡器的设计,而后基于该方法设计了三阶通用对数域滤波器.最后该文考察了对数域滤波器(电路)在音频滤波、硬盘驱动器读取通道、小波变换VLSI硬件实现等方面的应用,并阐述了与对数域压扩滤波类似的基于强反型MOSFET实现的平方根域压扩滤波的基本原理及设计方法,给出了基本的平方根压扩积分器的设计实现并介绍了平方根压扩滤波电路的研究及应用现状,以期完善压扩滤波的概念.

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1对数域压扩滤波器(电路)的研究背景及意义

1.2本文的主要研究内容

第二章 对数域压扩滤波的基本原理

2.1有源器件特性简介

2.2对数域压扩滤波的提出及构成原理

2.3跨导线性原理

2.3.1(静态)跨导线性原理

2.3.1动态跨导线性原理

2.4基本的对数域滤波电路的分析

2.4.1 Adams提出的对数域积分器的分析

2.4.1基本的BJT对数域积分器的分析

2.5小结

第三章对数域积分器

3.1对数域积分器的等效电路拓扑结构

3.2单输入对数域积分器

3.2.1单输入同相对数域积分器

3.2.1单输入反相对数域积分器

3.3双输入差分对数域积分器

3.3.1基本的双输入差分对数域积分器

3.3.2改进的全NPN双输入差分对数域积分器

3.3.3一新颖的全NPN双输入差分对数域积分器

3.3.4一灵活的全NPN双输入差分对数域积分器

3.4甲乙类平衡结构对数域积分器

3.5对数域积分器的功耗特性分析

3.6晶体管非理想因素对对数域积分器电路性能的影响

3.7小结

第四章 基于LC梯形网络运算模拟的对数域滤波器设计

4.1设计的基本原理与步骤

4.2三阶切比雪夫低通对数域滤波器设计

4.3五阶切比雪夫低通对数域滤波器设计

4.4二阶带通对数域滤波器设计

4.5小结

第五章 基于柏努利单元的晶体管级对数域滤波器设计

5.1柏努利单元电路及其互连的状态空间方程描述

5.1.1基本的柏努利单元电路

5.1.2柏努利单元电路的互连

5.2基于柏努利单元电路设计对数域滤波器的基本步骤

5.3有损对数域积分器的设计

5.4二阶低通对数域滤波器的设计

5.5小结

第六章 基于状态空间方程的对数域滤波电路设计

6.1基本设计思想及设计步骤

6.2二阶对数域振荡器设计

6.3三阶通用对数域滤波器设计

6.4小结

第七章 对数域压扩滤波器(电路)的应用

7.1对数域滤波器(电路)的应用现状

7.2对数域压扩滤波的推广——平方根域压扩滤波

7.3小结

结论

参考文献

致谢

附录A攻读硕士发表的论文

附录B 仿真分析用到的晶体管的模型参数