可调带宽低功耗超宽带GM-C低通滤波器的研究与设计

摘要

滤波器是信号处理的重要单元。随着集成电路技术和通信技术的发展，全集成有源滤波器的设计已经成为国际学术界所关注的前沿课题之一。特别是近年来，片上系统(System-on-a-Chip)的发展也迫切需要解决有源滤波器的全集成问题。目前，用于UWB、硬盘驱动器的高频带宽可调低通滤波器最高截止频率可以达到1-3GHz。本文致力于研究一款低功耗、频率大范围可调的CMOS全集成低通滤波器。
　　文中首先分析了滤波器不同类型的结构，挑选了速度最快的Gm-C结构作为基本结构。其次分析了不同类型的Gm单元，选取Nauta单元作为基本单元。然后进行电路结构的改进、电路的设计和仿真、版图设计;最终完成了一个截止频率在29MHz-3.1GHz内64档可调的四阶Gm-C低通滤波器的设计。电路中通过使部分Gm单元共用共模偏置电路，节省了大约30％的功耗。Gm单元被设计成2阶可调，两档Gm值大小为1∶6，从而在低频处节省大部分功耗。在分析电路高频限制因素后，通过提高控制MOS开关管的电压，从而使滤波器可以在高达3GHz处工作。最终参考射频版图设计规则，完成了版图的设计。
　　芯片采用SMIC0.13um CMOS工艺实现。采用的电源电压为1.2V，占用的芯片面积为0.04 mm2。滤波器截止频率在29MHz-3.1 GHz内64档可调。其中在29MHz-610MHz内，功耗3.36mW，SFDR达到51.5dB以上，IIP3为19dBm;在610MHz-3.1GHz内，功耗18.37mW，滤波器SFDR达到56.5dB以上，IIP3为17.2dBm。该滤波器的优点是在不降低其他性能指标的情况下实现了高频、低功耗、小面积。

目录

摘要

第一章 前言

1．1 研究背景

1．1．1 滤波器的百年发展史

1．1．2 全集成模拟滤波器的发展

1．1．3 全集成模拟滤波器研究综述

1．2 论文的主要工作和贡献

1．3 论文的组织与安排

第二章 全集成模拟滤波器基本理论

2．1 滤波器基本理论

2．1．1 滤波器的基本概念

2．1．2 滤波器的传输函数和特性

2．2 全集成模拟滤波器介绍

2．2．1 连续时间滤波器

2．2．2 开关电容滤波器

2．3 本章小结

第三章 跨导运算放大器

3．1 OTA的建模

3．2 两类CMOS OTA

3．2．1 输入管工作在线性区的OTA

3．2．2 输入管工作在饱和区的OTA

3．3 Nauta跨导单元

3．3．1 反相器工作原理

3．3．2 Nauta跨导工作原理

3．4 本章小结

第四章 四阶Gm-C低通滤波器的设计

4．1 滤波器的性能指标

4．1．1 功耗

4．1．2 动态范围

4．1．3 总谐波失真

4．1．4 面积

4．2 四阶Gm-C低通滤波器的电路设计

4．2．1 双二次结构的设计

4．2．2 Nauta跨导的设计

4．2．3 电容阵列的设计

4．2．4 MOS开关管的设计

4．2．5 电路的整体结构

4．3 四阶Gm-C低通滤波器的版图设计

4．4 仿真结果

4．5 仿真结果与其他论文的对比

4．6 MOS管灵敏度仿真

4．7 频率补偿

4．8 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 未来展望

参考文献

致谢

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