基于改进型第二代CMOS电流传输器的滤波器研究与设计

摘要

近年来，以其在速度、精度、带宽、动态范围等方面的优势，电流模式的电路设计方法正在取代电压模式的传统设计方法，电流模式电路的发展和应用将把现代模拟集成电路推进到一个新的阶段。而作为电流模式电路中最通用的积木模块--第二代电流传输器(Second generation current conveyor,简称CCⅡ)也越来越收到人们重视。
　　 第二代电流传输器作为电流模式电路中最重要和最通用的有源积木块，在诸如有源滤波器、模拟信号处理、A/D和D/A转换器等方面己逐渐取代了传统的电压运放。CCⅡ的性能优劣既取决于作为两输入端口间电压跟随电路的能力、也取决于阻抗相差悬殊的两个端口间传输电流的能力，因此，实现CCⅡ的高精度与高驱动能力就必须采用合适的电路结构。
　　 模拟滤波器是滤波器的重要发展方向，而电流模式信号处理方式是当前模拟集成滤波器实现的主要方式。作为电流模式电路中最为通用模块，基于CCⅡ的连续时间滤波器的研究就显得尤为重要。
　　 由于传统的CCⅡ因其只有一输出端，由其及RC元件构成的滤波器具有以下两点不足：不能兼顾电流信号直通和反馈，电路设计较为复杂。为了解决传统CCⅡ在滤波器应用中所存在的两点不足，因此提出了一种改进型双端输出的改进型CCⅡ。
　　 本文在±1V供电电压下，设计了一种跟随精度好、频带宽的双输出的改进型第二代电流传输器。并在此基础上通过CCⅡ的级联和外加电阻、电容设计了基于改进型CCⅡ的多输出单输入和单输出多输入两种多功能滤波器电路。在CCⅡ的设计中，通过电路内部的电路结构提供偏置，达到了减少芯片面积和降低功耗的目的；采用轨对轨的输入结构，有效地提高了信号的输入输出摆幅，并做了分析。
　　 本文设计的电路采用TSMC0.35um CMOS工艺，利用HSPICE软件对整个电路进行了仿真，仿真结果表明，该改进型CCII的电压输入输出摆幅为-0.94V～0.91V，跟随误差仅0.08dB，-3dB带宽达到451.2MHz，Z+端电流驱动能力为-2mA～1.7mA，传输误差为0.04dB，-3dB带宽达到334.3MHz；Z-端电流驱动能力为-1.7mA～2mA，传输误差为0.02dB，-3dB带宽达到905.6MHz，X端输入电阻仅为0.02Ω。基于改进型CCⅡ设计的多输入单输出和单输入多输出两种滤波器都实现了低通、高通、带通以及带阻的滤波特性，中心频率和品质因子可独立调节的特性，HSPICE仿真得出，滤波器理论值和仿真值基本相吻合，所提出滤波器方案正确。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1序言

1.2本论文研究的背景与意义

1.3电流传输器及其滤波器的国内外研究现状

1.3.1电流传输器的国内外发展和研究现状

1.3.2基于CCⅡ滤波器的国内外发展和研究现状

1.4研究方法

1.4.1基本模块改进型CCⅡ的研究方法

1.4.2基于改进型CCⅡ连续时间滤波器的研究方法

1.5本文内容安排

第二章 第一代、第二代以及改进型第二代电流传输器的原理及其应用

2.1 Nullator和Norator模型

2.2第一代电流传输器(CCⅠ)

2.2.1第一代电流传输器定义

2.2.2第一代电流传输器的电路实现

2.3第二代电流传输器(CCⅡ)

2.3.1第二代电流传输器定义

2.3.2第二代电流传输器的实现基础

2.3.3第二代电流传输器的实现

2.3.4第二代电流传输器的应用

2.4改进型第二代电流传输器

2.4.1改进型第二代电流传输器的定义

2.4.2交叉耦合电流镜的原理

2.4.3改进型第二代电流传输器的实现

2.4.2改进型第二代电流传输器的应用

2.5本章小结

第三章 滤波器基本理论

3.1滤波器发展回顾

3.2滤波器的基础知识

3.3滤波器的种类和基本参数

3.3.1滤波器的种类

3.3.2滤波器主要参数

3.4二阶滤波器传递函数的分析

3.5本章小结

第四章 轨对轨输入级的自偏置双端输出的CCⅡ

4.1保持恒定跨导的Rail-to-Rail输入介绍

4.2改进型CCⅡ整体电路分析

4.3轨对轨输入级的自偏置双端输出的改进型第二代电流传输的仿真

4.3.1大信号电压跟随特性

4.3.2小信号电压增益幅频响应

4.3.3大信号电流跟随特性

4.3.4大信号电流跟随误差

4.3.5小信号电流增益幅频特性

4.3.6 X端输入的大信号特性

4.3.7电路性能的比较

4.4 CCⅡ的扩展：基于改进型CCⅡ的CCⅢ设计

4.4.1 CCⅢ的定义以及CCⅡ转换为CCⅢ的方法

4.4.2基于本文改进型CCⅡ的CCⅢ设计

4.4.3基于本文改进型CCⅡ的CCⅢ仿真

4.4.4基于本文改进型CCⅡ的CCⅢ在滤波器中的应用

4.5本章小结

第五章 基于改进型第二代电流传输器的滤波器设计

5.1基于改进型CCⅡ的电压模式滤波器

5.1.1低通(Low pass)滤波器

5.1.2高通(High pass)滤波器

5.1.3带通(Band pass)滤波器

5.1.3带阻(Notch)滤波器

5.2基于改进型CCⅡ的电流模式滤波器

5.3元件灵敏度分析

5.3.1无源元件灵敏度分析

5.3.2有源元件灵敏度分析

5.4本章小结

第六章 版图的设计

6.1器件版图匹配的设计考虑

6.1.1元器件匹配的基本规则

6.1.2 CMOS晶体管的匹配

6.1.3电阻的匹配

6.1.4电容的匹配

6.2版图设计的其他考虑

6.3电路版图及验证

6.3.1改进型CCⅡ的版图

6.3.2版图的验证

总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文