全集成連續(xù)時間OTA-C有源濾波器研究

3.7萬字 84頁



摘 要
全集成連續(xù)時間濾波器的研究是當(dāng)前國內(nèi)外微電子、電路與系統(tǒng)學(xué)界研究的前沿課題。連續(xù)時間濾波器在通信、電子測量、儀器儀表、自動控制等方面有著廣泛的應(yīng)用背景，特別在數(shù)字模擬混合信號處理及通信集成電路中有著重要的應(yīng)用。OTA-C有源濾波器電路的研究是現(xiàn)代濾波器領(lǐng)域的一個極為活躍的課題。它具有良好的高頻特性和電控能力、極強(qiáng)的電路綜合能力、與MOS VLSI工藝兼容等優(yōu)點成為眾多的濾波器中最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N濾波器。
本文研究了OTA電路實現(xiàn)及OTA-C二階濾波器和高階濾波器的設(shè)計理論、設(shè)計方法和實現(xiàn)電路，首先介紹了各種集成濾波器及各自的特點和本課題的重要意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并介紹了MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和模型電路、CMOS模擬集成電路的幾種基本組成單元。然后介紹了CMOS跨導(dǎo)運(yùn)放的基本概念、應(yīng)用原理和基本應(yīng)用，基本型及改進(jìn)的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的電路實現(xiàn)。接著從矩陣論的角度給出了MO-OTA二階濾波器的系統(tǒng)設(shè)計理論和方法；給出了一種新的電壓模式三輸入、單輸出二階多功能濾波器，它能同時實現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻、全通輸出；給出了新穎的電流模式多功能雙二階濾波器，它不僅在一個輸出端能實現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻、全通5種濾波功能，而且能在三個輸出端同時得到多種濾波輸出，以上兩種濾波器由3個OTAs器件，2個電容構(gòu)成，是目前所報道過的元件數(shù)較少的多功能濾波器。最后給出了新的任意階OTA-C多功能濾波器由2n+2個OTAs和n個電容構(gòu)成，可實現(xiàn)任意階高通、低通、全通、帶通、帶阻等濾波輸出；給出的電流模式n階OTA-C高通濾波器僅由n個OTAs和n個電容構(gòu)成，上述兩種濾波器所有的電容均接地，便于集成且與MOS VLSI工藝兼容。
對提出的上述二階和高階濾波器均進(jìn)行了PSPICE仿真，并對電流模式高階高通濾波器進(jìn)行了實驗驗證，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果接近，驗證了理論分析的正確性。
關(guān)鍵詞： 跨導(dǎo)運(yùn)算放大器， CMOS，
有源OTA-C濾波器 模擬集成電路，


Abstract
A continuous time filter is a front subject in microelectronics, circuits and systems. It applies widely in communication, electronic measurement, instrument & appearance and cybernation. Especially it has an important application in mixed signal circuits of digit and analog, communication IC. OTA-C active filters research is one extremely active subject in the modern filter domain. OTA-C active filters may become the most potential because they have good high frequency characteristic and electrically controlled ability, greatly strengthened circuit synthesis ability and compatibility with MOS VLSI technology.
The dissertation studies the realization method of OTA and the structures, realizations and design methods of OTA-C second-order and high-order filters. At first each kind of integrated filter and respective characteristic and this topic vital significance and present international and domestic research states are introduced. Basic structure and model and principle of work of MOS transistor and several kinds of basic intrgrated circuit unit module are then introduced. Basic concept and application principle and the structure of OTA are then introduced. Furthermore a systematic design theory and method of filters based on MO-OTAs from matrix theory is proposed. A voltage mode three inputs and one output second-order multiple function filter is proposed. It can realize five basic biquadratic filtering characteristics of lowpass，highpass，bandpass，notch and allpass. A novel current mode OTA-C multifunction biquadratric filter is proposed. It can not only realize five basic biquadratic filtering characteristics of lowpass，highpass，bandpass，notch and allpass at a output terminate, but also realize multiple function filtering outputs at the three output terminates simultaneously. Two kind of filters above with minimum components is composed of three OTAs and two capacitors. At the last a new arbitrary order OTA-C multifunction filter is proposed which is composed of 2n+2 OTAs and n capacitors. It can realize lowpass, highpass，bandpass，bandstop and allpass filtering outputs. A current-mode n-order OTA-C highpass filer is proposed which is only composed of n OTAs and n capacitors. Above two kind of filters all the capacitors are grounded. The circuits is integrated conveniently and is compatible with VLSI technology.
PSPICE simulation results of proposed filter circuits are given. A current-mode n-order OTA-C highpass filer is made. Experimental result is similar to the simulation result to confirm the theoretical analysis.
Key Words: operational transconductance amplifier CMOS
Active OTA-C filter, analogy integrated circuit





目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 緒 論 1
1.1 全集成濾波器概述 1
1.2 本課題的重要意義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.3 本文主要研究內(nèi)容 4
1.4 論文內(nèi)容安排 6
第二章 MOS晶體管和CMOS模擬集成電路研究 7
2.1 MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理 7
2.2 MOS晶體管的電路模型 9
2.2.1 大信號模型 9
2.2.2 小信號模型 11
2.3 CMOS模擬集成電路的基本單元模塊 12
2.3.1 MOS有源電阻 12
2.3.2 CMOS 電流鏡 13
2.3.3 基本源耦差分對 15
2.4 本章小結(jié) 17
第三章CMOS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器電路的實現(xiàn)及基本原理和應(yīng)用 18
3.1 OTA的基本概念和應(yīng)用原理 18
3.2 OTA的典型應(yīng)用 20
3.2.1 可變電阻器 20
3.2.2 增益可控電壓放大器 21
3.2.3 回轉(zhuǎn)器 22
3.2.4 模擬電感 23
3.2.5 加法器和積分器 24
3.2.6 簡單的一階有源濾波器 26
3.3 CMOS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器電路的實現(xiàn) 28
3.3.1基本源耦差分對跨導(dǎo)運(yùn)算放大器 29
3.3.2幾種改進(jìn)的CMOS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器 30
3.4 本章小結(jié) 35
第四章 全集成連續(xù)時間OTA-C二階有源濾波器的設(shè)計 37
4.1 OTA-C濾波器的性能特點 37
4.2 OTA-C連續(xù)時間二階濾波器的設(shè)計方法 38
4.2.1 由有源RC網(wǎng)絡(luò)生成二階OTA-C濾波器 38
4.2.2 信號流圖法設(shè)計二階OTA-C濾波器 40
4.3兩種新穎的二階OTA-C濾波器電路 44
4.3.1電壓模式三輸入單輸出OTA-C多功能濾波器 44
4.3.2電流模式OTA-C多功能雙二階濾波器 46
4.4 基于MO-OTA二階電流模式濾波器的系統(tǒng)設(shè)計 49
4.4.1 一般設(shè)計理論 50
4.4.2 濾波器的產(chǎn)生和綜合 51
4.4.3 無源靈敏度分析 53
4.4.4 模擬舉例 54
4.5 本章小結(jié) 55
第五章 OTA-C高階有源濾波器的設(shè)計 57
5.1 OTA-C高階濾波器的設(shè)計綜合 57
5.1.1多環(huán)反饋法設(shè)計高階OTA-C濾波器 57
5.1.2 模擬無源LC梯形電路法設(shè)計高階OTA-C濾波器 61
5.2傳遞函數(shù)直接綜合法生成高階濾波器 64
5.2.1電壓模式任意階OTA-C多功能濾波器的設(shè)計 65
5.2.2電流模式高階OTA-C高通濾波器的設(shè)計 70
5.3本章小結(jié) 77