低功耗线性多频带CMOS Gm-C滤波器设计

Riyas T M1, Anusooya S2

b . s .阿卜杜勒拉赫曼大学电子与通信系研究生[VLSI和ES]，金奈-600048
印度
阿卜杜勒拉赫曼大学电子与通信系助理教授，印度金奈-600048

摘要

提出了一种具有可调宽带宽的连续低通可重构Gm-C滤波器。该滤波器采用宽频率、线性运算跨导放大器(OTA)。运算式跨导放大器利用共模前馈(CMFF)、两对交叉耦合源退化和级联拓扑结构实现低功耗多带滤波器性能。在此基础上，采用0.18μm标准CMOS工艺设计了一阶低通Gm-C滤波器样机。仿真结果表明，该滤波器的频率在15KHz ~ 15MHz范围内可调。该滤波器的功耗从9uW到10mW，在3.3V电源电压下工作。通过改变OTA的直流偏置电流来调整滤波器的截止频率。

关键字

Gm-C滤波器，OTA，共模前馈(CMFF)， Cascode拓扑

介绍

便携式应用程序和系统的最新趋势和发展导致了无线标准的重大变化。因此，随着多模无线应用的出现，CMOS技术实现的成本和效率得到了极大的提高。目前基于复用[1][4]的说服设计了多模/多波段无线接收机。芯片设计是电子艺术的灵魂。设计人员应该避免使用多个芯片组，并且可以进行可调，从而使它们在面积和功耗方面更加高效。在灵活的接收机前端，模拟基带滤波是一个关键的任务，因为它用于在所需的信道带宽下选择所需的信息。

大调谐范围的模拟低通滤波器广泛应用于无线收发器、系统信道选择、抗混叠和平滑应用[2]等多个领域。由于开环工作特性，Gm-C滤波器通常使用运算跨导放大器(OTA)驱动电容负载，代价是适度的线性度、对寄生电容的敏感性和高频性能。OTA是一种压控电流源(VCCS)。OTA的关键吸引人的特性是与传统的低阻抗运算放大器相比，其速度快，并且其偏置是基于跨导可调谐[6]。此外，OTA的主要缺点是由所涉及的晶体管的非线性行为引起的大失真。现有设计由于输出端的非线性和失真较大，功耗大，截止频率调谐范围小。这不会在输出端提供高阻抗，也不会为所需的滤波器操作提供跨导。

本文介绍了一种低功耗多模Gm-C低通滤波器，其功能相当于一阶低通滤波器。该电路采用共模前馈(CMFF)、两个带源退变的交叉耦合微分对和级联晶体管的合理组合设计

第二节介绍了多波段线性导体Gm。所提出的一阶低通滤波器架构的设计在第三节中给出。第四节描述了模拟结果。第五节描述了结论。

2建议的操作跨导放大器(ota)

A.提出的线性化转换器的实现

为了获得良好的滤波器调谐范围，应增大跨导范围。Gm-C滤波器由于其开环工作特性，在高频应用中是首选滤波器。滤光器的性能很大程度上取决于OTA的Gm值。滤波器设计的基本构件是由OTA和负载电容[2]组成的积分器。双端Gm发生器如图1所示。

所提出的OTA电路在共模前馈(CMFF)和源退化交叉耦合对上完善，如图2所示。共模前馈方案(NM7, NM9)在处理差分输出电流时，理想地消除了输出端出现的同幅同相位谐波畸变分量。输入级的两个交叉耦合微分对(NM1-NM3, NM2-NM4)降低了图2中指定的非线性。

源退变电阻NM5和NM6进一步改善了OTA结构的线性行为。跨导受这些电阻器值的限制。带无源退化电阻的导体的线性度不能很好地实现。因此，MOS有源电阻工作在三极管区域，满足[3]的要求。这种晶体管的一个主要优点是晶体管的静态电流不随调谐电压而变化。

MOSFET NM11和NM12用于驱动偏置电流到OTA，以调谐直流跨导。在高截止频率时，除NM5和NM6外，所有晶体管都工作在饱和区，而在低频时则工作在弱反转区。

MOS晶体管的近似值为

其中KR为MOS工艺参数，VR为源退化电阻控制电压，VCM为调谐电流源共模电压。在图2中，实现了线性化，因为IOUT表示为

其中gm为MOS晶体管的跨导。

B.提出的线性运算跨导放大器的仿真

线性运算跨导放大器(OTA)整体结构如图3所示。以1pF作为负载电容，验证了所提出的OTA的增益带宽积(GBW)。

OTA的交流响应仿真表明，单位增益带宽约为25MHz，相位裕度约为180度。输入电压下的跨导Gm图如图4所示。

所提出的具有CMFF的跨导电池和具有源变性电阻的交叉耦合对的线性范围为-2V到+2V。跨导值范围为12nS ~ 140nS。

3提出的低通滤波器架构

为了在系统级别上演示基本构建块，使用提出的OTA实现了一个一阶低通滤波器原型，如图5所示。

在多带低通滤波器设计中，滤波器的截止频率与gm/C成正比，其中gm为跨导，C为电容。这里的负载电容器CI和C2是NMOS电容器而不是MIM电容器。采用NMOS电容作为负载电容，结果表明，两端n阱电容在累加模式下具有良好的线性度[2]。

为了使NMOS电容器进入累积区，电容器上的电压需要高于合理值[2]。使用NMOS电容器而不是MIM电容器的好处是它占用更少的面积，也提供了良好的线性

通过改变操作跨导的直流偏置电流来调节Gm-C的截止频率。因为，要达到宽的截止频率范围，跨导范围应该相当宽。图5所示的电容值为1pf，易于与其他子电路集成。

四、结果和讨论

滤波器的频率和相位响应如图6所示。当截止频率为15KHz时，滤波器的交流增益约为26dB，相位裕度约为140度。在此工作阶段，除源退化电阻外，所有的mosfet都处于弱反转区。该OTA单元的共模前馈结构理想地消除了该区域泄漏电流引起的失真。

如图7所示，当截止频率为15MHz左右时，滤波器的交流增益和相位裕度约为3.7dB和130度。在此操作阶段，除了源变性mosfet外，所有mosfet都工作在饱和区域

低通滤波器截止频率可调约15KHz至15MHz，如图8所示。在偏置电流范围为40nA ~ 900uA，电源电压为3.3V的条件下进行测试。晶体管尺寸列在表I中。

线性Gm-C滤波器现有不同设计的比较结果见表二。结果表明，与现有设计相比，该设计实现了宽范围的截止频率和低功耗。最近的工作大多是在180nm CMOS工艺中实现的，以减少芯片的面积。由于电路中存在高线性谐波和低谐波，因而可获得较宽的截止频率。线性范围约为±2V

诉的结论

本文设计了一种基于CMFF和具有源退化结构的交叉耦合对的跨导运算放大器。以ota为主要功能模块，设计了一阶低通滤波器。仿真结果表明，该滤波器在0.18μm标准CMOS工艺中实现了15KHz~ 15MHz的截止频率调谐范围。它可用于多模多带接收机中低通滤波器的基带信道选择

参考文献

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