專利名稱：用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)-電容雙二階單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及跨導(dǎo)-電容濾波器設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于實現(xiàn)零極點型高
階濾波器的跨導(dǎo)-電容雙二階單元，主要應(yīng)用于采用級聯(lián)法設(shè)計的零極點型高階模擬濾波 器中。
背景技術(shù)：
近些年來，隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展和CMOS工藝技術(shù)的不斷進步，實現(xiàn)無線
通信收發(fā)機和數(shù)字基帶電路系統(tǒng)單芯片的集成是未來發(fā)展的必然趨勢。有源濾波器的片上
集成是片上系統(tǒng)發(fā)展中需要解決的問題。尤其對于移動系統(tǒng)和手持設(shè)備的片上系統(tǒng)，要求
有源濾波器不僅具有高動態(tài)范圍、高精度、面積小等特點，而且具有低功耗的特點。
目前，片上集成有源濾波器中有跨導(dǎo)放大器和電容組成的跨導(dǎo)-電容(Gm-C)有源
濾波器是模擬濾波器設(shè)計領(lǐng)域中一個熱點研究方向，其中，跨導(dǎo)放大器(Gm)是將輸入電壓
信號轉(zhuǎn)換為電流信號的放大器。Gm-C濾波器不僅具有高頻特性好、可調(diào)諧性強、電路綜合能
力好的特點，而且易于結(jié)合電流復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)緊湊的電路結(jié)構(gòu)。 在S. D' Amico and A.Baschirotto "A compact High-FrequencyLow-Power Continuous-Time Gm_C Biquad Cell，，IEE Electronics Letters29th May 2003，Vol 39， No. 11， pp. 821-822.(以下中稱為"P1")中描述了全極點型的跨導(dǎo)-電容雙二階單元。用 于實現(xiàn)高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元的典型結(jié)構(gòu)由四個分離的跨導(dǎo)單元級聯(lián)組成， 如圖l所示。因此降低濾波器的功耗就要有效地降低雙二階單元中每個跨導(dǎo)單元的功耗。 PI中提出的跨導(dǎo)_電容雙二階單元采用電流復(fù)用技術(shù)，優(yōu)化雙二階單元整體結(jié)構(gòu)的功耗。
濾波器種類很多，分類方法也不同。(1)按照功能分低通、帶通、高通、帶阻；(2) 按照傳輸函數(shù)逼近方式分巴特沃斯、切比雪夫I、切比雪夫II、橢圓、貝塞爾；(3)按照零極 點結(jié)合方式分全極點型(巴特沃斯、切比雪夫I、貝塞爾)、零極點型(切比雪夫II、橢圓)。
Pl中提出的跨導(dǎo)_電容雙二階單元是全極點型的雙二階單元，采用該雙二階單元 設(shè)計濾波器只能實現(xiàn)(3)中全極點型低通濾波器，而不能實現(xiàn)零極點型低通濾波器。

發(fā)明內(nèi)容
( — )要解決的技術(shù)問題 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提出一種用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨 導(dǎo)_電容雙二階單元，以實現(xiàn)零極點型高階濾波器，并降低功耗。
( 二 )技術(shù)方案 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下 —種用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，包括 —第一級跨導(dǎo)-電容積分單元，包括兩個NM0S晶體管和一個電容，用于將接收的
輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并給電容充電，形成第一級積分單元； —第二級跨導(dǎo)-電容積分單元，包括兩個PM0S晶體管和一個電容，用于將第一級
4積分單元輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并給電容充電，形成第二級積分單元； —內(nèi)部堆疊管，包括兩個PMOS晶體管，控制輸出共模電壓，并用于與第一級積分
單元和第二級積分單元一起綜合復(fù)數(shù)極點； —電流源，用于向跨導(dǎo)_電容雙二階單元的支路提供電流； —同相前饋電容元件，包括兩個電容，用于確定跨導(dǎo)-電容雙二階單元的復(fù)數(shù)共 軛零點特性。 上述方案中，所述第一級跨導(dǎo)_電容積分單元包括 第一NM0S管(Mnl)110，該管的柵極接輸入端Vipl02，漏極標(biāo)記為netl，源極與電 流源一端相連，標(biāo)記為net3，襯底接地電壓GND ; 第二NMOS管(Mn2)lll，該管的柵極接輸入端Vinl04，漏極標(biāo)記為net2，源極接 net3，襯底接地電壓GND ; 第一電容(Cl)120，一端接netl，另一端接net2。
上述方案中，所述第二級跨導(dǎo)_電容積分單元包括 第三PMOS管(Mp3)114，該管的柵極接netl，漏極接輸出端Vop 106，源極和襯底接 電源電壓VDD ; 第四PMOS管(Mp4)115，該管的柵極接net2，漏極接輸出端Von 108，源極和襯底接 電源電壓VDD ; 第二電容(C2)121，一端接輸出端Vopl06，另一端接輸出端Vonl08。
上述方案中，所述內(nèi)部堆疊管包括 第一PMOS管(Mpl)112，該管的柵極接net3，漏極接netl，源極和襯底接輸出端 Vopl06 ; 第二PMOS管(Mp2)113，該管的柵極接net3，漏極接net2，源極和襯底接輸出端 Vonl08。 上述方案中，所述電流源的正端接net3，負(fù)端接地電壓GND。
上述方案中，所述同相前饋電容元件包括 第三電容(C3) 122， 一端接輸入端Vipl02，另一端接輸出端Vopl06，電容值為C3 ;
第四電容(C4)123，一端接輸入端Vinl04，另一端接輸出端Vonl08，電容值為C4。
上述方案中，同相前饋電容元件用于確定雙二階單元傳輸函數(shù)中復(fù)數(shù)共軛零點， 可用于實現(xiàn)零極點型低通濾波器。 上述方案中，內(nèi)部堆疊管柵極電壓自偏置，并且控制輸出共模電壓。 上述方案中，級間差分電容元件120的值為C1的二分之一，級間差分電容元件121
的值為C2的二分之一 ；同相前饋電容元件122的值為C3，同相前饋電容元件123的值為C4，
并且C3 = C4。(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果 1、本發(fā)明提供的這種用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，內(nèi) 部堆疊管與兩個跨導(dǎo)積分單元綜合復(fù)數(shù)極點，同相前饋電容綜合復(fù)數(shù)零點，因此該單元可 以用于級聯(lián)法設(shè)計零極點型高階濾波器。 2、本發(fā)明提供的這種用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，不
5僅采用電流復(fù)用技術(shù)有效降低跨導(dǎo)_電容雙二階單元的功耗，而且采用自偏置技術(shù)進一步 降低整體功耗。 3、本發(fā)明提供的這種用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，采 用開關(guān)控制前饋電容，可以實現(xiàn)全極點和零極點可配置的濾波器。 4、本發(fā)明提供的這種用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，輸 入和輸出共模電平可以相同，在級聯(lián)法實現(xiàn)高階濾波器時易于級間直接相連。


通過下述優(yōu)選實施例結(jié)合附圖的描述，本發(fā)明的上述及其它特征將會變得更加明 顯，其中 圖l是由四個分離的跨導(dǎo)單元級聯(lián)組成的典型結(jié)構(gòu)跨導(dǎo)-電容雙二階單元的示意 圖； 圖2是本發(fā)明用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元的一種實施 例的示意圖； 圖3是雙二階單元實現(xiàn)切比雪夫II型濾波器的幅頻曲線Q = 1. 48 ;
圖4是雙二階單元實現(xiàn)切比雪夫II型濾波器的幅頻曲線Q = 0. 56。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。
圖2是本發(fā)明用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元的一種實施
例的示意圖，該實施例采用CMOS工藝實現(xiàn)，具體的電路描述如下 —種用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，包括 —第一級跨導(dǎo)-電容積分單元，包括兩個NMOS晶體管和一個電容，用于將接收的
輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并給電容充電，形成第一級積分單元； —第二級跨導(dǎo)-電容積分單元，包括兩個PMOS晶體管和一個電容，用于將第一級
積分單元輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并給電容充電，形成第二級積分單元； —內(nèi)部堆疊管，包括兩個PMOS晶體管，控制輸出共模電壓，并用于與第一級積分
單元和第二級積分單元一起綜合復(fù)數(shù)極點； —電流源，用于向跨導(dǎo)_電容雙二階單元的支路提供電流； —同相前饋電容元件，包括兩個電容，用于確定跨導(dǎo)-電容雙二階單元的復(fù)數(shù)共 軛零點特性。 上述第一級跨導(dǎo)_電容積分單元包括 NM0S管(Mnl) 110，該管的柵極接輸入端Vipl02，漏極標(biāo)記為netl，源極與電流源 一端相連，標(biāo)記為net3，襯底接地電壓GND ; NMOS管(Mn2) 111，該管的柵極接輸入端Vinl04，漏極標(biāo)記為net2，源極接net3，襯 底接地電壓GND ; 第一電容(Cl)120，一端接netl，另一端接net2。
上述第二級跨導(dǎo)_電容積分單元包括) 114，該管的柵極接netl，漏極輸出端(Vop) 106，源極和襯底接電源 電壓VDD ; PMOS管(Mp4) 115，該管的柵極接net2，漏極輸出端(Von) 108，源極和襯底接電源 電壓■; 第二電容121(C2)，一端接106，另一端接108。
上述內(nèi)部堆疊管包括 第一 PM0S管(Mpl) 112，該管的柵極接net3，漏極接netl，源極和襯底接106 ;
第二 PM0S管(Mp2) 113，該管的柵極接net3，漏極接net2，源極和襯底接108。
上述電流源的正端接net3，負(fù)端接地電壓GND。
上述同相前饋電容元件包括 第三電容(C3) 122， 一端接102，另一端接106，電容值為C3 ;
第四電容(C4)123，一端接104，另一端接108，電容值為C4。 上述用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，同相前饋電容元件
用于確定雙二階單元傳輸函數(shù)中復(fù)數(shù)共軛零點，可用于實現(xiàn)零極點型低通濾波器。 上述用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，內(nèi)部堆疊管柵極電
壓自偏置，并且控制輸出共模電壓。 上述用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，級間差分電容元件 120的值為Cl的二分之一，級間差分電容元件121的值為C2的二分之一。同相前饋電容元 件122的值為C3，同相前饋電容元件123的值為C4，并且C3 = C4。 為了更加詳細(xì)的說明本發(fā)明提出的用于實現(xiàn)零極點高階濾波器的跨導(dǎo)-電容雙 二階單元如何實現(xiàn)零極點型濾波器，接下來進行定量分析。如圖2所示，同相前饋電容用于 確定濾波器傳輸函數(shù)中復(fù)數(shù)零點，而內(nèi)部堆疊管與兩個跨導(dǎo)_電容積分單元一起綜合濾波 器傳輸函數(shù)中兩個復(fù)數(shù)極點。忽略輸出跨導(dǎo)、晶體管的寄生電容，并且設(shè)Mnl和Mn2的跨導(dǎo) 為gml、 gm2并且相等，設(shè)Mpl和Mp2的跨導(dǎo)為gm3、 gm4并且相等，設(shè)Mp3和Mp4的跨導(dǎo)為 gm5、 gm6并且相等，C3 = C4.可以得到濾波器傳輸函數(shù)
c2 + c3 c'(c2+c3)可以得到濾波器特性參數(shù)("。是極點特征頻率，"z是零點特征頻率，Q是品質(zhì)因
數(shù)，K是直流增益)為 =
7
采用SMIC CMOS 0. 18 y m混合信號工藝仿真圖2中雙二階單元。圖3中描述的曲 線是圖2中雙二階單元實現(xiàn)二階切比雪夫II型濾波器的傳輸函數(shù)曲線，該曲線圖的垂直坐 標(biāo)軸和水平坐標(biāo)軸分別表示以分貝(dB)為單位的幅度特性和相應(yīng)的頻率(Hz)。從該曲線 可知道(l)不但實現(xiàn)高Q值(Q= 1.48)的復(fù)數(shù)極點，而且在帶外實現(xiàn)了復(fù)數(shù)共軛零點，使 得雙二階單元濾波器在帶外63MHz處衰減50dB。 (2)從公式(5)中可以指導(dǎo)圖2中實現(xiàn)的 雙二階單元具有直流增益2. 3dB，可以設(shè)定g^/g^比值不同調(diào)整直流增益。實際電路仿真 結(jié)果與MATLAB建模的濾波特性相吻合。 采用SMIC CMOS 0. 18 y m混合信號工藝仿真圖1中雙二階單元。圖4中描述的曲 線是圖1中雙二階單元實現(xiàn)二階切比雪夫II型濾波器的傳輸函數(shù)曲線，該曲線圖的垂直坐 標(biāo)軸和水平坐標(biāo)軸分別表示以分貝(dB)為單位的幅度特性和相應(yīng)的頻率(Hz)。從該曲線 可知道(l)不但實現(xiàn)低Q值(Q = 0. 56)的復(fù)數(shù)極點，而且在帶外實現(xiàn)了復(fù)數(shù)共軛零點，使 得雙二階單元濾波器在帶外28MHz處衰減35dB。實際電路仿真結(jié)果與MATLAB建模的濾波 特性相吻合。 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)-電容雙二階單元，其特征在于，包括一第一級跨導(dǎo)-電容積分單元，包括兩個NMOS晶體管和一個電容，用于將接收的輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并給電容充電，形成第一級積分單元；一第二級跨導(dǎo)-電容積分單元，包括兩個PMOS晶體管和一個電容，用于將第一級積分單元輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并給電容充電，形成第二級積分單元；一內(nèi)部堆疊管，包括兩個PMOS晶體管，控制輸出共模電壓，并用于與第一級積分單元和第二級積分單元一起綜合復(fù)數(shù)極點；一電流源，用于向跨導(dǎo)-電容雙二階單元的支路提供電流；一同相前饋電容元件，包括兩個電容，用于確定跨導(dǎo)-電容雙二階單元的復(fù)數(shù)共軛零點特性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，其特征在于，所述第一級跨導(dǎo)_電容積分單元包括第一 NMOS管Mnl (110)，該管的柵極接輸入端Vip (102)，漏極標(biāo)記為netl，源極與電流源一端相連，標(biāo)記為net3，襯底接地電壓GND ;第二 NMOS管Mn2 (111)，該管的柵極接輸入端Vin (104)，漏極標(biāo)記為net2 ，源極接net3，襯底接地電壓GND ;第一電容CI (120)， 一端接netl，另一端接net2。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，其特征在于，所述第二級跨導(dǎo)_電容積分單元包括第三PMOS管Mp3 (114)，該管的柵極接netl，漏極接輸出端Vop (106)，源極和襯底接電源電壓VDD ;第四PMOS管Mp4 (115)，該管的柵極接net2，漏極接輸出端Von (108)，源極和襯底接電源電壓VDD ;第二電容C2 (121)， 一端接輸出端Vop (106)，另一端接輸出端Von (108)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，其特征在于，所述內(nèi)部堆疊管包括第一 PMOS管Mp 1 (112)，該管的柵極接net3 ，漏極接net 1 ，源極和襯底接輸出端Vop (106);第二 PMOS管Mp2 (113)，該管的柵極接net3，漏極接net2，源極和襯底接輸出端Von(108)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，其特征在于，所述電流源的正端接net3，負(fù)端接地電壓GND。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，其特征在于，所述同相前饋電容元件包括第三電容C3 (122)， 一端接輸入端Vip (102)，另一端接輸出端Vop (106)，電容值為C3 ;第四電容C4 (123)， 一端接輸入端Vin (104)，另一端接輸出端Von (108)，電容值為C4。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，其特征在于同相前饋電容元件用于確定雙二階單元傳輸函數(shù)中復(fù)數(shù)共軛零點，可用于實現(xiàn)零極點型低通濾波器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，其 特征在于內(nèi)部堆疊管柵極電壓自偏置，并且控制輸出共模電壓。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)_電容雙二階單元，其特征在于級間差分電容元件(120)的值為C1的二分之一，級間差分電容元件(121)的值 為C2的二分之一 ；同相前饋電容元件(122)的值為C3，同相前饋電容元件(123)的值為C4， 并且C3 = C4。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于實現(xiàn)零極點型高階濾波器的跨導(dǎo)-電容雙二階單元，包括一第一級跨導(dǎo)-電容積分單元，包括兩個NMOS晶體管和一個電容，用于將接收的輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并給電容充電；一第二級跨導(dǎo)-電容積分單元，包括兩個PMOS晶體管和一個電容，用于將第一級積分單元輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并給電容充電；一內(nèi)部堆疊管，包括兩個PMOS晶體管，控制輸出共模電壓，并用于與第一級積分單元和第二級積分單元一起綜合復(fù)數(shù)極點；一電流源，用于向跨導(dǎo)-電容雙二階單元的支路提供電流；一同相前饋電容元件，包括兩個電容，用于確定跨導(dǎo)-電容雙二階單元的復(fù)數(shù)共軛零點特性。利用本發(fā)明，實現(xiàn)了零極點型高階濾波器，降低了功耗。
文檔編號H03H11/12GK101741346SQ20081022668
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月19日
發(fā)明者衛(wèi)寶躍, 周玉梅, 陳勇 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所