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连续时间滤波器是现代数字通信系统(如LTE,802.11n和VDSL等)的重要基带模块。随着CMOS工艺技术的飞速发展,这些具有高线性度、宽带要求的通信系统在技术和产业上迅速提高。因此,深亚微米下高性能连续时间滤波器的研究和实现成为现代通信系统的必要环节。
Active-RC滤波器是高线性应用领域的常用结构,传统的实现方法要求滤波器采用大增益带宽积的运放来保持滤波器的线性度和频率响应精度。尽管深亚微米CMOS技术能够提供更高的运放增益带宽积,但是电源电压的降低,使得传统的低功耗电路结构在先进工艺下不能使用。在深亚微米CMOS低电压下,同时获得宽带、低功耗、高线性、高精度、低成本的滤波器设计变得格外具有挑战性。
本论文针对高性能滤波器的设计方法进行研究,主要工作包括:
1.从滤波器Q值的角度出发,具体分析了运放的非理想性对滤波器频率响应性能的影响,得出了高精度滤波器对运放的增益带宽积要求。分析结果揭示了深亚微米CMOS技术下滤波器传统实现的设计约束。
2.研究了宽带滤波器的低功耗设计方法,提出了积分器频率补偿技术。该技术能够将滤波器的功耗要求降低十倍以上,具有很高的功耗效率,同时适合于CMOS工艺的等比例缩小。该技术对深亚微米低电压下宽带低功耗的滤波器实现提供了实用价值和参考意义。
3.提出了运放增益带宽积自动跟随技术,以跟随PVT变化以及器件老化对滤波器性能的影响。该技术能够满足积分器频率补偿技术的实现条件,保证了滤波器频率响应的精确度。
4.提出了一种提高滤波器频率响应精度的调节方法,能够保证滤波器带宽调节过程中的频率响应精度,同时优化了滤波器的线性度。
5.提出了微分电容输入支路消去技术和滤波器相同积分器实现方法。所提出的设计方法有效地降低了电路的设计复杂度,保证了滤波器高精度的频率响应性能和低成本实现。同时,该技术扩展了积分器频率补偿技术的应用范围,为低功耗、低成本、高精度的低通、带通和高通等不同类型滤波器提供了新的设计方法。为验证本论文所提出的设计方法,基于0.13μm1.2VCMOS工艺设计了四阶active-RC Elliptic低通滤波器。当电源电压1.2V时,滤波器的实测功耗为5.8mW,芯片有效面积为0.1mm2。滤波器频率响应测试结果表明,滤波器的可调带宽为
14MH到23MHz,带内纹波小于1dB,带外抑制大于45dB。在-40℃到80℃的温度变化范围内,滤波器的频率响应性能均满足上述指标。当电源电压从1.1V变化到1.3V时,频率响应性能保持不变。滤波器的线性度测试结果表明,当“双声”输入信号频率为6/7MHz时,在640mVpp-diff的输入幅度下,滤波器的IM3达到-86dB。在1.1V到1.3V的电源电压变化范围和0℃到50℃的温度变化范围内,相同的输入频率下,当输入幅度大于800mVpp-diff时,IM3均能维持在-80dB以下。与近年来国外发表的宽带滤波器研究成果相比较,本论文所实现的滤波器具有最好的线性度和功耗效率,以及最小的芯片面积。