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本文基于TSMC0.13μm1P6M CMOS工艺设计了应用于同轴宽带接入系统(Ethernet over Coax EoC)中的低通滤波器。根据系统指标(spec)的要求,该滤波器的通带截止频率为75MHz±5％,带内纹波小于0.5dB,阻带频率为195MHz,阻带衰减50dB以上,三阶交调失真(IM3)小于-50dB,功耗小于50mW。
本文晕点研究的是滤波器电路结构和实现方法。采用自上而下的设计方法,首先研究了各种类型滤波器(如Butterworth,ChebyshevⅠ&Ⅱ,Elliptic…)的特点和逼近原理。根据它们不同的频率响应特性,选择了适合EoC系统的滤波器类型,即ChebyshevⅠ型。然后利用Filter Solution软件得到满足spec要求的滤波器的最少阶数(6阶)以及无源RLC滤波器的电路。接着用信号流图(signal FlowgraphSFG)的方法将无源滤波器转换为有源滤波器,最终得到晶体管级的电路,并进行了仿真和优化。最后完成了滤波器的版图设计,并通过了所有的物理验证和后仿真。
本文选择的是基于跨导运算放大器(Operational Transconductance AmplifierOTA)的滤波器结构,因为OTA结构简单,且工作在开环模式下,所以OTA—C滤波器具有良好的高频特性。本文设计的重点包括:OTA电路的设计,重点在于线性度的分析和如何提高其线性度:高阶滤波器的设计,对级联和梯形两种结构的滤波器分别进行了设计,仿真和比较,由于在相同的功耗下,梯形滤波器对器件的敏感程度和输出电压噪声都小于级联滤波器,所以本文最终采用的是梯形结构滤波器；自动调谐电路的设计,主要集中在主从式(Master-Slave)间接调谐电路的设计上,采用电荷比较的原理,将滤波器的截止频率转换为只与电容的比值和参考时钟频率有关,从而使滤波器截止频率的偏差控制在±5％以内,同时对传统的调谐电路进行了改进,使其时钟参考频率大大降低,从而减小了功耗。
仿真结果表明:在不同工艺、温度下,滤波器的通带截止频率均在75MHz±5％以内,通带纹波小于0.5dB,在频率195MHz处衰减56dB。当双声输入信号频率为51/55MHz,幅度为500mVpp时,IM3为-54dB；当双声输入信号频率变为21/25MHz,幅度为500mVpp时,IM3小于-60dB。该滤波器的整体功耗约为44.5mW,输出电压噪声为241μV,所有性能均符合系统指标的要求。
本文着眼于EoC系统中的低通滤波器的全集成化设计。该电路对宽带低通滤波器的设计,尤其是宽带调谐电路的设计有很好的参考价值。