[發明專利]一種低功耗跨導電容(Gm?C)雙二次結構濾波器

有效

• 申請號: 201510029714.X
• 申請日: 2015-01-21
• 公開（公告）號: CN104579235B
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: 李巍;梅昊宇
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H03H11/02
• 分類號: H03H11/02
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司31200
• 代理人: 陸飛,盛志范

技術領域

本發明屬于濾波器技術領域，具體涉雙二次結構的跨導電容（G_m-C）濾波器。

背景技術

模擬濾波器是射頻無線通信芯片的模擬基帶處理部分很重要的一個模塊，其作用在于實現對帶外干擾的抑制，并對整個通信系統的比特誤碼率有著決定性作用。同時，濾波器的功耗在整個射頻接收機占有很大的比重，而隨著濾波器特征頻率的提高以及濾波器階數的增加，采用一些傳統的低頻濾波器的設計方法會使功耗成比例地增加，不能滿足低功耗的要求。

傳統的濾波器為采用同一種偽差分結構OTA的跨導電容濾波器，其基本結構如圖1所示。

雙二次結構G_m-C濾波器電路中，功耗可分為以下兩部分：（1）由OTA的放大管消耗的功耗，（2）為了穩定靜態工作點的輔助電路消耗的功耗。因此節省功耗有兩個途徑：（1）選用低功耗的OTA結構，（2）降低其他輔助電路的功耗。然而由于電路結構的限制，往往這兩方面要求不能同時滿足。

因此，設計低功耗的濾波器，對降低射頻接收機SoC整體功耗具有重要意義。

發明內容

本發明的目的在于設計一種低功耗的跨導電容(G_m-C) 雙二次結構濾波器。

本發明設計的跨導電容(G_m-C) 雙二次結構濾波器，是對傳統的采用同一種偽差分結構OTA的跨導電容濾波器進行改進，其結構如圖2所示，包括運算跨導放大器OTA1、OTA2、OTA3、OTA4，電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6，差分運放AP1和AP2，負載電容C1和C2；其中，通過共模檢測電路（由電阻R5和R6組成）檢測運算跨導放大器OTA3的輸出端共模電平，輸入到差分運放AP2的一個輸入端并與電壓值(為外部給的參考電壓)比較后放大其差值，將放大后的差值信號電平通過大電阻R1和R2反饋到OTA1的柵極，形成第一個共模反饋環路；通過共模檢測電路（由電阻R3和R4組成）檢測運算跨導放大器OTA1、OTA2和OTA3公共的輸出節點的共模電平，輸入到差分運放AP1的一個輸入端并與電壓值比較后放大其差值，將放大后的差值信號連接到OTA3的電流源負載的偏置端（對應圖2中的Vtu2和圖4中的Vb），形成第二個共模反饋環路。

圖2中C1和C2為濾波器自身的負載電容。圖2中，OTA2的正負輸出端都分別連接相同大小的負載電容C1到地，OTA3的正負輸出端分別連接相同大小的負載電容C2到地。

本發明中，運算跨導放大器OTA1,OTA2和OTA4采用基于反相器的偽差分結構(如圖3所示)，輸入及輸出的正負極性已在圖中標出。兩個單端輸入單端輸出的OTA并列組成偽差分結構。在圖3中，一個單端OTA中n管和p管的柵極相連作為輸入端，n管和p管的漏極相連作為輸出端。n管源極接地，p管源極接電源Vdd。n管和p管都工作在飽和區，一個反相器結構的OTA的等效跨導等于n管和p管跨導之和。OTA3采用有電流源負載的偽差分結構（如圖4所示），在其中一個單端輸入單端輸出的OTA中，p管為電流源負載，p管的柵極作為偏置端，n管的柵極作為輸入端。n管和p管都工作在飽和區。單端OTA等效的跨導等于n管的跨導。兩個這樣的單端OTA的p管的柵極相連作為公共的偏置端（圖4中Vb）。

其中基于反相器的OTA（圖3所示）由于電流復用，可以節省功耗。

運算跨導放大器OTA1的柵極采用電容耦合，隔絕了前級電路的直流電平對后級電路的影響。

圖2中所示的電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6用工作在亞閾值的MOS管實現，可以實現足夠大的等效阻值以實現對共模電平的檢測和直流偏置，在OTA1的輸入端不需要非常大的耦合電容就可實現低頻截止頻率在幾十k赫茲級別，不會造成接收機誤碼率的顯著惡化。

由于第一級OTA的輸入端采用電容耦合，前級電路共模電平的失配及直流失調不會對下級電路產生影響。兩個共模反饋回路只需要抑制本級濾波器中由于OTA中MOS管的失配引起的直流電平的偏移。本設計中一個完整的雙二次濾波器的功耗只包括四個OTA的主放大電路及兩個差分運放。差分運放不需要大帶寬只需放大直流電平，因此功耗可以做的很低。