滤波器电路结构设计及线性度测试分析

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常见的片内滤波器的设计带宽都上兆赫兹,而几十千赫兹带宽的滤波器大多采用片外无源器件来实现。原因是低频滤波器的时间常数巨大,在芯片内占据大量的芯片面积。

    在片内实现巨大时间常数的通常办法是采取大电阻小电容结合方式。因为大电阻可利用开关电容技术来实现。以前采用开关电容技术实现的滤波器有两个明显缺陷:其一是开关电容在信号通路中会引入大量噪声,从而直接导致滤波器的线性度不高;其二是开关电容的时钟频率必须和后续的ADC频率严格一致,否则会导致丢码。

    本文仍采用开关电容技术,但不放在信号通路中,而是将其放到控制电路中。其主通路中的电阻采用R-MOS结构,阻值可由控制电路精确调节。这样既利用了开关电容可精确实现大电阻的功能,也消除了前面提到的2个缺陷,故可实现连续时间滤波器较高的线性度。

1 滤波器结构

    该滤波器的整体结构如图l所示。图中,

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,整体结构共3级,每一级为High-Q Opamp-R-C的二阶带通滤波器,通过级联形成一个6阶的Chebvshev I型滤波器。滤波器的整体传递函数如下:

 

 

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为了降低电路的复杂度。图l中的所有电阻均采用同一阻值,这样,整个滤波器只需要一个控

    由于该电阻的值随PVT的变化很大,因此,为了使滤波器的频响特性不受PVT变化的影响,则要求电阻值不随PVT变化。为此,需要讨论如何保证电阻值不随PVT改变而改变。

2 精确电阻处理


    电阻由控制电路部分实现,其控制电路结构如图2所示。其中开关S1和S2可由两相不交叠时钟φ1和φ2分别控制,以对电容进行周期性充放电,从而使等效电阻

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;MOS管M工作在线性区,其电阻如下:

 

 

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滤波器电路结构设计及线性度测试分析



    RM和R可得到Ri的值。当Ri>Req,积分器呈正积分特性,运放的输出电压增大,VGS变大,RM变小,Ri变小;同理,当Ri
图2中R的作用是降低MOS管漏端的电压,让MOS管工作在线性区,以提高电阻RM的线性度。

    中的电阻Ri和图2中的电阻Ri相同,它们都由控制信号VCtrl控制。图1中的时间常数如下:

 

 

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 中心频率可调的高线性度带通滤波器设计



其中,T是时钟周期,Ci为积分电容,C为等效电阻电容。为了提高电容匹配度,C和Ci应采用同一单位电容组合,这样,式(3)可变为:
 

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滤波器电路结构设计及线性度测试分析

 

图4所示为滤波器的线性度测试结果,它的输入为间隔10 kHz的两个带内单频点信号,信号幅度为500 mVpp,输出用示波器检测。线性度测试结果为43 dB,可见,这种设计方案具有很高的线性度。

4 结束语

    由于本文所设计的滤波器的时间常数只跟频率和电容比值有关。因此只要改变时钟频率,就可以改变滤波器的中心频率。另外,利用本文的方法,还可以将滤波器做在芯片里面,这样,采用开关电容技术,其芯片的面积只需增加很小一部分。目前,本芯片已在SMIC0.18μm工艺下已开始流片量产。

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