基于双二阶的CMOS集成SC滤波器的研究和设计

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开关电容滤波器设计是电路与系统领域里的研究热点之一。随着超大规模(VLSI)集成电路技术的发展,人们越来越关注通信系统中大元件的小型化,包括滤波器的设计。开关电容滤波器是连续时间模拟滤波器的采样时间等效电路,更适合电路的小型化,同时也实现高精度的传输函数,尤其是基于双二阶的CMOS开关电容滤波器设计具有高精度、面积小、低功耗和电路结构简单,易于调试等优点,所以研究和设计开关电容滤波器有着重要的理论和实际意义。 本文首先回顾了滤波器设计的国内外研究背景和现状,介绍了本课题提出的意义以及本文的主要工作,论述了开关电容网络原理和基本开关模块,分析了开关电容滤波器设计的相关因素:电路结构的选择,对运算放大器设计中高增益、宽带宽、相位裕度、转换斜率和建立时间等的折中考虑,开关的打开电阻对电路的影响,开关电容电路中怎样减少电荷注入和时钟馈通,以及整个电路的功耗问题和采样频率的选择等。 在理论分析的基础上,论文提出了结合现在寻求代工方便、技术比较成熟、功耗低、集成度高的CMOS工艺技术,利用常用的基本开关模块,用离散时间信号的方法来分析和实现开关电容滤波器。文中详细介绍了使用现在比较流行的仿真工具MATLAB,编写M文件对系统进行仿真,采用台湾台积电TSMC 0.25um工艺实现了改进的带隙基准电流、改进的具有大摆幅偏置的单级共源共栅运算放大器、两相非交叉时钟电路和开关电容网络来组成基本的双二阶模块,通过级联设计了带宽为100K的六阶开关电容带通滤波器,在不改变电路基本性能的基础上,利用动态范围尺度变换和最小电容尺度变换技术,减小了系统传输函数中电容比的大小,进一步提高了滤波器的精度。该滤波器能用于低中频收发器和基带信号处理,具有很高的实用性。 最后,论文对本文所做的工作进行总结,提出双二阶设计中存在的问题和需要进一步改进和研究的工作。
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