CMOS跨导放大器及其构成的滤波器的研究与设计

论文摘要

自上世纪90年代以来，全集成连续时间滤波器一直是微电子领域研究的重点课题。全集成连续时间滤波器在电子测量、自动控制等方面有着广泛的应用，模拟滤波器作为连续时间滤波器的一种，其结构生成方法和电路设计理论可推广至大规模集成电路，因而具有重要的研究意义和实际应用价值。从构成原理上看，连续时间模拟滤波器包括有源RC滤波器、金属-氧化物-半导体场效应管-电容（MOSFET-C）滤波器、开关电容（SC，Switched Capacitor）滤波器以及跨导放大器（OTA，Operational Transconductance Amplifier）-电容（OTA-C）滤波器。与其他类型的滤波器相比，OTA-C滤波器采用OTA作为有源增益器件，具有工作频率高、调节方便等特点。OTA-C滤波器具有良好的高频性能和电控能力、与超大规模集成电路（VLSI，Very Large Scale Integration）工艺兼容等优点，因而成为现代滤波器领域中的一个极有前景的发展方向。本文主要研究了CMOSOTA原理及其在OTA-C滤波器中的应用，主要工作及创新点如下：首先，全面总结了OTA的工作原理及其在模拟信号处理中的应用，提出了一种新型的低功耗、宽线性范围的OTA电路。该电路采用共源共栅结构作为输入级，利用电流负反馈结构改善电路的线性度，将电流镜作为电路的输出级，最后在Cadence上采用0.18μm CMOS工艺进行仿真，在1.5V的供电电压下，线性范围可达1V，三阶交调点IIP3为13.75dBm，整个电路功耗为13.6μw。其次，归纳无源LC梯形模拟法、信号流图法等OTA-C滤波器设计方法，利用OTA的应用电路来代替无源LC滤波网络中的大功率元件，从而实现了具有低功耗和良好线性度的滤波器，最后对所实现的滤波器在Cadence上采用了0.18μm CMOS工艺进行分析和仿真实验，仿真结果表明该滤波器电路性能良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 滤波器摡述
• 1.2.1 滤波器的研究背景
• 1.2.2 滤波器分类
• 1.3 本文研究的目的和意义
• 1.4 本论文的结构安排
• 第2章 CMOS 模拟集成电路概论
• 2.1 引言
• 2.2 MOS 晶体管模型
• 2.2.1 MOS 基本原理
• 2.2.2 MOS 管的大信号模型
• 2.2.3 MOS 管的小信号模型
• 2.2.4 MOS 管的噪声模型
• 2.3 MOS 模拟集成电路的基本单元
• 2.3.1 MOS 有源电阻
• 2.3.2 MOS 电流镜
• 2.3.3 共源共栅电流镜
• 2.3.4 带源极负反馈的共源级放大器
• 2.4 小结
• 第3章 CMOS 跨导放大器原理
• 3.1 引言
• 3.2 跨导放大器原理
• 3.2.1 基本结构
• 3.2.2 基本的 CMOS 跨导运算放大器
• 3.3 改进型的 CMOS 跨导放大器
• 3.3.1 带辅助源耦对的 CMOS 跨导放大器
• 3.3.2 带辅助电压源的交叉耦合 CMOS 跨导放大器
• 3.4 OTA 的应用原理
• 3.4.1 增益可控电压放大器
• 3.4.2 模拟电阻
• 3.4.3 加法器
• 3.4.4 压控回转器
• 3.4.5 模拟电感
• 3.5 小结
• 第4章 一种低功耗宽线性范围的跨导放大器的设计
• 4.1 引言
• 4.2 改进型的跨导放大器电路实现
• 4.2.1 输入级的设计
• 4.2.2 源极电流负反馈电路的设计
• 4.2.3 输出级的设计
• 4.2.4 总体电路设计
• 4.3 实验仿真
• 4.4 小结
• 第5章 OTA-C 滤波器的实现
• 5.1 引言
• 5.2 OTA-C 滤波器的发展
• 5.3 OTA-C 滤波器的设计方法
• 5.3.1 有源 RC 网络法
• 5.3.2 信号流图法
• 5.3.3 无源 LC 梯形电路模拟法
• 5.4 三阶低通椭圆 OTA-C 滤波器的设计
• 5.5 实验仿真
• 5.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A（攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录）