专利名称：用于实现零极点型高阶滤波器的跨导-电容双二阶单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及跨导-电容滤波器设计技术领域，尤其涉及一种用于实现零极点型高
阶滤波器的跨导-电容双二阶单元，主要应用于采用级联法设计的零极点型高阶模拟滤波 器中。
背景技术：
近些年来，随着无线通信技术的飞速发展和CMOS工艺技术的不断进步，实现无线
通信收发机和数字基带电路系统单芯片的集成是未来发展的必然趋势。有源滤波器的片上
集成是片上系统发展中需要解决的问题。尤其对于移动系统和手持设备的片上系统，要求
有源滤波器不仅具有高动态范围、高精度、面积小等特点，而且具有低功耗的特点。
目前，片上集成有源滤波器中有跨导放大器和电容组成的跨导-电容(Gm-C)有源
滤波器是模拟滤波器设计领域中一个热点研究方向，其中，跨导放大器(Gm)是将输入电压
信号转换为电流信号的放大器。Gm-C滤波器不仅具有高频特性好、可调谐性强、电路综合能
力好的特点，而且易于结合电流复用技术实现紧凑的电路结构。 在S. D' Amico and A.Baschirotto "A compact High-FrequencyLow-Power Continuous-Time Gm_C Biquad Cell，，IEE Electronics Letters29th May 2003，Vol 39， No. 11， pp. 821-822.(以下中称为"P1")中描述了全极点型的跨导-电容双二阶单元。用 于实现高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元的典型结构由四个分离的跨导单元级联组成， 如图l所示。因此降低滤波器的功耗就要有效地降低双二阶单元中每个跨导单元的功耗。 PI中提出的跨导_电容双二阶单元采用电流复用技术，优化双二阶单元整体结构的功耗。
滤波器种类很多，分类方法也不同。(1)按照功能分低通、带通、高通、带阻；(2) 按照传输函数逼近方式分巴特沃斯、切比雪夫I、切比雪夫II、椭圆、贝塞尔；(3)按照零极 点结合方式分全极点型(巴特沃斯、切比雪夫I、贝塞尔)、零极点型(切比雪夫II、椭圆)。
Pl中提出的跨导_电容双二阶单元是全极点型的双二阶单元，采用该双二阶单元 设计滤波器只能实现(3)中全极点型低通滤波器，而不能实现零极点型低通滤波器。
发明内容
( — )要解决的技术问题 有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种用于实现零极点型高阶滤波器的跨 导_电容双二阶单元，以实现零极点型高阶滤波器，并降低功耗。
( 二 )技术方案 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下 —种用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，包括 —第一级跨导-电容积分单元，包括两个NM0S晶体管和一个电容，用于将接收的
输入电压信号转换成电流信号，并给电容充电，形成第一级积分单元； —第二级跨导-电容积分单元，包括两个PM0S晶体管和一个电容，用于将第一级
4积分单元输出的电压信号转换成电流信号，并给电容充电，形成第二级积分单元； —内部堆叠管，包括两个PMOS晶体管，控制输出共模电压，并用于与第一级积分
单元和第二级积分单元一起综合复数极点； —电流源，用于向跨导_电容双二阶单元的支路提供电流； —同相前馈电容元件，包括两个电容，用于确定跨导-电容双二阶单元的复数共 轭零点特性。 上述方案中，所述第一级跨导_电容积分单元包括 第一NM0S管(Mnl)110，该管的栅极接输入端Vipl02，漏极标记为netl，源极与电 流源一端相连，标记为net3，衬底接地电压GND ; 第二NMOS管(Mn2)lll，该管的栅极接输入端Vinl04，漏极标记为net2，源极接 net3，衬底接地电压GND ; 第一电容(Cl)120，一端接netl，另一端接net2。
上述方案中，所述第二级跨导_电容积分单元包括 第三PMOS管(Mp3)114，该管的栅极接netl，漏极接输出端Vop 106，源极和衬底接 电源电压VDD ; 第四PMOS管(Mp4)115，该管的栅极接net2，漏极接输出端Von 108，源极和衬底接 电源电压VDD ; 第二电容(C2)121，一端接输出端Vopl06，另一端接输出端Vonl08。
上述方案中，所述内部堆叠管包括 第一PMOS管(Mpl)112，该管的栅极接net3，漏极接netl，源极和衬底接输出端 Vopl06 ; 第二PMOS管(Mp2)113，该管的栅极接net3，漏极接net2，源极和衬底接输出端 Vonl08。 上述方案中，所述电流源的正端接net3，负端接地电压GND。
上述方案中，所述同相前馈电容元件包括 第三电容(C3) 122， 一端接输入端Vipl02，另一端接输出端Vopl06，电容值为C3 ;
第四电容(C4)123，一端接输入端Vinl04，另一端接输出端Vonl08，电容值为C4。
上述方案中，同相前馈电容元件用于确定双二阶单元传输函数中复数共轭零点， 可用于实现零极点型低通滤波器。 上述方案中，内部堆叠管栅极电压自偏置，并且控制输出共模电压。 上述方案中，级间差分电容元件120的值为C1的二分之一，级间差分电容元件121
的值为C2的二分之一 ；同相前馈电容元件122的值为C3，同相前馈电容元件123的值为C4，
并且C3 = C4。(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果 1、本发明提供的这种用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，内 部堆叠管与两个跨导积分单元综合复数极点，同相前馈电容综合复数零点，因此该单元可 以用于级联法设计零极点型高阶滤波器。 2、本发明提供的这种用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，不
5仅采用电流复用技术有效降低跨导_电容双二阶单元的功耗，而且采用自偏置技术进一步 降低整体功耗。 3、本发明提供的这种用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，采 用开关控制前馈电容，可以实现全极点和零极点可配置的滤波器。 4、本发明提供的这种用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，输 入和输出共模电平可以相同，在级联法实现高阶滤波器时易于级间直接相连。
通过下述优选实施例结合附图的描述，本发明的上述及其它特征将会变得更加明 显，其中 图l是由四个分离的跨导单元级联组成的典型结构跨导-电容双二阶单元的示意 图； 图2是本发明用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元的一种实施 例的示意图； 图3是双二阶单元实现切比雪夫II型滤波器的幅频曲线Q = 1. 48 ;
图4是双二阶单元实现切比雪夫II型滤波器的幅频曲线Q = 0. 56。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
图2是本发明用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元的一种实施
例的示意图，该实施例采用CMOS工艺实现，具体的电路描述如下 —种用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，包括 —第一级跨导-电容积分单元，包括两个NMOS晶体管和一个电容，用于将接收的
输入电压信号转换成电流信号，并给电容充电，形成第一级积分单元； —第二级跨导-电容积分单元，包括两个PMOS晶体管和一个电容，用于将第一级
积分单元输出的电压信号转换成电流信号，并给电容充电，形成第二级积分单元； —内部堆叠管，包括两个PMOS晶体管，控制输出共模电压，并用于与第一级积分
单元和第二级积分单元一起综合复数极点； —电流源，用于向跨导_电容双二阶单元的支路提供电流； —同相前馈电容元件，包括两个电容，用于确定跨导-电容双二阶单元的复数共 轭零点特性。 上述第一级跨导_电容积分单元包括 NM0S管(Mnl) 110，该管的栅极接输入端Vipl02，漏极标记为netl，源极与电流源 一端相连，标记为net3，衬底接地电压GND ; NMOS管(Mn2) 111，该管的栅极接输入端Vinl04，漏极标记为net2，源极接net3，衬 底接地电压GND ; 第一电容(Cl)120，一端接netl，另一端接net2。
上述第二级跨导_电容积分单元包括) 114，该管的栅极接netl，漏极输出端(Vop) 106，源极和衬底接电源 电压VDD ; PMOS管(Mp4) 115，该管的栅极接net2，漏极输出端(Von) 108，源极和衬底接电源 电压■; 第二电容121(C2)，一端接106，另一端接108。
上述内部堆叠管包括 第一 PM0S管(Mpl) 112，该管的栅极接net3，漏极接netl，源极和衬底接106 ;
第二 PM0S管(Mp2) 113，该管的栅极接net3，漏极接net2，源极和衬底接108。
上述电流源的正端接net3，负端接地电压GND。
上述同相前馈电容元件包括 第三电容(C3) 122， 一端接102，另一端接106，电容值为C3 ;
第四电容(C4)123，一端接104，另一端接108，电容值为C4。 上述用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，同相前馈电容元件
用于确定双二阶单元传输函数中复数共轭零点，可用于实现零极点型低通滤波器。 上述用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，内部堆叠管栅极电
压自偏置，并且控制输出共模电压。 上述用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，级间差分电容元件 120的值为Cl的二分之一，级间差分电容元件121的值为C2的二分之一。同相前馈电容元 件122的值为C3，同相前馈电容元件123的值为C4，并且C3 = C4。 为了更加详细的说明本发明提出的用于实现零极点高阶滤波器的跨导-电容双 二阶单元如何实现零极点型滤波器，接下来进行定量分析。如图2所示，同相前馈电容用于 确定滤波器传输函数中复数零点，而内部堆叠管与两个跨导_电容积分单元一起综合滤波 器传输函数中两个复数极点。忽略输出跨导、晶体管的寄生电容，并且设Mnl和Mn2的跨导 为gml、 gm2并且相等，设Mpl和Mp2的跨导为gm3、 gm4并且相等，设Mp3和Mp4的跨导为 gm5、 gm6并且相等，C3 = C4.可以得到滤波器传输函数
c2 + c3 c'(c2+c3)可以得到滤波器特性参数("。是极点特征频率，"z是零点特征频率，Q是品质因
数，K是直流增益)为 =
7
采用SMIC CMOS 0. 18 y m混合信号工艺仿真图2中双二阶单元。图3中描述的曲 线是图2中双二阶单元实现二阶切比雪夫II型滤波器的传输函数曲线，该曲线图的垂直坐 标轴和水平坐标轴分别表示以分贝(dB)为单位的幅度特性和相应的频率(Hz)。从该曲线 可知道(l)不但实现高Q值(Q= 1.48)的复数极点，而且在带外实现了复数共轭零点，使 得双二阶单元滤波器在带外63MHz处衰减50dB。 (2)从公式(5)中可以指导图2中实现的 双二阶单元具有直流增益2. 3dB，可以设定g^/g^比值不同调整直流增益。实际电路仿真 结果与MATLAB建模的滤波特性相吻合。 采用SMIC CMOS 0. 18 y m混合信号工艺仿真图1中双二阶单元。图4中描述的曲 线是图1中双二阶单元实现二阶切比雪夫II型滤波器的传输函数曲线，该曲线图的垂直坐 标轴和水平坐标轴分别表示以分贝(dB)为单位的幅度特性和相应的频率(Hz)。从该曲线 可知道(l)不但实现低Q值(Q = 0. 56)的复数极点，而且在带外实现了复数共轭零点，使 得双二阶单元滤波器在带外28MHz处衰减35dB。实际电路仿真结果与MATLAB建模的滤波 特性相吻合。 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种用于实现零极点型高阶滤波器的跨导-电容双二阶单元，其特征在于，包括一第一级跨导-电容积分单元，包括两个NMOS晶体管和一个电容，用于将接收的输入电压信号转换成电流信号，并给电容充电，形成第一级积分单元；一第二级跨导-电容积分单元，包括两个PMOS晶体管和一个电容，用于将第一级积分单元输出的电压信号转换成电流信号，并给电容充电，形成第二级积分单元；一内部堆叠管，包括两个PMOS晶体管，控制输出共模电压，并用于与第一级积分单元和第二级积分单元一起综合复数极点；一电流源，用于向跨导-电容双二阶单元的支路提供电流；一同相前馈电容元件，包括两个电容，用于确定跨导-电容双二阶单元的复数共轭零点特性。
2. 根据权利要求1所述的用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，其特征在于，所述第一级跨导_电容积分单元包括第一 NMOS管Mnl (110)，该管的栅极接输入端Vip (102)，漏极标记为netl，源极与电流源一端相连，标记为net3，衬底接地电压GND ;第二 NMOS管Mn2 (111)，该管的栅极接输入端Vin (104)，漏极标记为net2 ，源极接net3，衬底接地电压GND ;第一电容CI (120)， 一端接netl，另一端接net2。
3. 根据权利要求1所述的用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，其特征在于，所述第二级跨导_电容积分单元包括第三PMOS管Mp3 (114)，该管的栅极接netl，漏极接输出端Vop (106)，源极和衬底接电源电压VDD ;第四PMOS管Mp4 (115)，该管的栅极接net2，漏极接输出端Von (108)，源极和衬底接电源电压VDD ;第二电容C2 (121)， 一端接输出端Vop (106)，另一端接输出端Von (108)。
4. 根据权利要求1所述的用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，其特征在于，所述内部堆叠管包括第一 PMOS管Mp 1 (112)，该管的栅极接net3 ，漏极接net 1 ，源极和衬底接输出端Vop (106);第二 PMOS管Mp2 (113)，该管的栅极接net3，漏极接net2，源极和衬底接输出端Von(108)。
5. 根据权利要求1所述的用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，其特征在于，所述电流源的正端接net3，负端接地电压GND。
6. 根据权利要求1所述的用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，其特征在于，所述同相前馈电容元件包括第三电容C3 (122)， 一端接输入端Vip (102)，另一端接输出端Vop (106)，电容值为C3 ;第四电容C4 (123)， 一端接输入端Vin (104)，另一端接输出端Von (108)，电容值为C4。
7. 根据权利要求1所述的用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，其特征在于同相前馈电容元件用于确定双二阶单元传输函数中复数共轭零点，可用于实现零极点型低通滤波器。
8. 根据权利要求1所述的用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，其 特征在于内部堆叠管栅极电压自偏置，并且控制输出共模电压。
9. 根据权利要求1所述的用于实现零极点型高阶滤波器的跨导_电容双二阶单元，其特征在于级间差分电容元件(120)的值为C1的二分之一，级间差分电容元件(121)的值 为C2的二分之一 ；同相前馈电容元件(122)的值为C3，同相前馈电容元件(123)的值为C4， 并且C3 = C4。
全文摘要
本发明公开了一种用于实现零极点型高阶滤波器的跨导-电容双二阶单元，包括一第一级跨导-电容积分单元，包括两个NMOS晶体管和一个电容，用于将接收的输入电压信号转换成电流信号，并给电容充电；一第二级跨导-电容积分单元，包括两个PMOS晶体管和一个电容，用于将第一级积分单元输出的电压信号转换成电流信号，并给电容充电；一内部堆叠管，包括两个PMOS晶体管，控制输出共模电压，并用于与第一级积分单元和第二级积分单元一起综合复数极点；一电流源，用于向跨导-电容双二阶单元的支路提供电流；一同相前馈电容元件，包括两个电容，用于确定跨导-电容双二阶单元的复数共轭零点特性。利用本发明，实现了零极点型高阶滤波器，降低了功耗。
文档编号H03H11/12GK101741346SQ20081022668
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月19日 优先权日2008年11月19日
发明者卫宝跃, 周玉梅, 陈勇 申请人:中国科学院微电子研究所