基于跨导运算放大器的可变带宽低通滤波器设计

　　讨论分析了跨导放大器-电容(OTA—C)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为1～26 MHz，阻带抑制率大于35 dB，带内波纹小于0.5 dB，采用1.8 V电源，TSMC 0.18μm CMOS工艺库仿真，功耗小于21 mW，频响曲线接近理想状态。

　　0 引言

　　射频接收机质量被认为是影响整个系统成本和性能的主要因素。随着无线通信移动终端朝着小尺寸、低成本、低功耗方向发展，射频前端系统中的集成滤波器设计显得十分重要。其中，基于CMOS工艺的设计方案以其成本和功耗的优势，已成为有源滤波器设计选择的主流方向。

　　跨导运算放大器(OperaTIonal Transconductance Amplifier)因其工作频率高，电路结构简单，具有电控能力，便于集成等特点被广泛用于有源滤波设计中。电压功耗低的COMS跨导运算放大器，同时有热稳定性能好，芯片面积小，便于集成等优点。由OTA及电容C构成的OTA—C滤波器，仅含电容，不含电阻以及其他无源元件，有较低的功耗和较高的应用频率，被普遍应用于高频集成电路领域。

　　从总体上看，国内的模拟滤波器研究成果较少且工艺陈旧;从带宽上来看，低中频结构接收器中高带宽的应用比较少。本文采用CMOS工艺实现了一个应用于片上全集成接收机中频宽带低通滤波器。

　　1 滤波器电路设计

　　梯形结构电路的元件参数灵敏度低，实现时不用考虑传输函数零极点的配对，设计方便，在宽带滤波器设计中有一定的优越性。跳耦结构电路具有较小的寄生敏感度和较大的动态范围。本文低通滤波器设计采用信号流程图方式实现梯形跳耦结构。

　　本文考虑到无源LC滤波电路有优良的灵敏度特性，并且LC电路设计理论非常成熟。所以本文采用LC梯形电路法设计电路。首先根据滤波器指标参数，查表得LC梯形滤波器电路和参数，后对此电路做状态变量分析，写出其电路电压方程，依据状态方程得出相应的信号流图，然后应用跨导运放和电容实现型号流图中的积分器，模拟状态变量。可实现无源LC梯形滤波器到跨导-电容滤波器的模拟变化。查阅滤波器工具书得出，需要采用七阶Butterworth低通滤波器。本文以-3 dB带宽为26 MHz时，50 MHz幅频曲线以-40 dB予以说明。根据上述性能要求，查阅滤波器工具书得出，需要采用七阶Butterworth低通滤波器，原型电路如图1所示。

　　由图2所示电路框图，以电感上的电流及接地电容上的电压为变量列出状态方程，经过方程变化，最后得到全电压量状态方程：

　　类似式(1)、式(2)可以得V3～V7的状态方程。图3电路为最终实现电路。模拟电阻Ⅲ采用跨导Gm，实现负反馈运放等效代替，电路仅由跨导运放和电容元件来实现七阶Butterworth滤波器，其中OTA跨导值的大小可以通过其偏置电流得到精确调节。