專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及濾波器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二 階單元。
背景技術(shù)：
濾波器是電子設(shè)備的最基本元件之一，是一種應(yīng)用非常廣泛的信號(hào)處理子模塊， 其功能是通過(guò)指定頻率的信號(hào)，抑制其余頻率的信號(hào)。濾波器中的一個(gè)重要分支一模 擬濾波器，在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)、電子測(cè)量或自動(dòng)控制系統(tǒng)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景， 特別是在射頻接收機(jī)中有著重要的應(yīng)用。
射頻接收機(jī)中的模擬濾波器主要有如下作用(1)抑制帶外信號(hào)，避免帶外強(qiáng)干 擾信號(hào)使射頻接收機(jī)中的模塊飽和，尤其是模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前的抗混疊濾波器；(2)抑 制鏡像信號(hào)。這就要求射頻接收機(jī)中的基帶模擬濾波器不僅要具有高的線(xiàn)性度，而且 還要具有低功耗。目前，射頻接收機(jī)中的基帶模擬濾波器的經(jīng)典電路實(shí)現(xiàn)主要有Gm-C (跨導(dǎo)一電容)濾波器、Active-RC濾波器和Active-Gm-RC濾波器。Gm-C濾波器由 Gm-C開(kāi)環(huán)積分器組成，功耗低但線(xiàn)性度低；Active-RC濾波器和Active-Gm-RC濾波 器是閉環(huán)結(jié)構(gòu)濾波器，它們的線(xiàn)性度高但功耗高。
在2006年12月發(fā)表的，由斯蒂芳諾等人撰寫(xiě)的文章中(IEEE，Journal of Solid-State Circuits, PP.2713-2719)描述了一種基于源極跟隨器的全極點(diǎn)型的雙二階單元，該項(xiàng) 技術(shù)的出現(xiàn)打破了上述濾波器功耗和線(xiàn)性度對(duì)立的格局。該雙二階單元中的由源極跟 隨器組成的局部反饋是打破這種對(duì)立格局的主要因素。采用兩級(jí)基于源極跟隨器的全 極點(diǎn)型的雙二階單元級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了全極點(diǎn)型的貝塞爾濾波器。
濾波器種類(lèi)很多，分類(lèi)方法也不同。按照功能分主要包括低通濾波器、帶通濾 波器、高通濾波器和帶阻濾波器等；按照設(shè)計(jì)方法分主要包括巴特沃斯濾波器、切 比雪夫I濾波器、切比雪夫II濾波器、橢圓濾波器和貝塞爾濾波器等；按照零極點(diǎn)結(jié) 合分主要包括全極點(diǎn)型(巴特沃斯、切比雪夫I、貝塞爾)濾波器和零極點(diǎn)型(切比 雪夫II、橢圓)濾波器等。但是，上述技術(shù)方案中提出的雙二階單元是全極點(diǎn)型的雙 二階單元，采用該雙二階單元設(shè)計(jì)的濾波器只能實(shí)現(xiàn)全極點(diǎn)型低通濾波器，而不能實(shí) 現(xiàn)零極點(diǎn)型低通濾波器。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型低通濾波器，本發(fā)明提供了一種用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器 的雙二階單元。所述雙二階單元包括
差分輸入級(jí)，用于接收差分輸入信號(hào)；
內(nèi)部源極跟隨器級(jí)，用于接收所述差分輸入級(jí)的輸出信號(hào)；
電流源，用于提供零極點(diǎn)型高階濾波器的支路電流；
級(jí)間差分電抗元件，用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器的極點(diǎn)特性；
同相前饋電抗元件，用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器的零點(diǎn)特性。
所述差分輸入級(jí)包括第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管和第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管；所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶 體管的漏極接到電源電壓上，所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極接第一輸入端，所述第一 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的襯底接地電壓或者與自身的源極相連；所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極 接到電源電壓，所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極接第二輸入端，所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管 的襯底接地電壓或者與自身的源極相連。
所述內(nèi)部源極跟隨器級(jí)包括第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管和第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管；所述第三場(chǎng) 效應(yīng)晶體管的漏極與所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵 極與所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的襯底接地電壓或者 與自身的源極相連；所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極與所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相 連，所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極與所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第四場(chǎng) 效應(yīng)晶體管的襯底接地電壓或者與自身的源極相連。
所述電流源包括第一電流源和第二電流源；所述第一電流源的輸入端與所述第三 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第一電流源的輸出端接地電壓；所述第二電流源的輸 入端與所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第二電流源的輸出端接到地電壓。
所述級(jí)間差分電抗元件包括第一電抗元件和第二電抗元件；所述第一電抗元件的 一端與所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第一電抗元件的另一端接到所述第二 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極；所述第二電抗元件的一端與所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連， 所述第二電抗元件的另一端接到所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極。
所述同相前饋電抗元件包括第三電抗元件和第四電抗元件；所述第三電抗元件的 一端接所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極，所述第三電抗元件的另一端接到所述第四場(chǎng)效 應(yīng)晶體管的源極；所述第四電抗元件的一端接所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極，所述第 四電抗元件的另一端接到所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極。
所述差分輸入級(jí)包括第一半導(dǎo)體三極管和第二半導(dǎo)體三極管；所述第一半導(dǎo)體三極管的集電極接到電源電壓，所述第一半導(dǎo)體三極管的基極接第一輸入端；所述第二 半導(dǎo)體三極管的集電極接到電源電壓上，所述第二半導(dǎo)體三極管的基極接第二輸入端。
所述內(nèi)部源極跟隨器級(jí)包括第三半導(dǎo)體三極管和第四半導(dǎo)體三極管；所述第三半 導(dǎo)體三極管的集電極與所述第一半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極相連，所述第三半導(dǎo)體三極管 的基極與所述第二半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極相連；所述第四半導(dǎo)體三極管的集電極與所 述第二半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極相連，所述第四半導(dǎo)體三極管的基極與所述第一半導(dǎo)體 三極管的發(fā)射極相連。
所述電流源包括第一電流源和第二電流源；所述第一電流源的輸入端與所述第三 半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極相連，所述第一電流源的輸出端接到地電壓；所述第二電流源 的輸入端與所述第四半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極相連，所述第二電流源的輸出端接到地電 壓。
所述級(jí)間差分電抗元件包括第一電抗元件和第二電抗元件；所述第一電抗元件的 一端與所述第一半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極相連，所述第一電抗元件的另一端接到所述第 二半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極；所述第二電抗元件的一端與所述第三半導(dǎo)體三極管的發(fā)射 極相連，所述第二電抗元件的另一端接到所述第四半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極。
所述同相前饋電抗元件包括第三電抗元件和第四電抗元件；所述第三電抗元件的 一端接第一輸入端，所述第三電抗元件的另一端接到所述第四半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極； 所述第四電抗元件的一端接第二輸入端，所述第四電抗元件的另一端接到所述第三半 導(dǎo)體三極管的發(fā)射極。
所述雙二階單元還包括電流沉；所述電流沉用于提供零極點(diǎn)型高階濾波器的支路 電流。 \
所述差分輸入級(jí)包括第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管和第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管；所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶 體管的漏極接到電源電壓上，所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極接第一輸入端，所述第一 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的襯底接地電壓；所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極接到電源電壓上，所述 第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極接第二輸入端，所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的襯底接地電壓。
所述內(nèi)部源極跟隨器級(jí)包括第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管和第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管；所述第三場(chǎng) 效應(yīng)晶體管的漏極與所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵 極與所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的襯底與自身的源極 相連；所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極與所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第四 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極與所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的 襯底與自身的源極相連。所述電流源包括第一電流源和第二電流源；所述第一電流源的輸入端與所述第一 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第一電流源的輸出端接到地電壓；所述第二電流源的 輸入端與所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第二電流源的輸出端接到地電壓。
所述電流沉包括第一電流沉和第二電流沉；所述第一電流沉的輸入端與電源電壓 相連，所述第一電流沉的輸出端接到所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極；所述第二電流沉 的輸入端與電源電壓相連，所述第二電流沉的輸出端接到所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源 極。
所述級(jí)間差分電抗元件包括第一電抗元件和第二電抗元件；所述第一電抗元件 的一端與所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第一電抗元件的另一端與所述第四 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連；所述第二電抗元件的一端與所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極 相連，所述第二電抗元件的另一端與所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連。
所述同相前饋電抗元件包括第三電抗元件和第四電抗元件；所述第三電抗元件的 一端接所述第一輸入端，所述第三電抗元件的另一端接到所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源 極；所述第四電抗元件的一端接所述第二輸入端，所述第四電抗元件的另一端接到所 述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極。
所述級(jí)間差分電抗元件和同相前饋電抗元件都為電容；所述同相前饋電抗元件的 電容值都相等。
有益效果本發(fā)明在傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)全極點(diǎn)型濾波器的雙二階單元基礎(chǔ)上，提出了用 于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，進(jìn)而完善采用級(jí)聯(lián)法設(shè)計(jì)高階不同類(lèi)型濾 波器所需要的雙二階單元，使得該雙二階單元在要求低功耗高線(xiàn)性度的射頻基帶模擬 濾波器中具有一定的實(shí)用價(jià)值。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1提供的雙二階單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例2提供的雙二階單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例3提供的雙二階單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明實(shí)施例4提供的雙二階單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明實(shí)施例雙二階單元實(shí)現(xiàn)切比雪夫n型濾波器的幅頻曲線(xiàn)Q4.56; 圖6是本發(fā)明實(shí)施例雙二階單元實(shí)現(xiàn)切比雪夫II型濾波器的幅頻曲線(xiàn)0=0.56; 圖7是本發(fā)明實(shí)施例雙二階單元實(shí)現(xiàn)橢圓型濾波器的幅頻曲線(xiàn)Q-3.16。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方 式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。 實(shí)施例1
參見(jiàn)圖1 ，本實(shí)施例提供的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元采用CMOS 雙阱工藝實(shí)現(xiàn)(CMOS雙阱工藝一PMOS置于N阱中)，即雙二階單元中所有NMOS 晶體管的襯底都接到地電壓GND。該雙二階單元100包括 差分輸入級(jí)，用于接收差分輸入信號(hào)； 內(nèi)部源極跟隨器級(jí)，用于接收差分輸入級(jí)的輸出信號(hào)； 電流源，用于提供零極點(diǎn)型高階濾波器的支路電流； 級(jí)間差分電抗元件，用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器的極點(diǎn)特性； 同相前饋電抗元件，用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器的零點(diǎn)特性。 其中，差分輸入級(jí)包括NMOS晶體管130和NMOS晶體管132。 NMOS晶體管 130(Mm)的漏極接到電源電壓VDD上，NMOS晶體管130的柵極接輸入端102(Vip)， NMOS晶體管130的襯底接地電壓GND; NMOS晶體管132 (Mn2)的漏極接到電源 電壓VDD上，NMOS晶體管132的柵極接輸入端104 (Vin)， NMOS晶體管132的 襯底接地電壓GND。
其中，內(nèi)部源極跟隨器級(jí)包括NMOS晶體管134和NMOS晶體管136。 NMOS 晶體管134 (Mn3)的漏極與NMOS晶體管130的源極相連，NMOS晶體管134的柵 極與NMOS晶體管132的源極相連，NMOS晶體管134的襯底接地電壓GND; NMOS 晶體管136 (Mm)的漏極與NMOS晶體管132的源極相連，NMOS晶體管136的柵 極與NMOS晶體管130的源極相連，NMOS晶體管136的襯底接地電壓GND。
其中，電流源包括電流源114和電流源116。電流源114 (Ib)的輸入端與NMOS 晶體管134的源極相連，即輸出端106(Vop)，電流源114的輸出端接地電壓GND;電 流源116 (Ib)的輸入端與NMOS晶體管136的源極相連，即輸出端108(Von)，電流 源116的輸出端接到地電壓GND。
其中，級(jí)間差分電抗元件包括電抗元件120和電抗元件118。電抗元件120的 一端與NMOS晶體管130的源極相連，電抗元件120的另一端接到NMOS晶體管132 的源極；電抗元件118的一端與NMOS晶體管134的源極相連，電抗元件118的另一 端接到輸出端108(Von)。
其中，同相前饋電抗元件包括電抗元件124和電抗元件122。電抗元件124的一端接輸入端102 (Vip)，電抗元件124的另一端接到輸出端108(Von);電抗元件122 的一端接輸入端104 (Vin)，電抗元件122的另一端接到輸出端106(Vop)。
在實(shí)際應(yīng)用中，級(jí)間差分電抗元件和同相前饋電抗元件都是電容。級(jí)間差分電抗 元件120的電容值為d/2，級(jí)間差分電抗元件118的電容值為CV2;同相前饋電抗元 件124的電容值為C3，同相前饋電抗元件122的電容值為C4，并且C3^C4。
本實(shí)施例中，同相前饋電抗元件用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器傳輸函數(shù)中的復(fù)數(shù) 共軛零點(diǎn)，內(nèi)部源極跟隨器級(jí)形成正反饋綜合濾波器傳輸函數(shù)中的兩個(gè)復(fù)數(shù)極點(diǎn)。本 實(shí)施例中只考慮影響濾波器傳輸特性的主要因素，忽略輸出跨導(dǎo)、晶體管的寄生電容 等，并且假設(shè)跨導(dǎo)gml=gm2=gm3=gm4=gm， C3=C4，則可以得到濾波器的傳輸函數(shù)
<formula>formula see original document page 11</formula>
通過(guò)上述傳輸函數(shù)，可以得到濾波器特性參數(shù)極點(diǎn)特征頻率W。、零點(diǎn)特征頻率 %，品質(zhì)因數(shù)Q和直流增益K。具體為<formula>formula see original document page 11</formula>
本實(shí)施例提供的雙二階單元實(shí)現(xiàn)的零極點(diǎn)型高階濾波器，打破了濾波器功耗和線(xiàn) 性度對(duì)立的格局。本實(shí)施例雙二階單元中的同相前饋電抗元件，不會(huì)改變基于內(nèi)部源 極跟隨器級(jí)的二階濾波器的高線(xiàn)性度的特點(diǎn)。在Gm-C濾波器中線(xiàn)性度低的主要原因 是在其內(nèi)部存在電壓^電流轉(zhuǎn)換，由于晶體管本身的非線(xiàn)性使得電壓一電流轉(zhuǎn)換成為 高線(xiàn)性度Gm-C濾波器設(shè)計(jì)的主要限制因素；本實(shí)施例基于內(nèi)部源極跟隨器級(jí)的雙二 階單元從輸入到輸出都是在電壓域處理信號(hào)，不受電壓一電流非線(xiàn)性轉(zhuǎn)換的限制，因
此本實(shí)施例提供的雙二階單元具有低功耗和高線(xiàn)性度的特點(diǎn)。
另外，本實(shí)施還可以采用PMOS晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)雙二階單元，其實(shí)現(xiàn)方式與本實(shí)施 例完全相同，這里不再贅述。
實(shí)施例2
參見(jiàn)圖2，本實(shí)施例提供的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元采用CMOS 三阱工藝實(shí)現(xiàn)(CMOS三阱工藝一PMOS置于N阱中，NMOS置于P阱中)，即雙二 階單元中所有NMOS管的襯底都接到自身的源極。該雙二階單元200包括差分輸入級(jí)，用于接收差分輸入信號(hào)；
內(nèi)部源極跟隨器級(jí)，用于接收差分輸入級(jí)的輸出信號(hào)；
電流源，用于提供零極點(diǎn)型高階濾波器的支路電流；
級(jí)間差分電抗元件，用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器的極點(diǎn)特性；
同相前饋電抗元件，用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器的零點(diǎn)特性。
其中，差分輸入級(jí)包括NMOS晶體管230和NMOS晶體管232。 NMOS晶體管 230(Mn!)的漏極接到電源電壓VDD上，NMOS晶體管230的柵極接輸入端202(Vip)， NMOS晶體管230的襯底與自身的源極相連接；NMOS晶體管232 (Mn2)的漏極接 到電源電壓VDD上，NMOS晶體管232的柵極接輸入端204 (Vin)， NMOS晶體管 232的襯底與自身的源極相連接。
其中，內(nèi)部源極跟隨器級(jí)包括NMOS晶體管234和NMOS晶體管236。 NMOS 晶體234 (Mn3)的漏極與NMOS晶體管230的源極相連接，NMOS晶體234的柵極 與NMOS晶體管232的源極相連接，NMOS晶體234的襯底與自身的源極相連接，即 輸出端206(Vop); NMOS晶體管236 (Mn4)的漏極與NMOS晶體管232的源極相連 接，NMOS晶體管236的柵極與NMOS晶體管230的源極相連接，NMOS晶體管236 的襯底與自身的源極相連接，即輸出端208(Von)。
其中，電流源包括電流源214和電流源216。電流源214 (Ib)的輸入端與輸出 端206(Vop)相連接，電流源214的輸出端接到地電壓GND;電流源216 (Ib)的輸入 端與輸出端208(Von)相連接，電流源216的輸出端接到地電壓GND。
其中，級(jí)間差分電抗元件包括電抗元件220和電抗元件218。電抗元件220的 一端與NMOS晶體管230的源極相連接，電抗元件220的另一端與NMOS晶體管232 的源極相連接；電抗元件218的一端與輸出端206(Vop)相連接，電抗元件218的另一 端與輸出端208(Von)相連接；
其中，同相前饋電抗元件包括電抗元件224和電抗元件222。電抗元件224的 一端接輸入端202 (Vip)，電抗元件224的另一端接到輸出端208(Von);電抗元件222 的一端接到輸入端204 (Vin)，電抗元件222的另一端接到輸出端206(Vop);
在實(shí)際應(yīng)用中，級(jí)間差分電抗元件和同相前饋電抗元件都是電容。級(jí)間差分電抗 元件220的電容值為d/2，級(jí)間差分電抗元件218的電容值為C2/2;同相前饋電抗元 件224的電容值為C3，同相前饋電抗元件222的電容值為C4，并且C3二Q。
另外，本實(shí)施還可以采用PMOS晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)雙二階單元，其實(shí)現(xiàn)方式與本實(shí)施 例完全相同，這里不再贅述。實(shí)施例3
參見(jiàn)圖3，本實(shí)施例提供的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元采用雙極 性工藝實(shí)現(xiàn)。該雙二階單元300包括
差分輸入級(jí)，用于接收差分輸入信號(hào)； 內(nèi)部源極跟隨器級(jí)，用于接收差分輸入級(jí)的輸出信號(hào)； 電流源，用于提供零極點(diǎn)型高階濾波器的支路電流； 級(jí)間差分電抗元件，用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器的極點(diǎn)特性； 同相前饋電抗元件，用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器的零點(diǎn)特性。 其中，差分輸入級(jí)包括NPN型三極管330 (Q!)和NPN型三極管332 (Q2)。 NPN型三極管330的集電極接到電源電壓VDD上，NPN型三極管330的基極接輸入 端302 (Vip); NPN型三極管332的集電極接到電源電壓VDD上，NPN型三極管332 的基極接輸入端304 (Vin)。
其中，內(nèi)部源極跟隨器級(jí)包括:NPN型三極管334(Q3)和NPN型三極管336(Q4)。 NPN型三極管334的集電極與NPN型三極管330的發(fā)射極相連，NPN型三極管334 的基極與NPN型三極管332的發(fā)射極相連；NPN型三極管336的集電極與NPN型三 極管332的發(fā)射極相連，NPN型三極管336的基極與NPN型三極管330的發(fā)射極相 連。
其中，電流源包括電流源314 (Ib)和電流源316 (Ib)。電流源314的輸入端與 NPN型三極管334的發(fā)射極相連，即輸出端306(Vop)，電流源314的輸出端接到地電 壓GND;電流源316的輸入端與NPN型三極管336的發(fā)射極相連，即輸出端308(Von)， 電流源316的輸出端接到地電壓GND。
其中，級(jí)間差分電抗元件包括電抗元件320和電抗元件318。電抗元件320的 一端與NPN型三極管330的發(fā)射極相連，電抗元件320的另一端接到NPN型三極管 332的發(fā)射極；電抗元件318的一端與NPN型三極管334的發(fā)射極相連，電抗元件318 的另一端接到輸出端308(Von)。
其中，同相前饋電抗元件包括電抗元件324和電抗元件322。電抗元件324的 一端接輸入端302 (Vip),電抗元件324的另一端接到輸出端308(Von);電抗元件322 的一端接輸入端304 (Vin)，電抗元件322的另一端接到輸出端306(Vop)。
在實(shí)際應(yīng)用中，級(jí)間差分電抗元件和同相前饋電抗元件都是電容。級(jí)間差分電抗 元件320的電容值為d/2，級(jí)間差分電抗元件318的電容值為C2/2。同相前饋電抗元
件324的電容值為C3，同相前饋電抗元件322的電容值為C4，并且<:3=(:4。另外，本實(shí)施還可以采用PNP型三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)雙二階單元，其實(shí)現(xiàn)方式與本實(shí)施 例完全相同，這里不再贅述。 實(shí)施例4
參見(jiàn)圖4，本實(shí)施例提供的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元采用CMOS 雙阱工藝實(shí)現(xiàn)折疊結(jié)構(gòu)雙二階單元。該雙二階單元400包括
差分輸入級(jí)，用于接收差分輸入信號(hào)；
內(nèi)部源極跟隨器級(jí)，用于接收差分輸入級(jí)的輸出信號(hào)；
電流源，用于提供零極點(diǎn)型高階濾波器的支路電流；
電流沉，用于提供零極點(diǎn)型高階濾波器的支路電流；
級(jí)間差分電抗元件，用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器的極點(diǎn)特性；
同相前饋電抗元件，用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器的零點(diǎn)特性。
其中，差分輸入級(jí)包括NMOS晶體管430 (Mn3)和NMOS晶體管432 (Mm)。 NMOS晶體管430的漏極接到電源電壓VDD上，NMOS晶體管430的柵極接輸入端 402 (Vip)， NMOS晶體管430的襯底接地電壓GND; NMOS晶體管432的漏極接到 電源電壓VDD上，NMOS晶體管432的柵極接輸入端404 (Vin)， NMOS晶體管432 的襯底接地電壓GND。
其中，內(nèi)部源極跟隨器級(jí)包括PMOS晶體管434 (MPl)和PMOS晶體管436 (Mp2)。 PMOS晶體管434的漏極與NMOS晶體管430的源極相連，PMOS晶體管 434的柵極與NMOS晶體管432的源極相連，PMOS晶體管434的襯底與自身的源極 相連，即輸出端406 (Vop); PMOS晶體管436的漏極與NMOS晶體管432的源極相 連，PMOS晶體管436的柵極與NMOS晶體管430的源極相連，PMOS晶體管436的 襯底與自身的源極相連，即輸出端408 (Von)。
其中，電流源包括電流源414 (2Ib)和電流源416 (2Ib)。電流源414的輸入端 與NMOS晶體管430的源極相連，電流源414的輸出端接到地電壓GND;電流源416 的輸入端與NMOS晶體管432的源極相連，電流源416的輸出端接到地電壓GND。
其中，電流沉包括電流沉440 (Ib)和電流沉442 (Ib)。電流沉440的輸入端與 電源電壓VDD相連，電流沉440的輸出端接到輸出端406 (Vop);電流沉442的輸入 端與電源電壓VDD相連，電流沉442的輸出端接到輸出端408 (Von)。
其中，級(jí)間差分電抗元件包括電抗元件420和電抗元件418。電抗元件420的 一端與輸出端406 (Vop)相連，電抗元件420的另一端與輸出端408 (Von)相連； 電抗元件418的一端與NMOS晶體管430的源極相連，電抗元件418的另一端與NMOS晶體管432的源極相連。
其中，同相前饋電抗元件包括電抗元件424和電抗元件422。電抗元件424的 一端接輸入端402 (Vip)，電抗元件424的另一端接到輸出端408(Von);電抗元件422 的一端接輸入端404 (Vin)，電抗元件422的另一端接到輸出端406(Vop)。
在實(shí)際應(yīng)用中，級(jí)間差分電抗元件和同相前饋電抗元件都是電容。級(jí)間差分電抗 元件420的電容值為C2/2，級(jí)間差分電抗元件418的電容值為CV2;同相前饋電抗元 件424的電容值為C3，同相前饋電抗元件422的電容值為C4，并且。3=(:4。
上述4個(gè)實(shí)施例采用了不同型號(hào)的晶體管或三極管實(shí)現(xiàn)了零極點(diǎn)型高階濾波器的 雙二階單元。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用的是CMOS雙阱工藝。由于NMOS晶體管的 襯底偏置效應(yīng)，使得實(shí)施例1的用全NMOS晶體管實(shí)現(xiàn)的雙二階單元存在增益損失， 而若采用全PMOS晶體管實(shí)現(xiàn)的雙二階單元，由于PMOS晶體管的襯底和自身源極相 連就不存在襯底偏置效應(yīng)，也就不存在增益損失，因此采用PMOS晶體管與自身源極 相連方式形成的雙二階單元有更好的效果。
采用SMIC (中芯國(guó)際集成電路制造有限公司)的CMOS 0.18pm混合信號(hào)工藝 (雙阱工藝)仿真實(shí)施例1實(shí)現(xiàn)的雙二階單元。圖5是用實(shí)施例1提供的雙二階單元 實(shí)現(xiàn)二階切比雪夫II型濾波器的傳輸函數(shù)曲線(xiàn)圖。該曲線(xiàn)圖的垂直坐標(biāo)軸和水平坐標(biāo) 軸分別表示以分貝(犯)為單位的幅度特性和相應(yīng)的頻率(Hz)。從該曲線(xiàn)可以看出 (1)該濾波器不但實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)因數(shù)(Q=1.56)的復(fù)數(shù)極點(diǎn)，而且在帶外還實(shí)現(xiàn)了 復(fù)數(shù)共軛零點(diǎn)，使得雙二階單元濾波器在帶外55MHz處衰減50dB; (2)全NM0S晶 體管實(shí)現(xiàn)的雙二階單元，由于NMOS晶體管的襯底偏置效應(yīng)，使得濾波器傳輸特性的 增益損失3.7dB。實(shí)際電路仿真結(jié)果與MATLAB建模的濾波特性相吻合(增益相差 3.7dB)。
采用SMIC的CMOS0.18pm混合信號(hào)工藝(雙阱工藝)仿真全PMOS晶體管的 雙二階單元。圖6是用全PMOS晶體管的雙二階單元實(shí)現(xiàn)二階切比雪夫II型濾波器的 傳輸函數(shù)曲線(xiàn)圖。該曲線(xiàn)圖的垂直坐標(biāo)軸和水平坐標(biāo)軸分別表示以分貝(dB)為單位 的幅度特性和相應(yīng)的頻率(Hz)。從該曲線(xiàn)圖可以看出(1)該濾波器不但實(shí)現(xiàn)了低 品質(zhì)因數(shù)(Q=0.56)的復(fù)數(shù)極點(diǎn)，而且還在帶外實(shí)現(xiàn)了復(fù)數(shù)共軛零點(diǎn)，使得雙二階單 元濾波器在帶外22MHz處衰減35dB; (2)全PMOS晶體管實(shí)現(xiàn)的雙二階單元由于 PMOS晶體管的襯底偏置效應(yīng)可以消除，因此該濾波器傳輸特性的增益損失很小，只 有0.3dB。實(shí)際電路仿真結(jié)果與MATLAB建模的濾波特性相吻合。
采用HJTC (和艦科技有限公司)的CMOS 0.18pm混合信號(hào)三阱工藝(NMOS晶體管可以單獨(dú)放在P阱中)仿真實(shí)施例1實(shí)現(xiàn)的雙二階單元。圖7是用實(shí)施例1提 供的雙二階單元實(shí)現(xiàn)二階橢圓型濾波器的傳輸函數(shù)曲線(xiàn)圖。該曲線(xiàn)圖的垂直坐標(biāo)軸和 水平坐標(biāo)軸分別表示以分貝(dB)為單位的幅度特性和相應(yīng)的頻率(Hz)。從該曲線(xiàn) 可以看出(1)不但實(shí)現(xiàn)高Q值(Q=3.16)的復(fù)數(shù)極點(diǎn)，而且在帶外實(shí)現(xiàn)了復(fù)數(shù)共 軛零點(diǎn)，使得雙二階單元濾波器在帶外51MHz處衰減48dB。 (2)圖1中實(shí)現(xiàn)的雙二
J價(jià)單元由于NMOS管可以單獨(dú)放在P阱中消除了襯底偏置效應(yīng)，因此，濾波器傳輸特 性的增益損失很小。實(shí)際電路仿真結(jié)果與MATLAB建模的濾波特性相吻合。
本發(fā)明實(shí)施例在傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)全極點(diǎn)型濾波器的雙二階單元基礎(chǔ)上，提出了用于實(shí) 現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，進(jìn)而完善采用級(jí)聯(lián)法設(shè)計(jì)高階不同類(lèi)型濾波器 所需要的雙二階單元。本發(fā)明實(shí)施例提供的雙二階單元采用理想單位增益的單支路全 差分的復(fù)合源極跟隨器，采用內(nèi)部源極跟隨器級(jí)形成正反饋綜合濾波器傳輸函數(shù)中的 兩個(gè)復(fù)數(shù)極點(diǎn)，采用同相前饋電抗元件綜合切比雪夫II或橢圓濾波器所要求的復(fù)數(shù)共
.軛零點(diǎn)，使得該雙二階單元在要求低功耗高線(xiàn)性度的射頻基帶模擬濾波器中具有一定 的實(shí)用價(jià)值。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在于，所述雙二階單元包括差分輸入級(jí)，用于接收差分輸入信號(hào)；內(nèi)部源極跟隨器級(jí)，用于接收所述差分輸入級(jí)的輸出信號(hào)；電流源，用于提供零極點(diǎn)型高階濾波器的支路電流；級(jí)間差分電抗元件，用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器的極點(diǎn)特性；同相前饋電抗元件，用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器的零點(diǎn)特性。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在于， 所述差分輸入級(jí)包括第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管和第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管；所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管 的漏極接到電源電壓上，所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極接第一輸入端，所述第一場(chǎng)效 應(yīng)晶體管的襯底接地電壓或者與自身的源極相連；所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極接到 電源電壓，所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極接第二輸入端，所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的襯 底接地電壓或者與自身的源極相連。
3. 如權(quán)利要求2所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在于， 所述內(nèi)部源極跟隨器級(jí)包括第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管和第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管；所述第三場(chǎng)效應(yīng) 晶體管的漏極與所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極與 所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的襯底接地電壓或者與自 身的源極相連；所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極與所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連， 所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極與所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第四場(chǎng)效應(yīng) 晶體管的襯底接地電壓或者與自身的源極相連。
4. 如權(quán)利要求3所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在于， 所述電流源包括第一電流源和第二電流源；所述第一電流源的輸入端與所述第三場(chǎng)效 應(yīng)晶體管的源極相連，所述第一電流源的輸出端接地電壓；所述第二電流源的輸入端 與所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第二電流源的輸出端接到地電壓。
5. 如權(quán)利要求4所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在于， 所述級(jí)間差分電抗元件包括第一電抗元件和第二電抗元件；所述第一電抗元件的一端 與所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第一電抗元件的另一端接到所述第二場(chǎng)效 應(yīng)晶體管的源極；所述第二電抗元件的一端與所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所 述第二電抗元件的另一端接到所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極。
6. 如權(quán)利要求5所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在于， 所述同相前饋電抗元件包括第三電抗元件和第四電抗元件；所述第三電抗元件的一端 接所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極，所述第三電抗元件的另一端接到所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶 體管的源極；所述第四電抗元件的一端接所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極，所述第四電 抗元件的另一端接到所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極。
7. 如權(quán)利要求1所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在于， 所述差分輸入級(jí)包括第一半導(dǎo)體三極管和第二半導(dǎo)體三極管；所述第一半導(dǎo)體三極管 的集電極接到電源電壓，所述第一半導(dǎo)體三極管的基極接第一輸入端；所述第二半導(dǎo) 體三極管的集電極接到電源電壓上，所述第二半導(dǎo)體三極管的基極接第二輸入端。
8. 如權(quán)利要求7所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在于， 所述內(nèi)部源極跟隨器級(jí)包括第三半導(dǎo)體三極管和第四半導(dǎo)體三極管；所述第三半導(dǎo)體 三極管的集電極與所述第一半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極相連，所述第三半導(dǎo)體三極管的基 極與所述第二半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極相連；所述第四半導(dǎo)體三極管的集電極與所述第 二半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極相連，所述第四半導(dǎo)體三極管的基極與所述第一半導(dǎo)體三極 管的發(fā)射極相連。..
9. 如權(quán)利要求8所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在于， 所述電流源包括第一電流源和第二電流源；所述第一電流源的輸入端與所述第三半導(dǎo) 體三極管的發(fā)射極相連，所述第一電流源的輸出端接到地電壓；所述第二電流源的輸 入端與所述第四半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極相連，所述第二電流源的輸出端接到地電壓。
10. 如權(quán)利要求9所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在 于，所述級(jí)間差分電抗元件包括第一電抗元件和第二電抗元件；所述第一電抗元件的 一端與所述第一半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極相連，所述第一電抗元件的另一端接到所述第 二半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極；所述第二電抗元件的一端與所述第三半導(dǎo)體三極管的發(fā)射 極相連，所述第二電抗元件的另一端接到所述第四半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極。
11. 如權(quán)利要求10所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在 于，所述同相前饋電抗元件包括第三電抗元件和第四電抗元件；所述第三電抗元件的 一端接第一輸入端，所述第三電抗元件的另一端接到所述第四半導(dǎo)體三極管的發(fā)射極; 所述第四電抗元件的一端接第二輸入端，所述第四電抗元件的另一端接到所述第三半 導(dǎo)體三極管的發(fā)射極。
12. 如權(quán)利要求1所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在 于，所述雙二階單元還包括電流沉；所述電流沉用于提供零極點(diǎn)型高階濾波器的支路電流。
13. 如權(quán)利要求12所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在 于，所述差分輸入級(jí)包括第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管和第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管；所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶 體管的漏極接到電源電壓上，所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極接第一輸入端，所述第一 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的襯底接地電壓；所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極接到電源電壓上，所述 第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極接第二輸入端，所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的襯底接地電壓。
14. 如權(quán)利要求13所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在 于，所述內(nèi)部源極跟隨器級(jí)包括第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管和第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管；所述第三場(chǎng) 效應(yīng)晶體管的漏極與所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵 極與所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的襯底與自身的源極 相連；所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極與所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第四 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極與所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的 襯底與自身的源極相連。
15. 如權(quán)利要求14所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在 于，所述電流源包括第一電流源和第二電流源；所述第一電流源的輸入端與所述第一 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第一電流源的輸出端接到地電壓；所述第二電流源的 輸入端與所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第二電流源的輸出端接到地電壓。
16. 如權(quán)利要求15所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在 于，所述電流沉包括第一電流沉和第二電流沉；所述第一電流沉的輸入端與電源電壓 相連，所述第一電流沉的輸出端接到所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極；所述第二電流沉 的輸入端與電源電壓相連，所述第二電流沉的輸出端接到所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源 極。
17. 如權(quán)利要求16所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在 于，所述級(jí)間差分電抗元件包括第一電抗元件和第二電抗元件；所述第一電抗元件 的一端與所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連，所述第一電抗元件的另一端與所述第四 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連；所述第二電抗元件的一端與所述第一場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極 相連，所述第二電抗元件的另一端與所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極相連。
18. 如權(quán)利要求17所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在 于，所述同相前饋電抗元件包括第三電抗元件和第四電抗元件；所述第三電抗元件的 一端接所述第一輸入端，所述第三電抗元件的另一端接到所述第四場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源 極；所述第四電抗元件的一端接所述第二輸入端，所述第四電抗元件的另一端接到所述第三場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極。
19.如權(quán)利要求1所述的用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，其特征在 于，所述級(jí)間差分電抗元件和同相前饋電抗元件都為電容；所述同相前饋電抗元件的 電容值都相等。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，屬于濾波器技術(shù)領(lǐng)域。所述雙二階單元包括差分輸入級(jí)，用于接收差分輸入信號(hào)；內(nèi)部源極跟隨器級(jí)，用于接收差分輸入級(jí)的輸出信號(hào)；電流源，用于提供零極點(diǎn)型高階濾波器的支路電流；級(jí)間差分電抗元件，用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器的極點(diǎn)特性；同相前饋電抗元件，用于確定零極點(diǎn)型高階濾波器的零點(diǎn)特性。本發(fā)明提出了用于實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)型高階濾波器的雙二階單元，進(jìn)而完善采用級(jí)聯(lián)法設(shè)計(jì)高階不同類(lèi)型濾波器所需要的雙二階單元，使得該雙二階單元在要求低功耗高線(xiàn)性度的射頻基帶模擬濾波器中具有一定的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)H03H11/04GK101425791SQ200810227119
公開(kāi)日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日
發(fā)明者周玉梅, 勇 陳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所