本發(fā)明屬于濾波器領(lǐng)域，特別涉及一種用于多模Gm-C濾波器的寬調(diào)諧范圍的高線性度跨導(dǎo)放大器電路。

背景技術(shù)：

濾波器是消除噪聲，提取特征信息的系統(tǒng)。它使一部分頻率的信號分量(噪聲)大幅度衰減，使另一部分頻率的信號分量順利通過，從而實(shí)現(xiàn)濾除噪聲，提取目標(biāo)信息的作用。Gm-C濾波器工作在開環(huán)狀態(tài)，受到運(yùn)放的帶寬限制較小，對于低頻到高頻狀態(tài)均適用，成為了在無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)。由于不同的通信系統(tǒng)使用不同的信道帶寬，為了支持多標(biāo)準(zhǔn)通信，同時(shí)減小體積和降低成本，多模接收機(jī)得到了廣泛的研究和關(guān)注。多模濾波器作為多模接收機(jī)的關(guān)鍵組成部分，其性能好壞直接影響接收機(jī)的性能。由于Gm-C濾波器工作在開環(huán)狀態(tài)下，具有線性度差的嚴(yán)重不足。Gm-C濾波器的截止頻率與跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(OTA)的Gm值成正比，與電容值C成反比，其頻率的調(diào)節(jié)可以通過控制開關(guān)電容陣列或者可調(diào)OTA來實(shí)現(xiàn)。其中開關(guān)電容陣列實(shí)現(xiàn)的頻率調(diào)節(jié)屬于離散調(diào)節(jié)，同時(shí)由于開關(guān)與電容串聯(lián)，將會(huì)產(chǎn)生很大的寄生效應(yīng)。通過可調(diào)OTA實(shí)現(xiàn)的頻率調(diào)節(jié)屬于連續(xù)調(diào)節(jié)，但OTA在Gm調(diào)節(jié)過程中的線性度往往會(huì)變差。因此設(shè)計(jì)一個(gè)具有寬調(diào)節(jié)范圍，且在調(diào)節(jié)過程中維持高線性度的OTA成為了多模Gm-C濾波器設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)，為了抑制跨導(dǎo)放大器的非線性失真，提高其調(diào)節(jié)范圍，本發(fā)明提出一種用于多模Gm-C濾波器的寬調(diào)諧范圍的高線性度跨導(dǎo)放大器，該結(jié)構(gòu)的跨導(dǎo)放大器電路具有寬的調(diào)節(jié)范圍，且在調(diào)節(jié)過程中可以維持較高的線性度，提高了多模濾波器的動(dòng)態(tài)范圍，使其更具通用性。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種用于多模Gm-C濾波器的寬調(diào)諧范圍的高線性度跨導(dǎo)放大器，包括OTA電路，所述OTA電路包括輸入級、調(diào)節(jié)電路以及輸出級，所述OTA電路連接有一共模反饋電路。所述輸入級采用交叉耦合差分對結(jié)構(gòu)和源級負(fù)反饋結(jié)構(gòu)以優(yōu)化跨導(dǎo)放大器的線性度，所述調(diào)節(jié)電路采用分流器結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)放大器跨導(dǎo)值大范圍的調(diào)節(jié)，同時(shí)在調(diào)節(jié)過程中維持相同的輸入電壓擺幅；所述輸出級采用共源共柵結(jié)構(gòu)將輸出電流輸出，以提高跨導(dǎo)放大器的的輸出阻抗；所述共模反饋電路用來控制輸出信號的共模電平；所述輸入級包括8個(gè)NMOS管、2個(gè)PMOS管和一個(gè)電阻R；所述8個(gè)NMOS管分別記作NMOS管M1a、NMOS管M1b、NMOS管M2a、NMOS管M2b、NMOS管M3a、NMOS管M3b、NMOS管M4a和NMOS管M4b，所述2個(gè)PMOS管分別記作PMOS管M5a和PMOS管M5b；所述調(diào)節(jié)電路包括3個(gè)PMOS管分別記作PMOS管M10a、PMOS管M10b和PMOS管M11；所述輸出級包括4個(gè)NMOS管和4個(gè)PMOS管，其中，4個(gè)NMOS管分別記作NMOS管M6a、NMOS管M6b、NMOS管M7a和NMOS管M7b，4個(gè)PMOS管分別記作PMOS管M8a、PMOS管M8b、PMOS管M9a和PMOS管M9b；

上述輸入級、調(diào)節(jié)電路以及輸出級中各器件之間的連接關(guān)系如下：

PMOS管M5a、PMOS管M5b、PMOS管M9a和PMOS管M9b的源襯端以及PMOS管M8a、PMOS管M8b、PMOS管M10a、PMOS管M10b和PMOS管M11的襯端接電源電壓；

NMOS管M3a、NMOS管M3b、NMOS管M4a、NMOS管M4b、NMOS管M6a和NMOS管M6b的源襯端以及NMOS管M1a、NMOS管M1b、NMOS管M2a、NMOS管M2b、NMOS管M7a和NMOS管M7b的襯端接地；

NMOS管M1a和NMOS管M2a的柵端接入電壓V_in，作為OTA電路負(fù)的輸入端，NMOS管M1b和NMOS管M2b的柵端接入電壓V_ip，作為OTA電路正的輸入端；

NMOS管M3a、NMOS管M3b、NMOS管M4a和NMOS管M4b的柵端相連后接到偏置電壓V_b1；NMOS管M3a和NMOS管M3b的漏端與NMOS管M1a和NMOS管M1b的源端相連，NMOS管M4a的漏端與NMOS管M2a的源端相連，NMOS管M4b的漏端與NMOS管M2b的源端相連，電阻R連接在NMOS管M2a和NMOS管M2b的源端之間；

PMOS管M5a和PMOS管M5b的柵端相連后接到偏置電壓V_b3；PMOS管M10a和PMOS管M10b的柵端相連后接到調(diào)節(jié)電壓V_B，PMOS管M11柵端接入調(diào)節(jié)電壓V_A；PMOS管M10a的源端與PMOS管M5a、NMOS管M2a、PMOS管M11的漏端相連，PMOS管M11的源端與PMOS管M5b、NMOS管M2b、PMOS管M10b的漏端相連；

PMOS管M9a和PMOS管M9b的柵端相連后接到偏置電壓V_b3；PMOS管M8a和PMOS管M8b的柵端相連后接到偏置電壓V_b4；PMOS管M8a的源端同時(shí)與PMOS管M9a和PMOS管M10a的漏端相連，PMOS管M8b的源端同時(shí)與PMOS管M9b的漏端和PMOS管M10b的源端相連；

NMOS管M6a和NMOS管M6b的柵端相連后接在由所述共模反饋電路反饋的偏置電壓V_cm；

NMOS管M7a和NMOS管M7b的柵端相連后接到偏置電壓V_b2，NMOS管M7a的源端與NMOS管M6a的漏端相連，NMOS管M7b的源端與NMOS管M6b的漏端相連；NMOS管M7a的漏端與PMOS管M8a的漏端相連，作為OTA電路負(fù)的輸出端，NMOS管M7b的漏端與PMOS管M8b的漏端相連，作為OTA電路正的輸出端；

OTA電路的正負(fù)輸出端與所述共模反饋電路連接，所述共模反饋電路包括8個(gè)NMOS管和5個(gè)PMOS管，所述8個(gè)NMOS管分別記作NMOS管M12a、NMOS管M12b、NMOS管M13a、NMOS管M13b、NMOS管M14a、NMOS管M14b、NMOS管M18和NMOS管M19；所述5個(gè)PMOS管分別記作PMOS管M16a、PMOS管M16b、PMOS管M17a、PMOS管M17b和PMOS管M15；

PMOS管M17a、PMOS管M17b和PMOS管M15的源襯端以及PMOS管M16a和PMOS管M16b的襯端接電源電壓；

NMOS管M14a、NMOS管M14b和NMOS管M19的源襯端以及NMOS管M12a、NMOS管M12b、NMOS管M13a、NMOS管M13b和NMOS管M18的襯端接地；

NMOS管M12a的柵端接到OTA電路負(fù)的輸出端，作為共模反饋電路負(fù)的輸入端，NMOS管M12b的柵端接到OTA電路正的輸出端，作為共模反饋電路正的輸入端；

NMOS管M13a和NMOS管M13b柵端相連后，接到參考電壓V_ref，NMOS管M14a和NMOS管M14b柵端相連后接到偏置電壓V_b1，NMOS管M14a的漏端同時(shí)與NMOS管M12a、NMOS管M13a的源端相連，NMOS管M14b的漏端同時(shí)與NMOS管M12b和NMOS管M13b的源端相連；

PMOS管M15柵端和漏端相連，形成自偏置，且與NMOS管M13a和NMOS管M13b的漏端相連；PMOS管M16a和PMOS管M16b的柵端相連，接入偏置電壓V_b4；PMOS管M17a和PMOS管M17b柵端均與PMOS管M16a的漏端相連；PMOS管M17a的漏端與PMOS管M16a的源端相連，PMOS管M17b的漏端與PMOS管M16b的源端相連；

NMOS管M18的柵端接入偏置電壓V_b2，NMOS管M18的漏端與PMOS管M16b的漏端相連，NMOS管M19的漏端與NMOS管M18的源端相連，NMOS管M18的漏端接入到NMOS管M19的柵端，并作為反饋電壓反饋到跨導(dǎo)放大器的PMOS管M16a和PMOS管M16b的柵端。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明高線性度跨導(dǎo)放大器的結(jié)構(gòu)，具有寬的調(diào)節(jié)范圍，且在調(diào)節(jié)過程中具有較高的線性度，滿足了在多模濾波器中的應(yīng)用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明高線性度跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)的電路；

圖2是本發(fā)明中共模反饋電路；

圖3是現(xiàn)有技術(shù)中差分跨導(dǎo)運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對本發(fā)明進(jìn)行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。

本發(fā)明用于多模Gm-C濾波器的寬調(diào)諧范圍的高線性度跨導(dǎo)放大器，包括OTA電路(圖1)，所述OTA電路包括輸入級、調(diào)節(jié)電路以及輸出級，所述OTA電路連接有一共模反饋電路(圖2)。所述輸入級采用交叉耦合差分對結(jié)構(gòu)抑制三次諧波失真，采用源級負(fù)反饋結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步優(yōu)化跨導(dǎo)放大器的線性度。所述調(diào)節(jié)電路采用分流器結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)放大器跨導(dǎo)值大范圍的調(diào)節(jié)，同時(shí)在調(diào)節(jié)過程中維持相同的輸入電壓擺幅；所述輸出級采用共源共柵結(jié)構(gòu)將輸出電流輸出，以提高跨導(dǎo)放大器的的輸出阻抗；所述共模反饋電路用來控制輸出信號的共模電平。

所述輸入級包括8個(gè)NMOS管、2個(gè)PMOS管和一個(gè)電阻R；所述8個(gè)NMOS管分別記作NMOS管M1a、NMOS管M1b、NMOS管M2a、NMOS管M2b、NMOS管M3a、NMOS管M3b、NMOS管M4a和NMOS管M4b，所述2個(gè)PMOS管分別記作PMOS管M5a和PMOS管M5b。

所述調(diào)節(jié)電路包括3個(gè)PMOS管分別記作PMOS管M10a、PMOS管M10b和PMOS管M11。

所述輸出級包括4個(gè)NMOS管和4個(gè)PMOS管，其中，4個(gè)NMOS管分別記作NMOS管M6a、NMOS管M6b、NMOS管M7a和NMOS管M7b，4個(gè)PMOS管分別記作PMOS管M8a、PMOS管M8b、PMOS管M9a和PMOS管M9b。

上述輸入級、調(diào)節(jié)電路以及輸出級中各器件之間的連接關(guān)系如下：

PMOS管M5a、PMOS管M5b、PMOS管M9a和PMOS管M9b的源襯端以及PMOS管M8a、PMOS管M8b、PMOS管M10a、PMOS管M10b和PMOS管M11的襯端接電源電壓；

NMOS管M3a、NMOS管M3b、NMOS管M4a、NMOS管M4b、NMOS管M6a和NMOS管M6b的源襯端以及NMOS管M1a、NMOS管M1b、NMOS管M2a、NMOS管M2b、NMOS管M7a和NMOS管M7b的襯端接地；

NMOS管M1a和NMOS管M2a的柵端接入電壓V_in，作為OTA電路負(fù)的輸入端，NMOS管M1b和NMOS管M2b的柵端接入電壓V_ip，作為OTA電路正的輸入端；

NMOS管M3a、NMOS管M3b、NMOS管M4a和NMOS管M4b的柵端相連后接到偏置電壓V_b1；NMOS管M3a和NMOS管M3b的漏端與NMOS管M1a和NMOS管M1b的源端相連，NMOS管M4a的漏端與NMOS管M2a的源端相連，NMOS管M4b的漏端與NMOS管M2b的源端相連，電阻R連接在NMOS管M2a和NMOS管M2b的源端之間；

PMOS管M5a和PMOS管M5b的柵端相連后接到偏置電壓V_b3；PMOS管M10a和PMOS管M10b的柵端相連后接到調(diào)節(jié)電壓V_B，PMOS管M11柵端接入調(diào)節(jié)電壓V_A；PMOS管M10a的源端與PMOS管M5a、NMOS管M2a、PMOS管M11的漏端相連，PMOS管M11的源端與PMOS管M5b、NMOS管M2b、PMOS管M10b的漏端相連；

PMOS管M9a和PMOS管M9b的柵端相連后接到偏置電壓V_b3；PMOS管M8a和PMOS管M8b的柵端相連后接到偏置電壓V_b4；PMOS管M8a的源端同時(shí)與PMOS管M9a和PMOS管M10a的漏端相連，PMOS管M8b的源端同時(shí)與PMOS管M9b的漏端和PMOS管M10b的源端相連；

NMOS管M6a和NMOS管M6b的柵端相連后接在由所述共模反饋電路反饋的偏置電壓V_cm；

NMOS管M7a和NMOS管M7b的柵端相連后接到偏置電壓V_b2，NMOS管M7a的源端與NMOS管M6a的漏端相連，NMOS管M7b的源端與NMOS管M6b的漏端相連；NMOS管M7a的漏端與PMOS管M8a的漏端相連，作為OTA電路負(fù)的輸出端，NMOS管M7b的漏端與PMOS管M8b的漏端相連，作為OTA電路正的輸出端；

OTA電路的正負(fù)輸出端與所述共模反饋電路連接，所述共模反饋電路包括8個(gè)NMOS管和5個(gè)PMOS管，所述8個(gè)NMOS管分別記作NMOS管M12a、NMOS管M12b、NMOS管M13a、NMOS管M13b、NMOS管M14a、NMOS管M14b、NMOS管M18和NMOS管M19；所述5個(gè)PMOS管分別記作PMOS管M16a、PMOS管M16b、PMOS管M17a、PMOS管M17b和PMOS管M15；

PMOS管M17a、PMOS管M17b和PMOS管M15的源襯端以及PMOS管M16a和PMOS管M16b的襯端接電源電壓；

NMOS管M14a、NMOS管M14b和NMOS管M19的源襯端以及NMOS管M12a、NMOS管M12b、NMOS管M13a、NMOS管M13b和NMOS管M18的襯端接地；

NMOS管M12a的柵端接到OTA電路負(fù)的輸出端，作為共模反饋電路負(fù)的輸入端，NMOS管M12b的柵端接到OTA電路正的輸出端，作為共模反饋電路正的輸入端；

NMOS管M13a和NMOS管M13b柵端相連后，接到參考電壓V_ref，NMOS管M14a和NMOS管M14b柵端相連后接到偏置電壓V_b1，NMOS管M14a的漏端同時(shí)與NMOS管M12a、NMOS管M13a的源端相連，NMOS管M14b的漏端同時(shí)與NMOS管M12b和NMOS管M13b的源端相連；

PMOS管M15柵端和漏端相連，形成自偏置，且與NMOS管M13a和NMOS管M13b的漏端相連；PMOS管M16a和PMOS管M16b的柵端相連，接入偏置電壓V_b4；PMOS管M17a和PMOS管M17b柵端均與PMOS管M16a的漏端相連；PMOS管M17a的漏端與PMOS管M16a的源端相連，PMOS管M17b的漏端與PMOS管M16b的源端相連；

NMOS管M18的柵端接入偏置電壓V_b2，NMOS管M18的漏端與PMOS管M16b的漏端相連，NMOS管M19的漏端與NMOS管M18的源端相連，NMOS管M18的漏端接入到NMOS管M19的柵端，并作為反饋電壓反饋到跨導(dǎo)放大器的PMOS管M16a和PMOS管M16b的柵端。

本發(fā)明高線性度跨導(dǎo)放大器的工作原理分析如下：

傳統(tǒng)基本的差分跨導(dǎo)放大器如圖3所示，雖然不會(huì)產(chǎn)生偶次諧波，但卻存在著三次諧波失真項(xiàng)，其輸出電流可以表示為：

$i_{out}=i_1-i_2=\sqrt{4{\mathrm{KI}}_B}{v}_{in}\sqrt{1-\frac{{\mathrm{KV}}_{in}^2}{4I_B}}$

根據(jù)泰勒展開式得

$i_{out}=G_m{v}_{in}-\frac{{\mathrm{KG}}_m}{8I_B}{v}_{in}^3-\frac{K^2{G}_m}{128I_B^2}{v}_{in}^5$

其中，v_in＝v_i+-v_i-，為差分輸入電壓，I_B是流經(jīng)差分對管M1的電流，為了消除三次諧波失真項(xiàng)，本發(fā)明中采取交叉耦合結(jié)構(gòu)，輸出電流可以表示為

$i_{out}=i_{1,out}-i_{2,out}=(i_{1,DP2}+i_{2,DP1})-(i_{1,DP1}+i_{2,DP2})$

$=(G_{m2}-G_{m1})v_{in}-(\frac{K_2{G}_{m2}}{8I_{B2}}-\frac{K_1{G}_{m1}}{8I_{B1}})v_{in}^3-(\frac{K_2^2{G}_{m2}}{128I_{B2}^2}-\frac{K_1^2{G}_{m1}}{128I_{B1}^2})v_{in}^5.$

因此，當(dāng)即當(dāng)時(shí)，三次諧波失真項(xiàng)被消除。I_B1,I_B2由作為尾電流源的NMOS管M3a、M3b、M4a、M4b控制，其中M3a與M3b、M4a與M4b尺寸相同，相互匹配。

然而，由于受到深亞微米技術(shù)中的遷移率退化等非理性因素的影響，三階諧波失真項(xiàng)不能完全地消除。本發(fā)明提出的OTA進(jìn)一步采用源級負(fù)反饋技術(shù)以更好地提高線性度。如圖1所示，在差分對M2a和M2b之間增加了一個(gè)源級負(fù)反饋電阻R?？紤]到深亞微米工藝中遷移率退化的影響，MOS晶體管的漏電流可以表示為：

$i_D=\frac{K{(V_{GS}-V_{th})}^2}{1+\mathrm{\θ}(V_{GS}-V_{th})}$

其中，θ是取決于工藝的常數(shù)。該影響可以用一個(gè)源級串聯(lián)電阻代替，其阻值為R_θ＝θ/2K。于是，圖1的輸出電流可以表示為：

$i_{out}=i_{1,out}-i_{2,out}==(G_2-G_1)v_{in}-(\frac{K_2{G}_2}{8I_{B2}}-\frac{K_1{G}_1}{8I_{B1}})v_{in}^3-(\frac{K_2^2{G}_2}{128I_{B2}^2}-\frac{K_1^2{G}_1}{128I_{B1}^2})v_{in}^5$

其中，于是，當(dāng)三次諧波失真項(xiàng)可以消除。

本發(fā)明采取分流器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)值的調(diào)節(jié)，主要由PMOS管M10a、PMOS管M10b和PMOS管M11組成。PMOS管M10a、PMOS管M10b和PMOS管M11工作在線性區(qū)，等效為電阻R₁₀，R₁₁，因此，電流分配系數(shù)β＝R₁₁/(R₁₁+2R₁₀)。通過連續(xù)調(diào)節(jié)PMOS管M10a，PMOS管M10b和PMOS管M11的柵極電壓V_A，V_B，可以實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)值G_m的連續(xù)調(diào)節(jié)。為了保持PMOS管M10a，PMOS管M10b和PMOS管M11工作在線性區(qū)，調(diào)節(jié)電壓V_A，V_B需要小于V_M-V_thp，其中，V_M為PMOS管M5a和PMOS管M5b的漏端電壓。當(dāng)V_B＝V_Bmax，V_A＝V_Amin時(shí)，β最大，此時(shí)得到G_max；當(dāng)V_B＝V_Bmin，V_A＝V_Amax時(shí)，β最小，此時(shí)得到G_min。由于在G_m的調(diào)節(jié)過程中，不會(huì)改變跨導(dǎo)放大器的偏置電流，使得跨導(dǎo)放大器在調(diào)節(jié)過程中保持較高的線性度。

共模反饋電路將輸出共模電平穩(wěn)定在基準(zhǔn)電壓V_ref，其中NMOS管M14a和NMOS管M14b尺寸相同，相互匹配，構(gòu)成電流鏡。PMOS管M17a和PMOS管M17b尺寸相同，相互匹配，PMOS管M16a和PMOS管M16b尺寸相同，相互匹配，該4個(gè)PMOS管(PMOS管M17a、PMOS管M17b、PMOS管M16a和PMOS管M16b)構(gòu)成了共源共柵電流鏡。當(dāng)輸出電壓大于V_ref時(shí)，流經(jīng)PMOS管M16a的電流i_d,M16增大，通過電流鏡鏡像作用，使得流經(jīng)M18的漏電流i_d,M18增大，使得反饋到OTA的反饋電壓V_CM變大，i_cm變大。但是由于流經(jīng)PMOS管M8a和PMOS管M8b的電流不變，為了減小i_cm，輸出共模電平將變小，反之亦然，只有當(dāng)輸出電平等于參考電壓V_ref時(shí)，電路才達(dá)到平衡。

本發(fā)明跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)的總體框圖如圖1和圖2所示。在具體工作過程中，需要外界提供用于調(diào)節(jié)的V_A、V_B電壓和V_ref基準(zhǔn)電壓。在實(shí)際應(yīng)用到濾波器中時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)V_A、V_B的值，來實(shí)現(xiàn)濾波器頻點(diǎn)帶寬的調(diào)節(jié)。

盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。