連續(xù)時間濾波器的新技術(shù)及其應(yīng)用

王文理，王 鵬

（河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002）

連續(xù)時間濾波器的新技術(shù)及其應(yīng)用

王文理，王 鵬

（河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002）

簡述連續(xù)時間濾波器的概況、現(xiàn)狀。介紹處于主導(dǎo)地位的幾種電流模式濾波器的組成、特點(diǎn)和典型應(yīng)用。針對濾波器性能改進(jìn)，介紹并討論幾種連續(xù)時間濾波器的新技術(shù)及應(yīng)用，最后展望連續(xù)時間濾波器的發(fā)展趨勢。

連續(xù)時間濾波器；電流模式；集成電路；跨導(dǎo)

連續(xù)時間濾波器處理時間和幅度都連續(xù)變化的信號，可通過元件參數(shù)變化達(dá)到改變?yōu)V波器性能的目的，而無需像數(shù)字濾波器那樣經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)，且功耗低。開關(guān)電容濾波器有時可替代分離和集成的連續(xù)時間濾波器，但需借助開關(guān)在離散時間內(nèi)采樣模擬信號，可能還會出現(xiàn)貫穿現(xiàn)象。因此，連續(xù)時間濾波器仍有其應(yīng)用領(lǐng)域，且連續(xù)時間濾波器正向系統(tǒng)高集成化、BICMOS技術(shù)和電流模式發(fā)展。這里針對濾波器的性能，介紹幾種連續(xù)時間濾波器的新技術(shù)及其應(yīng)用。

1 電流模式連續(xù)時間濾波器

電流模式具有頻帶寬、速度快、精度高、動態(tài)范圍大、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，因此采用電流模式設(shè)計(jì)連續(xù)時間濾波器已引起研究者關(guān)注。電流模式選用電流作為電路的信號變量，并通過處理電流信號控制電路。典型的電流模式連續(xù)時間濾波器具有多種類型，諸如：跨導(dǎo)電容濾波器、跨導(dǎo)放大器電容濾波器、電流傳送器濾波器、電流鏡濾波器、對數(shù)域?yàn)V波器等。

1.1 跨導(dǎo)電容濾波器（Gm-C濾波器）

跨導(dǎo)電容濾波器的基本元件是積分器，并包括1個跨導(dǎo)和1個電容或1對電容。跨導(dǎo)電容濾波器適合中高頻集成，可通過改變跨導(dǎo)值調(diào)控濾波器頻率特性。在部分相應(yīng)完全匹配的硬盤讀取通道應(yīng)用中使用7～50 MHz截止頻率和群延時的可編程70 mW濾波器[1]，具有脈沖成形和濾除噪聲等功能。

1.2 電流傳送器濾波器

電流傳送器是電流模式信號處理領(lǐng)域中的基本元件之一，由其構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)簡單，功率低。與相應(yīng)的運(yùn)算放大器相比，在更大帶寬下，它可提供更高的電壓增益。由第2代電流傳送器（CCII）構(gòu)成的基本積分器如圖1所示。

圖1 CCII構(gòu)成的積分器

該積分器的輸入-輸出關(guān)系為：

第2代電流傳送器是第1代電流傳送器 （CCI）的改進(jìn)型，它提高了電流傳輸器的靈活性。新的改進(jìn)技術(shù)包括：最佳的軌對軌低電壓CCII[2]、高性能低電壓自級聯(lián)CCII[3]等。

1.3 MOSFET-C濾波器

MOSFET-C濾波器是由有源RC濾波器發(fā)展而來的，該濾波器是由MOSFET、運(yùn)算放大器和電容組成，并利用MOS晶體管的非飽和區(qū)特性構(gòu)成壓控電阻取代常規(guī)電阻的全集成有源濾波器。它采用二氧化硅介質(zhì)的雙層多晶硅電容，與硅平面制作工藝完全兼容，便于集成，采用平衡對稱的電路結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是電阻集成占用芯片面積少，功耗低，噪聲小，對寄生電容不敏感，但由于使用運(yùn)算放大器，限制了工作頻率，通常僅用于音頻范圍。圖2為構(gòu)成濾波器的基本單元：MOSFET-C積分器。圖2中，該積分器輸入-輸出關(guān)系為：

圖2 MOSFET-C積分器

2 連續(xù)時間濾波器的新技術(shù)

連續(xù)時間濾波器具有高工作頻率、寬頻帶、良好的線性度、大的動態(tài)范圍和穩(wěn)定性等特性。隨著現(xiàn)代電路的發(fā)展，連續(xù)時間濾波器主要是以實(shí)現(xiàn)低電壓工作，高頻和特高頻中的高精度，消除寄生現(xiàn)象，擴(kuò)展動態(tài)范圍等方面發(fā)展。近年來出現(xiàn)許多新技術(shù)，以下將分別加以介紹。

2.1 擴(kuò)大動態(tài)范圍

影響濾波器動態(tài)范圍的主要因素有濾波器本身結(jié)構(gòu)和積分器的動態(tài)范圍。設(shè)計(jì)大動態(tài)范圍的濾波器，要求濾波器各積分器輸出信號能按比例縮放，使得各積分器輸出電平相等，這樣才能達(dá)到接近理想狀態(tài)的動態(tài)范圍。分治處理法[4]擴(kuò)大動態(tài)范圍的本質(zhì)就是把濾波器所需的動態(tài)范圍分解成一個個小范圍，并充分利用分離后每一個范圍內(nèi)的濾波器。這樣輸出端不會受干擾。采用分治處理法擴(kuò)大動態(tài)范圍的技術(shù)可使濾波器功率損耗降低，芯片面積減少。SNDR是描述動態(tài)范圍特征的量，一般來說濾波器的SNDR越小，其性能越好。

假設(shè)在濾波器中插入兩個增益分別為G和1/G的放大器，該結(jié)構(gòu)稱為原始系統(tǒng)，如圖3所示，其輸出端噪聲的有效值是未插入放大器時的1/G倍，輸入電平失真變成原來1/G倍 ，這樣，輸入輸出端相互抵消，總失真可以忽略不計(jì)，因此，調(diào)整G值可使SNDR的峰值跟蹤輸入電平一直保持最佳性能。而增益G隨時間變化而變化時，整個系統(tǒng)的線性時不變性質(zhì)消失，這樣當(dāng)增益變化時輸出端會產(chǎn)生失真。

圖3 原始系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4為改進(jìn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它嵌入N個同樣的原始系統(tǒng)，整個動態(tài)范圍由每一個濾波器單獨(dú)的動態(tài)范圍組成，這樣可擴(kuò)大動態(tài)范圍并減少失真，當(dāng)然N不能是無窮大。

圖4 改進(jìn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 新的硬盤驅(qū)動器讀取通道中的連續(xù)時間濾波器

目前已提出的在計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動器讀取通道中速率達(dá)到1 Gbit/s的650 MHz電流模式7階0.05°等漣波線性相位低通濾波器[5]使用CMOS技術(shù)和跳蛙式多環(huán)路反饋結(jié)構(gòu)，其運(yùn)算放大器是建立在差分對源級負(fù)反饋基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)線性化和可調(diào)諧。而使用電流模式可獲得更高的截止頻率。貝塞爾-托馬斯和0.05°等漣波線性相位近似值都可應(yīng)用于硬盤中，而適用后者的線性相位響應(yīng)的近似值要比前者更有效。

2.3 數(shù)字化可編程BICMOS連續(xù)時間濾波器

目前信號處理領(lǐng)域大多采用開關(guān)電容技術(shù)濾波器，但其運(yùn)算放大器限制最高工作頻率，還需浮動線性電容，這樣則增加處理的復(fù)雜性。因此，可編程的連續(xù)時間濾波器得到更多關(guān)注，比如可編程BICMOS跨導(dǎo)電容濾波器[6]、陣列電容和可編程跨導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的可編程跨導(dǎo)電容濾波器[7]。數(shù)字化可編程BICMOS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器是由簡單和經(jīng)典的跨導(dǎo)放大器陣列組成[8]，由該放大器構(gòu)成的濾波器具有Two-Thomas雙極性結(jié)構(gòu)，采用0.8 μm BICMOS技術(shù)的晶體管，供電電壓±2.5 V，并且中心頻率Wo、品質(zhì)因素Q、帶寬BW以及增益G等所有參數(shù)都實(shí)現(xiàn)數(shù)字化編程控制。

2.4 高性能的低頻濾波器

高性能超低頻濾波器廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)儀器、抗震等領(lǐng)域。低頻領(lǐng)域中對諸如帶內(nèi)平坦度、帶外衰減、過渡帶寬度等濾波器特性參數(shù)要求較高，大多采用高階有源濾波器。對于心電圖，心房脈沖產(chǎn)生器和其他設(shè)備的截止頻率在1～100 Hz范圍內(nèi)，所處理的信號都在100 μV～100 mV范圍內(nèi)。比如一個帶寬為1 Hz的6階濾波器[9]，工作電壓±1.5 V，噪聲信號只有250 μV，功耗為 30 μW，動態(tài)范圍為 58 dB。 由于硅區(qū)限制，寄生電容限制在50 pF之內(nèi)。

3 連續(xù)時間濾波器的應(yīng)用

連續(xù)時間濾波器的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。國外已有采用隨機(jī)邏輯技術(shù)的連續(xù)時間濾波器[10]，適用于嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)模擬信息的數(shù)字化。其他應(yīng)用還包括：全集成使用0.13 μm CMOS技術(shù)10 Gb/s帶有自適應(yīng)光學(xué)差量均衡器的接收器[11]、在逆連續(xù)小波轉(zhuǎn)化技術(shù)（ICWT）中的帶通濾波器[12]，能夠在規(guī)定時間內(nèi)提取所需的頻率信號?？删幊踢B續(xù)時間濾波器用于變壓器脈沖測試，分析脈沖測試中的錯誤[13]。國內(nèi)也已經(jīng)開始可編程連續(xù)時間濾波器應(yīng)用開發(fā)，彭良玉[14]設(shè)計(jì)的應(yīng)用于助聽器的連續(xù)時間濾波器，使用電流控制傳送器（CCCII）構(gòu)成雙二階濾波器。另外Maxim公司推出的MAX274單片集成有源濾波器已在通信系統(tǒng)、電力參數(shù)測量[15-17]等領(lǐng)域普遍使用。

4 連續(xù)時間濾波器前景展望

隨著VLSI技術(shù)和單片技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)時間濾波器要求集成度高，工作電壓低，功耗小，而工作頻率適用范圍寬泛。隨著新的連續(xù)時間濾波器技術(shù)的發(fā)展，其各種性能指標(biāo)不斷提高。有DSP等技術(shù)的可編程連續(xù)時間濾波器的應(yīng)用廣泛。

5 結(jié)束語

連續(xù)時間濾波器在尖端醫(yī)療設(shè)備，電器、通信和信號處理等領(lǐng)域應(yīng)用空間仍很大，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人造衛(wèi)星以及航天技術(shù)方面也廣泛應(yīng)用連續(xù)時間濾波器。電流模式濾波器以其特有優(yōu)勢使連續(xù)時間濾波器對科技發(fā)展具有重要影響。

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New technologies of continuous-time filters and their application

WANG Wen-li，WANG peng
（College of Electronic and Information Engineering，Hebei University，Baoding071002，China）

The overview and the current situation of continuous-time filter are explained.The components，characters and typical applications of several kinds of current-mode filters which are on the dominant position are introduced.For the improvement of the filter performance，a number of new technologies of continuous-time filters and their applications are introduced and discussed.Finally，this paper prospects the development trend of continuous-time filter.

continuous-time filter； current-mode； integrated circuit； transconductance

TN713

A

1674－6236（2010）01-0110-03

2009-07-16 稿件編號：200907052

王文理（1955—），男，河北滄州人，教授。研究方向：電力通信設(shè)備。