SOI溫度補(bǔ)償效應(yīng)的全集成高線性度Gm－C濾波器設(shè)計(jì)

孫書龍，林　敏

(中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200050)

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SOI溫度補(bǔ)償效應(yīng)的全集成高線性度Gm－C濾波器設(shè)計(jì)

孫書龍，林敏

(中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200050)

摘要:為了補(bǔ)償溫度變化對濾波器頻率響應(yīng)造成的漂移，提出了一種全差分運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器采用電壓負(fù)反饋方式穩(wěn)定輸出共模電平，調(diào)節(jié)輸入對差分管襯底偏置來改變閾值電壓差，從而調(diào)節(jié)放大器的跨導(dǎo)來調(diào)整濾波器的截止頻率，實(shí)現(xiàn)了基于Gm－C結(jié)構(gòu)的三階Chebyshev低通濾波器，濾波器采用GSMC的0.13 μm SOI工藝，電源電壓1.2 V，6層金屬設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明，該濾波器通帶增益0 dB，－1 dB截止頻率8 MHz，38 MHz處增益衰減達(dá)到－35 dB，帶內(nèi)波動(dòng)0.5 dB，輸入為1 MHz，400 mV Vpp時(shí)，THD為－57 dB，功耗7 mW.在特殊環(huán)境具有明顯的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞:Gm－C濾波器;閾值漂移;襯底偏置;溫度補(bǔ)償

目前隨著信息行業(yè)的迅猛發(fā)展，相關(guān)的各種解決方案得到廣泛的研究，其中CMOS工藝具有成本，功耗和集成度方面的優(yōu)勢得到廣泛的應(yīng)用［1］，并且SOI CMOS工藝有源區(qū)面積小，寄生電容小，泄漏電流小，無閂鎖效應(yīng)，是全介質(zhì)隔離的，具有很多優(yōu)越的性能，尤其在抗輻射電路，耐高溫電路，亞微米及深亞微米電路VLSI，低壓低功耗電路及三維集成電路中具有廣泛的應(yīng)用。

集成連續(xù)時(shí)間濾波器包括有源RC濾波器，基于非線性MOS電阻實(shí)現(xiàn)的MOSFET-C濾波器，Gm－C濾波器，其中有源RC濾波器原理簡單，輸入動(dòng)態(tài)范圍大，但在高頻應(yīng)用時(shí)受到限制，原因是有源RC濾波器的本征帶寬小，用在高頻時(shí)功耗急劇增大，MOSFET-C濾波器通過引入了非線性的MOS電阻實(shí)現(xiàn)了頻率的精確可調(diào)，不過這個(gè)是以輸入動(dòng)態(tài)范圍降低為代價(jià)的，Gm－C濾波器使用開環(huán)跨導(dǎo)其作為有源器件，無需低阻輸出級，同時(shí)電感等效可以達(dá)到很好的高頻特性，同時(shí)可以通過對跨導(dǎo)值的精確調(diào)節(jié)可以達(dá)到理想的頻率特性，不足之處在于，開環(huán)工作的跨導(dǎo)器線性較差，降低了動(dòng)態(tài)范圍，研究一定的線性措施來增大Gm－C濾波器的輸入動(dòng)態(tài)范圍使之仍能滿足高頻需要是非常必要而且有意義的。傳統(tǒng)的Gm－C濾波器并沒有深入考慮溫度變化對濾波器性能帶來的影響，或者只是增加額外的電路來調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)的精度，基于文獻(xiàn)［4，13］采用的都是基于片上VCO頻率調(diào)諧電路，但這很難保證環(huán)形振蕩器起振，而且要求振蕩幅度要嚴(yán)格控制在跨導(dǎo)放大器的線性范圍內(nèi)，目前比較流行的有基于片上鎖相環(huán)方案，開關(guān)電容調(diào)節(jié)方案以及利用環(huán)路將Gm鎖定在一個(gè)預(yù)定電阻上［6］這些都需要額外的電路，增加了濾波器的復(fù)雜度和功耗?；谏鲜隹紤]，本文提出來一種在溫度變化引起頻響偏移時(shí)可以通過閾值的調(diào)節(jié)達(dá)到對溫度變化的補(bǔ)償方案。

1　Gm－C中浮地電感的等效

下面首先介紹一種等效有源浮地電感模型，如圖1所示。

圖1　等效有源浮地電感模型

根據(jù)基爾霍夫電流定理，

經(jīng)過化簡可得:

等效阻抗為:

即

可見此結(jié)構(gòu)的輸入輸出可等效的看成是一個(gè)差分的浮地電感，可以運(yùn)用這個(gè)原理將LC原型濾波器中的電感用這個(gè)結(jié)構(gòu)代替，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)只有OTA和電容C的濾波器。

2　全差分跨導(dǎo)運(yùn)算放大器

圖2　所設(shè)計(jì)的跨導(dǎo)放大器原理圖

圖2給出了所設(shè)計(jì)的跨導(dǎo)器原理圖，為了獲得一定的帶寬，整個(gè)跨導(dǎo)放大器采用一級結(jié)構(gòu)，這個(gè)濾波器不需要提供足夠的增益，該Gm－C濾波器采用采用全差分結(jié)構(gòu)，可以消除直流信號和偶次諧波分量，而且可以克服直流電壓漂移，為了降低襯底噪聲，晶體管的尺寸沒有采用最小值設(shè)計(jì)。圖中，M8～M10成電流源結(jié)構(gòu)，為放大器增益級和共模反饋(CMFF)提供直流偏置，為了擴(kuò)大放大器的帶寬，偏置電流需要適當(dāng)?shù)奶岣?，這也是寬帶放大器犧牲功耗為代價(jià)M5～M7，M13，M14，作為共模反饋網(wǎng)絡(luò)，采用這種方式的共模反饋網(wǎng)絡(luò)，一方面可以避免使用傳統(tǒng)的電阻反饋網(wǎng)絡(luò)帶來的芯片面積增大的消耗，又可以降低系統(tǒng)的噪聲。M5，M6的寬長比設(shè)為M7的一半，檢測放大器輸出級的共模電平，如果Voutp，Voutn的共模電平升高就會導(dǎo)致M7的漏極電壓升高從而降低了M11，M12的漏電流，放大器的輸出被穩(wěn)定在輸出預(yù)定值。M1、M2采用耐溫變效應(yīng)的SOI浮體MOS，M3、M4采用4端MOS。

對于圖3所示的差分交叉晶體管輸入級可以得到如下關(guān)系式:

基于此，本文針對兩端式同軌雙車運(yùn)行模式的貨位分配問題進(jìn)行研究，根據(jù)貨位優(yōu)先級確定待選貨位，建立適合該模式的貨位分配模型，運(yùn)用集成多目標(biāo)生物地理學(xué)優(yōu)化(Ensemble Multi-objective Biogeography-Based Optimization, EMBBO)算法優(yōu)化求解，從而提高大型工業(yè)立體倉庫的存儲效率及其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

式中:Vthf，Vtht分別是M1(M4)，M2(M3)的閾值電壓，Vtht受Vf調(diào)制

將式(5)～式(8)代入式(9)化簡后得到:

所以

圖3　差分交叉輸入級

由于溫度影響器件的參數(shù)和特性，尤其影響遷移率，閾值電壓和亞域特性，在300 K以上時(shí)，反型層內(nèi)的有效遷移率與溫度呈現(xiàn)T－2次方關(guān)系，為了得出溫度變化帶來的閾值漂移，首先考慮下面的關(guān)系式:

由于功函數(shù)差φms和固體氧化物電荷基本上和溫度無關(guān)，將上式對溫度微分:

式中:

式中:Eg0是T=0時(shí)的禁帶寬度，所以

從上式可以看出，在0 K以上時(shí)，隨著溫度升高閾值電壓會降低.給輸出跨導(dǎo)穩(wěn)定性造成很大的損失，要想讓跨導(dǎo)隨溫度變化保持不變或是變化幅度減小，直到可視為不變，需要設(shè)計(jì)額外的電路來補(bǔ)償，為了不提高電路的復(fù)雜度，盡量降低系統(tǒng)消耗的功耗，而且從調(diào)試便宜角度考慮，該放大器采用從M2，M3的體端引出一個(gè)額外的電極，這個(gè)電極由外加電源來控制。

對于M2，M3管，當(dāng)襯底施加了偏置電壓時(shí)，閾值電壓有所變化，式(17)給出了閾值電壓與襯底電壓的函數(shù)關(guān)系:

閾值電壓總的偏移量可以看做體源電壓不等時(shí)與相等時(shí)的偏移量，可以寫為:

從上式可以看出，隨著VBS正向增大，閾值電壓會減小，為了彌補(bǔ)溫度升高帶來的閾值漂移，VBS可以朝著相反的方向調(diào)節(jié)就可以讓濾波器的頻率響應(yīng)穩(wěn)定在設(shè)計(jì)指標(biāo)的位置上，可以更準(zhǔn)切的說，通過調(diào)節(jié)體電位來消除溫度偏移帶來的閾值變化，使運(yùn)放的跨導(dǎo)可以對溫度和體電位的偏微分綜合的結(jié)果等于零，這和設(shè)計(jì)帶隙基準(zhǔn)是同樣的道理，類似的補(bǔ)償原理可以運(yùn)用到其他設(shè)計(jì)的參考上。

圖4示出了浮體MOS與體MOS閾值電壓和溫度變化關(guān)系的曲線。從圖可以看出，在－50℃到100℃范圍內(nèi)浮體MOS管的閾值電壓可以看做維持在300 mV左右的穩(wěn)定值，圖中示出的是浮體MOS管閾值電壓的溫度特性曲線，這是在體偏壓設(shè)在750 mV時(shí)得到的，但這不影響設(shè)計(jì)的質(zhì)量，因?yàn)轶w電壓的變化帶來的只是體MOS管的特性變化，通過在Cadence仿真環(huán)境下的參數(shù)掃描得到曲線也證明了這一點(diǎn)。從圖中的曲線不難看出，體MOS閾值電壓隨著溫度的升高會下降，從圖4還可以看出，當(dāng)體MOS管的體電位從200 mV變化到1 V時(shí)閾值特性曲線，值得注意的時(shí)，體電位不可以無限的升高，否則會導(dǎo)致體源的正向二極管擊穿，所以這個(gè)電壓的上限是存在的，可以通過仿真和實(shí)際的測試來得到，當(dāng)然，在設(shè)計(jì)濾波器或者更準(zhǔn)確地說是跨導(dǎo)放大器時(shí)，留有200 mV～300 mV的余量是可以保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的，閾值電壓不僅是溫度的單調(diào)減函數(shù)，也是體電壓的單調(diào)減函數(shù)，并且在一定范圍內(nèi)是呈現(xiàn)線性相關(guān)的，這為設(shè)計(jì)放大器提供了方便，這樣為了彌補(bǔ)溫度特性帶來的性能損失，可以通過反向調(diào)整體MOS管的體電位來平衡。圖中所示給出了調(diào)節(jié)的原理和方法，Vf表示不同的體電位設(shè)置值，預(yù)期在0～1 V范圍內(nèi)變化。

圖5示出了在溫度為27℃時(shí)放大器的幅頻相頻響應(yīng)特性。這是4端MOS體電位在750 mV，負(fù)載電容5 pF時(shí)仿真得到的，可以看出放大器的直流增益4 dB，相位裕度93°，3 dB帶寬6.86 MHz，文中整個(gè)濾波器的架構(gòu)都采用完全相同的OTA結(jié)構(gòu).放大器的主要參數(shù)如表1所示。

圖4　浮體MOS和體MOS閾值電壓隨溫度變化曲線

圖5　OTA頻響曲線

表1　OTA主要參數(shù)

3　Gm－C濾波器設(shè)計(jì)

圖6　

圖6是用濾波器綜合工具得到的3階Chebyshev濾波器，電感經(jīng)過等效跨導(dǎo)和接地電容的替換就得到了圖6(b)所示的僅有OTA和電容C組成的Gm－C結(jié)構(gòu)，圖中，左邊3個(gè)并行OTA是作為輸入緩沖放大器使用的，可以通過并聯(lián)多個(gè)OTA達(dá)到增加輸出電流，獲得高增益的目的，可以通過推導(dǎo)得出，濾波器的品質(zhì)因數(shù)為［2］:

左邊第2個(gè)OTA和右邊第1個(gè)OTA用來作為等效的輸入輸出阻抗，在本文的設(shè)計(jì)中跨導(dǎo)器的跨導(dǎo)設(shè)在200 μs，即輸入輸出阻抗5 kΩ，中間4個(gè)OTA和之間的電容等效無源濾波器中的電感，通過仿真，兩條AC響應(yīng)曲線幾乎重合，出現(xiàn)的少許不一致主要是由于OTA基本模塊存在寄生電容和有限的輸入阻抗引起的［3］，限于篇幅，此處不再給出。

4　仿真結(jié)果

圖7示出了溫度在－50℃～60℃范圍內(nèi)，濾波器的頻響特性曲線，溫度在－50℃～30℃范圍內(nèi)，當(dāng)溫度偏低時(shí)，體MOS閾值電壓高于浮體MOS閾值電壓，濾波器截止頻率∝Gm，即∝|ΔVth|，所以濾波器的增益和截止頻率都會隨溫度的上升逐漸提高，通帶增益也增大，超過了一定范圍，截止頻率緩慢增加，通帶增益會降低，當(dāng)Gm增加到200 μS后，由于等效輸入輸出阻抗為1/Gm，截止頻率增加的同時(shí)會帶來增益的衰減，溫度在－30℃左右時(shí)，從圖9的曲線可以看出，|ΔVth|≈0，所以輸入輸出阻抗會非常大，造成局部的OTA輸入范圍超過了線性范圍，形成了失真，致使THD－溫度特性曲線在－30℃左右時(shí)有一個(gè)尖峰。圖8給出了濾波器在不同Vf值時(shí)頻率響應(yīng)的變換，通過調(diào)節(jié)Vf，可以補(bǔ)償溫度漂移帶來的頻率漂移。圖10表示的是Vf變化對THD的影響，本文預(yù)定的Vf= 750 mV，THD為－57 dB。表2總結(jié)了本文設(shè)計(jì)的濾波器與參考文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的濾波器的一些性能比較。

圖7　不同溫度下頻響曲線

圖8　不同Vf值對應(yīng)的頻率響應(yīng)

圖9　溫度對線性度的影響

圖10　受控電壓Vf對線性度的影響

表2　本文設(shè)計(jì)的濾波器與參考文獻(xiàn)中給出的濾波器的性能參數(shù)比較

表2中，文獻(xiàn)［13］給出的是一種基于片上VCO頻率調(diào)諧電路，當(dāng)濾波器截止頻率有少許偏離時(shí)，會改變負(fù)阻的大小，從而將截止頻率穩(wěn)定在期望數(shù)值，但很難保證環(huán)形振蕩器起振，頻率可調(diào)范圍很窄，而且要求震蕩幅度要嚴(yán)格控制在跨導(dǎo)放大器的線性范圍內(nèi)，同時(shí)由于溫度的變化會使電路的性能急劇惡化，文獻(xiàn)［13－14］中的Gm－C濾波器并沒有深入考慮這些因素對濾波器性能帶來的影響，并不適合對穩(wěn)定性要求高的場合。而本文深入研究了這一問題，同時(shí)Vf為受控電壓，增加了電路設(shè)計(jì)的自由度，性能經(jīng)過優(yōu)化，在環(huán)境惡劣的條件下具有明顯的優(yōu)勢。

5　結(jié)束語

本文提出了一種全差分運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器采用電壓負(fù)反饋方式穩(wěn)定輸入共模電平，調(diào)節(jié)輸入差分管相應(yīng)的襯底偏置改變輸入對的閾值電壓差，從而調(diào)節(jié)放大器的跨導(dǎo)來調(diào)整濾波器的截止頻率，這樣可以補(bǔ)償溫度變化對濾波器頻響造成的漂移。濾波器采用GSMC的0.13 μm SOI工藝，6層金屬設(shè)計(jì)，THD在400 mV pp時(shí)達(dá)到－57 dB，泄漏電流小，尤其在對抗輻射性能，穩(wěn)定性和線性度，功耗綜合要求比較高的場合，具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

［1］Wang Jiayi，Li Chen，Le Ye.Highly Linear OTA with 3rd-Order Nonlinearity Superposition Techniques for G_m-C Low-Pass Filter with 34dBm IIP3［C］//Proceedings of 2012 IEEE 11th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT－2012):30－32.

［2］Wei Chenjun，Yin Yadong.An ActiveImage Rejection Complex Filter Design［J］.Microelectronics and Computer，2014，31(1):149－155.

［3］Yu Guoyi，Zhong Jianfu，Zhang Le.Design of the New Highly Linenary OTA for Gm-C Filters［J］.Jounal of HuaZhong University:Natiral Sicence Edition，2013(4):61－64.

［4］Zhang Changhong，Zeng Longyue，Li Zhengping.Design of Low Power Gm-C Filter and It’s Tuning Circuit［J］.Microeletronics，2013，43(5):654－656.

［5］Li Zhijun，Zeng Yicheng.Realization of Linearly Tunable Fully Differential OTA［J］.Journal of Circuits and Systems，2013，18 (1):103－112.

［6］Zhang Hong，Zhao Tong，He Yu.An Image_Injection Complex Filter with Low Power Based on Transconductor-Capacitance Cell［J］.Journal of Xi’an Jiao Tong University，2013，47(8):81－86.

［7］Wang Xin，Cheng Tao，Liu Jie.A High Linearity Multi-Band and Gain Adjustable Channel-Select Filterfor TV-Tuner Application ［J］.Journal of Emiconductors，2013，34(9):54－58.

［8］Jiang Jinguang，He Yigang，Wu Jie.The Realization of Filter Employing Low Voltage，Highly Linear，Wide Inputing Range Gm-C ［J］.Journal of Curciuts and Systems，2001，6(3):38－40.

［9］Jiang Jinguang，He Yigang，Wu Jie.Realization of Fully Differential Fourth-Order Chebyshev Filter with Tunable Frequency［J］.Journal of Electronic and Information Technology，2004，26(5):801－806.

［10］Zhao Yu，Wu Sihan，Wu Hongjiang.Design of Active Gm-C Complex Bandpass Filter Based on OTA［J］.Semiconductor Technology，2008，33(4):343－345.

［11］Guo Guiliang，Mu Rongzeng，Du Zhankun.Design Od Gm-C Filter with An accurate constant-Gm-Cbiascircuit［J］.Journal of Jiangsu University，2011，32(1):71－74.

［12］Zhu Siqi，Yang Hongwen Yi Qing.A CMOS Elliptic Low-Pass Gm-C Filter with Automatic Tunning Scheme for CMMB［J］.Microelectronic and Computer，2009，26(1):106－108.

［13］Yao Jinke，Wu Ende，Chi Baoyong.A 4 MHz Gm-C Filter with On-Chip Frequency Automatic Tuning［J］.ACTA Electronica Sinica，2006，34(11):2077－2080.

［14］Yang Lijun，Gong Zheng，Shi Yin.A Low Power Baseband Gm-C with High Linearity［J］.Microelectronics，2012，42(2):234－237.

［15］Duan Chong，Li Weimin，Wen Wu.Design and Implementation of High Q Analog IF Bandpass Filter Based on Gm-C［J］.Microelectronocs and Computer，2012，29(8):75－77.

孫書龍(1988－)，男，2012年畢業(yè)西安電子科技大學(xué)，博士讀于中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，研究方向?yàn)榭馆椛浼呻娐?，無線局域網(wǎng)通信芯片設(shè)計(jì);

林　敏(1974－)，男，博導(dǎo)，中科院百人計(jì)劃，清華大學(xué)電子工程系畢業(yè)，研究方向?yàn)楦呖煽考呻娐吩O(shè)計(jì)。

Design of a Three Output Small-Power Switching Power-Supply Based on UC3842

WANG Xia1*，WANG Jinjun2
(1.College of Electrical and Control Engineering; Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2.College of Science，Shanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China)

Abstract:A switch converting 48 V to the +5 V，15 V switching power supply has been designed.UC3842 used as PWM controller; resistance，TL431 and linear photoelectric coupler components as a voltage sampling feedback circuit.The accuracy of main output voltage(+5 V DC@2A)is 0.5%，the ripple of voltage is 0.4%; the accuracy of auxiliary output voltage 1(+15 VDC@500 mA)is 2%(14.7 V)，the ripple of voltage is 0.13%; the accuracy of auxiliary output voltage 2(－15 V DC@500 mA)is 2%，the ripple of voltage is 0.33%.The switching power supply has high precision，small ripple，high efficiency and high reliable，which can be widely used in all kinds of small power conversion applications.

Key words:switching power-supply; UC3842; pulse width modulation; voltage precision

doi:EEACC:121010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.014

收稿日期:2014－08－15修改日期:2014－09－13

中圖分類號:TN4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0779－06