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由于在通信传输、信号处理、控制测量等领域中的广泛应用,连续时间有源滤波器一直是人们研究的热点问题。但国内在SoC领域中的模拟滤波器设计大都应用于较低频率,缺少自主成熟的宽带滤波解决方案,或者仍限于理论研究阶段,并未能广泛投入到工程实践中。本文的研究内容是高带宽的有源滤波器设计,通过与实际产品设计相结合,在一个填补国内高带宽滤波器设计领域的空缺。
本文用6阶Chebyshev(切比雪夫)滤波器实现了低通滤波功能,能满足通带带宽在50Mhz以上,为以太数据通过同轴电缆传输(EoC,Ethernet over Coax)系统提供了完整的滤波解决方案。EoC芯片的成功能促进基于同轴电缆的家庭以太网的组建,把电视和双向数据信号均在一根同轴电缆上传输,从而简化有线电视HFC(混合光纤同轴电缆网)网络的双向改造。此技术的成熟发展能向居民住宅和小型商务机构提供融合了数据和视频服务的综合服务,具有远大的市场前景。同时此滤波器在EoC产品当中的成功应用为国内的连续时间高带宽低通滤波器的设计与工程实践相结合提供借鉴意义。
本研究设计的滤波器是基于OTA-C结构,它仅仅使用OTA和电容就能满足传输函数的要求,取代了传统滤波器中的电阻,更加适合集成电路发展的趋势。OTA-C滤波器有着良好的高频特性和极强的电路综合能力,可以与MOS工艺兼容,成为了高带宽滤波器设计领域中的主要结构。研究了跨导运算放大器的电路实现,探讨了提高OTA线性范围的方法,给出了带源极负反馈电阻的跨导运算放大器和交叉耦合CMOS跨导运算放大器的设计方法和电路图,提供了仿真分析结果。随后介绍了二阶和高阶滤波器设计的方法和设计步骤,以6阶Chebyshev滤波器为例,验证表明OTA-C滤波器的功能和性能均满足EoC系统的要求。探讨了调谐的种类,给出了两种不同调谐方式,基于直接调谐的方法对6阶Chebyshev滤波器做出了改进。仿真结果表明滤波器的功能和性能指标如频率响应和线性度能达到要求。给出了OTA-C滤波器版图设计的注意事项,着重从线性度和差分电路的角度来讲述匹配的重要性以及版图设计当中可以参考借鉴的地方,最终把这些方面应用到滤波器设计当中。