基于超级源跟随的超低功耗可变增益滤波器文献综述

 2023-08-07 05:08

文献综述(或调研报告):

在无线通信系统中,片上连续时间滤波器的性能直接影响到整个接收系统的动态特性。这类嵌入在接收器中的连续时间滤波器的主要性能指标有四个:①频率响应,包括通带纹波、阻带衰减等;②动态范围,包括噪声和线性度;③功耗;④有源面积。目前一般的连续时间滤波器,主要类型有三种:Active-RC滤波器,MOSFET-C滤波器和跨导(Gm-C)滤波器。它们一般都用MOS或BiCMOS技术以及双极型晶体管来实现。

Active-RC[1]源滤波器是由运算放大器、电阻、电容这些基本元件构成的。在集成电路中,这些电阻由普通的电阻或多晶硅来实现。Active-RC滤波器具有较好的线性度和较大的动态范围,但要求运放带宽较大,这将增大电路功耗,而且通过开关电容或电阻不能精确调整频率特性,因而限制了其应用。

MOSFET-C[2]滤波器是用工作在线性区的 MOS管代替电阻,是 Active-RC 的扩展,以牺牲线性度和动态范围为代价来实现频率特性的精确调整,失真严重,功耗也和 Active-RC 相当。

跨导Gm-C[3]~[8]滤波器使用开环工作的跨导器作为有源元件,无须低阻输出级,所设计滤波器带宽可达跨导器整个单位增益带宽而且频率连续可调,所需功耗也最小。同时,通过对跨导器跨导值的精确调整可实现高精度的传输特性。然而Gm-C滤波器的线性度较差。Gm-C滤波器被普遍应用于高频领域,范围可能从几兆赫兹到几百兆赫兹。

随着微电子学的研究不断发展,射频前端芯片的高集成度和低功耗设计要求不断提高,具体到本课题,功耗要求为0.4mW,最低电源电压要求为0.9V等,传统的滤波器由于受限于线性度和功耗之间的制约关系,很难满足这些要求。由Stefano Drsquo;Amico等人提出的用于连续时间滤波器设计的基于源极跟随器的双二阶单元[9]是一项革新技术,本课题综述部分将对该技术进行调研。

众所周知,源极跟随器结构使用内部反馈环路,该环路在减小输入MOS管过驱动电压的同时增加了线性范围。此功能与前面所说的滤波技术正好相反,之前的都需要较大的过驱动电压才能获得较大的线性度,结果就是对于驱动一个给定的跨导,需要增加电流(和功率)水平。相反,该双二阶单元结构在降低过驱动电压和电流水平的同时改善了线性度,因此降低了功耗。

Figure 基于源极跟随器的二阶单元

为了实现反向信号路径,S Drsquo;Amico等人设计了一种交叉耦合伪差分的拓扑结构,该结构具有一下优势:首先,由于局部反馈的存在,它具有良好的线性。与其他任何反馈结构一样,其线性度会随着较大的闭环增益而提高,对于源跟随器而言,其增益由Gloop=gm/(gds gdo)给出。这意味着较大的跨导(gm)值会导致较大的环路增益,且具有更好的线性度。这个基本结论与其他传统滤波器完全不同,后者以提高Vov,以及更大的电流和功耗为代价来提高线性度。打破Vov与线性度之间的相互抑制关系会立即对电源性能产生很大影响。对于相同的线性水平,这可以节省大量功率。以上概念对应于以下事实:源极跟随器直接在电压域中处理信号,而不必将其转换为电流,然后再转换回电压,这样可以增加线性范围,此外,该单元还具有其他更多的优势,导致电流消耗减少。例如,不存在电路寄生极。实际上,每个电路节点对应于该单元传递函数中的极点。因此,不需要额外的电流来将寄生极推至更高的频率。作为共模反馈电路,输出共模电压由晶体管的VGS自偏置,而无需添加任何额外电路。最后,源极跟随器可以驱动电阻性负载,而不会显著改变其线性性能和极点频率。

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