基于深亚微米CMOS技术的OTA-C滤波器设计

摘要

进入21世纪以来，伴随着超大规模集成电路技术(VLSI)的进步以及电子系统集成化趋势的迫切需求，低电压、低功耗的CMOS模拟电路与电流模式电路由于具有诸多的优点而成为现代超大规模集成电路技术理论工作者和设计工程师所关注的热点。而模拟集成滤波器作为模拟集成电路系统的重要组成单元，其电路设计与综合技术对于研究大规模集成电路设计方法具有重要的参考价值和实际应用价值。 OTA(Operational-Transconductance-Amplitier，跨导运算放大器)是一种电流模式电路，由它和电容构成的OTA-C (跨导电容)集成滤波器由于工作频率高、电路简单、适于集成和参数可以电调节的优点而成为近年来研究的热点。对于OTA-C 滤波器的设计，国内相关文献报道不是很多，而且大多数都是基于单端输出OTA器件进行探讨，对于全差分OTA-C滤波器设计的文献相对较少，特别是在深亚微米工艺阶段。另外，对于模拟IC设计，目前业界广泛使用的CadenceSpectre 软件功能强大，但是其对于硬件的支持要求较高，对普通的高校研究和个大学习来说有时不容易得到，而 OrCAD/PSpice 软件是另一款功能强大的能在个人PC机上运行的。EDA工具，但由于其在IC设计领域的器件库有限，限制了它在IC设计领域的应用。 本文既是针对以上问题，在OrCAD软件平台中，通过建立自己的MOS 器件高级模型，研究基于深亚微米CMOS技术的全差分OTA-C集成连续时间滤波器的设计。文章首先提出了在OrCAD中建立MOS器件高级模型的方法，并成功建立了台积电(TSMC)0.18um MOS 器件模型，然后在对传统OTA的不足进行分析的基础上，论述了提高OTA线性度的思想，结合两种OTA结构的优点，详细的推导了一种高线性度、宽频带的全差分OTA结构，并且用自建的MOS模型成功设计出具体电路。最后，对OTA-C滤波器设计的三种方法进行了探讨，分析了由OTA构成的有源器件以及级联设计中用到的差分OTA一、二阶滤波单元，重点分析了由全差分OTA构成的多环反馈结构，讨论了采用IFLF(inverse follow-the-leader-feedback)结构设计OTA-C滤波器的原因，利用自设计的OTA实现了一个基于IFLF结构的10阶巴特沃斯低通滤波器，并达到设计要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第一节滤波器设计技术概述

第二节模拟集成滤波器的实现种类

第三节模拟集成OTA-C滤波器设计遇到的问题

第四节深亚微米工艺下模拟集成OTA-C滤波器设计的挑战

第五节本文所做的工作

第二章深亚微米MOS器件高级模型的建立

第一节MOS器件工作原理

第二节深亚微米MOS器件的SPICE模型

2.2.1 MOS器件的三种经典SPICE低级模型

2.2.2 BSIM SPICE高级模型

2.2.3 BSIM2 SPICE高级模型

2.2.4 BSIM3 SPICE高级模型

第三节OrCAD中的深亚微米MOS器件建模

2.3.1 OrCAD软件简介

2.3.2基于OrCAD的MOS器件建模方法

2.3.3自建模型与经典模型的对比

第四节小结

第三章深亚微米CMOS全差分OTA的设计与实现

第一节跨导运算放大器的特点及模型

3.1.1跨导运算放大器的特点及应用

3.1.2理想跨导运算放大器的模型

第二节传统OTA的缺陷及提高OTA线性度的方法

3.2.1基本源耦差分对OTA的缺陷

3.2.2提高OTA线性度的方法

3.2.3双晶体管平方电路

3.2.3单向差分非线性补偿电路

3.2.4非对称源耦对

第三节两种改进型全差分OTA优劣分析

3.3.1 OTA-1

3.3.2 OTA-2

第四节基于深亚微米工艺的高线性度、宽频带CMOS OTA设计

3.4.1结合OTA-1和OTA-2优点的一种OTA的拓补结构

3.4.2详细的理论推导

3.4.3电流镜设计

3.4.4共模反馈电路设计

3.4.5完整电路及电路参数

第五节电路性能测试

3.5.1大信号输入特性

3.5.2跨导频率特性

3.5.3控制电流与跨导gm的关系

第六节小结

第四章基于IFLF的深亚微米高阶OTA-C滤波器设计

第一节OTA-C连续时间滤波器设计方法

4.1.1间接模拟设计方法

4.1.2级联法

4.1.3多环反馈法

第二节组成滤波器的OTA应用单元电路

4.2.1模拟电阻和模拟电感

4.2.2全差分OTA构成的加法器和积分器

第三节梯形LC网络设计法分析

第四节级联方法分析

4.3.1差分OTA一阶滤波器

4.3.2差分OTA二阶滤波器

第五节多环反馈法实现IFLF结构的OTA-C滤波器

4.4.1基于多环反馈法的OTA-C滤波器的设计原理

4.4.2 IFLF高阶OTA-C滤波器结构

4.4.3仿真验证

第五节小结

第五章结束语

参考文献

致谢

附录

个人简历