线性相位Gm—C低通滤波器设计文献综述

 2022-10-18 23:29:46
  1. 文献综述：

滤波器于1972年被首次提出，它是一种频率选择的网络，可以滤除某些频率的信号而保留所需频率的信号，这种选频网络多用于滤除输入信号中特定频率的噪声而保留有用信号，以便后续电路对信号的精确处理。从滤波器的概念被提出至今已有一百多年，滤波器的理论和技术也得到了不断的发展以及完善[13]。

滤波器包括了无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器使用单纯的电阻，电感以及电容来搭构成滤波器网络，它不需要提供电源，装置由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，其具有结构简单、运行可靠性较高、费用较低等优点，应用很广泛。无源滤波器噪声低，线性度高，工作频率高，无源滤波器的缺点在于电感集成占用很大芯片面积，因此无源滤波器体积大，Q值小，当使用在集成电路中时，远不能达到系统的要求。有源滤波器由无源元件(R和C)和有源器件(集成运算放大器)组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽。使用于单芯片集成电路中时可以大大降低系统的成本[3]。因此在单芯片集成电路中，有源滤波器是最佳的选择。

因此，有源滤波器成为信号处理系统中一个必要的组成部分，经过多年的发展，技术比较成熟。滤波器在电路功能的区别上可以分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器以及全通滤波器；滤波器在具体的近似实现方法的区别下，可以分为巴特沃兹滤波器，贝塞尔滤波器，切比雪夫滤波器，椭圆滤波器等等类型，每种类型下的滤波器的性能不同，在对于不同的系统要求下，可以有针对性的选择所需要的滤波器类型。目前集成的连续时间滤波器主要包括有源RC、MOSFET-C和Gm-C这三种类型。

RC有源滤波器是由运算放大器、电阻、电容这些基本元件构成的，这些电阻有普通电阻或多晶硅电阻来实现。但是，这类滤波器对RC元件的变化比较敏感。一般来说，电路中会使用调谐电路来确定滤波器的截止频率。RC有源滤波器多用于低频应用中。由于运放非理想因素（有限输出阻抗和寄生零极点）的存在，使这种滤波器工作频率高时要求消耗较大的功率。目前全集成RC有源低通滤波器最高截止频率没有超过1GHz[6]。

MOSFET-C滤波器是由MOSFET、运放即电容C构成。MOSFET-C滤波器是有源RC的扩展，它是由基于有源RC滤波器得来的，它的电阻用工作在线性区的MOS管来实现，MOS管可以看作可变电阻，可以通过改变其栅压来对MOSFET-C滤波器进行调谐，从而弥补了RC有源滤波器不能连续调谐的缺点。MOSFET-C滤波器由于MOS电阻的绝对值不容易确定，滤波器中心频率误差太大。它的一个主要问题是失真问题，我们可以用一组晶体管来消除失真[6]。然而，即使采用了这样的措施，由于运算放大器带宽的限制，MOSFET-C滤波器的工作频率仍然很低，一般在100KHz以下，多用于音频范围。

Gm-C滤波器是由运算跨导放大器（OTA）与电容构成，即用一个跨导驱动一个电容就构成了一个Gm-C积分器。OTA是一种电压控制的电流输出器件，其输出电流与输入电压成正比，比例因子为跨导Gm。对于Gm-C滤波器来说，由于OTA工作在开环状态，频率使用范围只由OTA的增益带宽积决定，能做到很高频率。其缺点是精度不高，需要自适应电路校准滤波器的中心频率，另一个缺点是线性度差，噪声性能差。理想Gm-C滤波器是输入阻抗无穷大、输出阻抗无穷大、Gm值恒定。在使用范围上，Gm-C滤波器即适合于高频，目前全集成Gm-C滤波器最高截止频率可以达到甚至超过30GHz[5]。

参考文献：

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