物流在国民经济中的地位与作用

北方文i且大学学报1989年第13卷第1期(1)JOURNALOFNORTHERNJIAOTONGUNIVERSITYVol.13No.l(1)1989高频开关电容滤波器的设计与实现肖扬张世演〈通信与隆命IJ工程系〉捅要本文探讨了影响开关电容;忠边器(SCF)高频应用的主妥问遇，并介绍了解决这些问题实现高频SCF的儿种设计与实现的方法，同时指出了各种方法的优点与局fll性.最后，提出本课赳的研究皮底方向.关键词z开关屯容这;点器，高频应用.l引言开关电容滤披器是→个模拟取样系统，根据这→性质，它们在每个时钟相位都要经历瞬变过程.为了能在较高的时钟频率和信号频率下工作，要求这些瞬变必须快速稳定.但是，稳寇时间受运放的有限带宽和压摆率的限制，也受开关电容滤披器的MOS开关的传输栅非零导通电阻的限制，因而影响了其高频应用.自1981年以来，国外对高频开关电容拮植器的研究取得了一边的进展.iIC研究方向可概括为两类z一类是从改善目前常用的由通用运放所构成的SC积分器的高频特性入手，采用有源补偿、无源补偿和寄生电容不灵敏的设计等方法，提高SC积分器的工作频率.较为成功的是G.Ficher和G.S.Moschytz，用单位增益块对SC积分器进行相位和幅度补偿的方案3它可使信号频率提高到，1MHz[l\另一类是采用全差动高速积分器的方案，T.C.Choi等和D.B.Ribn町等分别成功地在260kHz和465kHz中频，实现了带通开关电容指战器[2，3j而K.Matsui等则实现了中心频率为4.3MHz的视频带通掠披器[]以上的高频开关电容it.旅器均是采用CMOS工艺实现集成化的.L.E.Larson和G.C.Temes等则另辟新径，提出采用呻化镇工艺实现高频开关电容施波器，他们研制出取样速率超过100MHz、截频为3.4MHz的视频开关电容低通滤波器[5]他们的研究克服了目前CMOS工艺对实现高频SCF的某些限制.我国在高频开关电容滤槐器方面的研究与国外差距较大.本文的初步探讨，希望是对我国远方面的研究起抛民引玉的作用.本文l[j(到目J~J1988-10-05292影响开关电容滤波器高频应用的主要问题及解决方法2.1运算放大器有~!唱革带宽的影响一般CMOS运放的单位增益带宽为110MHz，当SC积分器工作在100kHz以上的高频时，其运放的放大倍数将由105下降到102以下.这时的SC积分器将是非理想、有艳的，其结果使SC滤波器通带衰减增大、中心频率偏移.对于图1所示的寄生电容不灵敏的LDI积.分器，其传递函数亦受运放有限增益带宽的影响(6)假设运放带宽B与时钟频率fcñ芮足卡417'7去则有H(z)=--二.一一-亏一1+-'手l+~-Z-lflOflO其中Ao为运放的开环直流增益.(1)(2)γz←J寸4气〈斗fLY工11国1守主电:忘不灵敏的SC积分、器当SC滤i1t器的工作于高频时，相应的时钟频率fc也必须提高，为保持(1)式成立，运'放的带宽B也必须大于4fc以上，同时运放的开环直流增益Ao也必须很高，方可佳(2)式中Ao造成的误差很小.一般要求Ao注5000(3)为解快此问题，→是设计高边的宽频带高增益的运放3二是呆用有源补偿、无源补偿末实现SC积分器，具体方怯将在第3节中讨论.2.2MOS开关导通电阻的影响如果SC滤披器的时钟以尽可能高的速率工作，则MOS开关的有限导通电阻，将引起开关电容仅部分地充、放电，它对传递函数的幅度和相位特性都会产生影响(6)对于图1的SC积分器来说王三注10.LkTc_1T2fcKCRo町(4)(5)其中Tk=RC，为积分fit数，fc为11士也11频率R01l为开关导通rl!.阻.当(4)式条件训足|时，导i且IE!.阻对幅度和相位的影响可以忽略.在CMOS工艺上，采用增加MOS传输栅'HÏ宽的方陆，可将MOS开朵电阻做得非常2.3时钟馈通的影响在高频SCF中，nJ钊l颇丰高达几MHz以上，由于MOS开关本身的芯片面积较大，井存在棚·漏交i主电容，当把充ll!.时间常数减小到最低限度时，就增加了11士钊I信号愤入信号通道的电荷注入.这种较大的时钟脉冲馈通会减少运放的有效稳寇时间，井会降低rê，拥1'1)1制，在掠披器中产生较大的直流偏移口气此外还会引起取样电压误差[7J如何减小MOS开关产生的民主rl!.压?方陆一起减小H且也压的扭动部分，使之低于阔1直30电压1fT，以减小开关引起的误差电IEt815方法二是采用全差动SC积分器，利用运放的共模抑制比抑制时钟愤通.2.4运放噪声与KTIC噪声在sc积分器中，主要存在两种噪声，tln运放噪声与KTIC噪声.对于LUl积分器，其1噪声等效电路如图2所示，这里V~oρ为运放I噪声V~们与V~R2为开关1和开关2的导jffi.电阻产生的噪声KTV~刀、n=2KTRod=E7(6)其中K为班兹呈常数(1.37X10-2J;;OK)，.T为导通电阻的绝对温度(K),Ron为导通电阻，L1f为频宽，C，为开关电容C，这些噪声将使撞撞器输入信号幅庄'主到限制，在通带边界处使运放的增益特性几变坏.解诀的方沾z一是采用双相关取样技术，二是采用差动结构未抑i/iJ]噪声.这两种方沾将在第三节中介绍.2.5电源j主λ的影响[B]固2rLDI积分器的嗓卢手就屯珞实际的运算放大器，必须考虑血，据注人产生的影响7如图3所示z图3中的v;为零f且rt!.源注入使v。不为~v+(ω_'，v.-(ω)(7)OPSRR+(ω)-PSRR-(ω)其中FSRR为电视{抑制比γrl:!.ì京i主人的原因有三个-R::9l关IH钟即通，俨二是高频时电源抑制比降低;三是输入端的运算节点与电源间的寄生电容产生相合.提高电源抑制比的方法是(1)采用接地的稳压电源(2)采用衬底直tt~桐合(3)限制l时争11摆幅J(4)采用差动结构(5)用阱作隔离栅.因3i主社电源注入的手放电F各Vo以上讨论了SCF高频应m时必然会跑到的几个问题，在实际设计与实现自频SCFn.j,必须全面考虑如何解{k上边问题.3高频开关电容滤波器的设计与实现3.1电路结构在高烦时，SC网结的幅烦和l相顿特性对其有掘和l无源元fll:(:内容主颇为灵敏.因此，为了础保向归中国!JiÆfJI相烦特性不偏向设计要求，必须选Já低灵fi;{度的网络结构.SC跳捆型结构是对梯形无据LC网络的模拟，具有低灵敏度特性，且对任意低通、高通、带迪和带阻撞撞器均可进行SC跳相实现，故跳棉型结构常作为高频SC拮披器的结构.跳捆型SC始出器的基本组成为有比与无屁SC积分器.SC积分器从电路结抽上来说又31分为单端输入、单端输出与双端输入、双端输出(全差动〉型.单端输入、输出的sc积分器具有结构简单、元件少和易于实现的特点，但存在电源抑制比PSRR低、对输入噪声如时钟愤通、运放噪声、KT/C噪声抑制差的缺点.全差动SC积分器则可弥补其不足，且具有双端输出可以使用、减小运放电平漂移等优点，其缺点是内部连接较为复杂，指战器的输入、输出要进行单端变双端、双端变单端的转换问题.3.2高频SC积分器3.2.1单端高频scm、分器3.2.1.1有源补偿的SC积分器对图1的SC积分器使用单{主增益跟随器可实现有源补偿El1，如国4所示.固4(a)和(b)的积分器的传递函数为zH(z)=KZ土l+(l+K)/Ao-1-Z-1H(4)=KZ土1+1/Ao-1-Z-1在上两式中，当Ao很大时，此SC积分器接近理想情况下的sc积分器.(a)CCφlKC!I.r-才卜「YYEJThγ中LVn中2(~~'I~(b)国4有源补偿的SC积分器(8)(9)有源补偿还有其它形式，这里就不一一列出.有源补偿具有补偿特性显著的优点，但是根据第2节对运放的分析，它又引入了运放噪声、电源注入、运放失调电压、电流及功艳，为解决这些附加问题，使CMOS工艺设计E为复杂.3.2.1.2无源补偿的SC积分器无i原补偿不增加运放，因而不存在有源补偿出现的上述问题.对固1的SC积分器，亦可采用无源补偿，如图5所示[5]图5电路的频率响应函数可表示为H(ω)土-一一一--iLjωZ(1-m(ω)-je(ω)J(10)‘其中Z为积分器IY:JII.j问~~~;数，m(ω)为增益误差，()(ω)为相位误差.c:2，中zVoVo.(a)(b)国5元源补偿的SC积分器32将图5与罔1电路的频率响应i旦差函数一起歹1]于附表，以资比较.附麦z积分器m(ωÐ(ω〕因1-μ(1+去斗(笋ι)')μ笋气图5(11)-μ(1+去+去)μ去(含ωT+去y)图5(b)-μ(1+含)i./l'C~争失调电压土v0S士μv0S土μv0S由附表可见，经过无源补偿，图5的积分器比图1的职分器在相位误差和输入失调rl.1压方面，均有减小.另外还有三种改进的对有限增益不敏感的SC积分器53]，其对增益无源补偿效果较固5亘为显著.3.2.1.3单位增益SC积分器不论是有源补偿还是无源补偿，均需增加元件，这无疑会给CMOS工艺的实现上带来困难.本节给出的单位增益SC积分器，不需增加元件，采用电荷再分布自补偿原理，利用单位增益放大器频带宽、稳定性好的特点，实现高频SC积分器[9]白'7-1囡6的传递函数为H(Z)=:tLH.J'7-'1-Z-l图6的单位增益SC.积分器，可用作高频跳榈型SCF的基本电路单元-3.2.2全差动SC积分器(11)全差动电路可降低SC积分器对运放有限增益带宽的灵敏度，陆小时钟愤通、运放I噪声、KTlc噪声、电iW，注入等影响，减小I包容面积和增大动态范围，下面的电路是用于模拟LC梯形滤应器的全差动Sç积分器[10]3.2.2.1LDI变换全差动积分器其中(中z)中，中a国6单位增豆SC积分器图7的SC积分器的传递函数为v。一+-~-.!Vj-2C2γ主→γZ'-Z2,CzC2图7LDI全互动SC积分器(12)(13)LDI变换Sç积分器具有电路结构简单、元件少的优点，但是用它模拟LC梯形网络时，~.?的络网『，、书们在A于止口衣'A1』匕UA曰吨'-方CJSAUA叩LL口nUA付1的crmA-H甘付J哉2的6·nk自-hH油站'口dhH现用实分以脱很取b所积可确不可U为纪器柏术E础lj;1脱乱份刊要现也、三巳归川口在hJ'-L尸守，日川波叶以MU高VUST滤丰两制叫到现哪帧川纠d「LK却J却不们伊Ul门叫lalil:业生-R均收』CHCC钟性巴结L抑SS时似Z双拥取于的样近2用无对对8取的2采对它这图-hr、?←1·npu冒习缸片2日J''要较3实拟市的Vo_C1V;C2γ(14)因8;1主线性交换全王动SC积分器3.2.2.3有耗差动SC积分器在脱拟LC梯形地波器的双ttIi负载H士，需要m到有祀SC积分器.全主动有扭SC积分~~同土述差动积分器一样，实际上由单站}sc.m分器演变而来，其基本结构除对称性外，与单端结构相同，如图9所采.利用上述电路，我们就可对LC梯形拮披器进行模拟，进而实现全差动跳桐型高频SCp[2J.3.3现相关取样技术(DSS)在高频开关电容拙波器实现中，随着取j平时争11频率的大幅度提高，运放的建立时间相应减少，这给运放的稳;E工作带来影响.采用现相关取样(DSS)技术可以使运放的建立时间增加1倍，同时还可以减小时钟饰通、电源rld{j(ì:入的影响，以及减少由于采用低时钊I频率造成的LDI变换的误差.双相关取样的基本方法是，将原来的双相时节11改为与它的延迟相结合的4相时钟，如图10所示，基本rt!路如图11所示[IIJ原网络的基本扣扑结构保持不变，这样我们仍可沿用现有的开关电容滤波器设计方陆.(a)(b)因10(a)常全见两相Btt'y;(b)4;f同时钟J4因9有耗全五动SC积分器CyiVo国11;ll...相关取样SC积分器3.4高速运算抽大器的设计[12J由于全差动运算放大器比双端输入单端输出的运算放大器具有好得多的高频特性，因此目前用于实现高频SCF的放大器多属于全差动运放.D.B.Ribner所他用的跨导型共栅-共漏全差动运放，带宽为70MHz，压