一種基於共源極正反饋的雙二階單元的製作方法
2023-06-27 11:12:06
專利名稱：一種基於共源極正反饋的雙二階單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及模擬濾波器設計技術領域，尤其涉及一種基於共源極正反饋的雙二階 單元，主要應用在採用級聯法設計的高階模擬濾波器中。
背景技術：
濾波器的概念最早是由美國的G. Campbell和德國的K. Wagner於1915年首先提 出的。時至今日，濾波器的理論和技術不斷改進創新。濾波其實是一種選頻過程，濾波器是 一種對輸入信號進行特定頻率處理從而得到希望輸出信號的選頻網絡。根據輸入信號時域 特點，濾波器可以分為模擬濾波器和數字濾波器。由於模擬濾波器具有處理速度快、電路結 構簡單、功耗小等突出特點，使其在各種電子設備中有著廣泛的應用。近些年來，隨著無線通信技術的飛速發展和CMOS工藝技術的不斷進步，實現無線 通信收發機和數字基帶電路系統單晶片的集成是未來發展的必然趨勢。模擬濾波器的片上 集成是片上系統發展中需要解決的問題。1983年，Hanu和Tsividis提出了全集成MOSFET 和電容的有源濾波器，揭開了全集成連續時間濾波器發展的序幕。2000年以來，隨著電路技 術不斷進步，提出了一些新穎濾波器結構，解決傳統濾波器結構的技術問題，實質性地推動 濾波器設計技術的進步。比如Active-Gm-RC濾波器實現了低功耗閉環特性；基於源極跟隨 器(source-follower-based)濾波器打破了傳統有源濾波器設計結構，實現了低功耗高線 性度；current-driven-based濾波器在帶內增加零點將帶內噪聲推移到帶外。在無線通信系統中，片上中頻連續時間濾波器的性能直接影響整個接收系統的動 態特性。片上中頻連續時間濾波器的主要性能指標有四個1)頻率響應，包括通帶紋波，阻 帶衰減等；幻無雜散動態範圍(spurious freedynamic range, SFDR)，包括噪聲和線性度； 3)功耗；4)有源面積。帶外SFDR用來衡量整個接收系統抗帶外幹擾的能力。帶外SFDR可 以表示為
2SFDR_out=-· (IIP3 — out - Noi_in)( 1 )其中，Noi_in表示與輸入有關的噪聲，IIP3_out表示濾波器帶外的線性度。提高 帶外線性度可以有效抑制濾波器帶外強幹擾。帶內的積分噪聲是由濾波器的總電容決定。 在提高帶外SFDR的傳統方法中，帶內的積分噪聲和帶外線性度是折中關係。
發明內容
(一)要解決的技術問題有鑑於此，本發明的主要目的在於提出一種基於共源極正反饋的雙二階單元，採 用共源極正反饋形成雙二階單元，用於級聯設計方法實現高階模擬濾波器，實現低帶內的 積分噪聲和高帶外線性度，打破了帶內的積分噪聲和帶外線性度是折中關係，進而提高了 帶外SFDR。( 二)技術方案
為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案如下一種基於共源極正反饋的雙二階單元，包括一第一級電流積分器，包括兩個NMOS電晶體和一個電容，接收輸入電流信號給電 容充電，提供輸出電流信號，形成第一級電流積分器；一第二級電流積分器，包括兩個NMOS電晶體和一個電容，接收第一級電流積分器 輸出的電流信號給電容充電，提供輸出電流信號，形成第二級電流積分器；一反饋單元，包括兩個PMOS電晶體和兩個NMOS電晶體，用於與第一級電流積分器 和第二級電流積分器一起綜合複數極點；以及一電流源，提供該雙二階單元的支路電流。上述方案中，所述第一級電流積分器包括NMOS管Mla，該管的柵極標記為n7，漏極標記為n3，源極標記為nl，襯底接地電壓 GND ；NMOS管Mlb，該管的柵極標記為n8，漏極標記為n4，源極標記為η2，襯底接地電壓 GND ；以及電容C1/2，一端接nl，另一端接η2。上述方案中，所述第二級電流積分器包括NMOS管M2a，該管的柵極標記為Vbp，漏極標記為n5，源極接n3，襯底接地電壓 GND ；NMOS管M2b，該管的柵極標記為Vbp，漏極標記為n6，源極接n2，襯底接地電壓 GND ；以及電容C2/2，一端接η3，另一端接η4。上述方案中，所述反饋單元包括PMOS管M3a，該管的柵極接n3，漏極接n7，源極和襯底接電源電壓VDD ；PMOS管M3b，該管的柵極接n4，漏極接n8，源極和襯底接電源電壓VDD ；NMOS管M4a，該管的柵極接n7，漏極接n7，源極和襯底接地電壓GND ；以及NMOS管M4b，該管的柵極接n8，漏極接n8，源極和襯底接地電壓GND。上述方案中，所述電流源包括電流源Ibla，正端接nl，負端接地電壓GND ；電流源Iblb，正端接π2，負端接地電壓GND ；電流源1132a，正端接電源電壓VDD，負端接n5 ；以及電流源1132b，正端接電源電壓VDD，負端接n6。上述方案中，所述反饋單元與第一級電流積分器和第二級電流積分器一起確定了 該雙二階單元中傳輸函數的複數極點。上述方案中，該雙二階單元的差分輸入電流注入第一級電流積分器的輸入節點nl 和n2，該雙二階單元的差分輸出電流從第二級電流積分器的輸出節點η5和η6輸出。上述方案中，該雙二階單元具有帶內噪聲整形特性，有效降低帶內噪聲，同時具有 高帶外線性特性，進而提高帶外SFDR。上述方案中，所述第一級電流積分器的級間差分電容的值為C1/2。上述方案中，所述第二級電流積分器的級間差分電容的值為C2/2。
(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果1、本發明提出的這種共源極正反饋的雙二階單元，反饋單元與第一、二級電流積 分器一起綜合該雙二階單元中傳輸函數的複數極點，因此該單元可以用於級聯法設計高階 模擬濾波器。2、本發明提出的這種共源極正反饋的雙二階單元，具有帶內噪聲整形特性。將帶 內噪聲推移到帶外，有效降低帶內噪聲。3、本發明提出的這種共源極正反饋的雙二階單元，具有高的帶外線性特性，有效 抑制帶外強幹擾對帶內的影響。4、本發明提出的這種共源極正反饋的雙二階單元，打破了帶內的積分噪聲和帶外 線性度是折中關係，進而提高了帶外SFDR。
通過下述優選實施例結合附圖的描述，本發明的上述及其它特徵將會變得更加明 顯，其中圖1是一階電流積分器和噪聲整形技術的示意圖；圖2是本發明描述的共源極正反饋的雙二階單元的一種實施例示意圖；圖3是本發明描述的共源極正反饋的雙二階單元的另一種實施例示意圖；圖4是本發明提出的雙二階單元級聯實現四階巴特沃斯濾波器示意圖；圖5是採用本發明提出的雙二階單元級聯實現四階巴特沃斯濾波器的幅頻曲線；圖6是圖2實施例的噪聲整形原理圖；圖7是採用本發明提出的雙二階單元級聯實現四階巴特沃斯濾波器的參考噪聲 密度曲線；圖8是採用本發明提出的雙二階單元級聯實現四階巴特沃斯濾波器的帶外線性 度曲線。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。圖2是本發明共源極正反饋的雙二階單元的一種實施例的示意圖。具體的電路描 述如下一種基於共源極正反饋的雙二階單元，包括—第一級電流積分器，包括兩個NMOS電晶體和一個電容，接收輸入電流信號給電 容充電，提供輸出電流信號，形成第一級電流積分器；一第二級電流積分器，包括兩個NMOS電晶體和一個電容，接收第一級電流積分器 輸出的電流信號給電容充電，提供輸出電流信號，形成第二級電流積分器；一反饋單元，包括兩個PMOS電晶體和兩個NMOS電晶體，用於與第一級電流積分器 和第二級電流積分器一起綜合複數極點；一電流源，提供雙二階單元的支路電流。
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上述方案中，所述第一級電流積分器包括NMOS管Mla，該管的柵極標記為n7，漏極標記為n3，源極標記為nl，襯底接地電壓 GND ；NMOS管Mlb，該管的柵極標記為n8，漏極標記為n4，源極標記為η2，襯底接地電壓 GND ；電容C1/2，一端接nl，另一端接η2。上述方案中，所述第二級電流積分器包括NMOS管M2a，該管的柵極標記為Vbp，漏極標記為n5，源極接n3，襯底接地電壓 GND ；NMOS管M2b，該管的柵極標記為Vbp，漏極標記為n6，源極接n2，襯底接地電壓 GND ；電容C2/2，一端接η3，另一端接η4。上述方案中，所述反饋單元包括PMOS管M3a，該管的柵極接n3，漏極接n7，源極和襯底接電源電壓VDD ；PMOS管M3b，該管的柵極接n4，漏極接η8，源極和襯底接電源電壓VDD ；NMOS管M4a，該管的柵極接n7，漏極接n7，源極和襯底接地電壓GND ；NMOS管M4b，該管的柵極接n8，漏極接n8，源極和襯底接地電壓GND。上述方案中，所述電流源包括電流源Ibla，正端接nl，負端接地電壓GND ；電流源Iblb，正端接π2，負端接地電壓GND ；電流源1132a，正端接電源電壓VDD，負端接n5 ；電流源Ib2b，正端接電源電壓VDD，負端接n6。上述方案中，所述反饋單元與第一級電流積分器和第二級電流積分器一起確定了 雙二階單元中傳輸函數的複數極點。上述方案中，該雙二階單元的差分輸入電流注入第一級電流積分器的輸入節點 (nl和n2)，該雙二階單元的差分輸出電流從第二級電流積分器的輸出節點(η5和η6)輸
出ο 上述方案中，該雙二階單元具有帶內噪聲整形特性，有效降低帶內噪聲，同時具有 高帶外線性特性，進而提高帶外SFDR。上述方案中，所述第一級電流積分器的級間差分電容的值為C1/2，第二級電流積 分器的級間差分電容的值為C2/2。圖3是本發明共源極正反饋的雙二階單元的另一種實施例的示意圖。具體的電路 描述如下一種基於共源極正反饋的雙二階單元，包括一第一級電流積分器，包括兩個PMOS電晶體和一個電容，接收輸入電流信號給電 容充電，提供輸出電流信號，形成第一級電流積分器；一第二級電流積分器，包括兩個PMOS電晶體和一個電容，接收第一級電流積分器 輸出的電流信號給電容充電，提供輸出電流信號，形成第二級電流積分器；一反饋單元，包括兩個NMOS電晶體和兩個PMOS電晶體，用於與第一級電流積分器和第二級電流積分器一起綜合複數極點；一電流源，提供雙二階單元的支路電流。上述方案中，所述第一級電流積分器包括PMOS管M2a，該管的柵極標記為n7，漏極標記為n3，源極和襯底標記為nl ；PMOS管M2b，該管的柵極標記為n8，漏極標記為n4，源極和襯底標記為η2 ；電容C1/2，一端接nl，另一端接η2。上述方案中，所述第二級電流積分器包括PMOS管Mla，該管的柵極標記為Vbn，漏極標記為n5，源極和襯底接n3 ；PMOS管Mlb，該管的柵極標記為Vbn，漏極標記為n6，源極和襯底接n2 ；電容C2/2，一端接η3，另一端接η4。上述方案中，所述反饋單元包括NMOS管M4a，該管的柵極接n3，漏極接n7，源極和襯底接地電壓GND ；NMOS管M4b，該管的柵極接n4，漏極接n8，源極和襯底接地電壓GND ；PMOS管M3a，該管的柵極接n7，漏極接η7，源極和襯底接電源電壓VDD ；PMOS管M3b，該管的柵極接π8，漏極接η8，源極和襯底接電源電壓VDD。上述方案中，所述電流源包括電流源Ibla，正端接n5，負端接地電壓GND ；電流源Iblb，正端接π6，負端接地電壓GND ；電流源1132a，正端接電源電壓VDD，負端接nl ；電流源1132b，正端接電源電壓VDD，負端接π2。上述方案中，所述反饋單元與第一級電流積分器和第二級電流積分器一起確定了 雙二階單元中傳輸函數的複數極點。上述方案中，該雙二階單元的差分輸入電流注入第一級電流積分器的輸入節點 (nl和n2)，該雙二階單元的差分輸出電流從第二級電流積分器的輸出節點(η5和η6)輸
出ο上述方案中，該雙二階單元具有帶內噪聲整形特性，有效降低帶內噪聲，同時具有 高帶外線性特性，進而提高帶外SFDR。上述方案中，所述第一級電流積分器的級間差分電容的值為C1/2，第二級電流積 分器的級間差分電容的值為C2/2。為了更加詳細的說明本發明提出的基於共源極正反饋的雙二階單元如何實現，接 下來進行定量分析。圖1左圖為共柵電流積分器，呈現一階低通濾波器特性。該積分器處理的輸入信 號和噪聲源位置不同，輸入電流從電晶體源極進入，電晶體噪聲電流並接在電晶體源漏極 之間。在帶內低頻，源極負反饋電容的高阻特性有效降低了濾波器帶內的噪聲。輸入電流 和噪聲電流通過共柵電流積分器的傳輸函數如下^L=⑵ L,,—e 一 S-(Cjgm) (3)^^cIZ)
其中，8_ 是電晶體跨導。由公式O)、(3)可以得到圖1右圖，共柵電流積分器對 輸入電流信號呈現一階低通濾波器特性，對電晶體噪聲電流呈現一階高通特性。在帶內增 加零點有效將帶內噪聲推移到帶外高頻，增加帶內動態範圍。如圖2所示，反饋單元與第一、二級積分器一起確定了雙二階單元傳輸函數中復 數極點。忽略輸出跨導、電晶體的寄生電容，並且設Mla的跨導為^，Mh的跨導為S112,M3a 的跨導為gm3，M4a的跨導為gm4。若^ll3 = ^l4，可以得到濾波器傳輸函數
權利要求
1.一種基於共源極正反饋的雙二階單元，其特徵在於，包括一第一級電流積分器，包括兩個NMOS電晶體和一個電容，接收輸入電流信號給電容充 電，提供輸出電流信號，形成第一級電流積分器；一第二級電流積分器，包括兩個NMOS電晶體和一個電容，接收第一級電流積分器輸出 的電流信號給電容充電，提供輸出電流信號，形成第二級電流積分器；一反饋單元，包括兩個PMOS電晶體和兩個NMOS電晶體，用於與第一級電流積分器和第 二級電流積分器一起綜合複數極點；以及一電流源，提供該雙二階單元的支路電流。
2.根據權利要求1所述的基於共源極正反饋的雙二階單元，其特徵在於，所述第一級 電流積分器包括NMOS管Mla，該管的柵極標記為n7，漏極標記為n3，源極標記為nl，襯底接地電壓GND ； NMOS管Mlb，該管的柵極標記為n8，漏極標記為n4，源極標記為η2，襯底接地電壓GND ；以及電容C1/2，一端接nl，另一端接n2。
3.根據權利要求1所述的基於共源極正反饋的雙二階單元，其特徵在於，所述第二級 電流積分器包括NMOS管M2a，該管的柵極標記為Vbp，漏極標記為n5，源極接n3，襯底接地電壓GND ； NMOS管M2b，該管的柵極標記為Vbp，漏極標記為n6，源極接n2，襯底接地電壓GND ；以及電容C2/2，一端接π3，另一端接η4。
4.根據權利要求1所述的基於共源極正反饋的雙二階單元，其特徵在於，所述反饋單 元包括PMOS管M3a，該管的柵極接n3，漏極接n7，源極和襯底接電源電壓VDD ； PMOS管M3b，該管的柵極接n4，漏極接n8，源極和襯底接電源電壓VDD ； NMOS管M4a，該管的柵極接n7，漏極接n7，源極和襯底接地電壓GND ；以及 NMOS管M4b，該管的柵極接n8，漏極接n8，源極和襯底接地電壓GND。
5.根據權利要求1所述的基於共源極正反饋的雙二階單元，其特徵在於，所述電流源 包括電流源Ibla，正端接nl，負端接地電壓GND ； 電流源rtlb，正端接π2，負端接地電壓GND ； 電流源1132a，正端接電源電壓VDD，負端接n5 ；以及 電流源1132b，正端接電源電壓VDD，負端接π6。
6.根據權利要求1所述的基於共源極正反饋的雙二階單元，其特徵在於所述反饋單 元與第一級電流積分器和第二級電流積分器一起確定了該雙二階單元中傳輸函數的複數 極點。
7.根據權利要求1所述的基於共源極正反饋的雙二階單元，其特徵在於該雙二階單 元的差分輸入電流注入第一級電流積分器的輸入節點nl和π2，該雙二階單元的差分輸出 電流從第二級電流積分器的輸出節點η5和η6輸出。
8.根據權利要求1所述的基於共源極正反饋的雙二階單元，其特徵在於該雙二階單元具有帶內噪聲整形特性，有效降低帶內噪聲，同時具有高帶外線性特性，進而提高帶外 SFDR。
9.根據權利要求1所述的基於共源極正反饋的雙二階單元，其特徵在於所述第一級 電流積分器的級間差分電容的值為C1/2。
10.根據權利要求1所述的基於共源極正反饋的雙二階單元，其特徵在於所述第二級 電流積分器的級間差分電容的值為C2/2。
全文摘要
本發明公開了一種共源極正反饋的雙二階單元，包括第一級電流積分器，用於接收輸入電流信號給電容充電，提供輸出電流信號，形成第一級電流積分器；第二級電流積分器，用於接收第一級電流積分器輸出的電流信號給電容充電，提供輸出電流信號，形成第二級電流積分器；反饋單元，用於與第一級電流積分器和第二級電流積分器一起綜合複數極點；電流源，用於提供雙二階單元的支路電流。本發明提出的共源極正反饋的雙二階單元，用於級聯設計方法實現高階模擬濾波器，具有很高的帶外線性度，同時有效降低了帶內噪聲，打破了帶內的積分噪聲和帶外線性度是折中關係，進而提高了帶外SFDR。
文檔編號H03H11/12GK102075162SQ20091023876
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月24日 優先權日2009年11月24日
發明者周玉梅, 陳勇 申請人:中國科學院微電子研究所