频率可自动调节的高线性度低通滤波器设计

　　0 引言

　　低频低通滤波器通常有两种形式， 一种是开关电容型滤波器， 另一种是连续时间型滤波器。开关电容型滤波器的截止频率由时钟频率和电容的比值来决定， 所以非常精确。但是它有两个缺点： 首先， 由于它的采样特性， 使得它在输入端需要抗混叠滤波器且在输出端需要平滑滤波器;其次， 时钟馈通效应和电荷注入效应会使滤波器的线性度变差。而连续型滤波器则没有上述缺点， 所以成为低频滤波器设计的主流。

　　而低频连续型低通滤波器的设计也有两种形式： 一种是R-C-Opamp型， 这种实现形式在低频应用中， 为了实现大的时间常数， 通常要用大的电阻和电容， 故会占用大量芯片面积并增加成本; 而且， 由于截止频率是由电阻和电容的绝对值来确定， 故在电压、工艺和温度变化时会有很大的偏差， 所以， 必须用很多控制字来调节截止频率， 而这又增加了设计的复杂度; 另一种是RMOS-C-Opamp型， 这种结构用电阻和MOS管来实现可变电阻， 不仅能够降低芯片面积， 而且还能实现截止频率的自动调节。

　　本文采用R-MOS-C-Opamp型结构来实现，并且把可变电阻中的MOS管部分放在反馈系统中， 因而进一步提高了滤波器的线性度。而在截至频率的自动调节方面， 则利用开关电容电路来实现精确时间常数控制， 从而构成了一个简单而精确的主从型调节网络。

　　1 可变电阻的实现

　　差分型可变电阻的实现可由四个处在线性区的MOS管M1， M2， M3， M4来实现， 图1所示是差分型可变电阻的实现原理图。这种结构在理想匹配的情况下具有良好的线性度， 但是， 这种理想的情况在实际中是不存在的， MOS管之间的不匹配限制了它的线性度。其等效电阻的计算如式(1) 所示：

　　式中， Gi是处在线性区的MOS管Mi的跨导，其计算公式如下：

图1 差分型可变电阻原理图

　　为了提高线性度， 本文采用改进型R-MOS结构， 图2所示是其原理图。这种结构的优点是电阻和MOS管之间的分压作用可使MOS管两端的电压变小， 从而改善图1中的线性度。在这种结构中， 处于线性区的MOS管更像一个电流舵器件而不是一个电阻器件。它的等效电阻如下：

图2 改进型R-MOS可变电阻原理图

　　式中， F 是电压比例因数，是M1、M2、M3、M4的平均跨导， VCM是由自动调节电路确定的控制共模电压。其计算公式如下：

　　2 高线性度低通滤波器的设计

　　2.1 基于反馈的线性度提高技术

　　滤波器是由积分器实现的。当积分器有两个输入时， 通常会形成反馈。图3所示是应用线性度提高技术的一阶滤波器结构。该结构把由MOS和运放组成的积分器看成一个整体， 它的环路增益为， 这个增益在低频时和运放的直流增益相等， 故其整体传输函数如下：