基于Ｓｗｉｔｃｈｅｄ－ＲＣ技術(shù)的０．８Ｖ帶通濾波器

摘 要：開(kāi)關(guān)電容濾波器是信號(hào)處理系統(tǒng)的重要組成模塊，設(shè)計(jì)了一種用于心率檢測(cè)設(shè)備的六階帶通開(kāi)關(guān)電容濾波器。該設(shè)計(jì)基于開(kāi)關(guān)電阻電容技術(shù)，利用開(kāi)關(guān)電阻代替?zhèn)鹘y(tǒng)的采樣開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了更高的采樣線性度，是低壓下開(kāi)關(guān)電容濾波器正常工作的一種全新實(shí)現(xiàn)方案。仿真結(jié)果表明，該濾波器在0.8 V工作電壓下，功耗為0.9 mW，輸出擺幅可達(dá)1.2 Vp-p，通帶增益為10 dB，-3 dB帶寬為25~80 Hz。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電阻電容；開(kāi)關(guān)電容；濾波器；低壓

中圖分類號(hào)：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-177-03

0.8 V Bandpass Filter Based on Switched-RC Technique

ZHANG Jianqin，LI Kaihang

(Xiamen University，Xiamen，361005，China)

Abstract：A six-order bandpass switched-capacitor filter for a heart rate sensing equipment has been designed.The filter is based on the switched-RC technology which is a new approach to realize the propel operation of SC filter under low supply voltage.The simulation results show that:at 0.8 V supply voltage，it consumes about 0.9 mW，the output swing is 1.2 Vp-p，and the in-band gain is 10 dB，-3 dB bandwidth is 25~80 Hz.

Keywords：switched-RC;switched-capacitor;filter;low-voltage

1 引 言

隨著集成電路步入深亞微米階段，便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)份額的不斷擴(kuò)大，低電壓低功耗集成電路已成為該類電子產(chǎn)品的發(fā)展主流。由于電源電壓的降低，很多模擬集成電路芯片中的基本單元需要重新設(shè)計(jì)，特別是目前廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電容電路芯片也面臨著低壓工作問(wèn)題，即低壓時(shí)開(kāi)關(guān)電容電路中浮動(dòng)開(kāi)關(guān)呈高阻態(tài)，影響信號(hào)無(wú)法正常通過(guò)^[1]。

目前解決低壓情況下開(kāi)關(guān)電容電路中浮動(dòng)MOS開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通問(wèn)題，主要有以下幾種方案：用低閾值電壓器件^[2]，用電壓倍增電路^[3]，使用開(kāi)關(guān)運(yùn)放技術(shù)^[4]以及本文使用的開(kāi)關(guān)電阻電容(Switched-RC)技術(shù)^[5，6]。低閾值電壓器件需要特殊制造工藝所以成本過(guò)高，電壓倍增電路由于過(guò)高的時(shí)鐘電壓限制了其在深亞微米工藝中的使用，開(kāi)關(guān)運(yùn)放技術(shù)由于運(yùn)放的不斷開(kāi)啟和關(guān)閉而不適用于高速信號(hào)處理。相比之下，開(kāi)關(guān)電阻電容技術(shù)則不存在這些問(wèn)題，同時(shí)還具有采樣線性度更高的優(yōu)點(diǎn)。

本文介紹了開(kāi)關(guān)電阻電容技術(shù)的基本原理，并采用該技術(shù)設(shè)計(jì)了一種0.8 V六階帶通開(kāi)關(guān)電容濾波器。該濾波器將應(yīng)用于心率檢測(cè)設(shè)備，起到放大心率信號(hào)和衰減干擾信號(hào)的功能。最后采用TSMC 0.18 μm CMOS工藝，對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明該濾波器符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了低壓環(huán)境下的正常工作，實(shí)現(xiàn)了低壓下開(kāi)關(guān)電容濾波器的一種全新設(shè)計(jì)方案。

2 濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路實(shí)現(xiàn)

2.1 Switched-RC和Split-RC電路

開(kāi)關(guān)電容積分器是開(kāi)關(guān)電容濾波器的基本組成模塊。圖1所示為基于Switched-RC技術(shù)的開(kāi)關(guān)電容積分器，圖中Cd支路為保持運(yùn)放反向輸入端電平為VA而加的電平轉(zhuǎn)移支路。如圖1所示，原來(lái)的浮動(dòng)MOS開(kāi)關(guān)被電阻R1所替換。利用電阻替換浮動(dòng)開(kāi)關(guān)，不僅避免了低電壓時(shí)浮動(dòng)開(kāi)關(guān)的高阻抗問(wèn)題，而且還能提高電路的線性度。具體原理如下：在t1時(shí)刻，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R1被采樣到電容Cs上，在t2時(shí)刻，開(kāi)關(guān)Ms閉合，信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到積分電容Ci中。根據(jù)電荷守恒，此時(shí)輸出節(jié)點(diǎn)電壓表示為：



Vout(n+12)[WB]=Vout(n)+CsCiVin(n)-

[DW] CsCiRonR1+RonVin(n+12)[JY](1)



在過(guò)采樣條件下，Vin(n+1/2)近似等于Vin(n)，因此由式(1)可以看出開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻引入的增益誤差可以近似表示為:



增益誤差=CsCiRonR1+Ron[JY](2)



其中：

是Ms的導(dǎo)通電阻，由式(2)可知，只要R1Ron，那么電阻R1替代MOS開(kāi)關(guān)管帶來(lái)的誤差就會(huì)很小。由于Ron具有非線性，會(huì)引入非線性誤差，但在Switched-RC電路中，節(jié)點(diǎn)X的電壓VX=RonR1+RonVin，變化幅度比Vin小很多，所以由于R1的替換而帶來(lái)的電路非線性誤差仍然可以保持在很低的水平。顯然，R1越大電路增益誤差越小，同時(shí)線性度也越好。但R1過(guò)大會(huì)導(dǎo)致采樣時(shí)間常數(shù)R1Cs過(guò)大，當(dāng)R1Cs>T/2時(shí)(T為時(shí)鐘周期)，將無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正常采樣。通過(guò)合理選擇R1阻值和開(kāi)關(guān)寬長(zhǎng)比，并經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬仿真就可使積分器精度達(dá)到較好水平。

圖1 Switched-RC開(kāi)關(guān)電容積分器

為了使積分器性能進(jìn)一步優(yōu)化，還采用了split-RC技術(shù)。圖1中積分器在采樣周期輸入共模電平為VDD/2，在積分周期的輸入共模電平則為0，所以兩相時(shí)鐘對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的輸入共模電平，因此需要加入電平轉(zhuǎn)移支路Cd使運(yùn)放反向輸入端共模電平始終維持在虛地，以避免積分電容Ci出現(xiàn)電荷積累，從而使積分器輸出共模電平恒定。但是由于Cd支路的存在引入了額外的KT/C噪聲。為了使輸入信號(hào)共模電平始終為VDD/2，達(dá)到較大輸入差模信號(hào)擺幅，同時(shí)避免Cd支路引入KT/C噪聲，采用split-RC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的偽差分積分器如圖2所示。

圖2 Split-RC偽差分開(kāi)關(guān)電容積分器

在圖2中，原本圖1中的R1和Cs被鏡像成兩個(gè)完全對(duì)稱的支路(同時(shí)采樣電容值變?yōu)镃s/2)，采樣電容左端的開(kāi)關(guān)一只接VDD，另一只接Gnd。工作過(guò)程為：在t1時(shí)刻兩個(gè)采樣電容Cs/2均經(jīng)過(guò)電阻R1接Vi，此時(shí)Vi的輸入共模電平為VDD/2，在t2時(shí)刻采樣電容Cs/2一只接VDD，另一只接Gnd，共模電平也為VDD/2，從而實(shí)現(xiàn)共模電平恒定在VDD/2處。

通常差分運(yùn)放需要共模反饋電路來(lái)維持共模電平的穩(wěn)定，為了使低電壓工作情況下共模反饋電路更易于實(shí)現(xiàn)，本文采用文獻(xiàn)［7］中提出偽差分電路方法。在圖2中Cm為反饋電容，Cm的取值大小與采樣電容Cs的大小有關(guān)。反饋電路的工作原理為：在t1時(shí)刻反饋電容采樣兩輸出端預(yù)置的共模電平，在t2時(shí)刻采樣實(shí)際的共模電平，同時(shí)將預(yù)置共模電平和實(shí)際共模電平的差值反饋到各個(gè)運(yùn)放的輸入端，從而維持輸出共模電平的穩(wěn)定。同時(shí)也保持運(yùn)放反向輸入端的共模電平始終為虛地。該反饋電路具有易于實(shí)現(xiàn)和KT/C噪聲小的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 運(yùn)算放大器

本文設(shè)計(jì)的運(yùn)放為一個(gè)使用PMOS 輸入級(jí)的低壓兩級(jí)運(yùn)算放大器。第一級(jí)為折疊結(jié)構(gòu)的PMOS 低壓差分輸入級(jí)，采用共源共柵結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)增益的最大化。第二級(jí)采用普通的共源結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)最大的輸出擺幅。輸入輸出共模電平分別單獨(dú)設(shè)置，輸入共模電平為0 V，輸出共模電平為0.4 V。仿真結(jié)果為：電源電壓0.8 V，直流增益78 dB，單位增益帶寬12 MHz，相位裕度61°。以上指標(biāo)表明該運(yùn)放適合于開(kāi)關(guān)電容電路的應(yīng)用。

2.3 Switched-RC帶通濾波器

本文所設(shè)計(jì)的帶通濾波器用于心率檢測(cè)設(shè)備。濾波器起到放大心率信號(hào)和衰減干擾信號(hào)的功能。所處理的心率信號(hào)集中在20~80 Hz頻段，干擾信號(hào)則分布在低于7 Hz頻段和高于100 Hz頻段。利用Matlab工具得到符合要求的濾波器傳輸函數(shù)然后計(jì)算出具體電容值。該濾波器為三個(gè)雙二階子單元的級(jí)聯(lián)，其中第一和第二個(gè)子單元為雙二階帶阻濾波器，阻帶中心頻率分別為10 Hz 和110 Hz。第三個(gè)子單元為雙二階低通濾波器，截止頻率為100 Hz。各個(gè)子單元均采用偽差分結(jié)構(gòu)，子單元的具體電路如圖3和圖4所示。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Castello rinaldo，F(xiàn)ederico Montecchi.Low-Voltage Analog Filters［J］.IEEE Circuits and Systems I，1995;42(11):827-840.

［2］Adachi T，Ishikawa A.A 1.4 V Switched Capacitor Filter［C］.in IEEE 1990 Custom Integrated Circuits Conf，1990.

［3］Keskin M.A Low-voltage CMOS Switch with a Novel Clock Boosting Scheme［J］.IEEE Circuits and Systems II，2005，52(4):185-188.

［4］Baschirotto Andrea，Castello Rinaldo.A 1 V 1.8 MHz CMOS Switched Op-amp SC Filter with Rail to Rail Output Swing ［J］.IEEE.Solid-State Circuits，1997，32(12):1 979-1 986.

［5］Gil-Cho Ahn，Dong Young Chang.A 0.6 V 82 dB Delta-Sigma Audio ADC Using Switched-RCIntegrators ［J］.IEEE.Solid-State Circuits，2005，40(12):2 398-2 407.

［6］Min Gyu Kim，Gil-Cho Ahn.A 0.9 V 92 dB Double-Sampled Switched-RC ΔΣ Audio ADC［C］.IEEE 2006 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers，2006:160-161.

［7］Wu L，Keskin M，Moon U.Common-mode Feedback Circuits for Pseudo-differential Switched-capacitor Stages［C］.in Proc.IEEE Int.Symp.Circuits and Systems，2000:445-448.

作者簡(jiǎn)介

章建欽 男，1981年出生，在讀碩士研究生。主要從事低電壓開(kāi)關(guān)電容濾波器的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。