CN101777880A

CN101777880A - 带通滤波器

Info

Publication number: CN101777880A
Application number: CN201010034430A
Authority: CN
Inventors: 杨闵昊; 廖怀林
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2030-01-19
Also published as: CN101777880B

Abstract

本发明公开了一种带通滤波器。该带通滤波器包括：第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第一电流源和第二电流源；其中，所述第三MOS管、第四MOS管以栅极与漏极相互交叉耦合的组成源跟随器的方式连接，所述第一MOS管、第二MOS管以二极管连接方式连接。本发明中，源跟随器构造的局部反馈能够打破滤波器功耗和线性度相互对立的局面，使带通滤波器的功耗大幅降低。

Description

带通滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，尤其涉及一种带通滤波器。

背景技术

近年来随着半导体工艺与电路设计技术的发展，集成电路在生物医学领域的应用日益广泛，例如可植入人工耳蜗和各种可植入的生物信号(心电图，脑电图等)检测系统。跟上述应用有关的各种芯片由于其超低功耗的要求，对其中各模块电路的设计提出了挑战。模拟带通滤波器作为这些芯片中的主要模块电路之一，起到通过指定频率抑制其余频率的作用。目前文献中有报道的应用于生物医学的低功耗带通滤波器主要有SC(开关电容)滤波器和Gm-C(跨导电容)滤波器。SC滤波器中不可缺少的基本组成单元为运算放大器，通常为了满足其一定的增益带宽要求而功耗较高；Gm-C滤波器中的Gm跨导放大器单元也因为线性度噪声等指标的要求而功耗较高。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种带通滤波器，该滤波器的功耗相对现有技术而言明显降低。

第一方面，本发明公开了一种带通滤波器，包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第一电流源和第二电流源；其中，所述第三MOS管、第四MOS管以栅极与漏极相互交叉耦合的组成源跟随器的方式连接，所述第一MOS管、第二MOS管以二极管连接方式连接。

上述的带通滤波器，优选所述第一MOS管、所述第二MOS管、所述第三MOS管、所述第四MOS管均为PMOS管；其中，所述第一电流源和所述第三电容器均与所述第三MOS管的源极相连接、所述第二电流源和所述第四电容器均与所述第四MOS管的源极相连接；并且，所述第三电容器、所述第四电容器分别接地；所述第一电流源、所述第二电流源均与电源电压相连接；所述第三MOS管的栅极与所述第四MOS管的漏极相连接，所述第四MOS管的栅极与所述第三MOS管的漏极相连接；所述第一电容器和所述第三MOS管的漏极均与所述第一MOS管的源极相连接；所述第二电容器和所述第四MOS管的漏极均与所述第二MOS管的源极相连接；以及所述第一MOS管的漏极和栅极、所述第二MOS管的漏极和栅极分别接地。

上述的带通滤波器，优选所述第一MOS管、所述第二MOS管、所述第三MOS管、所述第四MOS管均为NMOS管；其中，所述第一电流源和所述第三电容器均与所述第三MOS管的源极相连接、所述第二电流源和第四电容器均与所述第四MOS管的源极相连接；并且，所述第三电容器、所述第四电容器分别接地；所述第一电流源、所述第二电流源均与地相连接；所述第三MOS管的栅极与所述第四MOS管的漏极相连接，所述第四MOS管的栅极与所述第三MOS管的漏极相连接；所述第一电容器和第三MOS管的漏极均与所述第一MOS管的源极相连接；所述第二电容器和所述第四MOS管的漏极均与所述第二MOS管的源极相连接；以及所述第一MOS管的漏极和栅极、所述第二MOS管的漏极和栅极分别接电源电压。

上述的带通滤波器，优选所述第一电容器和所述第二电容器电容值相等；所述第三电容器和所述第四电容器电容值相等；所述第一MOS管和所述第二MOS管的尺寸相同，所述第三MOS管和第四MOS管的尺寸相同；所述第一电流源和所述第二电流源的电流值相等。

第二方面，本发明还公开了另外一种带通滤波器，所述滤波器由上述多个带通滤波器级联组成。

第三方面，本发明还公开了一种带通滤波器，该带通滤波器以双极型晶体管替代MOS管。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

采用源跟随器，打破滤波器功耗和线性度相互对立的局面。由于没有运算放大器和Gm单元，降低了带通滤波器的功耗。

附图说明

图1为PMOS管构造的源跟随器的结构示意图；

图2为本发明带通滤波器实施例的结构示意图；

图3为NMOS管构造的源跟随器的结构示意图；

图4为本发明带通滤波器另一实施例的结构示意图；

图5为本发明带通滤波器另一实施例的结构示意图；

图6为级联的带通滤波器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

参照图1，图1为PMOS管构造的源跟随器的结构示意图。栅极接输入信号V_in，漏极接地，源极接电流源I，电流源另一端接电源电压VDD。

参照图2，图2为本发明带通滤波器实施例的结构示意图。该滤波器包括图1中的源跟随器。

其中C21～C24为电容，M21～M24为PMOS晶体管，I21和I22为两个电流源。为保证电路的差分结构，其中C21和C22的电容值相等，C23和C24的电容值相等。M21和M22的尺寸相同，M23和M24的尺寸相同。I21和I22的电流值相等。vi+为输入信号正极，vi-为输入信号负极，vo+为输出信号正极，vo-为输出信号负极。

以图2的PMOS管M23为例说明，它的信号输入端即栅极接在M24管的漏端，也即M22管的源极，也即电容C22的左极板。漏极接在M21管的源端，也即电容C21的右极板，也即M24管的栅极。源极即信号输出端接在电流源I21的一段，也即电容C23的上极板。

为方便起见，设M21～M24的跨导值都为g_m，然而M21，22与M23，24的跨导值并不一定相同；设C21与C22的电容值为C_x，C23与C24的电容值为C_y。假设晶体管的输出电导远小于其跨导值，推导得到传递函数如下：

H (s) = - \frac{s \cdot \frac{C_{x}}{g_{m}}}{s^{2} \cdot \frac{C_{x} \cdot C_{y}}{g_{m}^{2}} + s \cdot \frac{C_{x}}{g_{m}} + 1}

由如上传递函数可以得到滤波器的各项特性参数：

ω_{0} = \frac{g_{m}}{\sqrt{C_{x} \cdot C_{y}}},

Q = \sqrt{\frac{C_{y}}{C_{x}}},

K＝H(ω₀)＝1，

其中ω₀是极点特征频率，Q为品质因子，K是通带增益。

本实施例中，采用用源跟随器，打破滤波器功耗和线性度相互对立的局面。由于没有运算放大器和Gm单元，降低了带通滤波器的功耗。在TSMC 0.18μm工艺下仿真，此二阶带通滤波器，在1V电源电压下，500～1000Hz的通带频率，仅消耗约8nA的电流。

实施例二：

参照图3，图3为NMOS管构造的源跟随器的结构示意图。NMOS管的栅极接输入信号，漏极接电源电压VDD，源极即信号输出端，接电流源I，电流源另一端接地。

参照图4，图4为本发明带通滤波器实施例的结构示意图。该滤波器包括图3中的源跟随器。

其中C41～C44为电容，M41～M44为NMOS管，I41和I42为两个电流源。为保证电路的差分结构，其中C41和C42的电容值相等，C43和C44的电容值相等。M41和M42的尺寸相同，M43和M44的尺寸相同。I41和I42的电流值相等。vi+为输入信号正极，vi-为输入信号负极，vo+为输出信号正极，vo-为输出信号负极。连接关系如图所示。

M41～M44这四个NMOS管，在双阱工艺中其衬底只能接地，故而存在衬偏效应，使得用全NMOS晶体管实现的双二阶单元存在增益损失。但是，在三阱工艺中其衬底可以接到源端，没有衬偏效应，从而图4中用全NMOS晶体管实现的双二阶单元没有增益损失。

本实施例中，采用源跟随器，打破滤波器功耗和线性度相互对立的局面。由于没有运算放大器和Gm单元，降低了带通滤波器的功耗。

需要说明的是，除了采用MOS管组成的源跟随器构造带通滤波器外，还可以采用其它类型场效应晶体管或者双极型晶体管组成滤波器，例如PNP型三极管或NPN型三极管，采用PNP型三极管组成的源跟随器构造带通滤波器的原理与方式同PMOS管类似；采用NPN型三极管组成的源跟随器构造带通滤波器的原理与方式同NMOS管类似。

参照图5，图5为本发明带通滤波器另一实施例的结构示意图，其中，B41～B44均为NPN双极型晶体管。C41～C44为电容，I41和I42为两个电流源。为保证电路的差分结构，其中C41和C42的电容值相等，C43和C44的电容值相等。B41和B42的尺寸相同，B43和B44的尺寸相同。I41和I42的电流值相等。vi+为输入信号正极，vi-为输入信号负极，vo+为输出信号正极，vo-为输出信号负极。连接关系如图所示。

实施例三：

多个此二阶带通滤波器的级联可以得到高阶滤波器。例如两个此二阶带通滤波器级联可以构成四阶带通滤波器。由于此二阶单元的输入通过电容耦合，因此前一个二阶单元的输出可以直接接到后一个二阶单元的输入，而不用担心直流电平的问题。

参照图6，图6为级联的带通滤波器的结构示意图。在图6中，vi+为输入信号正极，vi-为输入信号负极，vo+为输出信号正极，vo-为输出信号负极。连接关系如图所示。在TSMC 0.18μm工艺下仿真，用此二阶单元构造的四阶带通滤波器，在1V电源电压下，500～1000Hz的通带频率，仅消耗约16nA的电流。由此可见，级联的带通滤波器的功耗非常低。

以上对本发明所提供的一种带通滤波器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种带通滤波器，其特征在于，包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第一电流源和第二电流源；其中，所述第三MOS管、第四MOS管以栅极与漏极相互交叉耦合的组成源跟随器的方式连接，所述第一MOS管、第二MOS管以二极管连接方式连接。

2.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述第一MOS管、所述第二MOS管、所述第三MOS管、所述第四MOS管均为PMOS管；其中，

所述第一电流源和所述第三电容器均与所述第三MOS管的源极相连接、所述第二电流源和所述第四电容器均与所述第四MOS管的源极相连接；并且，所述第三电容器、所述第四电容器分别接地；所述第一电流源、所述第二电流源均与电源电压相连接；

所述第三MOS管的栅极与所述第四MOS管的漏极相连接，所述第四MOS管的栅极与所述第三MOS管的漏极相连接；

所述第一电容器和所述第三MOS管的漏极均与所述第一MOS管的源极相连接；所述第二电容器和所述第四MOS管的漏极均与所述第二MOS管的源极相连接；以及

所述第一MOS管的漏极和栅极、所述第二MOS管的漏极和栅极分别接地。

3.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述第一MOS管、所述第二MOS管、所述第三MOS管、所述第四MOS管均为NMOS管；其中，

所述第一电流源和所述第三电容器均与所述第三MOS管的源极相连接、所述第二电流源和第四电容器均与所述第四MOS管的源极相连接；并且，所述第三电容器、所述第四电容器分别接地；所述第一电流源、所述第二电流源均与地相连接；

所述第一电容器和第三MOS管的漏极均与所述第一MOS管的源极相连接；所述第二电容器和所述第四MOS管的漏极均与所述第二MOS管的源极相连接；以及

所述第一MOS管的漏极和栅极、所述第二MOS管的漏极和栅极分别接电源电压。

4.根据权利要求2或3所述的带通滤波器，其特征在于，

所述第一电容器和所述第二电容器电容值相等；所述第三电容器和所述第四电容器电容值相等；

所述第一MOS管和所述第二MOS管的尺寸相同，所述第三MOS管和第四MOS管的尺寸相同；

所述第一电流源和所述第二电流源的电流值相等。

5.一种带通滤波器，其特征在于，所述滤波器由根据权利要求1至4中任一项所述的多个带通滤波器级联组成。

6.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，以双极型晶体管替代MOS管。