頻率可自動調節的高線性度低通濾波器設計

摘要： 為提高在電力網載波通信系統中發射端低通濾波器的頻率響應和線性度， 同時也為了節省成本， 文中給出了把低通濾波器放在芯片里面， 并通過使用電阻和MOS管級聯來組成一個可變電阻， 同時把MOS管放在反饋系統中來提高低通濾波器的線性度的低通濾波器的設計方法， 利用該方法設計的四階切比雪夫Ⅰ型低通濾波器的-3dB截止頻率為164kHz， 輸入輸出擺幅為1Vpp。

　　0 引言

　　低頻低通濾波器通常有兩種形式， 一種是開關電容型濾波器， 另一種是連續時間型濾波器。開關電容型濾波器的截止頻率由時鐘頻率和電容的比值來決定， 所以非常精確。但是它有兩個缺點： 首先， 由于它的采樣特性， 使得它在輸入端需要抗混疊濾波器且在輸出端需要平滑濾波器；其次， 時鐘饋通效應和電荷注入效應會使濾波器的線性度變差。而連續型濾波器則沒有上述缺點， 所以成為低頻濾波器設計的主流。

　　而低頻連續型低通濾波器的設計也有兩種形式： 一種是R-C-Opamp型， 這種實現形式在低頻應用中， 為了實現大的時間常數， 通常要用大的電阻和電容， 故會占用大量芯片面積并增加成本； 而且， 由于截止頻率是由電阻和電容的絕對值來確定， 故在電壓、工藝和溫度變化時會有很大的偏差， 所以， 必須用很多控制字來調節截止頻率， 而這又增加了設計的復雜度； 另一種是RMOS-C-Opamp型， 這種結構用電阻和MOS管來實現可變電阻， 不僅能夠降低芯片面積， 而且還能實現截止頻率的自動調節。

　　本文采用R-MOS-C-Opamp型結構來實現，并且把可變電阻中的MOS管部分放在反饋系統中， 因而進一步提高了濾波器的線性度。而在截至頻率的自動調節方面， 則利用開關電容電路來實現精確時間常數控制， 從而構成了一個簡單而精確的主從型調節網絡。

　　1 可變電阻的實現

　　差分型可變電阻的實現可由四個處在線性區的MOS管M1， M2， M3， M4來實現， 圖1所示是差分型可變電阻的實現原理圖。這種結構在理想匹配的情況下具有良好的線性度， 但是， 這種理想的情況在實際中是不存在的， MOS管之間的不匹配限制了它的線性度。其等效電阻的計算如式(1) 所示：

　　式中， Gi是處在線性區的MOS管Mi的跨導，其計算公式如下：

圖1 差分型可變電阻原理圖