1、從無源濾波器到開關電流濾波器無源(w yun)RLC濾波器： 電感在體積、重量和線性等方面存在的問題，限制使用范圍和進一步的發展有源RC濾波器： 用有源器件取代RLC濾波器中的電感缺點： 不便于用MOS工藝直接集成。 體積較大，需占用較大的芯片面積。 元件(yunjin)的精度不高。第1頁/共31頁第一頁，共32頁。從無源濾波器到開關電流濾波器開關電容濾波器： 在MOS電路中用開關和電容取代(qdi)電阻 不僅克服了有源RC濾波器不便直接集成的主要缺點，同時還具有MOS電路的許多優點。主要缺點：一、需要線性電容，標準(biozhn)的數字CMOS工藝很難實現，增加成本。二、屬于電壓模式電路，當

2、電源電壓降低時，輸出信號的動態范圍會減小。第2頁/共31頁第二頁，共32頁。從無源濾波器到開關電流濾波器開關電流濾波器： 依靠MOS管自身的電容而不是外部電容實現信號的存儲，通過開關和電流鏡而不是電容對輸入信號進行處理和運算，并以電流而不是電壓(diny)的形式將信號輸出。 除了具有開關電容網絡的優點外，最大優點就是可以用標準的數字CMOS工藝而不是MOS工藝進行生產，而且同樣功能的開關電流電路所需的芯片面積比開關電容電路更小，成本更低。第3頁/共31頁第三頁，共32頁。四個優點(yudin)（與開關電容技術相比）：一、不需要線性電容。利用MOS場效應管的柵源之間的非線性電容存儲信息，就能夠完

3、成精確的模擬(mn)采樣數據信號的處理功能。從無源濾波器到開關電流濾波器二、電路簡單，功耗低，速度快。開關電流技術不需要(xyo)MOS運算放大器，主要采用電流鏡來處理信號，因而電路比較簡單。在開關電流電路中使用的電容器的容量一般很小，運算速度很快，工作頻率高。第4頁/共31頁第四頁，共32頁。三、動態范圍寬，受電源(dinyun)電壓的影響小。開關電流電路屬于電流模式的電路，和電壓模式的電路相比，其動態范圍很寬，工作頻率高，受電源(dinyun)電壓的影響小。四、容易(rngy)設計實現。開關電容電路的許多設計方法和設計技術都可以直接應用到開關電流電路的設計中來。第5頁/共31頁第五頁，共3

4、2頁。存儲(cn ch)電路延遲電路積分器電路開關電流濾波器的基本(jbn)單元電路第6頁/共31頁第六頁，共32頁。6.9.1 開關電流存儲(cn ch)電路第7頁/共31頁第七頁，共32頁。6.9.1 開關電流存儲(cn ch)電路 將信息(xnx)以電荷的形式存儲在MOS場效應管的柵源之間的非線性電容中。 Iin IoutIB M1M2 Cgs1 Cgs2 S1（)IB開關電流存儲電路 左 圖 中 的 基 本(jbn)電路是一個電流鏡，所不同的是在電流鏡的場效應管M1和M2的兩個柵極之間多了一個作為開關的場效應管S1。S1的尺寸要比M1和M2小得多。第8頁/共31頁第八頁，共32頁。MO

5、S管結構與幾何參數溝道長度L：其溝道長度定義為漏源之間柵的尺寸，一般其最小尺寸即為制造工藝中所給的特征尺寸；溝道寬度(kund)W：垂直于溝道長度方向的柵的尺寸。第9頁/共31頁第九頁，共32頁。 MOS晶體管的輸出電流電壓特性的經典描述是薩氏方程。 NMOS管飽和導通時的薩氏方程為：L：指溝道的有效長度W/L稱為寬長比 ID的值取決于工藝參數：n、Cox、器件(qjin)尺寸W和L、VDS及VGS。 thGSoxnDVVLWCI21第10頁/共31頁第十頁，共32頁。工作過程： 當開關管S1截止時，輸入電流Iin和偏置電流IB使M1管的柵極電容Cgs1充電至M1管的柵源電壓Vgs1。 當開關

6、管S1導通時，M1和M2的柵極接通，電路變成了一個電流鏡。存儲(cn ch)在兩個管子柵極電容Cgs1和Cgs2中的電荷按照管子的柵極電容的大小重新被分配。由于管子的柵極電容的大小與管子的寬長比成正比，于是將電流(Iin+IB)按照管子的寬長比進行分配。設場效應管M1和M2的寬長比分別為（W1/L1）=A1和（ W 2 / L 2 ） = A 2 。 則 流 入 M 2 的 漏 極 電 流 為 (Iin+IB)A2/A1，存儲(cn ch)單元的輸出電流為：ininBBoutIAAIIIAAI1212)(第11頁/共31頁第十一頁，共32頁。 當M1和M2的相等時: Iout=Iin。 當開關

7、管S1截止時，場效應管M1和M2斷開，存儲在M2管柵極電容Cgs2中的電荷保持不變。因此，同樣的漏極電流流入M2，使Iout在S1截止期間保持為常數。上述過程是利用MOS場效應管的柵源之間的非線性寄生電容完成的。在這個過程中，場效應管柵源之間的電容僅僅起到了一個存儲電荷的作用，并不需要將電荷進行(jnxng)線性分配。因此，這樣的電容可以是非線性的。第12頁/共31頁第十二頁，共32頁。 存儲單元的輸入電流和輸出(shch)電流之間的運算關系為：)()21(12nIAAnIinout 對上式進行z變換可以得到(d do)存儲單元的轉移函數為：2112)()()(zAAzIzIzHinout 由

8、上式可以(ky)看出，上圖所示的開關電流存儲電路除了實現一般電流鏡的反相和放大作用外，還具有延時半個時鐘周期的作用。 第13頁/共31頁第十三頁，共32頁。開關電流存儲電路的輸出電流和輸入電流有半個周期的延時。如果將兩個這樣的單元電路級聯以后，可以得到一個(y )周期的延時，如下圖所示。這種電路稱為開關電流延時單元電路。 Iin M1M2 S1（1) Iout M3M4 S2（2) IB IB IB IB開關電流延時單元電路第14頁/共31頁第十四頁，共32頁。 電路的工作過程如下： 電流Iin從第一個場效應管M1輸入，從最后一個場效應管M4輸出。電流增益由管子溝道(u do)的寬長比決定。如

9、果設M1、M2和M3的寬長比均為A， M4的寬長比為A4，則電路的輸入電流和輸出電流的關系為： ) 1()(4nIAAnIinout電路(dinl)的z域轉移函數為：14)()()(zAAzIzIzHinout第15頁/共31頁第十五頁，共32頁。5105100 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1/st/AoutI用PSPICE軟件(run jin)對輸入電流和輸出電流進行仿真虛線：輸入電流Iin實線：輸出電流Iout由圖可見，輸出電流和輸入電流大小相等，輸出電流的相位比輸入電流延遲(

10、ynch)了一個周期（2ms）第16頁/共31頁第十六頁，共32頁。6.9.2 開關電流積分器第17頁/共31頁第十七頁，共32頁。6.9.2 開關電流積分器開關電流同相積分器開關電流反相積分器。第18頁/共31頁第十八頁，共32頁。11z)(LWAon)(1LWAo)(LW)(LW)(LW)(LWIinIonIinAo1AiAon M1M2S1（1)Io1 M3 Mo1S2（2)Mon M4IB IB IB IBAo1IBAonIB J Io1 Io2 Ion 開關電流多輸出端同相積分器 (a) (b)1、2 ：互不重疊的兩相脈沖。M1M4 ：一個單位增益的延遲單元。它的作用是對輸入電流進行

11、復制并將它延遲一個時鐘周期。被延遲的輸入電流又通過反饋回路反饋到輸入電流的相加節點J。Mo1Mon ：構成該積分器的多個輸出端。各輸出端的輸出電流與各自(gz)的寬長比Ao1Aon有關。 1 開關電流同相積分器 第19頁/共31頁第十九頁，共32頁。 上圖(a)的信號流圖如上圖(b)所示。由信號流圖可得該電路(dinl)的轉移函數為：11)()()(11zAzIzIzHoino 由上式可見，圖示電路(dinl)是一個開關電流同相積分器。由于它有多個輸出端，因此稱為開關電流多輸出端同相積分器。第20頁/共31頁第二十頁，共32頁。2 開關電流反相積分器 如果將輸入電流從場效應管M2和M3的漏極輸

12、入，則可以實現反相積分器。多輸出(shch)端開關電流反相積分器如下圖(a)所示。該電路的信號流圖如下圖(b)所示。1zz)(LWAon)(1LWAo)(LW)(LW)(LW)(LWIinIonIinAo1Ao2Aon M1 M2S1（1)Io1 M3 Mo1S2（2) Mon M4IB IB IB IBAo1IB AonIBJ Io1 Io2 Ion(b) (a) 開關電流多輸出端反相積分器 第21頁/共31頁第二十一頁，共32頁。由信號流圖可得該電路(dinl)的轉移函數為：1)()()(11zzAzIzIzHoino 由上式可見(kjin)，上圖所示的電路是一個開關電流多輸出端反相積分器

13、。第22頁/共31頁第二十二頁，共32頁。6.9.3 開關電流濾波器的分析(fnx)與設計第23頁/共31頁第二十三頁，共32頁。6.9.3 開關電流濾波器的分析(fnx)與設計 開關電流積分器和相應(xingyng)的開關電容積分器的關系： 1 1 Vo + C 2 1 2 1 Vi1 Vin Cn2 2 2 C1多輸入開關電容積分器信號流圖轉置(zhun zh)法第24頁/共31頁第二十四頁，共32頁。 圖示電路的信號流圖如下圖(a)所示。如果將這個信號流圖中所有支路的方向(fngxing)反轉而保持支路的傳輸系數不變，將相加節點變成支路節點，所得到的信號流圖如下圖(b)所示。我們稱這個信

14、號流圖為原信號流圖的轉置。11z11zCCnCC2CC1CCnCC2CC1 Vi1 Vi2 Vin Vo Vi1 Vi2 Vin Vo (a) (b) 多輸入開關電容積分器的信號流圖及其轉置第25頁/共31頁第二十五頁，共32頁。 由上圖可以看出，轉置信號流圖的轉移函數Vi1/Vo、Vi2/VoVin/Vo分別與原信號流圖的轉移函數Vo/Vi1、Vo/Vi2Vo/Vin是對應相同的。 另外，在Ao1=C1/C、Ao2=C2/CAon=Cn/C的條件下多輸入開關電容(dinrng)積分器的信號流圖與開關電流多輸出端反相積分器的信號流圖是相等的。 于是，可得出以下結論：一個多輸入端開關電容(din

15、rng)同相積分器的信號流圖與一個多輸出端開關電流同相積分器的信號流圖相等；一個多輸入端開關電容(dinrng)反相積分器的信號流圖與一個多輸出端開關電流反相積分器的信號流圖相等。第26頁/共31頁第二十六頁，共32頁。 上述(shngsh)方法稱為信號流圖轉置法。利用信號流圖轉置法就可以將一個開關電容濾波器轉換成開關電流濾波器。 例6.8 三階開關電容低通濾波器如下圖所示。用信號流圖轉置(zhun zh)法設計一個相應的開關電流濾波器。電路中元件的數值為： Cin=1.5861 C1=2.7742 C2=3.3062 C3=2.7743 C11=1.0 C12=1.6301 C21=1.26

16、1 C23=1.0 C32=2.0554 C33=1.0第27頁/共31頁第二十七頁，共32頁。Vin Vout1 1 Cin2 2 1 122 C121 11 2_1 21 2 22 22 2 111 C32 C1 C2C3V1 V2 V3 C21 C23 C3322 1 1C11三階開關電容低通濾波器第28頁/共31頁第二十八頁，共32頁。解：設計步驟(bzhu)如下： (1)畫出上圖所示的開關電容電路的信號流圖如下圖(a)。它的轉置信號流圖如下圖(b)。Vin1CCin Vout112CC332CC111CC221CC223CC333CC V1 V2V31zz1zz11z11CCin V

17、out112CC332CC111CC221CC223CC333CCV1V2V31zz1zz11z(I2)(I3)(I1)1 (Iin)(Iout)Vin (a) (b) 五階RLC梯形低通濾波器的信號流圖 第29頁/共31頁第二十九頁，共32頁。 根據上述信號流圖，可以得到其開關電流實現電路如下(rxi)圖所示。為使圖形看起來比較簡明，圖中的積分器采用簡化畫法。其中的三角形分別代表開關電流同相積分器和開關電流反相積分器。 1zz11z1zz)(333CC)(332CC)(223CC)(221CC)(112CC)(111CC)(1CCin I1Iin IB IBIB IB IB I2 I3 Iout三階開關電流低通濾波器 第30頁/共31頁第三十頁，共32頁。謝謝