摘 要

第三次工业革命以来，微电子技术突飞猛进，工业界对大规模集成电路的需求越来越大，学术界开展了大量的集成电路技术研究，促使了电子系统集成化的不断发展和集成电路设计理论和方法的不断进步，模拟集成电路的设计方法越来越受到了技术和工程人员的重视。与此同时，低功耗、高可靠性CMOS模拟电路与电流模式集成电路由其诸多的优势成为当今众多学者研究的热门课题。其中Gm-C有源滤波器电路作为现代滤波器领域的一个未来发展趋势，由于其所具有的良好高频特性和电控能力以及电路综合能力、并易与MOS设计制造工艺兼容等优点成为大家争相研究的滤波器领域弄潮儿。

本文在研究MOS管模型和滤波器基本理论基础上总结了电流模式跨导运算放大器滤波器基本的单元电路形式和实现的简单功能，研究了高阶跨导电容滤波器电路的工作原理，学习了模拟运算电路，设计了低阶滤波器。本文首先介绍了模拟集成电路的发展历程和当前研究方向，介绍了MOS晶体管的原理，并对多种电流电路性能进行了比较；深入的研究了基本型跨导运算放大器进行，从而总结了跨导运算放大器在有源网络元件模拟和模拟信号运算等方面的应用；归纳分析了多种低阶Gm-C滤波器的设计理念和方法；分析比较了基于Gm-C的高阶连续时间模拟滤波器的设计方法；以三阶巴特沃斯低通滤波器和四阶巴特沃斯带通滤波器进行了Spice仿真，仿真结果表明设计方法是正确可行的。

关键词：跨导运算放大器、电流模、CMOS、高阶Gm-C滤波器

Abstract

Since the third industrial revolution, microelectronic technique technology has gotten development. At the same time, industrial demand for large scale integrated circuits has been increasing.,and a large number of integrated circuit technology have been studied in the academic field At present, the low voltage and low power CMOS analog integrated circuit and the current mode circuits with a great deal of merits are concerned very much by theory researchers and project engineers for VLSI technology. Gm-C active filters research is one extremely active subject in the modern filter domain. Gm-C active filters may become the most potential subject，because they have good high frequency characteristic and electrically controlled ability, greatly strengthened circuits synthesis ability and compatibility with MOS VLSI technology.

Based on the study of MOS tube model and basic theory of filter, this paper summarizes the basic unit circuit forms of current mode trans-conductance op-amp filter and some simple functions it can realized. This paper studies the principle of work and application the current mode high-order trans-conductance capacitance filter circuit. First it narrates the present state of the research of analogy integrated circuit at home and abroad. Then it introduces the model of MOS transistor, several current mirrors by MOS transistors, the principle and performance comparison of source of circuit differential decoupling. The simulation circuits of active network elements and analog signal operation based on OTA are induced systematically. It sums up several low-level Gm-C filter design method; The design methods of high-order continuous-time Gm-C filterssuch as the polycyclic loading back method and passive LC ladder type modeling method had been analyzed. With a three order low-pass filter and a forth order band-pass filter for examples of Spice simulation, the simulation results show that the methodsare correct and feasible.

Key Words：operational trans-conductance amplifiers，current mode, CMOS，high-order Gm-C filter

目录

第1章绪论 1

1.1 连续时间滤波器综述 1

1.2选题意义及指导思想 2

1.3本文主要研究内容 2

第2章基本CMOS模拟集成电路的研究 4

2.1 MOS晶体管模型 4

2.1.1 MOS管的大信号模型（DC模型） 4

2.1.2 MOS管的小信号模型（AC模型） 6

2.2 CMOS模拟集成电路的基本单元模块 7

2.1.1基本电流镜 7

2.2.2 威尔逊电流镜 8

2.2.3 基本源耦差分对 10

2.3本章小结 12

第3章CMOS跨导运放的基本电路及其应用 13

3.1跨导运放的基本概念及应用原理 13

3.1.1基本跨导运算放大器 13

3.1.2基本型CMOS跨导运算放大器 14

3.1.3带源极反馈电阻的跨导运算放大器 19

3.2跨导运算放大器模拟运算电路 19

3.2.1 电压放大器 19

3.2.2 加法器 20

3.2.3 理想积分器 20

3.2.4 模拟电阻 21

3.3 低阶滤波器的设计 22

3.3.1 节点电压模拟法 23

3.3.2 信号流图法 24

3.3.3 方块图法 26

3.4 本章小结 26

第4章高阶Gm-C滤波器的设计 28

4.1高阶Gm-C滤波器的设计 28

4.1.1级联法设计高阶Gm-C滤波器 28

4.1.2模拟无源LC梯形电路法设计高阶Gm-C滤波器 30

4.1.3多环反馈法法设计高阶Gm-C滤波器 31

4.2仿真设计 33

4.2.1 三阶低通巴特沃斯无源滤波器的仿真 33

4.2.2 四阶带通巴特沃斯滤波器的仿真 34

4.3本章小结 35

第5章总结 37

参考文献 38

致谢 39

第1章 绪论

1.1 连续时间滤波器综述

从问世到发展至今，滤波器已有八十多年的历史，是一门年限不长但发展迅猛的学科。 1915 年，Campbll（美国）和Wagner（德国）都独立地提出并发展了第一代的无源滤波器。1945 年，Bode提出了新反馈放大器理论的基本思想，其采用有源元件为高增益反相放大器并结合无源回路来实现放大；1954 年第一个有源滤波器由Linvill设计并实现，其采用负阻抗变换器的转移阻抗来实现；1955 年Sallen-Key发明了有源RC 滤波器，其采用单放大器来实现，开辟了新的实用设计途径。1965 年是有缘滤波器发展的关键年，这一年单片集成运放问世，自此后有源滤波器进入了快速发展和普及的阶段。70 年代，得益于线性集成电路加工和设计工艺的快速发展，混合集成有源RC 滤波器被国外科学家研制出来，并很快用于数字通讯设备；此后，非理想特性的运放模型开始进入业内的视线，理论界出现了各种有源和无源补偿的理论方法。如此，有源滤波器开始进入实用阶段，并广泛的推广于低频领域。

在技术的初期，应用于有源RC 滤波器中，但占用的芯片面积较大。70年代后期，取代电阻的方法在科学界开始研究。1966年，有人提出利用开关电容滤波器的网络特性仅取决于网络中电容比的特征，1977年，开关模拟“电阻”成功研制出来，MOS 管和MOS 电容从而取代了电阻集成的有源RC 滤波器，全集成单片开关电容滤波器开始进入应用市场。科学界在研究单片实现有源RC滤波器时发现，RC乘积对于有源RC滤波器的特性具有决定性的作用，但是处理MOS单片时，RC乘积往往很难获得稳定并精确数据。经过研究发现，在硅片上得到稳定而精确的电容比并不复杂。与此同时，开关电容滤波器比有源RC滤波器具有很大的单片集成优势，适合工业化批量生产。从此，滤波器从分立走向走入了单片集成的新时代，实现了滤波器全集成的突破。