基于Switched-RC技术的0.8V带通滤波器

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摘 要：开关电容滤波器是信号处理系统的重要组成模块，设计了一种用于心率检测设备的六阶带通开关电容滤波器。该设计基于开关电阻电容技术，利用开关电阻代替传统的采样开关，实现了更高的采样线性度，是低压下开关电容滤波器正常工作的一种全新实现方案。仿真结果表明，该滤波器在0.8 V工作电压下，功耗为0.9 mW，输出摆幅可达1.2 Vp-p,通带增益为10 dB，-3 dB带宽为25~80 Hz。

关键词：开关电阻电容；开关电容；滤波器；低压

中图分类号：TN713 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)09-177-03オ

0.8 V Bandpass Filter Based on switched-rc Technique

ZHANG Jianqin,LI Kaihang

(Xiamen University,Xiamen,361005,China)オ

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オ

1 引 言

随着集成电路步入深亚微米阶段，便携式电子产品市场份额的不断扩大，低电压低功耗集成电路已成为该类电子产品的发展主流。由于电源电压的降低，很多模拟集成电路芯片中的基本单元需要重新设计，特别是目前广泛应用于信号处理系统的开关电容电路芯片也面临着低压工作问题，即低压时开关电容电路中浮动开关呈高阻态，影响信号无法正常通过[1]。

目前解决低压情况下开关电容电路中浮动MOS开关管的导通问题，主要有以下几种方案：用低阈值电压器件[2]，用电压倍增电路[3]，使用开关运放技术[4]以及本文使用的开关电阻电容(Switched-RC)技术[5,6]。低阈值电压器件需要特殊制造工艺所以成本过高，电压倍增电路由于过高的时钟电压限制了其在深亚微米工艺中的使用，开关运放技术由于运放的不断开启和关闭而不适用于高速信号处理。相比之下，开关电阻电容技术则不存在这些问题，同时还具有采样线性度更高的优点。

本文介绍了开关电阻电容技术的基本原理，并采用该技术设计了一种0.8 V六阶带通开关电容滤波器。该滤波器将应用于心率检测设备，起到放大心率信号和衰减干扰信号的功能。最后采用TSMC 0.18 μm CMOS工艺,对所设计滤波器进行了仿真,仿真结果表明该滤波器符合设计指标,实现了低压环境下的正常工作，实现了低压下开关电容滤波器的一种全新设计方案。

2 滤波器系统结构和电路实现

2.1 Switched-RC和Split-RC电路

开关电容积分器是开关电容滤波器的基本组成模块。图1所示为基于Switched-RC技术的开关电容积分器，图中Cd支路为保持运放反向输入端电平为VA而加的电平转移支路。如图1所示，原来的浮动MOS开关被电阻R1所替换。利用电阻替换浮动开关，不仅避免了低电压时浮动开关的高阻抗问题，而且还能提高电路的线性度。具体原理如下：在t1时刻，输入信号经过电阻R1被采样到电容Cs上，在t2时刻，开关Ms闭合，信号电荷转移到积分电容Ci中。根据电荷守恒，此时输出节点电压表示为：

オ

V┆out(n+12)[WB]=V┆out(n)+CsCiV┆in(n)-

[DW] CsCiR┆onR1+R┆onV┆in(n+12)[JY](1)

И

在过采样条件下，V┆in(n+1/2)近似等于V┆in(n),因此由式(1)可以看出开关导通电阻引入的增益误差可以近似表示为:

И

增益误差=CsCiR┆onR1+R┆on[JY](2)

И

其中：

是Ms的导通电阻，由式(2)可知，只要R1R┆on，那么电阻R1替代MOS开关管带来的误差就会很小。由于R┆on具有非线性，会引入非线性误差，但在Switched-RC电路中，节点X的电压VX=R┆onR1+R┆onV┆in，变化幅度比V┆in小很多，所以由于R1的替换而带来的电路非线性误差仍然可以保持在很低的水平。显然，R1越大电路增益误差越小，同时线性度也越好。但R1过大会导致采样时间常数R1Cs过大，当R1Cs>T/2时(T为时钟周期)，将无法实现信号的正常采样。通过合理选择R1阻值和开关宽长比，并经过反复模拟仿真就可使积分器精度达到较好水平。И

图1 Switched-RC开关电容积分器

为了使积分器性能进一步优化，还采用了split-RC技术。图1中积分器在采样周期输入共模电平为VDD/2,在积分周期的输入共模电平则为0，所以两相时钟对应两个不同的输入共模电平，因此需要加入电平转移支路Cd使运放反向输入端共模电平始终维持在虚地，以避免积分电容Ci出现电荷积累，从而使积分器输出共模电平恒定。但是由于Cd支路的存在引入了额外的KT/C噪声。为了使输入信号共模电平始终为VDD/2，达到较大输入差模信号摆幅，同时避免Cd支路引入KT/C噪声，采用split-RC技术实现的伪差分积分器如图2所示。

图2 Split-RC伪差分开关电容积分器

在图2中，原本图1中的R1和Cs被镜像成两个完全对称的支路(同时采样电容值变为Cs/2)，采样电容左端的开关一只接VDD,另一只接Gnd。工作过程为：在t1时刻两个采样电容Cs/2均经过电阻R1接Vi,此时Vi的输入共模电平为V┆DD/2，在t2时刻采样电容Cs/2一只接V┆DD，另一只接Gnd，共模电平也为V┆DD/2,从而实现共模电平恒定在V┆DD/2处。

通常差分运放需要共模反馈电路来维持共模电平的稳定，为了使低电压工作情况下共模反馈电路更易于实现，本文采用文献［7］中提出伪差分电路方法。在图2中Cm为反馈电容，Cm的取值大小与采样电容Cs的大小有关。反馈电路的工作原理为：在t1时刻反馈电容采样两输出端预置的共模电平，在t2时刻采样实际的共模电平，同时将预置共模电平和实际共模电平的差值反馈到各个运放的输入端，从而维持输出共模电平的稳定。同时也保持运放反向输入端的共模电平始终为虚地。该反馈电路具有易于实现和KT/C噪声小的优点。И

2.2 运算放大器

本文设计的运放为一个使用PMOS 输入级的低压两级运算放大器。第一级为折叠结构的PMOS 低压差分输入级，采用共源共栅结构，以实现增益的最大化。第二级采用普通的共源结构以实现最大的输出摆幅。输入输出共模电平分别单独设置，输入共模电平为0 V，输出共模电平为0.4 V。仿真结果为：电源电压0.8 V，直流增益78 dB，单位增益带宽12 MHz，相位裕度61°。以上指标表明该运放适合于开关电容电路的应用。

2.3 Switched-RC带通滤波器

本文所设计的带通滤波器用于心率检测设备。滤波器起到放大心率信号和衰减干扰信号的功能。所处理的心率信号集中在20~80 Hz频段，干扰信号则分布在低于7 Hz频段和高于100 Hz频段。利用Matlab工具得到符合要求的滤波器传输函数然后计算出具体电容值。该滤波器为三个双二阶子单元的级联，其中第一和第二个子单元为双二阶带阻滤波器，阻带中心频率分别为10 Hz 和110 Hz。第三个子单元为双二阶低通滤波器，截止频率为100 Hz。各个子单元均采用伪差分结构，子单元的具体电路如图3和图4所示。

参 考 文 献

［1］Castello rinaldo,Federico 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 mon-mode Feedback Circuits for Pseudo-differential Switched-capacitor Stages［C］.in Proc.IEEE Int.Symp.Circuits and Systems,2000:445-448.

作者简介

章建钦 男，1981年出生，在读硕士研究生。主要从事低电压开关电容滤波器的研究。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。