模拟集成电路设计系列博客——4.1.3 一阶Gm-C滤波器
4.1.3 一阶Gm-C滤波器
假设我们希望实现如下图所示系统框图的单端\(G_m-C\)滤波器。
我们可以使用下图所示的电路:
系统框图中的增益通过跨导器来实现,积分通过电容\(C_A\)来实现,而\(C_X\)对应了系统框图中前馈通路\(k_1 s\)。
上面这个一阶\(G_m-C\)滤波器的传输函数可以通过列写一个对于输出节点\(V_{out}(s)\)的电流方程来求得:
变形得到\(V_{out}(s)/V_{in}(s)\),我们有:
我们考虑系统框图对应的传输函数:
通过对比\((4.1.10)\)和\((4.1.11)\),我们可以得到:
需要注意的是,根据\((4.1.12)\),\(C_X\)必然是一个正数,那么\(k_1\)就必须满足\(0\leq k_1 < 1\)。这就限制了无法实现一个高频增益为负数或者大于1的滤波器(这是因为从\((4.1.11)\)可以很容易得出这个传输函数对应的高频增益为\(k_1\))。
最后,与之等效的全差分一阶\(G_m-C\)滤波器的结构如下图所示,需要注意相比单端情况,这里电容放大了两倍,从而使得相同的设计方程成立。同时也需要注意对\(k_1\)有着一样的限制,尽管我们其实可以通过交叉耦合电容对\(C_X\)的方式来实现负的\(k_1\)。
例题1:
基于本节中的全差分一阶\(G_m-C\)滤波器结构,确定当我们需要实现一个直流增益为\(0.5\),极点在\(20MHz\),零点在\(40MHz\)的滤波器时所需要的器件参数,假定\(C_A=2pF\)。
解答:
对于一个零点在\(40MHz\),极点在\(20MHz\)的一阶滤波器,我们有:
根据低频增益为\(0.5\),我们可以求出因子\(k=0.5\times20MHz/40MHz=0.25\),从而:
因此对应到\((4.1.11)\)中,我们有:
使用设计方程\((4.1.12)\)到\((4.1.14)\),我们可以得到: