连续时间滤波器的新技术及其应用

王文理，王 鹏

（河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002）

连续时间滤波器的新技术及其应用

王文理，王 鹏

（河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002）

简述连续时间滤波器的概况、现状。介绍处于主导地位的几种电流模式滤波器的组成、特点和典型应用。针对滤波器性能改进，介绍并讨论几种连续时间滤波器的新技术及应用，最后展望连续时间滤波器的发展趋势。

连续时间滤波器；电流模式；集成电路；跨导

连续时间滤波器处理时间和幅度都连续变化的信号，可通过元件参数变化达到改变滤波器性能的目的，而无需像数字滤波器那样经A/D转换、D/A转换和数据处理等环节，且功耗低。开关电容滤波器有时可替代分离和集成的连续时间滤波器，但需借助开关在离散时间内采样模拟信号，可能还会出现贯穿现象。因此，连续时间滤波器仍有其应用领域，且连续时间滤波器正向系统高集成化、BICMOS技术和电流模式发展。这里针对滤波器的性能，介绍几种连续时间滤波器的新技术及其应用。

1 电流模式连续时间滤波器

电流模式具有频带宽、速度快、精度高、动态范围大、结构简单等特点，因此采用电流模式设计连续时间滤波器已引起研究者关注。电流模式选用电流作为电路的信号变量，并通过处理电流信号控制电路。典型的电流模式连续时间滤波器具有多种类型，诸如：跨导电容滤波器、跨导放大器电容滤波器、电流传送器滤波器、电流镜滤波器、对数域滤波器等。

1.1 跨导电容滤波器（Gm-C滤波器）

跨导电容滤波器的基本元件是积分器，并包括1个跨导和1个电容或1对电容。跨导电容滤波器适合中高频集成，可通过改变跨导值调控滤波器频率特性。在部分相应完全匹配的硬盘读取通道应用中使用7～50 MHz截止频率和群延时的可编程70 mW滤波器[1]，具有脉冲成形和滤除噪声等功能。

1.2 电流传送器滤波器

电流传送器是电流模式信号处理领域中的基本元件之一，由其构成的电路结构简单，功率低。与相应的运算放大器相比，在更大带宽下，它可提供更高的电压增益。由第2代电流传送器（CCII）构成的基本积分器如图1所示。

图1 CCII构成的积分器

该积分器的输入-输出关系为：

第2代电流传送器是第1代电流传送器 （CCI）的改进型，它提高了电流传输器的灵活性。新的改进技术包括：最佳的轨对轨低电压CCII[2]、高性能低电压自级联CCII[3]等。

1.3 MOSFET-C滤波器

MOSFET-C滤波器是由有源RC滤波器发展而来的，该滤波器是由MOSFET、运算放大器和电容组成，并利用MOS晶体管的非饱和区特性构成压控电阻取代常规电阻的全集成有源滤波器。它采用二氧化硅介质的双层多晶硅电容，与硅平面制作工艺完全兼容，便于集成，采用平衡对称的电路结构。其特点是电阻集成占用芯片面积少，功耗低，噪声小，对寄生电容不敏感，但由于使用运算放大器，限制了工作频率，通常仅用于音频范围。图2为构成滤波器的基本单元：MOSFET-C积分器。图2中，该积分器输入-输出关系为：

图2 MOSFET-C积分器

2 连续时间滤波器的新技术

连续时间滤波器具有高工作频率、宽频带、良好的线性度、大的动态范围和稳定性等特性。随着现代电路的发展，连续时间滤波器主要是以实现低电压工作，高频和特高频中的高精度，消除寄生现象，扩展动态范围等方面发展。近年来出现许多新技术，以下将分别加以介绍。

2.1 扩大动态范围

影响滤波器动态范围的主要因素有滤波器本身结构和积分器的动态范围。设计大动态范围的滤波器，要求滤波器各积分器输出信号能按比例缩放，使得各积分器输出电平相等，这样才能达到接近理想状态的动态范围。分治处理法[4]扩大动态范围的本质就是把滤波器所需的动态范围分解成一个个小范围，并充分利用分离后每一个范围内的滤波器。这样输出端不会受干扰。采用分治处理法扩大动态范围的技术可使滤波器功率损耗降低，芯片面积减少。SNDR是描述动态范围特征的量，一般来说滤波器的SNDR越小，其性能越好。

假设在滤波器中插入两个增益分别为G和1/G的放大器，该结构称为原始系统，如图3所示，其输出端噪声的有效值是未插入放大器时的1/G倍，输入电平失真变成原来1/G倍 ，这样，输入输出端相互抵消，总失真可以忽略不计，因此，调整G值可使SNDR的峰值跟踪输入电平一直保持最佳性能。而增益G随时间变化而变化时，整个系统的线性时不变性质消失，这样当增益变化时输出端会产生失真。

图3 原始系统结构

图4为改进的系统结构，它嵌入N个同样的原始系统，整个动态范围由每一个滤波器单独的动态范围组成，这样可扩大动态范围并减少失真，当然N不能是无穷大。

图4 改进的系统结构

2.2 新的硬盘驱动器读取通道中的连续时间滤波器

目前已提出的在计算机硬盘驱动器读取通道中速率达到1 Gbit/s的650 MHz电流模式7阶0.05°等涟波线性相位低通滤波器[5]使用CMOS技术和跳蛙式多环路反馈结构，其运算放大器是建立在差分对源级负反馈基础上，可实现线性化和可调谐。而使用电流模式可获得更高的截止频率。贝塞尔-托马斯和0.05°等涟波线性相位近似值都可应用于硬盘中，而适用后者的线性相位响应的近似值要比前者更有效。

2.3 数字化可编程BICMOS连续时间滤波器

目前信号处理领域大多采用开关电容技术滤波器，但其运算放大器限制最高工作频率，还需浮动线性电容，这样则增加处理的复杂性。因此，可编程的连续时间滤波器得到更多关注，比如可编程BICMOS跨导电容滤波器[6]、阵列电容和可编程跨导实现的可编程跨导电容滤波器[7]。数字化可编程BICMOS跨导运算放大器是由简单和经典的跨导放大器阵列组成[8]，由该放大器构成的滤波器具有Two-Thomas双极性结构，采用0.8 μm BICMOS技术的晶体管，供电电压±2.5 V，并且中心频率Wo、品质因素Q、带宽BW以及增益G等所有参数都实现数字化编程控制。

2.4 高性能的低频滤波器

高性能超低频滤波器广泛应用于医学仪器、抗震等领域。低频领域中对诸如带内平坦度、带外衰减、过渡带宽度等滤波器特性参数要求较高，大多采用高阶有源滤波器。对于心电图，心房脉冲产生器和其他设备的截止频率在1～100 Hz范围内，所处理的信号都在100 μV～100 mV范围内。比如一个带宽为1 Hz的6阶滤波器[9]，工作电压±1.5 V，噪声信号只有250 μV，功耗为 30 μW，动态范围为 58 dB。 由于硅区限制，寄生电容限制在50 pF之内。

3 连续时间滤波器的应用

连续时间滤波器的应用领域广泛。国外已有采用随机逻辑技术的连续时间滤波器[10]，适用于嵌入式系统中实现模拟信息的数字化。其他应用还包括：全集成使用0.13 μm CMOS技术10 Gb/s带有自适应光学差量均衡器的接收器[11]、在逆连续小波转化技术（ICWT）中的带通滤波器[12]，能够在规定时间内提取所需的频率信号。可编程连续时间滤波器用于变压器脉冲测试，分析脉冲测试中的错误[13]。国内也已经开始可编程连续时间滤波器应用开发，彭良玉[14]设计的应用于助听器的连续时间滤波器，使用电流控制传送器（CCCII）构成双二阶滤波器。另外Maxim公司推出的MAX274单片集成有源滤波器已在通信系统、电力参数测量[15-17]等领域普遍使用。

4 连续时间滤波器前景展望

随着VLSI技术和单片技术的发展，连续时间滤波器要求集成度高，工作电压低，功耗小，而工作频率适用范围宽泛。随着新的连续时间滤波器技术的发展，其各种性能指标不断提高。有DSP等技术的可编程连续时间滤波器的应用广泛。

5 结束语

连续时间滤波器在尖端医疗设备，电器、通信和信号处理等领域应用空间仍很大，神经网络、人造卫星以及航天技术方面也广泛应用连续时间滤波器。电流模式滤波器以其特有优势使连续时间滤波器对科技发展具有重要影响。

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New technologies of continuous-time filters and their application

WANG Wen-li，WANG peng
（College of Electronic and Information Engineering，Hebei University，Baoding071002，China）

The overview and the current situation of continuous-time filter are explained.The components，characters and typical applications of several kinds of current-mode filters which are on the dominant position are introduced.For the improvement of the filter performance，a number of new technologies of continuous-time filters and their applications are introduced and discussed.Finally，this paper prospects the development trend of continuous-time filter.

continuous-time filter； current-mode； integrated circuit； transconductance

TN713

A

1674－6236（2010）01-0110-03

2009-07-16 稿件编号：200907052

王文理（1955—），男，河北沧州人，教授。研究方向：电力通信设备。