开关电流双二次滤波器的研究与设计

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1、第一章绪论第一章绪论§1.1开关电流技术产生的背景自20世纪80年代起，信息技术在世界范围内得到了迅猛发展。随着集成电路工艺技术的不断进步，大规模集成电路乃至超大规模集成电路不断涌现，集成电路正朝着单片系统集成的方向发展。高集成度、高速、低电压、低功耗和高性价比的片上系统成为当今集成电路发展的主要方向。数字系统由于具有可编程、使用灵活、设计周期短等优点，已取代了绝大多数的模拟系统；但是现实世界的信号都是以模拟信号形式存在的，为了能够利用数字系统进行信号处理，首先必须通过数据取样系统将模拟信号转换成数字信号。长期以来，开关电

2、容技术一直是实现取样数据系统的唯一选择。集成电路制造的低成本、低功耗的目标以及单片数字/模拟混合集成电路(SOC)的发展都要求系统的模拟电路部分也能采用标准数字CMOS工艺制作。而开关电容技术需要采用一种标准数字CMOS工艺中没有的双层多晶硅工艺，因此无法与标准数字CMOS工艺兼容。而且，在数字CMOS工艺发展到超深亚微米(0.1µm～0.05µm)阶段后，制作第二层多晶硅也会变得越来越困难。由于在超深亚微米工艺阶段，集成电路将普遍采用低于1.0V的电源供电，如此低的工作电压条件必然会使开关电容电路的有效电压摆幅下降，导致

3、开关电容电路的动态范围减小，同时也使得高速、高增益的运算放大器的实现日益困难。相比之下，由于开关电流技术采用电流模式信号处理方式，因此当电源电压采用集成电路工艺中所要求的低电压标准时，信号电流的动态范围不受直接的影响。此外，开关电流电路还具有无需线性浮置电容，符合标准数字CMOS工艺，无需高性能运算放大器等优点。因此，开关电流技术自1989年问世以来，得到了国际学术界的广泛关注。正是在这种背景下，数字工艺的模拟技术—开关电流(SI)技术得到了较快的发展。它是继开关电容技术之后一种新的模拟取样数据信号处理技术，是数字/模拟混

4、合集成电路的一个重要发展方向[1]。开关电流技术预示着模拟取样数据信号处理新时代的来临，有望于若干年后替代开关电容技术成为主流的数据取样信号处理技术。§1.2开关电流技术与开关电容技术的比较传统的模拟电子电路采用电压模式设计方法，即电路的信号用电压变量表达，电路的功能通过处理电压信号实现。对于电压模式电路，通常要求它在尽可能低的功耗下，提供尽可能大的电压信号摆幅。为此，要在电路中人为地设置多个高阻抗节点，限制总的电流消耗和提高电压摆幅。这些高阻抗节点存在负面效应，严重影响电路对高频和高速信号的处理能力，这是电压模式模拟电路

5、发展中的一个难题。近二十年来，以电流为信号变量的电路在信号处理中的巨大潜在优势逐渐被认识-1-万方数据桂林电子科技大学学位论文并被挖掘出来，促进了一种新型电子电路—电流模式电路的发展。一般地讲，电流模式电路可以定义为：当选用电流而不是电压作为电路中的信号变量，并通过处理电流变量来决定电路的功能时，称为电流模式电路。开关电容技术属于电压模式信号处理技术，开关电流技术属于电流模式信号处理技术。它们之间除了电压模式与电流模式之间的区别外，还有各自的特点。下面主要从成本、芯片面积、精度等方面对两种技术特点进行比较。1.成本开关电流

6、电路可以采用数字CMOS工艺制作，工艺简单、成本低廉；而开关电容电路需要线性浮置电容，制作复杂，成本较高。2．芯片面积开关电流电路的电路结构相对简单，与开关电容电路相比占用的芯片面积更小，有利于集成度的提高。3.阻抗理想的开关电流电路应具有零输入阻抗和无穷大的输出阻抗；理想的开关电容电路应具有无穷大的输入阻抗和零输出阻抗。4.速度开关电流电路仅以简单的MOS开关、电流镜为基本模块完成所有的信号处理(其关键节点都是低阻抗的，阻容时间常数很小)，不像开关电容电路受运算放大器有限的增益带宽积的限制，因此可以工作于更高的频率。5.

7、精度开关电流电路的精度依赖于电流镜的匹配程度，目前的CMOS工艺能达到的晶体管匹配程度为0.1%，而CMOS工艺中线性电容的匹配程度可以达到0.01%，所以当前的高精度应用都是基于开关电容技术的。6、噪声开关电流电路与开关电容电路有着相似的噪声功率，由于开关电流电路中存储电容是由栅源寄生电容构成的，其电容量比开关电容电路中的取样电容小得多，因此开关电流电路中的噪声要大于开关电容电路中的噪声。综上所述，开关电流技术的优势主要体现在低成本、与标准数字CMOS工艺兼容、芯片面积小等方面，但同时也存在着精度不高、噪声大等不足，因此

8、在目前的工艺条件下，设计高性能模拟电路的首选仍然是开关电容技术，开关电流技术要想取代开关电容技术仍需要较长的发展时间。§1.3开关电流技术的发展与研究现状开关电流技术诞生以来的十几年里，在理论研究和应用[2,3]等方面都取得了一些进展，越来越多的模拟电路设计者已开始将注意力转向开关电流技术的研究。开关电