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全集成连续时间ota-c有源滤波器研究,全集成连续时间ota-c有源滤波器研究3.7万字84页摘要全集成连续时间滤波器的研究是当前国内外微电子、电路与系统学界研究的前沿课题。连续时间滤波器在通信、电子测量、仪器仪表、自动控制等方面有着广泛的应用背景，特别在数字模拟混合信号处理及通信集成电路中有着重要的应用。ota-c有源滤波器电路的研究是现代滤波器领域的一个...
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内容介绍
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全集成连续时间OTA-C有源滤波器研究
3.7万字 84页
摘 要
全集成连续时间滤波器的研究是当前国内外微电子、电路与系统学界研究的前沿课题。连续时间滤波器在通信、电子测量、仪器仪表、自动控制等方面有着广泛的应用背景，特别在数字模拟混合信号处理及通信集成电路中有着重要的应用。OTA-C有源滤波器电路的研究是现代滤波器领域的一个极为活跃的课题。它具有良好的高频特性和电控能力、极强的电路综合能力、与MOS VLSI工艺兼容等优点成为众多的滤波器中最具发展潜力的一种滤波器。
本文研究了OTA电路实现及OTA-C二阶滤波器和高阶滤波器的设计理论、设计方法和实现电路，首先介绍了各种集成滤波器及各自的特点和本课题的重要意义、国内外研究现状，并介绍了MOS晶体管的基本结构、工作原理和模型电路、CMOS模拟集成电路的几种基本组成单元。然后介绍了CMOS跨导运放的基本概念、应用原理和基本应用，基本型及改进的跨导运算放大器的电路实现。接着从矩阵论的角度给出了MO-OTA二阶滤波器的系统设计理论和方法；给出了一种新的电压模式三输入、单输出二阶多功能滤波器，它能同时实现低通、高通、带通、带阻、全通输出；给出了新颖的电流模式多功能双二阶滤波器，它不仅在一个输出端能实现低通、高通、带通、带阻、全通5种滤波功能，而且能在三个输出端同时得到多种滤波输出，以上两种滤波器由3个OTAs器件，2个电容构成，是目前所报道过的元件数较少的多功能滤波器。最后给出了新的任意阶OTA-C多功能滤波器由2n+2个OTAs和n个电容构成，可实现任意阶高通、低通、全通、带通、带阻等滤波输出；给出的电流模式n阶OTA-C高通滤波器仅由n个OTAs和n个电容构成，上述两种滤波器所有的电容均接地，便于集成且与MOS VLSI工艺兼容。
对提出的上述二阶和高阶滤波器均进行了PSPICE仿真，并对电流模式高阶高通滤波器进行了实验验证，实验结果与仿真结果接近，验证了理论分析的正确性。
关键词： 跨导运算放大器， CMOS，
有源OTA-C滤波器 模拟集成电路，
Abstract
A continuous time filter is a front subject in microelectronics, circuits and systems. It applies widely in communication, electronic measurement, instrument & appearance and cybernation. Especially it has an important application in mixed signal circuits of digit and analog, communication IC. OTA-C active filters research is one extremely active subject in the modern filter domain. OTA-C active filters may become the most potential because they have good high frequency characteristic and electrically controlled ability, greatly strengthened circuit synthesis ability and compatibility with MOS VLSI technology.
The dissertation studies the realization method of OTA and the structures, realizations and design methods of OTA-C second-order and high-order filters. At first each kind of integrated filter and respective characteristic and this topic vital significance and present international and domestic research states are introduced. Basic structure and model and principle of work of MOS transistor and several kinds of basic intrgrated circuit unit module are then introduced. Basic concept and application principle and the structure of OTA are then introduced. Furthermore a systematic design theory and method of filters based on MO-OTAs from matrix theory is proposed. A voltage mode three inputs and one output second-order multiple function filter is proposed. It can realize five basic biquadratic filtering characteristics of lowpass，highpass，bandpass，notch and allpass. A novel current mode OTA-C multifunction biquadratric filter is proposed. It can not only realize five basic biquadratic filtering characteristics of lowpass，highpass，bandpass，notch and allpass at a output terminate, but also realize multiple function filtering outputs at the three output terminates simultaneously. Two kind of filters above with minimum components is composed of three OTAs and two capacitors. At the last a new arbitrary order OTA-C multifunction filter is proposed which is composed of 2n+2 OTAs and n capacitors. It can realize lowpass, highpass，bandpass，bandstop and allpass filtering outputs. A current-mode n-order OTA-C highpass filer is proposed which is only composed of n OTAs and n capacitors. Above two kind of filters all the capacitors are grounded. The circuits is integrated conveniently and is compatible with VLSI technology.
PSPICE simulation results of proposed filter circuits are given. A current-mode n-order OTA-C highpass filer is made. Experimental result is similar to the simulation result to confirm the theoretical analysis.
Key Words: operational transconductance amplifier CMOS
Active OTA-C filter, analogy integrated circuit
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪 论 1
1.1 全集成滤波器概述 1
1.2 本课题的重要意义和国内外研究现状 3
1.3 本文主要研究内容 4
1.4 论文内容安排 6
第二章 MOS晶体管和CMOS模拟集成电路研究 7
2.1 MOS晶体管的基本结构及其工作原理 7
2.2 MOS晶体管的电路模型 9
2.2.1 大信号模型 9
2.2.2 小信号模型 11
2.3 CMOS模拟集成电路的基本单元模块 12
2.3.1 MOS有源电阻 12
2.3.2 CMOS 电流镜 13
2.3.3 基本源耦差分对 15
2.4 本章小结 17
第三章CMOS跨导运算放大器电路的实现及基本原理和应用 18
3.1 OTA的基本概念和应用原理 18
3.2 OTA的典型应用 20
3.2.1 可变电阻器 20
3.2.2 增益可控电压放大器 21
3.2.3 回转器 22
3.2.4 模拟电感 23
3.2.5 加法器和积分器 24
3.2.6 简单的一阶有源滤波器 26
3.3 CMOS跨导运算放大器电路的实现 28
3.3.1基本源耦差分对跨导运算放大器 29
3.3.2几种改进的CMOS跨导运算放大器 30
3.4 本章小结 35
第四章 全集成连续时间OTA-C二阶有源滤波器的设计 37
4.1 OTA-C滤波器的性能特点 37
4.2 OTA-C连续时间二阶滤波器的设计方法 38
4.2.1 由有源RC网络生成二阶OTA-C滤波器 38
4.2.2 信号流图法设计二阶OTA-C滤波器 40
4.3两种新颖的二阶OTA-C滤波器电路 44
4.3.1电压模式三输入单输出OTA-C多功能滤波器 44
4.3.2电流模式OTA-C多功能双二阶滤波器 46
4.4 基于MO-OTA二阶电流模式滤波器的系统设计 49
4.4.1 一般设计理论 50
4.4.2 滤波器的产生和综合 51
4.4.3 无源灵敏度分析 53
4.4.4 模拟举例 54
4.5 本章小结 55
第五章 OTA-C高阶有源滤波器的设计 57
5.1 OTA-C高阶滤波器的设计综合 57
5.1.1多环反馈法设计高阶OTA-C滤波器 57
5.1.2 模拟无源LC梯形电路法设计高阶OTA-C滤波器 61
5.2传递函数直接综合法生成高阶滤波器 64
5.2.1电压模式任意阶OTA-C多功能滤波器的设计 65
5.2.2电流模式高阶OTA-C高通滤波器的设计 70
5.3本章小结 77
3.7万字 84页
摘 要
全集成连续时间滤波器的研究是当前国内外微电子、电路与系统学界研究的前沿课题。连续时间滤波器在通信、电子测量、仪器仪表、自动控制等方面有着广泛的应用背景，特别在数字模拟混合信号处理及通信集成电路中有着重要的应用。OTA-C有源滤波器电路的研究是现代滤波器领域的一个极为活跃的课题。它具有良好的高频特性和电控能力、极强的电路综合能力、与MOS VLSI工艺兼容等优点成为众多的滤波器中最具发展潜力的一种滤波器。
本文研究了OTA电路实现及OTA-C二阶滤波器和高阶滤波器的设计理论、设计方法和实现电路，首先介绍了各种集成滤波器及各自的特点和本课题的重要意义、国内外研究现状，并介绍了MOS晶体管的基本结构、工作原理和模型电路、CMOS模拟集成电路的几种基本组成单元。然后介绍了CMOS跨导运放的基本概念、应用原理和基本应用，基本型及改进的跨导运算放大器的电路实现。接着从矩阵论的角度给出了MO-OTA二阶滤波器的系统设计理论和方法；给出了一种新的电压模式三输入、单输出二阶多功能滤波器，它能同时实现低通、高通、带通、带阻、全通输出；给出了新颖的电流模式多功能双二阶滤波器，它不仅在一个输出端能实现低通、高通、带通、带阻、全通5种滤波功能，而且能在三个输出端同时得到多种滤波输出，以上两种滤波器由3个OTAs器件，2个电容构成，是目前所报道过的元件数较少的多功能滤波器。最后给出了新的任意阶OTA-C多功能滤波器由2n+2个OTAs和n个电容构成，可实现任意阶高通、低通、全通、带通、带阻等滤波输出；给出的电流模式n阶OTA-C高通滤波器仅由n个OTAs和n个电容构成，上述两种滤波器所有的电容均接地，便于集成且与MOS VLSI工艺兼容。
对提出的上述二阶和高阶滤波器均进行了PSPICE仿真，并对电流模式高阶高通滤波器进行了实验验证，实验结果与仿真结果接近，验证了理论分析的正确性。
关键词： 跨导运算放大器， CMOS，
有源OTA-C滤波器 模拟集成电路，
Abstract
A continuous time filter is a front subject in microelectronics, circuits and systems. It applies widely in communication, electronic measurement, instrument & appearance and cybernation. Especially it has an important application in mixed signal circuits of digit and analog, communication IC. OTA-C active filters research is one extremely active subject in the modern filter domain. OTA-C active filters may become the most potential because they have good high frequency characteristic and electrically controlled ability, greatly strengthened circuit synthesis ability and compatibility with MOS VLSI technology.
The dissertation studies the realization method of OTA and the structures, realizations and design methods of OTA-C second-order and high-order filters. At first each kind of integrated filter and respective characteristic and this topic vital significance and present international and domestic research states are introduced. Basic structure and model and principle of work of MOS transistor and several kinds of basic intrgrated circuit unit module are then introduced. Basic concept and application principle and the structure of OTA are then introduced. Furthermore a systematic design theory and method of filters based on MO-OTAs from matrix theory is proposed. A voltage mode three inputs and one output second-order multiple function filter is proposed. It can realize five basic biquadratic filtering characteristics of lowpass，highpass，bandpass，notch and allpass. A novel current mode OTA-C multifunction biquadratric filter is proposed. It can not only realize five basic biquadratic filtering characteristics of lowpass，highpass，bandpass，notch and allpass at a output terminate, but also realize multiple function filtering outputs at the three output terminates simultaneously. Two kind of filters above with minimum components is composed of three OTAs and two capacitors. At the last a new arbitrary order OTA-C multifunction filter is proposed which is composed of 2n+2 OTAs and n capacitors. It can realize lowpass, highpass，bandpass，bandstop and allpass filtering outputs. A current-mode n-order OTA-C highpass filer is proposed which is only composed of n OTAs and n capacitors. Above two kind of filters all the capacitors are grounded. The circuits is integrated conveniently and is compatible with VLSI technology.
PSPICE simulation results of proposed filter circuits are given. A current-mode n-order OTA-C highpass filer is made. Experimental result is similar to the simulation result to confirm the theoretical analysis.
Key Words: operational transconductance amplifier CMOS
Active OTA-C filter, analogy integrated circuit
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪 论 1
1.1 全集成滤波器概述 1
1.2 本课题的重要意义和国内外研究现状 3
1.3 本文主要研究内容 4
1.4 论文内容安排 6
第二章 MOS晶体管和CMOS模拟集成电路研究 7
2.1 MOS晶体管的基本结构及其工作原理 7
2.2 MOS晶体管的电路模型 9
2.2.1 大信号模型 9
2.2.2 小信号模型 11
2.3 CMOS模拟集成电路的基本单元模块 12
2.3.1 MOS有源电阻 12
2.3.2 CMOS 电流镜 13
2.3.3 基本源耦差分对 15
2.4 本章小结 17
第三章CMOS跨导运算放大器电路的实现及基本原理和应用 18
3.1 OTA的基本概念和应用原理 18
3.2 OTA的典型应用 20
3.2.1 可变电阻器 20
3.2.2 增益可控电压放大器 21
3.2.3 回转器 22
3.2.4 模拟电感 23
3.2.5 加法器和积分器 24
3.2.6 简单的一阶有源滤波器 26
3.3 CMOS跨导运算放大器电路的实现 28
3.3.1基本源耦差分对跨导运算放大器 29
3.3.2几种改进的CMOS跨导运算放大器 30
3.4 本章小结 35
第四章 全集成连续时间OTA-C二阶有源滤波器的设计 37
4.1 OTA-C滤波器的性能特点 37
4.2 OTA-C连续时间二阶滤波器的设计方法 38
4.2.1 由有源RC网络生成二阶OTA-C滤波器 38
4.2.2 信号流图法设计二阶OTA-C滤波器 40
4.3两种新颖的二阶OTA-C滤波器电路 44
4.3.1电压模式三输入单输出OTA-C多功能滤波器 44
4.3.2电流模式OTA-C多功能双二阶滤波器 46
4.4 基于MO-OTA二阶电流模式滤波器的系统设计 49
4.4.1 一般设计理论 50
4.4.2 滤波器的产生和综合 51
4.4.3 无源灵敏度分析 53
4.4.4 模拟举例 54
4.5 本章小结 55
第五章 OTA-C高阶有源滤波器的设计 57
5.1 OTA-C高阶滤波器的设计综合 57
5.1.1多环反馈法设计高阶OTA-C滤波器 57
5.1.2 模拟无源LC梯形电路法设计高阶OTA-C滤波器 61
5.2传递函数直接综合法生成高阶滤波器 64
5.2.1电压模式任意阶OTA-C多功能滤波器的设计 65
5.2.2电流模式高阶OTA-C高通滤波器的设计 70
5.3本章小结 77
