автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Реализация малопотребляющих КМОП фильтров на переключаемых конденсаторах на основе токовых конвейеров

На правах рукописи

Тутышкин Александр Андреевич

Реализация малопотребляюпшх КМОП фильтров на переключаемых конденсаторах на основе токовых конвейеров

Специальность 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы и устройства радионавигации, радиолокации и телевидения»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена на кафедре «Радиотехника и телекоммуникации» ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор АСКоротков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.В. Бондаренко

кандидат технических наук, доцент В.Г.Красов

Ведущая организация:

ОАО «Супертел»

Защита состоится 2 декабря 2004 г. в на заседании диссертационного

Совета Д 212.229.01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу:

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29,2-ой учебный корпус, ауд. 470.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан 2004 г.

И.О. ученого секретаря диссертационного Совета Д 212.229.01

доктор физико-математических наук, профессор А.И.Титов

92.1 Ш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С увеличением степени интеграции микроэлектронных схем обозначилась тенденция к уменьшению потребляемой мощности радиоэлектронной аппаратуры. В то же время, при реализации телекоммуникационных систем, таких как WLAN, DECT и Bluetooth, необходимо использовать аналоговые частотно-избирательные устройства с расширенным диапазоном рабочих частот, в частности, фильтры нижних частот (ФНЧ) с полосой пропускания от 1 МГц. Также, реализация устройств обработки сигналов, совмещающих на одном кристалле аналоговую и цифровую часть (System-on-Chip), требует уменьшения физических габаритов основных узлов. При реализации цифровых устройств обработки сигналов в подавляющем большинстве случаев используется КМОП-технология. В связи с этим аналоговая часть реализуемого устройства должна быть также выполнена по КМОП-технологии. Одной из важнейших составляющих аналоговой части являются частотно-избирательные устройства (ЧИУ). В КМОП-исполнении используются следующие классы ЧИУ: фильтры на переключаемых конденсаторах (switched capacitors, SC-фильтры) и фильтры, построенные на транскондуктивных усилителях (так называемые Gm-C фильтры). Каждый из описанных классов активных ЧИУ имеет свои преимущества и недостатки. Реализация Gm-C фильтров требует включения в состав ЧИУ схемы автоподстройки параметров входящих в фильтр транскондуктивных усилителей (ТУ). Вследствие этого увеличиваются потребляемая мощность, занимаемая на кристалле площадь, а также усложняется разработка фильтра.

Прецизионные фильтры на переключаемых конденсаторах на основе операционных усилителей могут быть реализованы без схемы автоподстройки. Это связано с тем, что постоянные времени фильтра определяются отношениями величин конденсаторов, которые могут быть выдержаны в КМОП-технологии с точностью не ниже 1%. Следовательно, упрощается процесс разработки ЧИУ, уменьшаются занимаемая на кристалле площадь и потребляемая мощность. Однако такой подход оправдан при реализации фильтров с рабочими частотами, не превышающими 150-200 кГц. Это связано с тем, что при реализации схем с более высокими рабочими частотами необходимо использование ОУ с повышенной площадью усиления (более 10-12 МГц), что существенно увеличивает потребляемую мощность и занимаемую фильтром

площадь на кристалле.

Ограничения, имеющие место при реализации описанных классов ЧИУ, стимулируют поиск принципиально новых путей реализации фильтров с расширенной полосой рабочих частот. В этой связи представляется перспективным переход к обработке сигналов не в базисе напряжений, а в базисе токов. Для построения схем, работающих в базисе токов, необходима соответствующая элементная база. В базисе токов одним из основных схемотехнических элементов является так называемый токовый конвейер второго поколения (second generation current conveyor - CCS). По принципу работы ССП в идеализированном случае представляет собой комбинацию повторителя напряжения и повторителя тока. Поскольку в схеме нет каскадов с большим коэффициентом усиления, то нет необходимости в подключении корректирующей цепи, что позволяет добиться расширения частотного диапазона, даже при малых напряжениях питания.

Принимая во внимание преимущества схем на переключаемых конденсаторах и токовых конвейеров, представляется перспективной реализация ЧИУ на переключаемых конденсаторах с использованием в качестве активных элементов токовых конвейеров. Такой подход должен иметь следующие преимущества1 во-первых, SC-реализация, в отличие от Gm-C-реализации, дает возможность не включать в фильтр схему автоподстройки, во-вторых, использование токового конвейера позволяет расширить частотный диапазон до единиц мегагерц без существенного увеличения потребляемой мощности, занимаемой площади и ухудшения динамических свойств.

При решении задачи синтеза SC-фильтров, как правило, используется метод операционной имитации. Основными достоинствами метода являются, низкая чувствительность характеристик фильтров к разбросу значений элементов, низкая чувствительность к влиянию паразитных емкостей, входящих в состав элементов (электронных ключей, ОУ, ССП), эффективная перестройка параметров фильтра изменением тактовой частоты. Основным базовым блоком для построения фильтра высокого порядка является SC-интегратор. Поэтому, для синтеза SC-цепей на основе ССП методом операционной имитации необходимо разработать SC-интегратор на основе ССП, мало чувствительный к паразитным емкостям.

Реализация устройств на основе новых схемотехнических блоков, в данном случае на основе ССП, требует разработки соответствующих методов символьного анализа таких устройств.

Важным этапом при разработке радиоэлектронных устройств, в том числе ЧИУ, является компьютерное моделирование. Схемы на .основе активных элементов, например ОУ, ТУ, ССП, могут моделироваться либо на уровне макромоделей, либо на транзисторном уровне. Моделирование на уровне макромоделей занимает существенно меньшее машинное время, чем время моделирования на транзисторном уровне. В настоящее время в литературе не предложено полной макромодели токового конвейера, учитывающей все свойства усилителя. Таким образом, важной задачей является разработка макромодели токового конвейера, максимально полно учитывающей его поведение в составе дискретно-аналоговых цепей.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является разработка методики проектирования и реализация малопотребляющих микроэлектронных фильтров на переключаемых конденсаторах с расширенным частотным диапазоном на основе КМОП токовых конвейеров. Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:

• развитие символьных методов анализа аналоговых и дискретных цепей на основе токовых конвейеров;

• разработка 8С-интегратора на основе токового конвейера с минимальной чувствительностью характеристик к паразитным емкостям элементов схемы;

• разработка КМОП-элементной базы для построения ЧИУ, включающей токовые конвейеры, повторигели напряжения и электронные ключи;

• синтез фильтров нижних частот на основе интеграторов, малочувствительных к паразитным емкостям, с расширенным частотным диапазоном и малой потребляемой мощностью;

• разработка макромодели токового конвейера с учетом его частотных, нелинейных и шумовых свойств;

• компьютерное моделирование ФНЧ, микроэлектронная реализация ФНЧ по 0.35-мкм КМОП-технологии и экспериментальное исследование реализованных интегральных схем.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы анализа и синтеза электрических цепей: метод ориентированного беспетлевого графа и метод узловых потенциалов, метод операционной имитации. Расчеты,

моделирование на ЭВМ и эксперимент проведены с помощью программ MathCAD, Matlab, Micro-CAP, Cadence, Eagle Layout Editor. Положения, выносимые на защиту.

1. Для построения высокочастотных, малопотребляющих и занимающих малую площадь на кристалле микроэлектронных фильтров целесообразно реализовывать схемы на переключаемых конденсаторах с использованием токовых конвейеров в качестве активных элементов.

2. Для реализации фильтров на переключаемых конденсаторах на основе токовых конвейеров методом операционной имитации следует использовать токовые конвейеры на основе повторителя напряжения, выполненного на базе дифференциального каскада с обратной связью и подключенного к нему повторителя тока на комплементарной паре МОП-транзисторов.

3. Для реализации SC-интеграторов на основе токовых конвейеров, нечувствительных к паразитным емкостям, необходимо использовать следующую схему включения ССП: вывод ^подключается к «аналоговой земле», к выводу X подключается SC-имитатор резистивного импеданса, а к выводу Z подключается непереключаемый конденсатор. Для реализации демпфированного интегратора к описанной схеме добавляется заземленный SC-имитатор резистивного импеданса, подключенный к выводу Z.

4. Анализ схем, содержащих ССП, целесообразно проводить методом узловых потенциалов и методом ориентированного беспетлевого графа, что позволяет исследовать как схемы на основе идеализированных ССП, так и схемы на основе ССП с реальными параметрами, включая входные и выходные сопротивления, коэффициенты передачи по напряжению и току, полосу рабочих частот.

5. Полоса рабочих частот по уровню -3 дБ повторителя тока, входящего в состав ССП, должна превышать значение тактовой частоты не менее чем в 15 раза. При этом искажения характеристик фильтра, обусловленные ограниченностью полосы рабочих частот, не превышают заданный технологическими ограничениями разброс постоянных времени, равный 1 проценту.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработаны методики анализа цепей, содержащих токовые конвейеры. Предложены модели ССП для топологического и алгебраического анализа.

2. Проведен сопоставительный анализ характеристик различных реализаций токовых конвейеров. Разработана схема токового конвейера, который обладает набором характеристик, необходимым для реализации SC-схем.

3. Предложена схема электронного ключа, позволяющая компенсировать «эффект прямого прохождения» при максимальном динамическом диапазоне SC-схемы.

4. Разработана макромодель ССП, учитывающая частотные, нелинейные и шумовые свойства токовых конвейеров.

5. Разработан алгоритм реализации SC-фильтров на ССП методом операционной имитации.

6. Проведен эксперимент, подтвердивший возможность реализации малопотребляющих ФНЧ на переключаемых конденсаторах с расширенным диапазоном рабочих частот.

Практическая ценность. Предложена схема ССП, позволяющая реализовать SC-фильтры с расширенным диапазоном рабочих частот. Разработана макромодель токового конвейера, позволяющая в несколько раз сократить время, затрачиваемое на моделирование фильтра. Разработаны схемы нечувствительных к паразитным емкостям SC-интеграторов, которые являются базовыми блоками для реализации малопотребляющих фильтров, занимающих малую площадь на кристалле.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: «Микроэлектроника и информатика -2001», восьмая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, 18-19 апреля 2001 г., Москва, МИЭТ; «XXX Юбилейная Неделя науки СП6ТТУ», межвузовская научная конференция, 26 ноября - 1 декабря 2001 г., Санкт-Петербург, СПбГТУ; «ICCSC'2002», 1st Int. conference on circuits and systems for communications, 26-28 июня 2002 г., Санкт-Петербург, СПбГПУ; «SPb-IEEE Con'04», 2004 ШЕЕ RUSSIA (NORTHWEST) SECTION CONFERENCE, 9-10 июня 2004 г., Санкт-Петербург, СП6ГЭТУ; «ICCSC'2004», 2nd Int. conference on circuits and systems for communications, 30 июня - 2 июля 2004 г., Москва, МТУСИ. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основной текст диссертации содержит 177

машинописных страниц, 106 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 95 наименований.

Вклад автора в разработку проблемы. Основные научные положения, теоретические выводы, практические рекомендации, расчеты и моделирование в диссертации выполнены автором самостоятельно.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы

В первой главе проводится анализ публикаций, касающихся темы диссертационной работы. Рассматриваются общие вопросы реализации частотно-избирательных устройств, элементной базы микроэлектронных фильтров, методы синтеза ЧИУ, обоснованность применения тех или иных методов для синтеза различных типов фильтров. Сделан вывод о том, что для реализации ФНЧ на переключаемых конденсаторах на основе ССИ целесообразно использовать метод операционной имитации. Определяющими факторами в данном случае стали низкая чувствительность реализуемого методом операционной имитации фильтра к разбросу значений элементов, а также возможность максимизации динамического диапазона фильтра с помощью процедуры выравнивания напряжений во внутренних узлах схемы.

Рассматриваются основные свойства и различные варианты реализаций ССП. Условное обозначение ССП приведено на рис.1.

Функционирование ССП описывается матричным уравнением (1):

где коэффициенты Кц И К[ в идеальном случае равны 1. Знак «+» или «-» перед коэффициентом Kj определяет тип токового конвейера - неинвертирующий и инвертирующий соответственно.

Приведена эквивалентная схема токового конвейера, из которой следует, что ССП включает повторитель напряжения и повторитель тока. Предложено классифицировать различные схемные решения ССП, реализованных по КМОП-технологии, по типу входящего в его состав повторителя напряжения: ССП с повторителем напряжения со входом на истоке МОП-транзистора (тип SIVF), ССП с повторителем напряжения со входом на затворе МОПЛгранзистора (тип GIVF) и ССП с повторителем напряжения на основе дифференциального каскада (тип LTP).

Рассмотрены возможности применения ССП для реализации звеньев фильтров в базисах токов и напряжений, конверторов импедансов, а также генераторов и усилителей.

Во второй главе рассмотрены вопросы символьного анализа цепей, содержащих токовые конвейеры. Предложены методики алгебраического и топологического анализа как аналоговых, так и дискретно-аналоговых цепей, к классу которых относятся цепи на переключаемых конденсаторах. Алгебраический анализ проводится методом узловых потенциалов, а топологический - методом ориентированного беспетлевого графа. Разработана графологическая модель ССП.

Построена обобщенная схема включения токового конвейера, анализ которой позволил получить схемы интеграторов в базисе напряжений. Интегратор является одним из базовых блоков при реализации фильтров методом операционной имитации. На основе полученных схем реализованы различные структуры SC-интеграторов на основе токовых конвейеров. Проведен анализ чувствительности характеристик SC-интеграторов к паразитным емкостям ключей, активных элементов и обкладок МОП-конденсаторов. В результате анализа выделены схемы интеграторов, имеющие минимальную чувствительность к паразитным емкостям, которые рекомендованы для использования в качестве базовых элементов для реализации фильтров на переключаемых конденсаторах (рис.2). Помимо представленных на рис.2 интеграторов без демпфирования, разработаны схема интегратора с демпфированием (рис.3) и схема, осуществляющая одновременно суммирование и интегрирование напряжений (рис.4).

Таким образом, получен набор структурных блоков, необходимый для реализации фильтра высокого порядка.

Разработана формализованная методика реализации ФНЧ высоких порядков методом операционной имитации. ФНЧ реализуется путем моделирования токов и напряжений в ветвях и узлах пассивного LC-прототипа с помощью активных цепей.

Основными структурными блоками реализуемого фильтра являются схемы, представленные на рис.2,3,4.

В третьей главе рассматриваются вопросы реализации микроэлектронной элементной базы разрабатываемого фильтра, которая включает повторители напряжения, токовые конвейеры и электронные ключи. Наличие среди перечисленных элементов повторителей напряжения обусловлено необходимостью устранения шунтирующего влияния входного сопротивления последующего каскада. Одним из основных требований к элементной базе является способность функционировать при стандартном для устройств, реализованных по 0.35-мкм КМ ОП-технологии, напряжении питания 2.5 В.

Сформулированы требования к полосе рабочих частот повторителей напряжения по уровню -3 дБ /„ст- Показано, что для того, чтобы ограниченная полоса рабочих частот повторителя напряжения не влияла на характеристики фильтра, между величиной и периодом тактовой частоты должно выполняться следующее 10

соотношение:

/т

'2жТТ

Разработана схема повторителя напряжения, которая

представлена на рис.5.

Аналогично сформулированы требования к частотным параметрам повторителя тока, входящего в состав ССП. Полоса рабочих частот повторителя тока по уровню -3 дБ

4 Л

должна удовлетворять следующему соотношению: Одним

из важнейших параметров ССП при реализации фильтров по предложенной методике является выходное сопротивление на выводе 2. Например, как показали проведенные оценки, при реализации фильтра с полосой рабочих частот до 1 МГц сопротивление на выводе 2 должно составлять не менее 2 МОм. При использовании в качестве повторителя тока токового зеркала, сопротивление на выводе Z в основном определяется свойствами токового зеркала. Анализ различных схем токовых зеркал показал, что использование токовых зеркал не позволяет добиться необходимой величины сопротивления на выводе Z при напряжении питания 2.5 В. Поэтому, было предложено использовать в качестве повторителя тока каскад на основе пары комплементарных МОП-транзисторов. Токовый конвейер в целом предложено реализовать на основе разработанного повторителя напряжения, подключив к нему вышеописанный повторитель тока Тогда, схема токового конвейера выглядит, как показано на рис 6.

При реализации ключевого элемента необходимо учитывать такие факторы, как возможное искажение обрабатываемого сигнала при прохождении через ключ и, как следствие, ограничение динамического диапазона фильтра, а также эффект прохождения тактовых импульсов в цепь коммутации, обусловленный наличием паразитных емкостей на затворе МОП-транзистора, который является управляющим электродом. Поэтому, для достижения максимально возможного динамического диапазона предложено использовать ключи на основе комплементарной пары транзисторов, а для компенсации эффекта прямого прохождения тактовых импульсов -

емкости дополнительных транзисторов. Тогда схема принимает вид, показанный на рис.7.

Разработана макромодель токового конвейера второго поколения, учитывающая частотные, нелинейные и шумовые свойства (рис.8). Использование при компьютерном моделировании макромодели вместо принципиальной схемы позволяет существенно сократить временные затраты, которые особенно велики при моделировании дискретно-аналоговых схем.

В четвертой главе приведены результаты компьютерного моделирования и

эксперимента. Проведено тестирование разработанной в предыдущей главе

макромодели, которое показало, что предложенная макромодель позволяет

моделировать различные характеристики ССП с точностью не ниже единиц процентов.

По предложенной во второй главе методике синтезирован ФНЧ Чебышева 5-го

порядка с частотой среза 1 МГц. Проведено моделирование частотных характеристик

разработанного фильтра с использованием предложенной макромодели. Показано, что

требования к частотным характеристикам повторителей напряжения и токовых

И

конвейеров сформулированы в третьей главе корректно, а разработанные во второй главе интеграторы действительно нечувствительны к паразитным емкостям

Разработана топология тестовой микросхемы, включающей в себя фильтр 5-го порядка, токовый конвейер, автогенератор и схему, формирующую последовательности управляющих импульсов (рис 9)

Рис 9 Топология тестовой микросхемы

R*ng* 0 4Вт 31-JuX-a003 17 Я4

ЯШЖ BW 37 ООО HZ BWP T1RII 999 92 mS«C

A. NORMALIZED XMSN Mkr 909 БЕЗО Hz -7 лг ав

Start 60 ООО HZ Stop 1 ООО ООО ИХ

AVERA0IN6 Ave 1С С0Л7

Рис 10 Результат измерений АЧХ фильтра при двух значениях напряжения питания

12

Проведены измерения характеристик изготовленных по 0.35-мкм КМОП-технологии микросхем. Тактовая частота составляет 6.8 МГц. Измерения проводились при двух значениях напряжения питания Vdd. 2.5 В и 3 В. При этом измерения величин 2-й и 3-й гармоник выходного сигнала проводились при следующих условиях: для случая напряжения питания, равного 2.5 В, частота входного напряжения составляет 700 кГц, а амплитуда - 0.5 В; при напряжении питания 3 В входное напряжение представляет сигнал с частотой 900 кГц и амплитудой, равной 1 В. АЧХ фильтра приведены на рис. 10, а основные результаты эксперимента сведены в табл. 1.

Табл.1. Результаты измерений характеристик фильтра

Характеристика М/=2.5В (Ш=ЗВ

Полоса пропускания 700 кГц 900 кГц

Неравномерность в полосе пропускания 1 ДБ 1 дБ

Амплитуда 2-й гармоники по отношению к амплитуде 1-й гармоники -24 дБ -26 дБ

Амплитуда 3-й гармоники по отношению к амплитуде 1-й гармоники -49 дБ -54 дБ

Амплитуда гармоники тактовой частоты при заземленном входе фильтра -48 дБ -58 дБ

Потребляемый ток 1.3 мА 3.3 мА

Потребляемая мощность 3 мВт 9.9 мВт

Средняя спектральная плотность шума 1.27 мкВЛ/Гц 1.34 мкВЛ'Гц

Среднеквадратичное шумовое напряжение, приведенное ко входу, в полосе частот 2 МГц 1.8 мВ 1.9 мВ

Экспериментальная АЧХ соответствует чебышевскоому фильтру 5-го порядка. Частота среза фильтра при номинальном напряжении питания +2.5 В отличается от расчетного значения на 30 процентов, однако увеличение напряжения питания до +3 В приводит к расширению полосы пропускания до 900 кГц, что отличается от расчетного значения лишь на 10 процентов. Данное обстоятельство объясняется тем, что при компьютерном моделировании не учитывались такие факторы, как паразитные емкости

на контактных площадках микросхемы и внутри кристалла, а также неидеальность формы управляющих импульсов. Необходимо отметить, что разработанный фильтр занимает на кристалле площадь, равную 0.25 мм2 и потребляет при напряжении питания 2.5 В мощность, равную 3 мВт, что составляет на один полюс передаточной функции соответственно 0.05 мм2 и 0 6 мВт. Анализ публикаций, посвященных микроэлектронным фильтрам, показывает, что таким набором параметров не обладает ни один из предложенных в литературе фильтров. При этом динамический диапазон составляет порядка 50 дБ при коэффициенте нелинейных искажений по 3-й гармонике выходного напряжения, равном -49 дБ. По данной характеристике реализованный фильтр не уступает известным реализациям с диапазоном рабочих частот порядка единиц мегагерц. Таким образом, предложенная методика позволяет реализовать малопотребляющие высокочастотные фильтры без системы автоподстройки, занимающие малую площадь на кристалле.

В заключении представлены основные результаты и выводы, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Построены графологические и алгебраические модели токовых конвейеров. Развиты методики символьного анализа аналоговых и дискретно-аналоговых цепей, содержащих токовые конвейеры, методом узловых потенциалов и методом ориентированного беспетлевого графа

2. Разработаны блоки 8С-интеграторов, в том числе с демпфированием, и схема, осуществляющая суммирование и интегрирование напряжений, малочувствительные к паразитным емкостям (рис.2-4).

3. Разработан алгоритм синтеза ФНЧ на переключаемых конденсаторах на основе токовых конвейеров методом операционной имитации.

4. Сформулированы требования к характеристикам повторителей напряжения и токовых конвейеров, входящих в состав фильтра. Разработаны схемы повторителя напряжения (рис.5) и ССП (рис 6), удовлетворяющие сформулированным требованиям: выходное сопротивление на выводе Ъ составляет порядка 2.5 МОм,

диапазон рабочих частот повторителя тока в составе токового конвейера по уровню -3 дБ равен 15 МГц.

5. Разработана схема электронного ключа, позволяющего добиться максимально возможного динамического диапазона фильтра и компенсирующего паразитный эффект прохождения тактовых импульсов в цепь коммутации (рис.7).

6. Разработана макромодель ССП, позволяющая учесть при моделировании частотные, нелинейные и шумовые характеристики (рис.8). Моделирование АЧХ фильтра с использованием разработанной модели показало, что различие в результатах по сравнению с моделированием на транзисторном уровне составляет не более 0.5 дБ. При этом время, затрачиваемое на моделирование АЧХ, по сравнению с моделированием на транзисторном уровне уменьшено приблизительно в 10 раз.

7. По предложенной методике разработан и реализован по 0.35-мкм КМОП-технологии в виде заказной микросхемы ФНЧ Чебышева 5-ю порядка с частотой среза 1 МГц. Проведены измерения экспериментальных характеристик ФНЧ, которые показали, что использование ССП в качестве активного элемента позволяет расширить частотный диапазон SC-фильтров от 150-200 кГц до единиц мегагерц. Динамический диапазон составляет порядка 50 дБ при уровне 3-й гармоники, равном -49 дБ относительно амплитуды 1-й гармоники, что является типичным значением для известных реализаций КМОП-фильтров, работающих в данном частотном диапазоне. При этом потребляемая мощность фильтра составила около 3 мВт, занимаемая на кристалле площадь - 0.25 мм2. По данным характеристикам разработанный фильтр в 2-2.5 раза превосходит известные реализации.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Тутышкин А А. Анализ схем на основе токовых конвейеров методом ориентированного графа // Микроэлектроника и информатика - 2001. Восьмая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: тезисы докладов. - М.: МИЭТ. - 2001. - С. 109.

2. Korotkov A.S., Tutyshkin AA. Topological analysis of continuous- and discrete time current-conveyor based circuits // Proc. Int. Symposium on signals, circuits and systems (SCS'Ol). - Iasi, Romania. - 2001. - P. 533-536.

3. Короткое А.С, Тутышкин АЛ. Токовые конвейеры: развитие, схемотехника, , применение // Зарубежная Радиоэлектроника. - 2002. - № 11. - С. 64-78.

4. Тутышкин АЛ., Короткое А.С. Схемотехника КМОП-усилителей тока - токовых. , конвейеров // XXX Юбилейная Неделя науки СПбГТУ. 4.VHI: Материалы межвузовской научной конференции. - СПб.: Изд-во СПбГТУ. - 2002. - С. 39-41.

5. Тутышкин АЛ., Короткое А.С. Анализ цепей с токовыми конвейерами при помощи

графов // Радиоэлектроника (Изв. вузов). - 2003. - № 8. - С. 58-64.

6. Tutyshkin АЛ., Korotkov A.S. Current conveyor based switched-capacitor integrator with

reduced parasitic sensitivity. // Proc. 1st IEEE Int. Conference on circuits and systems for communications (ICCSC'02). - StPetersburg, Russia - 2002. - P. 78-81.

7. Korotkov A.S., Tutyshkin АЛ. Macromodel of CMOS ССП with nonlinear and noise parameters // Proc. 2nd IEEE Int. Conference on circuits and systems for communications (ICCSC04). - Moscow, Russia - 2004. - CD version. - File № 41.

8. Korotkov A.S., MorozovD.V., Tutyshkin АЛ., BauerH., Unbehauen R. Design of a

CMOS high frequency current conveyor based switched-capacitor filter with low power consumption // Proc. Midwest Symposium on circuits and systems (MWSCAS'03). -Cairo, Egypt. - Vol. I. - 2003. - P. 39-42.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать Л- № ЛРРУ . Формат 60x84/16. Печать офсетная. Уч. печ. л 0 Тираж /СО . Заказ 06 .

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29.

п 17 4 9

РНБ Русский фонд

2005-4 21167

Введение

Глава I. Текущее состояние, перспективы, задачи

1.1. Общие вопросы теории фильтрации, фильтры на переключаемых конденсаторах

1.2. Основные свойства и схемотехника токовых конвейеров

1.3. Применение токовых конвейеров для решения задач фильтрации и других задач обработки и формирования сигналов

1.3.1. Конверторы импедансов

1.3.2. Звенья фильтров на основе токовых конвейеров

1.3.3. Дополнительные возможности применения CCII

1.4. Цель и задачи работы

Глава II. Синтез SC-фильтров на основе токовых конвейеров 46 2.1. Общие положения $ 2.2. Анализ SC-схем на основе токовых конвейеров

2.2.1. Текущее состояние вопроса, проблемы и задачи

2.2.2. Топологический анализ

2.2.3. Алгебраический анализ

2.3. Разработка интегратора

2.4. Методика синтеза ФНЧ на основе токовых конвейеров

2.5. Выводы

Глава III. Реализация основных структурных блоков фильтра

3.1. Элементная база фильтра

3.2. Реализация схемы повторителя напряжения

3.3. Реализация схемы токового конвейера

3.3.1. Оценка минимально необходимых значений параметров схемы

3.3.2. Разработка принципиальной схемы токового конвейера

3.4. Реализация схемы ключа

3.5. Макромодель токового конвейера

3.5.1. Идеализированная модель токового конвейера

3.5.2. Моделирование частотных свойств токовых конвейеров

3.5.3. Нелинейные свойства токовых конвейеров 111 * 3.5.4. Шумовые свойства токовых конвейеров

3.5.5. Полная макромодель CCII

3.6. Выводы

Глава IV. Синтез фильтра - моделирование и эксперимент

4.1. Постановка задачи

4.2. Синтез фильтра

4.3. Моделирование

4.3.1. Тестирование макромодели токового конвейера

4.3.2. Моделирование АЧХ SC-фильтра с использованием макромодели токового конвейера

4.3.3. Моделирование с использованием пакета программ Cadence

4.4. Эксперимент

4.4.1. Формирование управляющих сигналов

4.4.2. Разработка топологии микросхемы

4.4.3. Измерительная установка

4.4.4. Измерение характеристик токового конвейера 154 щ 4.4.5. Измерение характеристик фильтра

4.5. Выводы 164 Заключение 167 Список литературы

Актуальность темы. Увеличение степени интеграции микроэлектронных схем и тенденция к уменьшению потребляемой мощности радиоэлектронной аппаратуры приводят к необходимости понижения напряжений питания, что является причиной уменьшения динамического диапазона аналоговых цепей. В этой связи особую актуальность приобретает задача увеличения динамического диапазона разрабатываемых устройств. В то же время, при реализации современных телекоммуникационных систем, таких как WLAN, DECT и Bluetooth, необходимо использовать частотно-избирательные устройства с расширенным диапазоном рабочих частот, в частности, фильтры нижних частот (ФНЧ) с полосой пропускания от 1 МГц [1, 2]. В качестве примера на рис.1 приведена структурная схема приемника стандарта Bluetooth [2]. ФНЧ входит в состав блока, обозначенного на схеме как GFSK Demodulator, и обеспечивает выделение рабочей полосы частот, предварительное подавление помех, а также подавление высших гармоник сигнала, возникающих в процессе обработки.

Complex Limiter

Рис. 1. Структурная схема приемника стандарта Bluetooth [2].

Также, реализация комбинированных устройств обработки сигналов, совмещающих на одном кристалле аналоговую и цифровую часть (System-on-Chip), требует уменьшения физических габаритов реализуемых узлов. При реализации цифровых устройств обработки сигналов в подавляющем большинстве случаев используется КМОП-технология. В связи с этим аналоговая часть реализуемого устройства должна быть также выполнена по КМОП-технологии. Одной из важнейших составляющих аналоговой части являются частотно-избирательные устройства (ЧИУ). В КМОП-ислолнении используются следующие классы ЧИУ: фильтры на переключаемых конденсаторах (switched capacitors, SC-фильтры) и фильтры, построенные на транскондуктивных усилителях (так называемые Gm-C фильтры). Каждый из выделенных классов активных ЧИУ имеет свои преимущества и недостатки. Реализация Gm-C фильтров требует включения в состав ЧИУ схемы автоподстройки параметров, входящих в фильтр транскондуктивных усилителей (ТУ). Вследствие этого увеличиваются потребляемая мощность, занимаемая на кристалле площадь, а также усложняется разработка фильтра.

Прецизионные фильтры на переключаемых конденсаторах на основе операционных усилителей могут быть реализованы без схемы автоподстройки. Это связано с тем, что постоянные времени фильтра определяются отношениями величин конденсаторов, которые могут быть выдержаны в КМОП-технологии с точностью не ниже 1%. Следовательно, упрощается процесс разработки ЧИУ, уменьшаются занимаемая на кристалле площадь и потребляемая мощность. Также необходимо отметить, что схемы на переключаемых конденсаторах работают под управлением тактовой частоты. Следовательно, использование таких схем оправдано при реализации на одном кристалле с цифровой частью, так как цифровая обработка предполагает наличие в системе как минимум одной тактовой частоты. Однако такой подход оправдан при реализации фильтров с рабочими частотами, не превышающими 150-200 кГц. Это связано с тем, что при реализации схем с более высокими рабочими частотами необходимо использование ОУ с повышенной полосой рабочих частот (более 10-12 МГц), что существенно увеличивает потребляемую мощность и занимаемую фильтром площадь на кристалле.

Сложности использования описанных методов синтеза стимулируют поиск принципиально новых путей реализации высокочастотных фильтров. В этой связи представляется перспективным переход к обработке сигналов не в базисе напряжений, а в базисе токов [3]. Действительно, схемы, работающие в токовом базисе, имеют меньшие значения сопротивлений в узлах. Поэтому при обработке сигналов в базисе токов максимальные значения напряжений на внутренних узлах схемы значительно меньше, чем при обработке сигналов в базисе напряжений. Это приводит к уменьшению нелинейных искажений и расширению динамического диапазона. Кроме того, паразитные емкости заряжаются до меньших значений напряжений, вследствие чего увеличивается скорость обработки сигнала и увеличивается частотный диапазон [4].

Для построения схем, работающих в базисе токов, необходима соответствующая элементная база. В базисе токов основным схемотехническим элементом является так называемый токовый конвейер. Данная схема представляет собой усилитель тока, и была впервые предложена К.Смитом и А.Седра (K.Smith, A.Sedra) в 1968 г. [5]. Токовый конвейер первого поколения (first generation current conveyor, CCI) представляет четырехполюсный элемент, который определяется соотношением вида:

0 1 0" их = 1 0 0 1х

Jz. 0 1 0 Pz

Узлы X, Y CCI имеют низкий входной импеданс. Поэтому CCI не нашел широкого применения как самостоятельный элемент, так как в большинстве приложений предпочтительно иметь один из входных узлов с высоким импедансом. Тем не менее, CCI используется в качестве основы для построения токовых усилителей и токовых конвейеров второго поколения (second generation current conveyor, CCII, рис.2). Функционирование CCII, впервые предложенного в работе [6], описывается матричным уравнением (1): h' " 0 0 0"

Ux = Ku 0 0 Ix (ix

Jz\ 0 ±K, 0 Fz\ где коэффициенты Ки и^/в идеальном случае равны 1. Знак «+» или «-»перед коэффициентом Кг определяет тип токового конвейера - неинвертирующий и инвертирующий соответственно. (Неинвертирующим принято считать ССП, у которого токи на выводах X и 2 направлены одновременно либо внутрь конвейера, либо из него). Следовательно, токовый конвейер второго поколения - четырехполюсный элемент, который сочетает в себе свойства источника (генератора) напряжения, управляемого напряжением (ИНУН) и источника (генератора) тока, управляемого током (ИТУТ). Узлы У и 2 являются высокоимпедансными, узел X - низкоимпедансным, т.е. для идеального ССП выполняются соотношения:

X ^ = О, Z . = со, 7. , = оо . э кв.л ' э кв.У ' э кв.! л 7 ссп± г X А р Р р

Рис.2. Токовый конвейер второго поколения.

Поскольку в схеме нет каскадов с большим коэффициентом усиления, то нет необходимости в подключении корректирующей цепи, что позволяет добиться расширения частотного диапазона, даже при малых напряжениях питания.

Принимая во внимание преимущества схем на переключаемых конденсаторах и токовых конвейеров, представляется перспективным метод реализации ЧИУ, основанных на комбинации токовых конвейеров и схем на переключаемых конденсаторах. Такой подход должен иметь следующие преимущества: во-первых, БС-реализация, в отличие от Ош-С-реализации, дает возможность не включать в фильтр схему автоподстройки, во-вторых, использование токового конвейера позволяет расширить частотный диапазон до единиц мегагерц без существенного увеличения потребляемой мощности, занимаемой площади и ухудшения динамических свойств. Так, экспертные оценки показывают, что потребляемая мощность такого фильтра составит не более 2 мВт при занимаемой площади на кристалле до 0.05 мм2 на один полюс передаточной функции и отношении сигнал/шум не менее 60 дБ при уровне третьей гармоники не выше -50 дБ. В то время как из результатов, приведенных в сводной таблице характеристик реализованных ранее фильтров в [7] следует, что для фильтров, работающих в диапазоне частот порядка единиц мегагерц, минимальная потребляемая мощность составляет около 2 мВт на один полюс при занимаемой площади около 0.4 мм2, а минимальная занимаемая площадь на один полюс передаточной функции - около 0.05 мм2 при потребляемой мощности, равной 4 мВт на один полюс.

При решении задачи синтеза БС-фильтров, как правило, используется метод операционной имитации [8, 9]. Основными достоинствами метода являются: низкая чувствительность характеристик фильтров к разбросу значений элементов, низкая чувствительность к влиянию паразитных емкостей, входящих в состав элементов (электронных ключей, ОУ, ССП), эффективная перестройка параметров фильтра изменением тактовой частоты. Основным базовым блоком для построения фильтра высокого порядка является БС-интегратор. Схемы БС-интеграторов на основе ОУ, мало чувствительных к паразитным емкостям известны и рассмотрены, например, в [8]. Соответственно, для синтеза 8С-цепей на основе ССП методом операционной имитации необходимо разработать ЭС-интегратор на основе ССП, мало чувствительный к паразитным емкостям.

Реализация устройств на основе новых схемотехнических блоков, в данном случае на основе ССП, требует разработки соответствующих методов символьного анализа таких устройств. При анализе линейных цепей применяются алгебраические (матричные) либо топологические (графологические) методы. Для анализа цепей, содержащих активные элементы, необходимо определить формализованные правила, по которым этот элемент вводится в матрицу (при алгебраическом анализе) либо в граф цепи (при топологическом анализе). Таким образом, для получения алгоритмов анализа цепей, содержащих токовые конвейеры, необходимо адаптировать существующие методики анализа для данного типа цепей.

Важным этапом при разработке радиоэлектронных устройств, в том числе ЧИУ, является компьютерное моделирование. Схемы на основе активных элементов, например ОУ, ТУ, ССИ, могут моделироваться, когда данные блоки представлены на уровне транзисторов либо на уровне макромоделей. Моделирование на уровне макромоделей занимает существенно меньшее машинное время, чем время моделирования на транзисторном уровне. При этом, при наличии макромодели, точно описывающей различные свойства активного элемента (частотные, динамические, шумовые), результат моделирования достаточно близок к результату моделирования на транзисторном уровне при гораздо меньших (иногда на порядки) затратах машинного времени. Это особенно важно при разработке цепей дискретного типа, к которым относятся БС-цепи, так как в этом случае время анализа существенно выше, чем время анализа аналоговых цепей. В настоящее время в литературе не предложено полной макромодели токового конвейера, учитывающей все свойства усилителя. Таким образом, важной задачей является разработка макромодели токового конвейера, максимально полно учитывающей его поведение в составе дискретно-аналоговых цепей.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка методики проектирования и реализация малопотребляющих микроэлектронных фильтров на переключаемых конденсаторах с расширенным частотным диапазоном на основе КМОП токовых конвейеров.

Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:

• развитие символьных методов анализа аналоговых и дискретных цепей на основе токовых конвейеров;

• разработка БС-интегратора на основе токового конвейера с минимальной чувствительностью характеристик к паразитным емкостям элементов схемы;

• разработка КМОП-элементной базы для построения ЧИУ, включающей токовые конвейеры, повторители напряжения и электронные ключи;

• синтез фильтров нижних частот на основе интеграторов, малочувствительных к паразитным емкостям, с расширенным частотным диапазоном и малой потребляемой мощностью;

• разработка макромодели токового конвейера с учетом его частотных, нелинейных и шумовых свойств;

• компьютерное моделирование ФНЧ, микроэлектронная реализация ФНЧ по 0.35-мкм КМОП-технологии и экспериментальное исследование реализованных интегральных схем.

Методы исследования.

При решении поставленных задач использовались методы анализа и синтеза электрических цепей: метод ориентированного беспетлевого графа и метод узловых потенциалов, метод операционной имитации. Расчеты, моделирование на ЭВМ и эксперимент проведены с помощью программ MathCAD, Matlab, Micro-CAP, Cadence, Eagle Layout Editor.

Положения, выносимые на защиту

1. Для построения высокочастотных, малопотребляющих и занимающих малую площадь на кристалле микроэлектронных фильтров целесообразно реализовывать схемы на переключаемых конденсаторах с использованием токовых конвейеров в качестве активных элементов.

2. Для реализации фильтров на переключаемых конденсаторах на основе токовых конвейеров методом операционной имитации следует использовать токовые конвейеры на основе повторителя напряжения, выполненного на базе дифференциального каскада с обратной связью и подключенного к нему повторителя тока на комплементарной паре МОП-транзисторов.

3. Для реализации SC-иитеграторов на основе токовых конвейеров, нечувствительных к паразитным емкостям, необходимо использовать следующую схему включения CCII: вывод 7 подключается к «аналоговой земле», к выводу X подключается SC-имитатор резистивного импеданса, а к выводу Z подключается непереключаемый конденсатор. Для реализации демпфированного интегратора к описанной схеме добавляется заземленный SC-имитатор резистивного импеданса, подключенный к выводу Z.

4. Анализ схем, содержащих CCII, целесообразно проводить методом узловых потенциалов и методом ориентированного беспетлевого графа, что позволяет исследовать как схемы на основе идеализированных CCII, так и схемы на основе CCII с реальными параметрами, включая входные и выходные сопротивления, коэффициенты передачи по напряжению и току, полосу рабочих частот.

5. Полоса рабочих частот по уровню -3 дБ повторителя тока, входящего в состав CCII, должна превышать значение тактовой частоты не менее чем в 1.5 раза. При этом искажения характеристик фильтра, обусловленные ограниченностью полосы рабочих частот, не превышают заданный технологическими ограничениями разброс постоянных времени, равный 1 проценту.

Научная новизна.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Развиты методики анализа цепей, содержащих токовые конвейеры. Предложены математическая и топологическая модели CCII.

2. Разработана схема токового конвейера с расширенным диапазоном рабочих частот, высоким выходным сопротивлением, малым потреблением и малой занимаемой на кристалле площадью для реализации микроэлектронных SC-схем.

3. Предложена схема электронного ключа, позволяющая компенсировать эффект прохождения тактовых импульсов в тракт обрабатываемого сигнала при максимальном динамическом диапазоне SC-схемы.

4. Разработана макромодель CCII, учитывающая частотные, нелинейные и шумовые свойства токовых конвейеров.

5. Разработан алгоритм реализации SC-фильтров на CCII методом операционной имитации.

Практическая ценность.

Разработаны инженерно-ориентированные методики символьного анализа схем на основе токовых конвейеров. Предложена схема CCII, позволяющая реализовать SC-фильтры с расширенным до единиц мегагерц диапазоном рабочих частот. Разработана макромодель токового конвейера, позволяющая в несколько раз сократить время, затрачиваемое на моделирование фильтра. Разработаны схемы нечувствительных к паразитным емкостям SC-интеграторов на токовых конвейерах для реализации микроэлектронных фильтров.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• «Микроэлектроника и информатика - 2001», восьмая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, 18-19 апреля 2001 г., Зеленоград, МИЭТ.

• «XXX Юбилейная Неделя науки СПбГТУ», межвузовская научная конференция, 26 ноября -1 декабря 2001 г., Санкт-Петербург, СПбГТУ.

• «SPb-ШЕЕ Con'04», 2004 IEEE RUSSIA (NORTHWEST) SECTION CONFERENCE, 9-10 июня 2004 г., Санкт-Петербург, СПбГЭТУ им. А.С.Попова.

• «ICCSC'2002», 1st Int. conference on circuits and systems for communications, 26-28 июня 2002 г., Санкт-Петербург, СПбГПУ.

• «ICCSC'2004», 2nd Int. conference on circuits and systems for communications, 30 июня - 2 июля 2004 г., Москва, МТУ СИ.

По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основной текст диссертации содержит 177 машинописных страниц, 106 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 95 наименований.

4.5. Выводы

1. Синтезирован ФНЧ Чебышева 5-го порядка на переключаемых конденсаторах на основе ССП для применения в радиоприемных устройствах. Частота среза фильтра равна 1 МГц, неравномерность в полосе пропускания 1 дБ.

2. Проведено тестирование макромодели ССН, разработанной в параграфе 3.5. Результаты моделирования частотных, нелинейных и шумовых характеристик предложенной макромодели, представленные на рис. 4.6 -4.8, сравнивались с результатами эксперимента и моделирования на транзисторном уровне. Сравнение результатов показало, что разработанная макромодель описывает частотные, нелинейные и шумовые свойства КМОП-ССП с высокой точностью. Различия при моделировании частотных и нелинейных свойств не превышают сотых долей децибела, а при моделировании шумовых свойств — десятых долей децибела.

3. Проведено моделирование АЧХ 8С-фильтра с использованием линейного варианта разработанной в данной работе макромодели ССП, а также линейной модели повторителей напряжения, используемых в фильтре. Результаты моделирования показали, что требования к полосам рабочих частот повторителей напряжения и токовых конвейеров сформулированы соответственно в параграфах 3.2 и 3.3 корректно. Для разработанного фильтра при выбранной тактовой частоте, равной примерно 7 МГц, полосы рабочих частот повторителя тока в токовом конвейере и повторителя напряжения должны составлять не менее 10-12 МГц. Также показано, что разработанные в параграфе 2.3 интеграторы и, как следствие, фильтр на их основе, малочувствительны к паразитным емкостям электронных ключей с величинами порядка десятой доли пФ, которые имеют место в случае 0.35-мкм КМОП-технологии.

4. Проведено моделирование разработанной схемы фильтра для различных размеров транзисторов токовых конвейеров, повторителей напряжения и ключевых элементов. Определены размеры транзисторов, при которых влияние неидеальностей используемой элементной базы на параметры АЧХ фильтра минимально. Размеры транзисторов приведены в разделе 4.3.3 данной работы. Проведена коррекция емкостей непереключаемых конденсаторов с целью компенсации влияния паразитных емкостей активных элементов. Для компенсации паразитного фазового сдвига, возникающего в интеграторах фильтра, в схему введены дополнительные конденсаторы малой емкости. Окончательный вариант схемы 8С-фильтра показан на рис.4.18.

5. Реализована по 0.35-мкм ЬСМОП-технологии и экспериментально исследована партия тестовых микросхем 8С-фильтра с заданными характеристиками. Топология микросхемы и ее микрофотография приведены соответственно на рис.4.24 и рис.4.25. Площадь, занимаемая фильтром на кристалле, составляет 0.25 мм2, что выгодно отличает разработанную схему от большинства предложенных в литературе фильтров.

6. Проведены измерения частотных, нелинейных и шумовых характеристик фильтра при двух значениях напряжения питания: 2.5 В и 3 В. Форма АЧХ соответствует АЧХ чебышевского фильтра 5-го порядка. Однако, при напряжении питания, равном 2.5 В, частота среза составляет 700 кГц. При напряжении питания, равном 3 В, данная величина составляет 900 кГц. Отличие экспериментального значения частоты среза от полученного в результате моделирования объясняется тем, что при компьютерном моделировании не учитывались паразитные емкости на контактных площадках микросхемы и внутри кристалла, а также неидеальность формы управляющих импульсов. Следует отметить малую мощность, потребляемую фильтром, которая не превышает 3 мВт. Среднеквадратичное шумовое напряжение в полосе частот 2 МГц, приведенное ко входу, составляет около 1.8 мВ. Для понижения уровня шумов фильтра необходимо уменьшать шумы токовых конвейеров.

Таким образом, предложенная методика синтеза фильтров может быть рекомендована для практического применения. Методика позволяет реализовывать малопотребляющие высокочастотные микроэлектронные фильтры, занимающие малую площадь на кристалле. Из результатов, приведенных в сводной таблице [7], следует, что реализованный фильтр потребляет мощность, отнесенную на один полюс передаточной функции, как минимум в 2 раза меньшую, а также занимает на кристалле площадь, в несколько раз меньшую, чем известные схемы.

Заключение

В работе, посвященной реализации малопотребляющих микроэлектронных фильтров на основе токовых конвейеров, получены следующие основные результаты.

Построены графологические и алгебраические модели токовых конвейеров. Разработаны методы символьного анализа аналоговых и дискретно-аналоговых цепей, содержащих токовые конвейеры, методом узловых потенциалов и методом ориентированного беспетлевого графа. Разработаны схемы недемпфированных (рис.2.13 а, д) и демпфированных (рис.2.17) интеграторов, имеющие минимальную чувствительность к паразитным емкостям. На основе интеграторов, минимально чувствительных к паразитным емкостям, разработаны 8С-схемы на токовых конвейерах, осуществляющие одновременно суммирование и интегрирование сигналов (рис.2.24).

Разработан формализованный алгоритм синтеза БС-фильтров на токовых конвейерах методом операционной имитации на основе токовых конвейеров, повторителей напряжения, электронных ключей и МОП-конденсаторов. Разработан повторитель напряжения (рис.3.2) на базе буферного усилителя. Предложено реализовывать токовый конвейер на основе разработанного повторителя напряжения и повторителя тока на паре комплементарных транзисторов (рис.3.4). Для компенсации эффекта прямого прохождения тактовых импульсов и максимизации динамического диапазона фильтра предложено использовать КМОП-ключи с дополнительными транзисторами (рис.3.10).

Разработана макромодель токового конвейера, учитывающая частотные, нелинейные и шумовые свойства. Моделирование АЧХ фильтра с использованием разработанной модели показало, что различие в результатах по сравнению с моделированием на транзисторном уровне составляет не более 0.5 дБ. Время, затрачиваемое на моделирование АЧХ, по сравнению с моделированием на транзисторном уровне уменьшено приблизительно в 10 раз.

Синтезирован, а затем реализован по 0.35-мкм КМОП-технологии ФНЧ Чебышева 5-го порядка на переключаемых конденсаторах на основе ССП. Частота среза фильтра равна 1 МГц. Топология микросхемы и ее микрофотография приведены соответственно на рис.4.24 и рис.4.25. Площадь, занимаемая фильтром, составляет 0.25 мм2, что в несколько раз меньше площади предложенных в литературе фильтров, выполненных по той же КМОП-технологии. При этом потребляемая мощность составляет лишь 0.6 мВт на один полюс передаточной функции. Анализ литературы показывает, что данная величина как минимум в 2-2.5 раза меньше, чем аналогичный показатель для разработанных к настоящему времени фильтров. Также необходимо отметить, что динамический диапазон составляет порядка 50 дБ при уровне 3-й гармоники, равном -49 дБ относительно амплитуды 1-й гармоники, что является типичным значением для известных реализаций КМОП-фильтров, работающих в данном частотном диапазоне.

Таким образом, предложенная методика позволяет повысить диапазон рабочих частот фильтров на переключаемых конденсаторах, не требующих системы автоподстройки, от 150-200 кГц до единиц мегагерц. Реализуемые таким образом фильтры потребляют малую мощность и занимают малую площадь на кристалле. Данные обстоятельства позволяют рекомендовать предложенную методику для практического применения.

1. Zargari M, Su D.K., Yue С.P., Rabii S., Weber £>., Kaczynski В., Mehta S., Singh K., Mendis S., Wooley B. A 5-GHz CMOS Transceiver for IEEE 802.1 la Wireless LAN Systems // IEEE J. of Solid-State Circuits. 2002. Vol. 37, № 12 (Dec.). P. 1688-1694.

2. Sheng W., Xia В., Emira A., Xin C., Valero-Lopez A., Moon S., Sanchez-Sinencio E. A 3-V, 0.35-um CMOS Bluetooth Receiver 1С // IEEE J. of Solid-State Circuits. 2003. Vol. 38, № 1 (Jan.). P. 3(M2.

3. Roberts G., Sedra A. All current-mode frequency selective circuits // Electronics Letters. 1989. Vol. 25, № 12 (June). P. 759-761.

4. Duncan R., Chan K., Sedra A. Design for wideband current amplifier and a current conveyor I I IEEE Trans, on Circuits and Systems. Pt I. 1994. Vol. 41, № 4 (Apr.). P. 272-280.

5. Смит К., Седра А. Токопередающий элемент - новый функциональный блок // ТИИЭР. 1968. Т. 56, №8. С. 116-117.

6. Sedra A., Smith К. A second-generation current-conveyor and its applications // IEEE Trans, on Circuit Theory. 1970. Vol. CT-17, №. 1 (Febr.). P. 132-134.

7. Alzaher H.A., Elwan И.О., Ismail M. A CMOS highly linear channel-select filter for 3G multistandard integrated wireless receivers // IEEE J. Solid-State Circuits. 2002. Vol. 37, № 1 (Jan.), P. 27-37.

8. Гауси M., Лакер К. Активные фильтры с переключаемыми конденсаторами / Пер. с англ. под ред. В.И.Капустяна. - М.: Радио и связь, 1986. - 168 с.

9. Аллеи Ф., Саичес-Синеисио Э. Электронные схемы с переключаемыми конденсаторами / Пер. с англ. под ред. В.И.Капустяна. - М.: Радио и связь, 1989.-576 с.

10.Капустин В.И. Активные RC-фильтры высокого порядка. - М.: Радио и связь, 1985. - 248 с.

11. Активные избирательные устройства радиоаппаратуры / Под. ред. В.В.Масленникова. М.: Радио и связь, 1987. - 216 с.

12.Мошиц Г., Хорн 77. Проектирование активных фильтров / Пер. с англ. под ред. И.Н.Теплюка. - М.: Мир, 1984. - 320 с.

13.Славский Г.Н. Активные RC- и RLC-фильгры и избирательные усилители. -М: Связь, 1966.-216 с.

14.Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / Под ред. A.A. Ланнэ. - М.: Радио и связь, 1984. - 368 с.

1 Ь.Заалъ Р. Справочник по расчету фильтров / Пер. с нем. под ред.

H.Н.Слепова. - М.: Радио и связь, 1983. - 752 с.

16.Ионкин П.А., Миронов В.Г. Синтез RC-схем с активными невзаимными элементами (вопросы реализации). - М.: Энергия, 1976. - 239 с. П.Короткое A.C. Микроэлектронные аналоговые фильтры на преобразователях импеданса. - СПб.: Наука, 1999. - 416 с.

1 Ъ.Бондаренко A.B. К определению градиента квадрата функции интегральной чувствительности цепи // Электричество. 1980. № 10. С. 69-72.

9.Бондаренко A.B. Градиент функции чувствительности цепи // Радиоэлектроника (Изв. вузов). 1980. Т. 23. № 11. С. 43-49.

Ю.Бондаренко A.B., Довгун В.П. Теорема Телледжена и оптимизация чувствительности активных цепей // Электронное моделирование. 1981. №

I. С. 38—44.

И.Бондаренко A.B. К оптимизации чувствительности в нелинейных активных безынерционных цепях // Радиолектроника (Изв. вузов). 1981. Т. 24. № 6. С. 95 (автореф. деп. рукописи): Деп. ВИНИТИ. №И1151-81, 19 е., 1981.

22.Бондаренко A.B., Довгун В.П., Григорьев А.Н. Реализация фильтров на переключаемых конденсаторах с низкой чувствительностью АЧХ в полосе пропускания//Радиоэлектроника (Изв. вузов). 1991. № 9. С. 96-99. 2Ъ.Кривошейки» A.B. Точность параметров и настройка аналоговых радиоэлектронных цепей. - М.: Радио и связь, 1983. - 136 с. 24.Мулявка Я. Схемы на операционных усилителях с переключаемыми конденсаторами / Пер. с польск. под ред. М.П.Шарапова. - М.: Мир, 1992. -416 с.

25 .Короткое А.С., Тутышкин А.А. Токовые конвейеры: развитие, схемотехника, применение // Зарубежная Радиоэлектроника. 2002. № 11. С. 64-78.

26.Sedra A., Roberts G., Gohn F. The current conveyor: history, progress and new results // ШЕ Proc. Pt G. 1990. Vol. 137, № 2 (Apr.). P. 78-87. ll.Awad A., Soliman A.M. New CMOS realization of the CCII- // IEEE Trans, on Circuits and Systems. Pt II. 1990. Vol. 46, №> 4 (Apr.). P. 460-463.

28.Yodprasit U. High-precision CMOS current conveyor // Electronics Letters. 2000. Vol. 36, № 7 (March). P. 609-610.

29.Oliaei O., Porte J. Compound current conveyor (CCII+ and CCII-) // Electronics Letters. 1997. Vol. 33, № 4 (Febr.). P. 253-254.

30.Kaulberg T. A CMOS current-mode operational amplifier // IEEE J. of SolidState Circuits. 1993. Vol. 28, № 7 (July). P. 849-852.

3\.Koli К. CMOS current amplifier: speed versus nonlinearity. http://www.hut.fi/vksikot/kiri asto/diss/2000/isbn9512252139.

32 .Cha H.-W., Watanabe K. Wideband CMOS current conveyor // Electronics Letters. 1996. Vol. 32, № 14 (July). P. 1245-1246.

33.Palmisano G., Palumbo G., Pennisi S. A high accuracy CMOS CCII + // Proc. MELECON'96. Ban, Italy. 1996. P. 1291-1293.

34.Ismail A.M., Soliman A.M. Wideband CMOS current conveyor // Electronics Letters. 1998. Vol. 34, № 25 (Dec.). P. 2368-2369.

35.1smail A.M., Soliman A.M. Low-power CMOS current conveyor // Electronics Letters. 2000. Vol. 36, № 1 (Jan.). P. 7-8.

36.Mita R., Palumbo G., Pennisi S. 1.5V-CMOS ССП+ with high current-driving capability // IEEE Trans, on Circuits and Systems. Pt II. 2003. Vol. 50, № 4 (Apr.). P. 187-190.

31.Bruun E. Noise properties of CMOS current conveyors // Proc. ISC AS'96.

Atlanta, USA. 1996. Vol. I. P. 144-147.

38 .Bruun E. Analysis of the noise characteristics of CMOS current conveyors I I Analog Integrated Circuits and Signal Processing. Vol. 12, Jan. 1997. P. 71-78.

39.Ismail A.M., Soliman A.M. Novel CMOS current feedback op-amp realization suitable for high frequency applications // ШЕЕ Trans, on Circuits and Systems. Pt I. 2000. Vol. 47, № 6 (June). P. 918-921.

40.Cicekoglu O., Kuntman H. CCII+ based first order allpass filters with all grounded passive elements // Proc. MELECON'98. Tel-Aviv, Israel. 1998. P. 608-611.

41. http ://www. analog, com.

М.Тутышкш A.A., Короткое A.C. Схемотехника КМОП-усилителей тока -токовых конвейеров // XXX Юбилейная Неделя науки СПбГТУ. 4.VIII: Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: Изд-во СПбГТУ. 2002. С. 39—41.

A3.Shah N., TantaryN. Current conveyor based floating synthetic elements // Indian

J. of Pure & Applied Physics. 1987. Vol. 25, May-June. P. 247-248. AA.Himura A., Fukui Y., Ishida M., Higashimura M. hnmittance function simulator using a single current conveyor // The Trans, of the IEICE. 1989. Vol. E72, № 12 (Dec.). P. 1279-1284.

45.Ananda Mohan P. V. Grounded capacitor based grounded and floating inductance simulation using current conveyors // Electronics Letters. 1998. Vol. 34, № 11 (May). P. 1037-1038.

46.Higashimura M., Fukui Y. Type 1 mutator using current conveyor and its application to immittance simulation // Int. J. of Electronics. 1988. Vol. 64, № 3. P. 377-383.

A1.4ya JI.O. Синтез новых схемных элементов // ТИИЭР. 1968. Т. 56, № 8. С. 71-88.

48. Wilson В. Recent developments in current conveyors and current-mode circuits // IEE Proc. Pt G. 1990. Vol. 137, № 2 (Apr.). P. 63-74.

49.AntoniouA. Realization of gyrators using operational amplifiers, and their use in jRC-active-network synthesis // IEE Proc. 1969. Vol. 116, № 11 (Nov.). P. 18381850.

50.Bruton L. Nonideal performance of two-amplifier positive-impedance converters // IEEE Trans, on Circuit Theory. 1970. Vol. CT-17, № 4. P. 541-549.

51 .Horn P., Moschytz G. Active RC single-opamp design of driving-point impedances // IEEE Trans, on Circuit and Systems. 1979. Vol. CAS-26, № 1 (Jan.). P. 22-29.

52.Ono T. Switched-capacitor impedance simulation circuits realized with current conveyor//Proc. ISCAS'98. Monterey, CA, USA. 1998. Vol. 2. P. 367-370.

53.Liu S.-I., Tsao H.-W. The single CCII biquads with high-input impedance // IEEE Trans, on Circuits and Systems. 1991. Vol. 38, № 4 (Apr.). P. 456-461.

54.Ozoguz S., Tarim N., Acar C., Kuntman H. A new voltage-mode universal filter based on a lossy inductor simulation // Proc. MELECON'98. Tel-Aviv, Israel. 1998. P. 595-598.

55.Soliman A.M. Current conveyors steer universal filter // IEEE Circuits and Devices Magazine. 1995. Vol. 11, № 2 (March). P. 45^46.

56.С ice koglu O., Ozcan S., Kuntman H. Insensitive multifunction filter implemented with current conveyors and only grounded passive elements // Frequenz. 1999. Vol. 53, № 7-8. P. 158-160.

51.Soliman A.M. New all-pass and notch filters using current conveyors // Frequenz. 1999. Vol. 53, № 3-4. P. 84-86.

58. Tiliute D. Second-order active filter using a single current conveyor // Proc. Int. Symp. SCS'01. Iasi, Romania. 2001. P. 541-542.

59.Ozoguz S., Toker A., Cicekoglu O. High output impedance current-mode multifunction filter with minimum number of active and reduced number of passive elements // Electronics Letters. 1998. Vol. 34, № 19, P. 1807-1809.

60.Toker A., Ozoguz S., Cicekoglu O. High output impedance multifunction filters with minimum number of active and passive elements using dual-output current conveyors // Frequenz. 1999. Vol. 53, № 9-10. P. 206-209.

61. Toker A., Ozoguz S. Integrable current-mode filter realisation using dual-output current conveyors for low-frequency operation // Int. J. of Electronics and Communications (AEU). 2001. Vol. 55, № 2. P. 145-149.

62.Piccirilli M. Current-mode biquad filters using unity gain current conveyors // Proc. Int. Symp. SCS'01. Iasi, Romania. 2001. P. 405-408.

63.Fabre A., Saaid О., Wiest F., Boucheron C. High-frequency high-Q BiCMOS current-mode bandpass filter and mobile communication application // IEEE J. of Solid-State Circuits. 1998. Vol. 33, № 4 (Apr.). P. 614-625.

64.Alzaher H.A., Elwan И.О., Ismail M. A CMOS fully balanced second-generation current conveyor // IEEE Trans, on Circuits and Systems. Pt II. 2003. Vol. 50, № 6 (June). P. 278-287.

65.Ivanisevic /., Vasiljevic D. The quartz crystal oscillator realization using current conveyors // IEEE Trans, on Circuits and Systems. Pt I. 1993. Vol. 40, № 8 (Aug.). P. 530-533.

66.Бессонов JI.А. Линейные электрические цепи. - М.: Высш. Шк., 1983. - 336 с.

Ы.Nathan A. Topological rules for linear networks // IEEE Trans. Circuit Theory. 1965. Vol. CT-12, № 3 (Sept.). P. 344-358.

68. Филаретов B.B. Обобщенный унисторный граф электронной схемы и его анализ // Электричество. 1993, № 5. С. 65-70.

69.Остапенко А.Г. Анализ и синтез линейных радиоэлектронных цепей с помощью графов. М.: Радио и связь, 1985. - 280 с.

10.Влах Я., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем / Пер.с англ. -М.: Радио и связь, 1988. - 560 с.

11.Короткое А.С. Анализ многофазных цепей с переключаемыми конденсаторами методом ориентированного беспетлевого графа // Радиоэлектроника (Изв. вузов). 1997, № 6. С. 50-54.

И.Тутышкин А.А. Анализ схем на основе токовых конвейеров методом ориентированного графа // Микроэлектроника и информатика - 2001. Восьмая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: тезисы докладов. -М.: МИЭТ. 2001. С. 109.

73.Korotkov A.S., Tutyshkin A.A. Topological analysis of continuous- and discrete time current-conveyor based circuits // Proc. Int. Symp. SCS'01. Iasi. Romania. 2001. P. 533-536.

7А.Тутышкин A.A., Короткое A.C. Анализ цепей с токовыми конвейерами при помощи графов // Радиоэлектроника (Изв. вузов). 2003. № 8. С. 58-64.

15.Tutyshkin А.А., Korotkov A.S. Current conveyor based switched-capacitor integrator with reduced parasitic sensitivity. I I Proc. 1st IEEE ICCSC'02. St.Petersburg, Russia. 2002. P. 78-81.

16.Xpucmm B.B. Синтез активных фильтров с малой параметрической чувствительностью. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. - 109 с.

11 .Хьюлсман Л., Аллен Ф. Введение в теорию и расчет активных фильтров / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1984. - 384 с.

IS.Behbahani F., Tan W., Karimi-Sanjaani A., Roithmeier A., Abidi A. A broadband tunable CMOS channel-select filter for a low-IF wireless receiver // IEEE J. of Solid-State Circuits. 2000. Vol. 35, № 4 (Apr.). P. 476-489.

19.Крутчинский С.Г. Структурный синтез аналоговых электронных схем: Монография. - Ростов н/Д: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2001. - 280 с.

80.Таппо К., Matsumoto Н., Ishizuka О., Tang Z. Simple CMOS voltage follower with resistive-load drivability // IEEE Trans, on Circuits and Systems. Pt II. 1999. Vol. 46, № 2 (Febr.). P. 172-177.

81 .Tabatabaei A., Fotowat A., Delurio M, Navid S. A high slew-rate unity-gain low-voltage buffer with large active/quiescent current ratio // IEEE J. Solid-State Circuits. 1998. Vol. 33, № 1 (Jan.). P. 157-163.

2.Barthelemy #., Kussener E. High speed voltage follower for standard BiCMOS technology // IEEE Trans, on Circuits and Systems. Pt II. 2001. Vol. 48, № 7 (July.). P. 727-732.

83. Van Dongen R., Rikkink V. A 1.5 V class AB CMOS buffer amplifier for driving low-resistance loads // IEEE J. Solid-State Circuits. 1995. Vol. 30, № 12 (Dec.). P. 1333-1338.

84.Palmisano G., Palumbo G., Salerno R. A 1.5-V high drive capability CMOS Op-Amp // IEEE J. Solid-State Circuits. 1999. Vol. 34. № 2 (Febr.). P. 248-252.

8b.Maarefi #., Parsa A., Hatamkhani #., Shiri D. A wide swing 1.5V fully differential Op-Amp using a rail-to-rail analog CMFB circuit // Proc.MWCAS'2002. Pt. I. P. 105-108.

6.Elwan H., Soliman A. Low Voltage, Low Power CMOS Current Conveyors // IEEE Trans, on Circuits and Systems. Pt I. 1997. Vol.44. № 9 (Sept.). P. 828835.

87.Eichenberger C., Guggenbühl W. Dummy Transistor Compensation Techniques of Analog MOS Switches // IEEE J. of Solid-State Circuits. 1989. Vol. 24, № 4 (Aug.). P. 1143-1146.

Ш.Eichenberger C., Guggenbühl W. On Charge Injection in Analog MOS Switches and Dummy Switch Compensation Techniques // IEEE Trans, on Circuits and Systems. 1990. Vol. 37, № 2 (Febr.). P. 256-264.

89. Tarim N., Yenen В., Kuniman H. Simple and accurate nonlinear current conveyor macromodel //Proc. MELECON'96. Bari, Italy. 1996. Vol. 1. P. 447-450.

90. Tarim N., Yenen В., Kuntman H. Simple and accurate non-linear current conveyor macromodel suitable for simulation of active filters using CCIIs // Int. J. Circuit Theory and Applications. 1998. Vol. 26. № 1. P. 27-38.

91 .Korotkov A.S., Tutyshkin A.A. Macromodel of CMOS CCII with nonlinear and noise parameters // Proc. 2nd IEEE ICCSC'2004. Moscow, Russia. 2004. CD version. File № 41.

92.Unbehauen R. Grundlagen der Elektrotechnik, 2 Bde., Bd.l, Allgemeine Grundlagen, Lineare Netzwerke, Stationäres Verhalten. Springer Verlag. 1999.

93.Korotkov A.S., Telenkov M.V. Numerical Simulation Of Oversampled Switched-Capacitor Circuits // Proc. Int. Symp. SCS'03. Iasi, Romania. 2003. Vol. 2. P. 341-344.

94.Mensink C., Nauta B., Wallinga H. A CMOS "soft-switched" transconductor and its application in gain control and filters // IEEE J. of Solid-State Circuits. 1997. Vol. 32, № 7 (July). P. 989-998.

95.Korotkov A.S., Morozov D.V., Tutyshkin A.A., Hauer H., Unbehauen R. Design of a CMOS high frequency current conveyor based switched-capacitor filter with low power consumption // Proc. MWCAS'2003. Cairo, Egypt. Vol. I. 2003. P. 39-42.