有源模拟滤波器于CMOS时代的演变

静听花开的声音

CMOS技术的快速发展在电子领域带来了巨大的变革，其中之一就是有源模拟滤波器的演变。有源模拟滤波器是一类基于放大器等有源元件构成的滤波器，其在信号处理和通信系统中具有重要的应用价值。本文将探讨CMOS时代下，有源模拟滤波器的发展历程和创新成果。

在数字电子的世界中，模拟电路，尤其是滤波器，仍有其必要的功能。例如，当现实世界的信号被数字化或合成时，模拟滤波器对于抗锯齿和重建至关重要。

然而，现代CMOS技术往往无法采用传统的滤波器技术，尤其是在纳米节点中。因此，有必要让有源模拟滤波器能够轻松的与CMOS技术结合在一起，因为CMOS技术不可避免的与滤波器相互作用。20世纪中期，基于Sallen和Key电路的早期有源电阻电容(active-RC)滤波器为现代有源模拟滤波器技术的发展奠定了基础。这些技术从电子管和晶体管时代开始发展，一直到高度集成时代。

图1 使用运算放大器、电阻器和电容器的Sallen-Key二阶低通电路。

图2 在广义SAB中，当R6=inf.时存在低通陷波滤波器行为，当R7=inf.时存在高通陷波滤波器。当R6和R7均=inf.时，存在全通滤波器。来源：CRC PRESS

有源滤波器类型

一个先进领域是可集成跨导放大器的开发，也称为运算跨导放大器(OTA)。这一领域很大程度上消除了对无源电阻元件的需求，使OTA能够用作有源电阻元件。此外，OTA可以设计为电流可变电阻器，从而将电流用作控制变量，而不是电压。因此，仅由有源电路和电容器组成的有源OTA-C滤波器成为可能。

图3 仅使用3个无源元件的OTA一阶滤波器配置，基于3-admittance模型。

图4 上图显示了电阻器的OTA仿真。

然而，对更高频率、带宽和其他性能因素的需求不断增加，这对模拟电路设计人员提出了更高的挑战，要求他们开发出具有有效Q值和抑制能力的更紧凑、更高性能的有源滤波器。此外，集成到更小的节点技术还需要有源滤波器技术在线性度、低噪声和低电压工作方面不断突破。有源RC滤波器局限于带宽较低，而跨导放大器对电容寄生更加敏感，并且在表现出较高带宽的同时具有相对较低的线性度。纯有源模拟滤波器与OTA-C或gm-C滤波器相比，具有输出阻抗低的潜在优势。此外，纯有源模拟滤波器所需的空间通常比OTA-C滤波器小得多，因为电容元件通常需要更大的芯片空间。与OTA-C滤波器相比，基于OTA设计的纯有源模拟滤波器可控制的参数范围更广，因为纯有源滤波器的"电容"元件也可进行电流控制。之所以能实现这一点，是因为这些滤波器使用运算放大器极和OTA的跨导控制来实现电流可控性，并可与外部电子元件配对，从而实现可编程性能。

提高滤波器性能

实现高阶滤波器功能通常有三种方法：级联二阶部分、引入多回路反馈电路和模拟无源LC梯形网络。这些方法都会增加滤波器的复杂性，并可以提高性能，但要优化滤波器的性能，还必须控制工艺和设计变量。要实现更高的滤波器选择性，就必须采用这些方法，而这种性能水平很可能无法通过单个运算放大器来实现。特别是LC梯形网络，它可以用波有源滤波器(WAF)来代替，WAF通过用等效子网络替换LC梯形网络无源元件的每个串联臂阻抗和并联臂导纳来仿真电阻端接的LC梯形滤波器。通过这种方法，LC梯形网络的元件被视为双端口，其有源RC等效项由波形变量线性变换产生的电压和电流端口变量确定。可以使用波有源等效(WAE)来替换LC梯形滤波器中的每个元件：L、C、信号源和终端电阻。

图5 电感器的WAE显示为串联臂(a)和并联臂(b)。

图6 LC梯形滤波器原型(a)和波有源实现的LC梯形滤波器原型(b)。图中没有标明阻值的电阻可以假定为相等，并且可以用任何方便的值来制作。

可以使用双输出(DO)甚至多输出(MO)OTA来实现滤波器(见图7)。还可以使用RC运算放大器、MOSFET-C和OTA-C运算放大器电路元件来构建复杂的有源滤波器。

图7 显示了双输出OTA(DO-OTA)滤波器的等效电路和符号。

总的来说，CMOS时代下有源模拟滤波器的演变经历了从传统的离散元件到集成电路的转变，从低频到高频范围的扩展，从单一功能到多功能的拓展。随着技术的不断进步，有源模拟滤波器在电子领域中的应用前景将更加广阔。相信在未来的发展中，有源模拟滤波器将继续发挥重要作用，为我们的生活带来更多便利和创新。

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