采用跨导运算放大器的可变带宽低通滤波器设计

线性度和带宽是跨导运算放大器设计考虑的两个主要方面。带宽的大小和跨导值成正比，但增大跨导值会使芯片功耗变大，对于相同的传输函数，增大跨导值时，电容值也需要相应的增大，从而增大了芯片面积。同时跨导值减小时，电容值也要减小，这对版图匹配造成影响。

本文采用经典的交叉耦合差动式COMS跨导器，其I/V传输特性有理想的线性关系。图4中，M1和M2偏置电流为I;M3和M4偏置电流为nI。电路设计中，M1～M4有相同的沟道长度L，M3，M4的沟道宽度W=nL。设Y1=i1/I，Y2=i2/I，X=Vid/Vb，则输出电流Io=i1+i2的归一化表达式为：

可以看出，n值增大时，β值减小，式(4)中根号内的βX2项减小，跨导器线性度得到改善。n值越大，信号电流分量在M3，M4中所占比例越小，传输特性越接近理想状态。

3 可编程电路设计

如图5所示，OTA为跨导运算放大器，其跨导值可通过偏置电流(图6所示电路)来调节。一般采用可变电阻完成，但传统R-2R可变电阻结构需要大量的控制开关，增加了电路面积，并产生开关操作的功耗。本文采用一种新型微功耗硬件可编程变阻电路，如图7所示，电路基于三态门概念，端口除高、低电平，用悬空状态产生第三种状态，实现了27级变阻电路，总电阻表示为：

式中：表示第m个三态输入产生的第n个进制状态码;Rm为第m个三态输入驱动的权电阻(m=1，2，3;n=1，2)。

可编程电阻(RDAC)的输出偏置电流：

又知跨导：

可见，在电源电压确定的情况下，OTA的跨导值与输入数据Rx成平方根倒数关系，跨导值随着输入数据的增大而减小。通过改写输入数据RDAC的值，即可实现26种(全零状态禁用)变化电阻，达到改变偏置电流，产生跨导值的变化，最终实现滤波器带宽的调节。
4 仿真结果

上述电路，采用1.8 V电源，TSMC 0.18μmCMOS工艺库仿真。图8为该滤波器-3 dB带宽26 MHz时仿真结果，该滤波器50 MHz带阻抑制为-40.49 dB，带内波纹小于0.5 dB，功耗约为21 mW，满足设计要求。图9为滤波器带宽调节为14 MHz的频响曲线。

5 结语

设计中，采用跨导运算放大器实现了一种可变带宽低通滤波器，最高带宽为26 MHz，阻带抑制率大于35 dB，带内波纹小于0.5 dB，在低中频结构接收器中，该频率相对较高。同时滤波器带宽可由外部可编程电路调节变化，与普通模拟滤波器电路相比，本文设计电路具有电路简单，易于高集成，便于后期维护等优点，是OTA电路设计的未来发展趋势，有着广泛的应用前景。