SOI温度补偿效应的全集成高线性度Gm－C滤波器设计

孙书龙，林　敏

(中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050)



SOI温度补偿效应的全集成高线性度Gm－C滤波器设计

孙书龙，林敏

(中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050)

摘要:为了补偿温度变化对滤波器频率响应造成的漂移，提出了一种全差分运算放大器，该运算放大器采用电压负反馈方式稳定输出共模电平，调节输入对差分管衬底偏置来改变阈值电压差，从而调节放大器的跨导来调整滤波器的截止频率，实现了基于Gm－C结构的三阶Chebyshev低通滤波器，滤波器采用GSMC的0.13 μm SOI工艺，电源电压1.2 V，6层金属设计，仿真结果表明，该滤波器通带增益0 dB，－1 dB截止频率8 MHz，38 MHz处增益衰减达到－35 dB，带内波动0.5 dB，输入为1 MHz，400 mV Vpp时，THD为－57 dB，功耗7 mW.在特殊环境具有明显的优势。

关键词:Gm－C滤波器;阈值漂移;衬底偏置;温度补偿

目前随着信息行业的迅猛发展，相关的各种解决方案得到广泛的研究，其中CMOS工艺具有成本，功耗和集成度方面的优势得到广泛的应用［1］，并且SOI CMOS工艺有源区面积小，寄生电容小，泄漏电流小，无闩锁效应，是全介质隔离的，具有很多优越的性能，尤其在抗辐射电路，耐高温电路，亚微米及深亚微米电路VLSI，低压低功耗电路及三维集成电路中具有广泛的应用。

集成连续时间滤波器包括有源RC滤波器，基于非线性MOS电阻实现的MOSFET-C滤波器，Gm－C滤波器，其中有源RC滤波器原理简单，输入动态范围大，但在高频应用时受到限制，原因是有源RC滤波器的本征带宽小，用在高频时功耗急剧增大，MOSFET-C滤波器通过引入了非线性的MOS电阻实现了频率的精确可调，不过这个是以输入动态范围降低为代价的，Gm－C滤波器使用开环跨导其作为有源器件，无需低阻输出级，同时电感等效可以达到很好的高频特性，同时可以通过对跨导值的精确调节可以达到理想的频率特性，不足之处在于，开环工作的跨导器线性较差，降低了动态范围，研究一定的线性措施来增大Gm－C滤波器的输入动态范围使之仍能满足高频需要是非常必要而且有意义的。传统的Gm－C滤波器并没有深入考虑温度变化对滤波器性能带来的影响，或者只是增加额外的电路来调节频率响应的精度，基于文献［4，13］采用的都是基于片上VCO频率调谐电路，但这很难保证环形振荡器起振，而且要求振荡幅度要严格控制在跨导放大器的线性范围内，目前比较流行的有基于片上锁相环方案，开关电容调节方案以及利用环路将Gm锁定在一个预定电阻上［6］这些都需要额外的电路，增加了滤波器的复杂度和功耗。基于上述考虑，本文提出来一种在温度变化引起频响偏移时可以通过阈值的调节达到对温度变化的补偿方案。

1　Gm－C中浮地电感的等效

下面首先介绍一种等效有源浮地电感模型，如图1所示。

图1　等效有源浮地电感模型

根据基尔霍夫电流定理，

经过化简可得:

等效阻抗为:

即

可见此结构的输入输出可等效的看成是一个差分的浮地电感，可以运用这个原理将LC原型滤波器中的电感用这个结构代替，从而实现了一个只有OTA和电容C的滤波器。

2　全差分跨导运算放大器

图2　所设计的跨导放大器原理图

图2给出了所设计的跨导器原理图，为了获得一定的带宽，整个跨导放大器采用一级结构，这个滤波器不需要提供足够的增益，该Gm－C滤波器采用采用全差分结构，可以消除直流信号和偶次谐波分量，而且可以克服直流电压漂移，为了降低衬底噪声，晶体管的尺寸没有采用最小值设计。图中，M8～M10成电流源结构，为放大器增益级和共模反馈(CMFF)提供直流偏置，为了扩大放大器的带宽，偏置电流需要适当的提高，这也是宽带放大器牺牲功耗为代价M5～M7，M13，M14，作为共模反馈网络，采用这种方式的共模反馈网络，一方面可以避免使用传统的电阻反馈网络带来的芯片面积增大的消耗，又可以降低系统的噪声。M5，M6的宽长比设为M7的一半，检测放大器输出级的共模电平，如果Voutp，Voutn的共模电平升高就会导致M7的漏极电压升高从而降低了M11，M12的漏电流，放大器的输出被稳定在输出预定值。M1、M2采用耐温变效应的SOI浮体MOS，M3、M4采用4端MOS。

对于图3所示的差分交叉晶体管输入级可以得到如下关系式:

基于此，本文针对两端式同轨双车运行模式的货位分配问题进行研究，根据货位优先级确定待选货位，建立适合该模式的货位分配模型，运用集成多目标生物地理学优化(Ensemble Multi-objective Biogeography-Based Optimization, EMBBO)算法优化求解，从而提高大型工业立体仓库的存储效率及其结构稳定性。

式中:Vthf，Vtht分别是M1(M4)，M2(M3)的阈值电压，Vtht受Vf调制

将式(5)～式(8)代入式(9)化简后得到:

所以

图3　差分交叉输入级

由于温度影响器件的参数和特性，尤其影响迁移率，阈值电压和亚域特性，在300 K以上时，反型层内的有效迁移率与温度呈现T－2次方关系，为了得出温度变化带来的阈值漂移，首先考虑下面的关系式:

由于功函数差φms和固体氧化物电荷基本上和温度无关，将上式对温度微分:

式中:

式中:Eg0是T=0时的禁带宽度，所以

从上式可以看出，在0 K以上时，随着温度升高阈值电压会降低.给输出跨导稳定性造成很大的损失，要想让跨导随温度变化保持不变或是变化幅度减小，直到可视为不变，需要设计额外的电路来补偿，为了不提高电路的复杂度，尽量降低系统消耗的功耗，而且从调试便宜角度考虑，该放大器采用从M2，M3的体端引出一个额外的电极，这个电极由外加电源来控制。

对于M2，M3管，当衬底施加了偏置电压时，阈值电压有所变化，式(17)给出了阈值电压与衬底电压的函数关系:

阈值电压总的偏移量可以看做体源电压不等时与相等时的偏移量，可以写为:

从上式可以看出，随着VBS正向增大，阈值电压会减小，为了弥补温度升高带来的阈值漂移，VBS可以朝着相反的方向调节就可以让滤波器的频率响应稳定在设计指标的位置上，可以更准切的说，通过调节体电位来消除温度偏移带来的阈值变化，使运放的跨导可以对温度和体电位的偏微分综合的结果等于零，这和设计带隙基准是同样的道理，类似的补偿原理可以运用到其他设计的参考上。

图4示出了浮体MOS与体MOS阈值电压和温度变化关系的曲线。从图可以看出，在－50℃到100℃范围内浮体MOS管的阈值电压可以看做维持在300 mV左右的稳定值，图中示出的是浮体MOS管阈值电压的温度特性曲线，这是在体偏压设在750 mV时得到的，但这不影响设计的质量，因为体电压的变化带来的只是体MOS管的特性变化，通过在Cadence仿真环境下的参数扫描得到曲线也证明了这一点。从图中的曲线不难看出，体MOS阈值电压随着温度的升高会下降，从图4还可以看出，当体MOS管的体电位从200 mV变化到1 V时阈值特性曲线，值得注意的时，体电位不可以无限的升高，否则会导致体源的正向二极管击穿，所以这个电压的上限是存在的，可以通过仿真和实际的测试来得到，当然，在设计滤波器或者更准确地说是跨导放大器时，留有200 mV～300 mV的余量是可以保证设计的稳定性和准确性的，阈值电压不仅是温度的单调减函数，也是体电压的单调减函数，并且在一定范围内是呈现线性相关的，这为设计放大器提供了方便，这样为了弥补温度特性带来的性能损失，可以通过反向调整体MOS管的体电位来平衡。图中所示给出了调节的原理和方法，Vf表示不同的体电位设置值，预期在0～1 V范围内变化。

图5示出了在温度为27℃时放大器的幅频相频响应特性。这是4端MOS体电位在750 mV，负载电容5 pF时仿真得到的，可以看出放大器的直流增益4 dB，相位裕度93°，3 dB带宽6.86 MHz，文中整个滤波器的架构都采用完全相同的OTA结构.放大器的主要参数如表1所示。

图4　浮体MOS和体MOS阈值电压随温度变化曲线

图5　OTA频响曲线

表1　OTA主要参数

3　Gm－C滤波器设计

图6　

图6是用滤波器综合工具得到的3阶Chebyshev滤波器，电感经过等效跨导和接地电容的替换就得到了图6(b)所示的仅有OTA和电容C组成的Gm－C结构，图中，左边3个并行OTA是作为输入缓冲放大器使用的，可以通过并联多个OTA达到增加输出电流，获得高增益的目的，可以通过推导得出，滤波器的品质因数为［2］:

左边第2个OTA和右边第1个OTA用来作为等效的输入输出阻抗，在本文的设计中跨导器的跨导设在200 μs，即输入输出阻抗5 kΩ，中间4个OTA和之间的电容等效无源滤波器中的电感，通过仿真，两条AC响应曲线几乎重合，出现的少许不一致主要是由于OTA基本模块存在寄生电容和有限的输入阻抗引起的［3］，限于篇幅，此处不再给出。

4　仿真结果

图7示出了温度在－50℃～60℃范围内，滤波器的频响特性曲线，温度在－50℃～30℃范围内，当温度偏低时，体MOS阈值电压高于浮体MOS阈值电压，滤波器截止频率∝Gm，即∝|ΔVth|，所以滤波器的增益和截止频率都会随温度的上升逐渐提高，通带增益也增大，超过了一定范围，截止频率缓慢增加，通带增益会降低，当Gm增加到200 μS后，由于等效输入输出阻抗为1/Gm，截止频率增加的同时会带来增益的衰减，温度在－30℃左右时，从图9的曲线可以看出，|ΔVth|≈0，所以输入输出阻抗会非常大，造成局部的OTA输入范围超过了线性范围，形成了失真，致使THD－温度特性曲线在－30℃左右时有一个尖峰。图8给出了滤波器在不同Vf值时频率响应的变换，通过调节Vf，可以补偿温度漂移带来的频率漂移。图10表示的是Vf变化对THD的影响，本文预定的Vf= 750 mV，THD为－57 dB。表2总结了本文设计的滤波器与参考文献中设计的滤波器的一些性能比较。

图7　不同温度下频响曲线

图8　不同Vf值对应的频率响应

图9　温度对线性度的影响

图10　受控电压Vf对线性度的影响

表2　本文设计的滤波器与参考文献中给出的滤波器的性能参数比较

表2中，文献［13］给出的是一种基于片上VCO频率调谐电路，当滤波器截止频率有少许偏离时，会改变负阻的大小，从而将截止频率稳定在期望数值，但很难保证环形振荡器起振，频率可调范围很窄，而且要求震荡幅度要严格控制在跨导放大器的线性范围内，同时由于温度的变化会使电路的性能急剧恶化，文献［13－14］中的Gm－C滤波器并没有深入考虑这些因素对滤波器性能带来的影响，并不适合对稳定性要求高的场合。而本文深入研究了这一问题，同时Vf为受控电压，增加了电路设计的自由度，性能经过优化，在环境恶劣的条件下具有明显的优势。

5　结束语

本文提出了一种全差分运算放大器，该运算放大器采用电压负反馈方式稳定输入共模电平，调节输入差分管相应的衬底偏置改变输入对的阈值电压差，从而调节放大器的跨导来调整滤波器的截止频率，这样可以补偿温度变化对滤波器频响造成的漂移。滤波器采用GSMC的0.13 μm SOI工艺，6层金属设计，THD在400 mV pp时达到－57 dB，泄漏电流小，尤其在对抗辐射性能，稳定性和线性度，功耗综合要求比较高的场合，具有广阔的应用价值。

参考文献:

［1］Wang Jiayi，Li Chen，Le Ye.Highly Linear OTA with 3rd-Order Nonlinearity Superposition Techniques for G_m-C Low-Pass Filter with 34dBm IIP3［C］//Proceedings of 2012 IEEE 11th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT－2012):30－32.

［2］Wei Chenjun，Yin Yadong.An ActiveImage Rejection Complex Filter Design［J］.Microelectronics and Computer，2014，31(1):149－155.

［3］Yu Guoyi，Zhong Jianfu，Zhang Le.Design of the New Highly Linenary OTA for Gm-C Filters［J］.Jounal of HuaZhong University:Natiral Sicence Edition，2013(4):61－64.

［4］Zhang Changhong，Zeng Longyue，Li Zhengping.Design of Low Power Gm-C Filter and It’s Tuning Circuit［J］.Microeletronics，2013，43(5):654－656.

［5］Li Zhijun，Zeng Yicheng.Realization of Linearly Tunable Fully Differential OTA［J］.Journal of Circuits and Systems，2013，18 (1):103－112.

［6］Zhang Hong，Zhao Tong，He Yu.An Image_Injection Complex Filter with Low Power Based on Transconductor-Capacitance Cell［J］.Journal of Xi’an Jiao Tong University，2013，47(8):81－86.

［7］Wang Xin，Cheng Tao，Liu Jie.A High Linearity Multi-Band and Gain Adjustable Channel-Select Filterfor TV-Tuner Application ［J］.Journal of Emiconductors，2013，34(9):54－58.

［8］Jiang Jinguang，He Yigang，Wu Jie.The Realization of Filter Employing Low Voltage，Highly Linear，Wide Inputing Range Gm-C ［J］.Journal of Curciuts and Systems，2001，6(3):38－40.

［9］Jiang Jinguang，He Yigang，Wu Jie.Realization of Fully Differential Fourth-Order Chebyshev Filter with Tunable Frequency［J］.Journal of Electronic and Information Technology，2004，26(5):801－806.

［10］Zhao Yu，Wu Sihan，Wu Hongjiang.Design of Active Gm-C Complex Bandpass Filter Based on OTA［J］.Semiconductor Technology，2008，33(4):343－345.

［11］Guo Guiliang，Mu Rongzeng，Du Zhankun.Design Od Gm-C Filter with An accurate constant-Gm-Cbiascircuit［J］.Journal of Jiangsu University，2011，32(1):71－74.

［12］Zhu Siqi，Yang Hongwen Yi Qing.A CMOS Elliptic Low-Pass Gm-C Filter with Automatic Tunning Scheme for CMMB［J］.Microelectronic and Computer，2009，26(1):106－108.

［13］Yao Jinke，Wu Ende，Chi Baoyong.A 4 MHz Gm-C Filter with On-Chip Frequency Automatic Tuning［J］.ACTA Electronica Sinica，2006，34(11):2077－2080.

［14］Yang Lijun，Gong Zheng，Shi Yin.A Low Power Baseband Gm-C with High Linearity［J］.Microelectronics，2012，42(2):234－237.

［15］Duan Chong，Li Weimin，Wen Wu.Design and Implementation of High Q Analog IF Bandpass Filter Based on Gm-C［J］.Microelectronocs and Computer，2012，29(8):75－77.

孙书龙(1988－)，男，2012年毕业西安电子科技大学，博士读于中国科学院上海微系统与信息技术研究所，研究方向为抗辐射集成电路，无线局域网通信芯片设计;

林　敏(1974－)，男，博导，中科院百人计划，清华大学电子工程系毕业，研究方向为高可靠集成电路设计。

Design of a Three Output Small-Power Switching Power-Supply Based on UC3842

WANG Xia1*，WANG Jinjun2
(1.College of Electrical and Control Engineering; Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2.College of Science，Shanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China)

Abstract:A switch converting 48 V to the +5 V，15 V switching power supply has been designed.UC3842 used as PWM controller; resistance，TL431 and linear photoelectric coupler components as a voltage sampling feedback circuit.The accuracy of main output voltage(+5 V DC@2A)is 0.5%，the ripple of voltage is 0.4%; the accuracy of auxiliary output voltage 1(+15 VDC@500 mA)is 2%(14.7 V)，the ripple of voltage is 0.13%; the accuracy of auxiliary output voltage 2(－15 V DC@500 mA)is 2%，the ripple of voltage is 0.33%.The switching power supply has high precision，small ripple，high efficiency and high reliable，which can be widely used in all kinds of small power conversion applications.

Key words:switching power-supply; UC3842; pulse width modulation; voltage precision

doi:EEACC:121010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.014

收稿日期:2014－08－15修改日期:2014－09－13

中图分类号:TN4

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0779－06