模擬結果

濾波器電路採取運算轉導放大器-電容架構，分成四級以組合出7 階的 差動低通濾波器。圖4-1為主動濾波器完整電路架構，而其中每個Gm都是由 圖4-2 OTA電路所組成，但Gm值有所不同。其中Gm1= Gm3，而每一級的 Gm21、Gm22、Gm23是由不同的Gm值產生,而k則是由gain boost架構所 組成。

圖 4-1 主動濾波器電路

圖4-2 完整 OTA 電路

4-1 OTA Gm 的模擬

圖4-3 為 Gm 的模擬方式，Gm 的大小可以分兩個部分考量，第一個部 分為Gm 在直流狀態下的結果；第二個部分為 Gm 和頻率的關係圖；在 Gm 在直流狀態下的模擬結果，可觀察在DC 時 Gm 的值是否符合原來所預定 的值和可大概預估其線性範圍；在Gm 和頻率的關係圖方面，由於是以 Gm 來取代原來的RLC 濾波器中的電阻，不希望其大小在所需頻帶中有所改 變，所以必須做此分析來觀察Gm 和頻率的關係。

以下分別對Gm21、Gm22、Gm23、Gm1= Gm3 做 DC sweep、AC sweep、線 性度的分析。

(1)Gm21

(a)OTA input/output dynamic range simulation for DC sweep

圖4-3 Gm21 的模擬

圖 4-4 為Gm21 的直流分析結果，在不同的頻帶所得到的 Gm21 值，

其線性度範圍是 200mVpp 當然這只是預估，真實的線性度範圍要看系統需 求，並做THD 的分析才可得知。

圖4-4 Gm21 的直流分析結果

(b)OTAmaximum bandwidth simulation for AC sweep

圖 4-5 為Gm21 對頻率的關係圖，由於在規格中定義了濾波器頻寬所 以在各各頻帶內其Gm21 值要固定不變，由模擬結果得知其值在 100MHz 都符合此條件。

圖4-5 Gm21 對頻率的關係圖

(a)Gm21 直流分析 (DC sweep)

-0.1v~0.1v

(b)Gm21 交流分析 (AC sweep)

10M Gm=79.81u Gm-freq100K~30M=79.743u 15M Gm=120.8236u Gm-freq80K~24M=120.7791u

20M Gm=167.8668u Gm-freq100K~30M=167.84u

28M Gm=242.734u Gm-freq280K~84M=242.75u

表4-1 Gm21 的 Gm 值

(c)Gm21 to tuning voltage linearity analysis

接下來是要考慮是否

Gm 21 ∝ V _T

，圖 4-6 為模擬架構，圖 4-7 為模擬 結果，由此可知Gm21 和調整電壓V

T

成線性關係。

圖4-6 模擬

Gm 21 ∝ V _T

圖4-7

Gm 21 ∝ V _T

模擬結果

(2) Gm22

(a)OTA input/output dynamic range simulation for DC sweep

圖4-8 Gm22 的模擬

圖 4-9 為Gm22 的直流分析結果，在不同的頻帶所得到的 Gm22 值，

其線性度範圍是 200mVpp 當然這只是預估，真實的線性度範圍要看系統需 求，並做THD 的分析才可得知。

圖4-9 Gm22 的直流分析結果 (b)OTAmaximum bandwidth simulation for AC sweep

圖 4-10 為Gm22 對頻率的關係圖，由於在規格中定義了濾波器頻寬所 以在各各頻帶內其Gm22 值要固定不變，由模擬結果得知其值在 100MHz 都 符合此條件。

圖4-10 Gm22 對頻率的關係圖

(a)Gm22 直流分析

(DC sweep) -0.1v~0.1v

(b)Gm22 交流分析 (AC sweep)

10M Gm=51.27164u Gm-freq100K~30M=51.394u

15M Gm=73.92446u Gm-freq80K~24M=73.89801u

20M Gm=100.2334u Gm-freq100K~30M=100.22u

28M Gm=142.66u Gm-freq280K~84M=142.66u

表4-2 Gm22 的 Gm 值

(c)Gm22 to tuning voltage linearity analysis

接下來是要考慮是否

Gm 22 ∝ V _T

，圖 4-11 為模擬架構，圖 4-12 為模擬 結果，由此可知Gm22 和調整電壓V

T

成線性關係。

圖4-11 模擬

Gm 22 ∝ V _T

圖4-12

Gm 22 ∝ V _T

模擬結果

(3)Gm23

(a)OTA input/output dynamic range simulation for DC sweep

圖4-13 Gm23 的模擬

圖 4-14 為Gm23 的直流分析結果，在不同的頻帶所得到的 Gm23 值，

其線性度範圍是 200mVpp 當然這只是預估，真實的線性度範圍要看系統需 求，並做THD 的分析才可得知。

圖4-14 Gm23 的直流分析結果 (b)OTAmaximum bandwidth simulation for AC sweep

圖 4-15 為Gm23 對頻率的關係圖，由於在規格中定義了濾波器頻寬所 以在各各頻帶內其Gm23 值要固定不變，由模擬結果得知其值在 100MHz 都 符合此條件。

圖4-15 Gm23 對頻率的關係圖

(a)Gm23 直流分析 (DC sweep)

-0.1v~0.1v

(b)Gm23 交流分析 (AC sweep)

10M Gm=26.22905u Gm-freq100K~30M=26.21u

15M Gm=38.66504u Gm-freq80K~24M=40.378u

20M Gm=52.59002u Gm-freq100K~30M=56.29499u

28M Gm=75.26967u Gm-freq280K~84M=78.874u

表4-3 Gm23 的 Gm 值 (c)Gm23 to tuning voltage linearity analysis

接下來是要考慮是否

Gm 23 ∝ V _T

，圖 4-16 為模擬架構，圖 4-17 為模擬 結果，由此可知Gm23 和調整電壓V

T

成線性關係。

圖4-16

Gm 23 ∝ V _T

模擬

圖4-17

Gm 23 ∝ V _T

模擬結果

(4)Gm1=Gm3

(a)OTA input/output dynamic range simulation for DC sweep

圖4-18 Gm1 的模擬

圖 4-19 為Gm1 的直流分析結果，在不同的頻帶所得到的 Gm1 值，其 線性度範圍是 200mVpp 當然這只是預估，真實的線性度範圍要看系統需 求，並做THD 的分析才可得知。

圖4-19 Gm1 的直流分析結果 (b)OTAmaximum bandwidth simulation for AC sweep

圖 4-20 為Gm1 對頻率的關係圖，由於在規格中定義了濾波器頻寬所 以在各各頻帶內其Gm1 值要固定不變，由模擬結果得知其值在 100MHz 都 符合此條件。

圖4-20 Gm1 對頻率的關係圖

(a)Gm1 直流分析 (DC sweep)

-0.1v~0.1v

(b)Gm1 交流分析 (AC sweep)

10M Gm=56.70786u Gm-freq100K~30M=56.67u

15M Gm=83.63614u Gm-freq80K~24M=83.609u

20M Gm=113.23u Gm-freq100K~30M=113.22u

28M Gm=160.8466u Gm-freq280K~84M=160.85u

表4-4 Gm1=Gm3 的 Gm 值 (c)Gm1 to tuning voltage linearity analysis

接下來是要考慮是否

Gm 1 ∝ V _T

，圖 4-21 為模擬架構，圖 4-22 為模擬 結果，由此可知Gm1 和調整電壓V

T

成線性關係。

圖4-21 模擬

Gm 1 ∝ V _T

圖4-22

Gm 1 ∝ V _T

模擬結果

4-2 全電路頻率響應模擬

(a)performance(Av&Group delay)

最後將所有的Gm 相接模擬在不同頻帶時電路的增益值及 Group delay。

(i)10M

圖4-23 10M 時的增益值及 Group delay (ii)15M

圖4-24 15M 時的增益值及 Group delay (iii)20M

圖4-25 20M 時的增益值及 Group delay

(iv)28M

圖4-26 28M 時的增益值及 Group delay

(v)表 4-5 得知在不同頻帶時的增益值及 Group delay 的 high & low

AV Av(dB) Group delay(sec)

A

L

=-1.164852 G

_L

=38.54977n

10M

100k~30M

A

H

=8.874459 G

_H

=47.45013n A

L

=-1.198537 G

_L

=30.08364n

15M

150k~45M

A

H

=8.10942 G

_H

=38.58398n A

L

=-1.233629 G

_L

=25.3867n

20M

200k~60M

A

H

=7.49607 G

_H

=33.53867n A

L

=-1.424348 G

_L

=17.87808n

28M

280k~84M

A

H

=5.715423 G

_H

=25.13413n 表4-5 全電路頻率響應模擬表

在理想上我們希望增益越大越好而Group delay 越小越好，而這兩個有互相 的影響故必需tradoff。

4-3 加入自動調整電路之頻率響應

圖4-27 為未加 Auto tunning 時其頻率響應，在考慮製程偏移下經過調 整電路的調整之後所得到的最後結果，由模擬結果得知調整電路發揮其調整

的效果圖4-28。

圖4-27 未加 Auto tunning 時其頻率響應

圖4-28 加 Auto tunning 時其頻率響應

因面積考量選擇重複較較多的 來做自動調整電路，又因為Gm1= Gm3

但不等於每一級的 、 Gm ，這樣會造成其它每一級

、 歇許的誤差，最後可經由量測時由 來做微調即可使之

4-4 溫度對頻率響應之影響

分別將不同的頻帶以-20 C至 100

^O

C來看溫度對頻率響應之影響。

(a)10M

Gm1

Gm21 Gm22、 23 Gm21、

Gm22 Gm23 DAC

得到更好的改善。

O

圖4-29 10M 時對溫度的變化

(b)15M

圖4-30 15M 時對溫度的變化

)20M (c

圖4-31 20M 時對溫度的變化

)28M (d

圖4-32 28M 時對溫度的變化

(e)分別由不同的頻率看對溫度的影響(取 gain boost 最高點)

Av-temp.

FC=10M FC=15M FC=20M FC=28M

-20

^O

C 9.063507 8.341864 7.798249 6.037185 0

^O

C 8.9773 8.237107 7.660568 5.876894 20

^O

C 8.876181 8.111677 7.495547 5.715559 40

^O

C 8.76078 7.970493 7.313299 5.549116 60

^O

C 8.631122 7.813892 7.113123 5.378591 80

^O

C 8.492538 7.644135 6.902066 5.203775 100

^O

C 8.340897 7.463979 6.686237 5.024772

表4-6 頻率響應對溫度變化影響之比較

表4-6 (-20 ~ ，

功效 果並 製程偏移 整效果 是可以

電路中的外接D 的微調 需規格

4-5

考慮電阻的變動率對頻率響應的影響，分別對電阻取10%的變動量來看各 各頻率對電阻變動的影響。

(a)10M

為對溫度變化的影響 100 度)的總整理 發現調整電路也發揮其

，但結 沒有比對 所做的調 好，但還 對調整

AC 做細部 以達到所 。

電阻的變動率對頻率響應之影響

圖4-33 10M 時對電阻變動的影響

(b)15M

圖4-34 15M 時對電阻變動的影響

(c)20M

圖4-35 20M 時對電阻變動的影響

(d)28M

圖4-36 28M 時對電阻變動的影響

(e)電阻變動率

AV-R10%變動 Av(dB) Group delay(sec)

A

_L

=-1.179364 G

_L

=39.06651n

10M

100k~30M

A

_H

=8.825294 G

H

=48.710313n A

_L

=-1.205227 G

L

=30.38328n

15M

150k~45M

A

_H

=7.989292 G

H

=39.52977n A =-1.241751 G

_{L L}

=25.5625n

20M

200k~60M

A

_H

=7.311552 G

H

=34.31498n A

_L

=-1.432279 G =17.98194n

_L 28M

280k~84M

A =5.453477 G =25.64596n

_{H H}

表4-7 頻率響應對電阻變動影響之比較

表4-6 為對電阻變化的影響， 現調整電路也發揮其功效，使電路沒有因電 阻的變化而受大很大的影響。

4-6 濾波器線性度分析(THD 模擬結果)

接下來是要做FFT 的分析，分別對 10MH、15MHz、20MHz 和 28MHz 的正弦波，改變其振幅加以模擬，可得到以下結果，並對製程偏移所產生 的誤差加以模擬。圖 4-37 DV 讀取到的 RF signal eye diagram 的波長為

3T 至 14T，通常在 ，所以我們必需在不同頻率同時也輸入

不同頻率的弦波來觀察其 。

發

D 6T 之後就平坦了

THD

37 DVD

圖4- 讀取到的RF signal eye diagram

(a)10M

圖4-38 fft_tt_100mv，filter 為 10M，輸入訊號頻率 10M

圖4-39 fft_ff_100mv，filter 為 10M，輸入訊號頻率 10M

圖4-40 fft_ss_100mv，filter 為 10M，輸入訊號頻率 10M

(b)15M 頻率下-分別取 10M、12M、15M。

當電路在15M 的情況，但輸入弦波以 10M 的頻率輸入時的(TT-FF-SS)

圖4-41 fft_tt_100mv，filter 為 15M，輸入訊號頻率 10M

圖4-42 fft_ff_100mv，filter 為 15M，輸入訊號頻率 10M

圖4-43 fft_ss_100mv，filter 為 15M，輸入訊號頻率 10M

當電路在15M 的情況，但輸入弦波以 12M 的頻率輸入時的(TT-FF-SS)

圖4-44 fft_tt_100mv，filter 為 15M，輸入訊號頻率 12M

圖4-45fft_ff_100mv，filter 為 15M，輸入訊號頻率 12M

圖4-46 fft_ss_100mv，filter 為 15M，輸入訊號頻率 12M

當電路在15M 的情況，但輸入弦波以 15M 的頻率輸入時的(TT-FF-SS)

圖4-47 fft_tt_100mv，filter 為 15M，輸入訊號頻率 15M

圖4-48 fft_ff_100mv，filter 為 15M，輸入訊號頻率 15M

圖4-49 fft_ss_100mv，filter 為 15M，輸入訊號頻率 15M

(c)20M 頻率下-分別取 10M、15M、20M。

當電路在20M 的情況，但輸入弦波以 10M 的頻率輸入時的(TT-FF-SS)

圖4-50 fft_tt_100mv，filter 為 20M，輸入訊號頻率 10M

圖4-51 fft_ff_100mv，filter 為 20M，輸入訊號頻率 10M

圖4-52 fft_ss_100mv，filter 為 20M，輸入訊號頻率 10M

當電路在20M 的情況，但輸入弦波以 15M 的頻率輸入時的(TT-FF-SS)

圖4-53 fft_tt_100mv，filter 為 20M，輸入訊號頻率 15M

圖4-54 fft_ff_100mv，filter 為 20M，輸入訊號頻率 15M

圖4-55fft_ss_100mv，filter 為 20M，輸入訊號頻率 15M

當電路在20M 的情況，但輸入弦波以 20M 的頻率輸入時的(TT-FF-SS)

圖4-56 fft_tt_100mv，filter 為 20M，輸入訊號頻率 20M

圖4-57 fft_ff_100mv，filter 為 20M，輸入訊號頻率 20M

圖4-58 fft_ss_100mv，filter 為 20M，輸入訊號頻率 20M

(d)28M 頻率下-分別取 10M、19M、28M。

當電路在28M 的情況，但輸入弦波以 10M 的頻率輸入時的(TT-FF-SS)

圖4-59 fft_tt_100mv，filter 為 28M，輸入訊號頻率 10M

圖4-60 fft_ff_100mv，filter 為 28M，輸入訊號頻率 10M

圖4-61 fft_ss_100mv，filter 為 28M，輸入訊號頻率 10M

當電路在28M 的情況，但輸入弦波以 19M 的頻率輸入時的(TT-FF-SS)

圖4-62 fft_tt_100mv，filter 為 28M，輸入訊號頻率 19M

圖4-63 fft_ff_100mv，filter 為 28M，輸入訊號頻率 19M

圖4-64 fft_ss_100mv，filter 為 28M，輸入訊號頻率 19M

當電路在28M 的情況，但輸入弦波以 28M 的頻率輸入時的(TT-FF-SS)

圖4-65 fft_tt_100mv，filter 為 28M，輸入訊號頻率 28M

圖4-66 fft_ff_100mv，filter 為 28M，輸入訊號頻率 28M

圖4-67 fft_ss_100mv，filter 為 28M，輸入訊號頻率 28M

輸入VT 電壓值 輸入訊 號之頻

率

TT(dB) FF(dB) SS(dB)

Fc=10MVT=1.2V 10M -31.12086 -41.12154 -30.45878 10M -42.95798 -39.34436 -39.34436 12M -47.30563 -34.6838 -42.63601 Fc=15M

VT=1.36V

.94027 15M -51.03029 -31.86816 -44

10M -44.78687 -39.06443 -42.51176 15M -44.26945 -31.18474 -51.62519 Fc=20M

VT=1.54V

-49.98771 -34.71428 -56.14399 20M

10M -43.94123 -39.71828 -48.79327 Fc=28M

19M -39.75799 -31.29452 -64.3825 VT=1.8V

28M -45.44489 -37.93419 -68.61548 表4

4-7 Refer

Compare

Refer sB ign

ifica -8 THD 模擬

ence material and design the specification

encesA Reference Des the

spec tion

Filter

ilter rder

lter

orde ilter

type

sixth-order f seventh-o

Elliptic fi

seventh- r Elliptic f

hnology Tec

0.18um C

MO al,20 n

m TS

TSM

0.29um BiC S

3 layer met 0.18u GHz np

MC

Tuning

9.82MHz 10MHz~100MHz 10MHz~28MHz

range(3dB)

Boost

N/A 0-13dB 0-8.7dB

-31dB @15MHz -31dB @20MHz

=100mVpp

-31dB @28MHz

THD@Vin

N/A <-46dB

Group Delay Shaping

Range

47ns ±30% at 0.1 Fc 8.90036ns

Po wer supp ly

1.8v 3v 3.3v

Power consumption

8.6mW 120mW@fc=100 MHz,10dB boost

19.99769 mW(@fc=28M)

Chip size

50um*750um. <1 sq. mm 928um *819.001um

表4-9 Reference material a the spe Re a Li', Chi Zhang” An Intuitive Implement

tinuous- ime Gm-C Filter”IEEE2005

Refe arendra . Balan as“A 3- Hz ontinuous-Time Seventh-Order 0.05Equiripple Linear Phase

”IEEE

nd design cification

ferencesA:Sh ation of

Con rencesB:N

C

T

Rao, V , and R. Contrer V, 10–100-M

Filter 1999

在文檔中 中 華 大 學 (頁 36-65)