（微电子学与固体电子学专业论文）硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计.pdf

硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 摘要： 本文描述了硬盘读信道使用的连续时间低通滤波器的设计。从滤波器技术 的选择至滤波器结构的选择都进行了详细的论述，最终采用了最适合硬盘读信 道的频率范围的o t a c 技术和比较容易设计的低阶滤波器级连结构。对滤波器 的性能特性进行了仿真，结果为：电源电压3 v ：功耗1 5 0 m w ；可调频率范围 是6 5 m h z 到2 4 0 m h z ；群时延小于0 5 n s ；谐波失真小于4 0 d b 。结果满足了设 计要求。 关键词： 连续时间滤波器，运算跨导放大器，群时延，谐波失真 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 a b s t r a c t ： d e s i g na n d s i m u l a t i o no fac o n t i n u o u st i m e f i l t e r ( c t f ) u s e di n h a r dd i s k d r i v e r ( h d d ) i sd e s c r i b e di n t h i s p a p e r t h et e c h n i c s o fr e a l i z i n gf i r s to r d e ra n d s e c o n do r d e rf i l t e ra n dt h em e t h o do fh o wt oc o m p o s eh i g h e ro r d e rf i l t e ri na n a l o g i n t e g r a t ec i r e u r 黜d i s c u s s e d t h e n o p e r a t i o n a l 拓a n s c o n d u c t a n c e a m p l i f i e r c a p a c i t o r ( o t a c ) i sc h o s e n ，a n dc a s c a d em e t h o d i su s e dt or e a l i z et h i s6 血o r d e r f i l t e r a c c o r d i n gs i m u l a t i o n ，t h er e s u l t sa r e ：p o w e rv o l t a g e3 v ；p o w e rd i s p a s s i o n 1 5 0 m w ；t u n a b l ef r e q u e n c y6 5 m h z 一2 4 0 m h z ；g r o u pd e l a yl e s st h a no 5 n s ；t i - i d l e s st h a n 4 0 d b k e y w o r d s ： c o n t i n u o u st i m ef i l t e r ( c y f ) ，o p e r a t i o n a lt r a n s c o n d u c t a n c e a m p l i f i e r ( ：o t a ) ， g r o u pd e l a y , t o t 越h a r m o n i o u sd i s t o r t i o n ( t h d 、 堡垒墨塑量整堡堡垄堡垩壅壅墨堡盐 1 选题的目的和意义 绪论 现代科学技术的发展，不断地改变着人类的生产和生活。特别是电子技术 的发展，更是极大地丰富了人类的生活。从电视，电话，录像机到移动电话， 计算机，现代生活无法离开这些电子产品，这些电子产品里都有一种关键的核 心一芯片。从6 0 年代的几十门的小规模集成电路发展到现在的几百万门的超大 规模集成电路，从单一的数字集成电路或模拟集成电路发展到现在的数模混合 集成电路和片上系统( $ 0 c ) ，集成电路向着更高的工作频率和更高的集成度发 展。数模混合集成电路和片上系统要求在同一块芯片上实现数字电路和模拟电 路，在较高的工作电压( 5 v 以上) 和不考虑系统功耗的情况下，还是比较容易 实现的。 但是，许多便携设备如w a l k m a n 、移动电话、手提电脑和植入式医用仪 器、都需要很低的工作电压和功耗，这就给数模混合电路的设计增加了难度， 因为在低电压下，模拟器件的线性工作范围会大大减小，甚至无法正常工作。 目前，数模混合电路的设计和生产主要有两种工艺：c m o s 和b i c m o s 。在 b i c m o s 工艺中，因为可以采用高跨导的双极器件，电路的设计相对容易，但 是由于b i c m o s 工艺多几次掩模，成本较高。所以，从降低成本考虑，c m o s 工艺是较好的选择，但也给设计提出了更高的要求。 本文讨论了硬盘驱动芯片( h d d ) 中低通连续时间滤波器( c t f ) 的设 计。h d d 本身是数模混合电路，当应用于手提电脑时，要求它具有低压低功耗 的特点，因此c t f 也应是低压低功耗的。同样类型的c t f 也应用于l a n 局域 网) 和d v d 等设备上。从后面的讨论中可以知道，该连续时间滤波器的截止频 率必须可调。某些h d d 芯片中采用调尾电流的方法，使该滤波器的频率调节 范围低于2 ：1 ，这样就限制了这种芯片在高速高密度硬盘中的应用；还有些芯 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 片采用多个跨导单元并联的方法，这种方法虽然使调谐范围提高，但是增加的 跨导单元使芯片面积增大，功耗增加。本文采用采用一种新方法调谐滤波器的 截止频率，大大提高了频率调谐范围，并能保持功耗较低。 2 系统描述 图l 是h d d 读信道的典型方框图。从磁头读入的信号被前置运放和可变增 益运放( v g a ) 放大，然后经过低通滤波器，再被模一数转换器( a d c ) 量化为数 字信号。a d c 以后接数字信号处理器( d s p ) 进行数字域运算。通常，输入读信 道的是有自噪声的脉冲幅度信号( p a m ) ，根据n y q u e s t 取样定律，只有有限 带宽的信号在取样后才能被还原，因此输入到a d c 的信号必须经过低通滤波 器。这正是本文所要讨论的内容。 暇i 邶口潦倡道框图 该低通滤波器的技术要求 l 截止频率可调 磁盘中心的数据密度大于周边的数据密度，也就是说，输入信号的频率不 是单一的，而是在一个范围内变化，这就要求该低通滤波器的截止频率是可编 程的；另外，由于工艺的变化和温度的外界条件的变化，芯片完成后，截止频 率可能与设计值有偏差，这也要求流片后对截止频率进行调节。本文中采用了 新颖的o t a 结构，使截止频率可以编程调节。 2 群时延特性好 2 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 因为磁头输入信号的频率是变化的，根据信号的相位无畸变传输条件，要 求滤波器的群时延在通带内近似为常数。 4 。内容提要 第一章讨论了目前模拟集成滤波器的实现方法，包括有源r c 技术，m o s c 技术，开关电容技术和o t a - c 技术等，并比较了它们的优缺点。第二章讨论 了o t a 的实现，重点是如何扩展o t a 的线性输入范围。第三章论述了o t a - c 二阶滤波器，并讨论了o t a 的非理想特性对滤波器的影响。在第四章，讨论并 实现了硬盘读信道的低通滤波器，并给出了该滤波器的仿真结果。 硬盘驱动电路读信遭低通滤波器设计 第一章模拟集成滤波器的实现 1 1 滤波器的传输函数 滤波器的传输函数h ( s ) 可以写成下面的有理多项式： 日：鲨坠! ：生垫! 垫 、7 a n j ”+ a n - 1 s 4 一l + + a s + 口0 其中，s 是复频率变量，n 是滤波器的阶数。 上式中，多项式的系数a 、b 决定了滤波器的类型，如低通，高通，带通， 带阻，全通等，也决定了同类滤波器( 如低通) 的幅频和相频特性曲线的形 状。 常用的滤波器有巴特沃兹( b u t t e r w o r t h ) 滤波器和切比雪夫( c h e b ”h e v ) 滤波 器。他们的归一化低通幅频曲线如图1 - i 和图1 - 2 所示。 0 0 1仉，11 0 a 口 f | o q u 辩，一n 图i - i 巴特沃兹( b u t t e r w o r t h ) 滤波器幅频特性 4 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 笔 j 吾 i 至 图1 - 2 切比雪夫( c h e b y c h e v ) 滤波器幅频特性 由图可见，b u t t e r w o r t h 滤波器在通带和阻带内的幅度都是平坦的，所以又 叫最大平坦幅度滤波器。c h e b y c h c v 滤波器的幅频曲线在通带内有等纹波波 动，而在阻带内是平坦的，所以又叫通带等纹波滤波器。还有一种椭圆滤波 器，它的幅频曲线在通带和阻带内都是等纹波波动的。 阶数n 越大，滤波器的幅频特性越接近理想情况。对于相同的阶数n ，以 椭圆滤波器的过渡区最窄，其次是c h e b y c h e v 滤波器，再次是b u t t e r w o r t h 滤波 器。b u t t e r w o r t h 滤波器的优点是幅频特性在通带和阻带内都是平坦的，而且， 它比c h e b y c h e v 滤波器和椭圆滤波器都容易设计和实现。 实际低通滤波器的幅频曲线总有过渡区。在直流下，传输增益为1 ，即 o 曲；当m 等于通带宽度u 。时，增益下降3 d b ；当。= c a ) 。时，增益等于 ( 一g s 。) 。 由于滤波器的增益一般小于l ，所以常用另一个量，即衰减系数a 来插述 幅频特性。a = 1 g ，如果用分贝表示，则 a ( db ) = g ( db ) 所以，增益小于1 ，则a 大于1 。当= ( ) o 时，a = ap b 当= 。 时，a = a s n 。在设计滤波器时，只要给出u 。，( i ) 。a 。和a 。，就可以求出 滤波器的阶数n 。 低通滤波器的一般传输函数为： 咐。丽南 5 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 向t 9 i 勰议襦口j 以】岜1 盐一阿j 狐敬器币u 一阳【- 猫铍君寻敬琏侍羊u ，则图1 一j 所不o 晰叫 。州酬卧 。咖r h ! _ 母 t m 酬w 叫至 _ 吁 s 灿m r ! 足圈_ 至卜 _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ i - 一 e m 酬w 叫至 怔互h 至卜 1 2 模拟集成滤波器的实现 1 2 1 有源r c 滤波器 每节 t a ) ( b ) 图1 4 有源r c 低通滤波器 图卜4 ( a ) 是一阶o p r c 有源低通滤波器的一种实现方法。其传输函数为 彳：二垦! 鱼 1 + q 恐c , s 图卜4 ( b ) 是- - 阶s a l l e n - k e y 低通滤波器，其传输函数为 a ( s ，_ ，兰旦_ 一 “1 + d c l ( r 4 - r 2 + ( 1 一a a ) r i c z 84 - m 。2 雨瓦面 6 硬盘驱动电路读信遂低通滤波器设计 其中a 0 = 1 + r 4 r 3 以上传输函数是假定o p 是理想的情况下得到的。 r c 有源滤波器中只有运放是有源器件，因此设计的难度主要集中在运放 上，目前低压运放可以做到1 5 v 以下。这种滤波器的主要缺点在于： 1 )运放必须驱动电阻负载，这就要求运放的输出阻抗很低；如果运放 的输出阻抗不够低，就要求负载增大，这一方面增加了芯片面积， 另一方面增加了功耗。 2 ) 因为运放内部有高阻节点，在运放的传输函数中就产生了相应的极 点，限制了运放的带宽，并且限制了滤波器的带宽。目前r c 有源 滤波器的最高频率限制在1 m h z 。 3 ) 另外，滤波器的特性由r 和c 的绝对值来确定，这是不适合集成 的，因为集成电路工艺无法保证r 和c 的绝对精度。由于这种工艺 的偏差，通常会导致滤波器的截止频率误差达n 5 0 。 r c 有源滤波器的优点是能保持低失真，失真度小于8 0 ，这是目前任何其 它模拟集成滤波器无法达到的。 1 2 2 m o s f e t - c 滤波器【1 1 描述m o s f e t 的直流特性的萨氏方程如下： w1 ，d = 掣 一巧一寺】， 一 l 当m o s 管工作在欧姆区时，相当于一个受控制的电阻，用这样的m o s 管代替r c 有源滤波器中的电阻，不但能够有效地减小芯片面积，还能实现对 滤波器特性的调节。但是因为m o s 管是非线性的，这样滤波器的失真会比较严 重。在m o s f e t c 滤波器中，为了克服非线性，通常采用全差分结构，这样运放 也要采用全差分结构。也就是说，运放不但需要能够驱动电阻负载，还要有共 模反馈系统，以提高c m r r 。与有源r c 滤波器一样，m o s f e t c 滤波器的工作频 率不能太高。 图l 一5 表示了r c 有源积分器和m o s f e t - c 积分器之间的变换 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 v v d e 图i - - 5r c 有源积分器和m o s f e t c 积分器之间的变换 r c 有源积分器中的电阻r p l ，r n 。，r h ，分别用m o s 管q 。q 。，q 。q 。 代替，就得到相应的m o s f e t c 积分器。 1 2 3 开关电容滤波器( s c = f i l t e r ) 乏监一二 等效电阻为r 。2 百t = 瓦1 万。中，和中z 是两相非交叠时钟。 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 r 土 图卜6 ( a )一阶r c 有源结构 图卜6 ( a ) 的传输函数为日( s ) = i - r i 2 面r , 图卜6 ( b ) 是与图卜6 ( a ) 对应的一阶开关电容滤波器 图卜6 ( b )开关电容结构 传输函数为； r 闼= 7 r t c i = 1 ，( j ，i = l 2 撇k 二! 旦! 翌兰 一揶+ c 2 ，c ) 一l z z c f o = 0 z 溅= 矾l + c 2 ，c ) 如果运放也采用开关电容运放，那么，这种滤波器就只用m o s 管和电容组 成，非常适合于集成。并且r 和c 的乘积r c 是由电容的比值和开关频率决定 的，在集成电路中，电容的比精度达到o 1 并不困难，因此用这种方法能获 得非常精确的时间常数。开关电容滤波器的缺点是工作频率不能太高，应远远 小于时钟频率，否则会产生很大的误差。另外，在很低的电压下( 2 v ) ，m o s 开关不能正常地开关，影响电路地性能。 9 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 1 2 4o t a - c 滤波器 0 t a c 连续时间滤波器 2 是由运算跨导放大器和电容组成的模拟滤波器， 这种滤波器所用的电容很小，可以不使用电阻，因此很适合于集成。如图卜7 所示。 图1 7o t a 示意图 图中，。= ( 一矿) ，其中g 。= 女i 。岛可以通过l 来调节。 图1 8 是o t a c 积分器。 图l 一8o t a - c 积分器 。t a - c 积分器传输函数为：耶) = 器= 鲁 单位增益频率为：( - o r ：墨2 o o t a 的最大优点在于其内部无主极点，工作频率可以很高，能够达到几百 m h z 。理想的o t a 有无限的输入阻抗和输出阻抗，g 卅是与频率无关的。实际 上，就差分运算跨导放大器来说，其输入阻抗很高，在1 0 “f 2 以上，可以近似 为无穷；但是输出阻抗只有l o o k q 左右，其影响必须考虑。并且差分运算跨导 放大器的输入线性范围比较小，在设计时，必须考虑如何将其扩展，这将在下 章里讨论。 参考文献： 1 1 le d g a rs i n c h e z - s i n e n c i o ，“i n t e g r a t e da c t i v ef i l t e rd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n s ” 1 2 】e d g a rs 缸e h e z s i n e n c i o ，“o p e r a t i o n a l t r a n s c o n d u c t a n c e c ( o t a c 1 a n d 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 2 1 概述 第二章o t a 设计 o t a ( 运算跨导放大器) 是电压一电流转换器件，如图2 1 所示。它由一 个差分对和三个电流镜构成，能将输入电压的变化转化为输出电流的变化。 o t a 可以看作是压控电流源( v c c s ) ，理想输出阻抗是无穷大的。当输出接 电容负载时可以构成积分器，如图2 2 所示。 v d d 图2 1 简单的o t a 4 - = v 0 7 l 图2 - - 2o t a 构成的积分器 其传输函数是毒= 亳 极点在8 = o 处，直流增益是无穷大。 f 硬盘驱动电路读信遭低通滤波器设计 实际上，o t a 的增益是有限的，输出阻抗也是有限的。最简单和使用最广 泛的c m o s 跨导器是源级耦合差分对。除了简单之外，差分对还提供差分输入 并能轻易地达到正，负跨导值。虽然在实现共模反馈方面稍微复杂了一点，但 能实现全平衡结构，因而改善了动态范围，以及p s r r 和c m r r 。而且，差分 对固有的对称性有利于减小失调和漂移。在它提供良好的高频特性和低噪声的 同时，它的太信号特性是非线性的。因此，差分对的动态范围和效率是受到限 制的。 2 2 简单差分对 工作在饱和区的m o s 管的萨氏方程为： l = 芷( 一一) 2 ( 1 + 丑) 其中k ；1 c e z 5 跨导值为g 。= 三泛i f 丽“厨。 尽管单个m o s 管也可以看作是g m 单元，但是其共模抑制比( c m r r ) 为 0 d b ，无法实际应用。因此，我们讨论源耦合差分对。 图2 3 源耦合差分对 图2 3 是简单的源耦合差分对电路【i 】。假定m 1 和m 2 是完全匹配的，则输 出电流为： ，一= 扣唰，一等 l 蝽n ( ) 将其展为m a c l a u r i n 级数得到： w 蛔i v , 弗再 l 、 l i 壬悟 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 ，。= 瓜+ 0 。丽 瓦k 3 1 2 ”3 。一 相应的g m 为： 。：鳖： “0 兰 2 圭呼一壶簧瑶 可见，g m 是非线性的。另外考虑到体效应，短沟道效应和迁移率衰退f 2 1 等的影响，g m 的表达式将更复杂。随着v i d 的增加，g m 将减小。非线性是v i d 的函数，随着信号电平的增加，传输函数更加非线性，因此，大输入信号将导 致谐波失真和由于交叉调制产生寄生信号。 描述大信号特性的最普通的方法是测量总的非线性。这里，非线性定义为 g m 偏离理想值的百分比。为了使非线性小于1 ，v 。d 应限制在以下范围内： r-r_ - o 2 j 等s 如2 j 鲁 线性动态范围只是整个动态范围的- - d 部分( 2 0 ) ，致使效率降低。增 大偏置电流，增加沟道长度和减小沟道宽度都可以改善大信号处理能力。因 此，在选取偏置电流和器件的尺寸时，必须采取折中方案。例如，增大i s s 可改 善线性，但产生较大的功耗。然而，更重要的是，增大i s s 或减小w l 将导致 由于迁移率降低而使性能下降并使负共模输入范围减小。这些因素最终限制了 改善大信号处理能力的程度。 2 3o t a 线性化 有许多技术可以用来降低耦合差分对的差分输入电压( v i d ) 变化对跨导值 ( g m ) 的影响： 1 ，源衰退( s o u r c ed e g e n e r a t i o n ) 【3 】【4 】 2 交叉耦合( c r o s s c o u p l i n g ) 【5 】 3 非平衡差分对补偿( c o m l 煳s a 6 0 nu s i n gu n b a l a n c e dd i f f e r e n t i a lp a i r s ) 6 4 有源偏置( a c t i v eb i a s ) 7 】 壁翌垄皇整壁堡望堡堡壅鎏墨垄茎 一 2 3 1 源衰退( s o n r c ed e g e n e r a t i o n ) ( ) c b ) 图2 - - 4s o t t r c ed e g e n e r a t i o n 技术 图2 - - 4 ( a ) 是使用电阻r 实现源衰退的简单电路。输出电流表示为： 。圭c b k 戌，劂卜半 艚规瓯4 南 当舢1 慨。时，g m 1 r 。非线性项趋近0 。假设g m 变化l o 时，允许g h 变化1o a ，此时r = 9 ，g m ，并且g 。= g 1 0 。也就是说跨导变为原来的1 1 0 。如 果要使跨导不变，功耗将是原来的1 0 倍! 非线性的获得是以高功耗为代价的。 下图是g 。皿= 1 和不加电阻时，线性度的比较。 图2 5 源衰退( a ) 的仿真结果 1 4 且i i r_|孛斗， +七屿i|l呻 慎0 c 。乏慧l k 7 一h 奇 堡垒坚垫皇堕堡笪垫坚壅壅墨堡盐 一 圈2 4 ( b ) 是( a ) 的一种改进结构。衰退电阻的阻值随着输入信号动态变 化：当输入信号增大时，工作在欧姆区的m o s 管的等效电阻减小，g 。将增 大，这进一步提高了g 。的线性。 ! 茎! 苎! ! 竖! ：蔓! “ + 4 蝎 强 图2 - - 6 源衰退( b ) 的仿真结果 从上图可知，使用) 技术，纹波较大。为了降低纹波，匿1 2 - - 4 ( c ) 所示的 电路比较有效，它使用反馈电路使在输入信号的一定范围内，保持衰退电阻两 端的电压基本不变。 ，一， l i；i装一f 一一 一 ： ， ： ； ； ；一 l ， 【 l l： l j ! ；、； ! ；，i一卜卜， 一1 z ： l i l 卜 二主= = = 产 ；i! 1 t ! 一 ii ：i 、 i il i：一t 一 ；： ： ： i ll i、 臻 ll ： ：、r ”。 一i l v 。1 h + 一r 1 w f f iiii、| l f ll ll 一1 图2 - - 7 源衰退( c ) 的仿真结果 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 输入信号在4 0 0 m v 内，g m 基本保持不变。但是与一样，都有功耗过大 的缺点。 2 3 2 交叉耦合( c r o s s c o u p l i n g ) 简单的差分对能够删除输出电流的奇次谐波失真，偶次谐波可以通过具有 不同跨导、相同失真的两个差分对耦合而消除。电路如图所示。 图2 8 交叉耦合差分对 在谐波失真中，三次谐波失真是最主要的，表示为： 帆2 惫瑶 三次谐波失真依赖于k “3 与1 1 胆的比值，因此，当下式成立时，交叉耦合的 r 马；：鱼 a i 。j 。1 两个差分对具有相同的三次谐波失真。而有效跨导变为： 如叮= 尝2 净羽一鲁南 当i s s 2 i s s l 对，尽管可以降低由于i s s 2 引起的功耗增加，但是由于迁移率 降低的影响，并不能完全消除非线性。而当i s s 2 接近i s s l 时，有效跨导降低，并 且c m m r 降低a 这种交叉耦合差分对的另一个缺点是h 毛和m 4 引入的噪声， 与简单的差分对相比噪声增大了l + ( 纠i 倍。觚交叉耦合差分对适合 于要求跨导不大、但是线性很高的场合。 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 t i w 是g m 随输入电压变化的曲线。i s s 2 ：i s s l = 1 ：4 。 ! 、 iil 。 i z k lfj j l l 、 ； i j； l，j 、 ； ； i j 卜 ! ，i ， i 、r - - ：g j 。 图2 9 交叉耦合差分对的仿真结果 2 3 3 非平衡差分对( c o m p e n s a t i o nu s i n gu n b a l a n c e dd i f f e r e n t i a lp a i r s ) 非平衡差分对能够有效地增加线性范围，但是存在较大地输入失调电压。 如果将两个非平衡差分对接成如下电路，可以得到实用的差动输入级。 图2 - - 1 0 非平衡差分对技术 图中，k i = k 2 ，k 3 = k 4 。差分对m l 和m 2 。3 的o f f s e t 电压是对称的， 坫2 “k j f 0 一k 一，名w 笋= 妈d ( 名巧+ p 二) 。 辛= 舞岳c ， 1 7 _ 薹 一一一一二一一一m；l 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 $ 嘟：= 。蝇鄙：= ：主扫习 十 此时虽然g 。还是非线性的，但是只要选择合适的k 值，在输入为_ _ _ 2 0 0 m v 的范围内，可以得到线性很好的g 。如图所示。 ， j 卜 彳 i ， ； ； i 。 | 一。y l，u j、 r 攫 j 、f 一 i 、 i f 一 、l ； - - r 图2 一“非平衡差分对o t a 的仿真结果 这种非平衡差分对的优点是有较高的效率，并且与交叉耦合差分对相比 c m r r 较高。 2 3 4 有源偏置( a c t i v eb i a s i n g ) 用电压控制偏置电流的形式替代恒定偏置电流i s s ，即； 。= k + 譬 则可以得到g m = 0 i ：i ，其中i i ) c 直流偏置电流。 1 8 一一一一一一h一m_一 l 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 图2 1 2 采用有源偏置技术的o t a b 该电路中，除了m 5 一m 8 ，要求其它的m o s 管匹配良好。工作过程如下： 由于m i 和m 3 匹配，并导通大小相等的电流，它们的栅源电压相等( 忽略漏极 电压对的影响) 。同样，m 2 和m 4 的栅源电压相等。因此，m 3 和m 4 源极 之间的电压差等于差模输入电压。该电压差通过m 5 - m 8 构成的两个源随器反映 到m br 和m b 2 的栅极。m b l 和m b 2 的漏极电流之和为： 矿 l = 。+ k ：= 2 k ( 一珞) 2 + 鲁曙 其中，v c m 是m b l 和m b 2 的偏置电压。当该n 单元用于高频场合时，m 1 和m 2 的漏极电容以及m s 和m 4 的源极电容将使传输到m b z 和m b 2 的栅极的差 模电压衰减，这样会使补偿作用减小。需要适当地增加m b l 和m b 2 的地宽长 比，以增强补偿电流。 ij；!l! ii 丁t 一r 。、 、| !i 。八r r l j j 弋 ld j 、 r 。荫。一一 l l | ； 箅二# 二： ； i 一 |j、 i 嘉ll ； ； i； l 一 图2 一1 2 有源偏置技术的o t a 的仿真结果 1 9 f卜占了 j厂七牟古，寻旧)1 叫卜叫 _ 叫尊 一 翮蛳邺 蹦 一 扣押 ”帅 棚h g i 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 这个电路的主要问题在于不能用于低电压地情况下。假如要求线性范围为 4 - 3 0 0 m v ，那么v g s v t 应大于1 5 0 m v ，也就是说，v 6 s 应大于8 5 0 m v 。m b j 和m b 2 的栅压不小于8 5 0 m v ，m 5 和m 6 的栅源电压不小于1 v ，m 3 和m 4 的漏 源电压为o 3 - 0 4 v ，在加上负载的电压，电源电压应不小于3 v 。 下面的电路是其改进型【8 】，可以用于低电压。 2 3 5 小结 图2 一1 3 改进的有源偏置o t a 以上讨论了o t a 的几种实现方法，它们各有自己不同的特性，如表所示。 类型优点缺点 源衰退( a )简单，响应抉效率低，功耗高 源衰退( b ) 简单，线性范围较( a ) 大效率低，功耗高，失真 大 源衰退( c )线性范围很大效率低，功耗高 交叉耦合线性范围大，效率较源c m r r 低，噪声高 衰退结构高 非平衡效率高，c m r r 高线性范围较小 有源偏置线性范围大，效率高，要求m o s 管匹配 低噪声 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 2 4 非理想o t a 积分器 理想o t a 积分器具有无限大的输入输出阻抗，无限大的直流增益：而实际 上o t a 的输出阻抗是有限的，直流增益也是有限的。非理想o t a 积分器如图 2 1 4 ( b ) 所示。 任， 图2 一托j 1 9 鲡分器幢塾( t ) 羽靠锺熟黔霸痨两填墼皓) 其中肋表示有限的输出阻抗，t2 表示o t a 的传输延时。传输延时是由于 寄生的零点或极点引起的，这些寄生的零点或极点通常比滤波器的工作频率 高，可以用一个等效零点t2 表示。令 f 1 ：旦。4 ：盟 嚣a 则积分器传输函数为： 弘器畸鲁 非理想o t a 积分器与理想积分器相比的相位差为： 州m ) = 4 嘴【盯。) 】+ 9 妒 该相位差是滤波器产生误差的主要原因。 一般地，积分器的传输函数可以表示为： 虬2 面蒜 定义质量因子 乱彻) = 怒= 啪阳嘣f 细) ) ) 对于上述非理想积分器而言，当。2 11 时有 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 上：立竺：强。土一跳 ( k ( 甜) 甜( t + ，h 当。= i 时，线：( 功= o o ，此时，零点和极点的作用相互抵消，相位正 好是9 0 度。 理想积分器与非理想积分器特性比较如图2 一1 5 所示。 j 心d 。 。謦。争 鲫 ；1 i 、遘熙a e d k1 却 4 广一 、一 ， 图2 一1 5 理想积分期与非理想积分嚣特性比较 | o 曲 通常，滤波器是由许多积分器级连构成的，如果考虑积分器的非理想特 性，可以使用下式代替理想积分器传输函数中的g 和c 。 + - o j ) 贮。贮+ 。r c + - c + 这样就可以得到非理想滤波器的传输特性。 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 参考文献： 【1 】 【2 】 【3 】 【4 】 【5 1 【6 】 【7 】 【8 】 o u m a z o uc ，l i d g e yf j ，h a i g hd ， a n a l o g u ei cd e s i g n ：1 i n t e g r a t e d c i r c u i t s d e s i g n c o n s t r u c t i o n ，”c h a p t e r5 ，a p r i l1 9 9 0 e r r yb e m s t e i n ，e t c “h i g hs p e e dc m o s d e s i g ns t y l e s f k m m m e n a c h e r ，n j o e h l ，a4 一m h zc m o sc o n t i n u o u s t i m ef i r e rw i t h o n c h i pa u t o m a t i ct u n i n g ，”i e e e ，o j s o l i d - s t a t ec i r c u i t s ，v 0 1 。2 3 ，p p7 5 0 7 5 8 ，j u n e1 9 9 8 ， r w e l l a n d ，e ta 1 i ad i 百t a lr e a 洲打 ec h a n n e lw i t he e p r 4d e t e c t i o n ，” 堪e e n t s o l i d s t a t ec i r c u i t sc o 研，p p 2 7 6 2 7 7 ，s a nf r a n c s c o ，1 9 9 4 h k h o r r a m a b a d i ，p r g r a y ，“h i 曲f r e q u e n c yc m o sc o n t i n u o u s t i m e f i l t e r s , 砸e e ，曲r f 小s t a t ec i r c u i 打，v 0 1 s c 1 9 ，p p 9 3 9 9 4 8 ，d e c 1 9 8 4 g a d e v e i r m a i l ，r g y a m a s a k i ， d e s i g n o fa b i r i o l a f1 0 一m h z p r o g r a m m a b l e c o n t i n u o u s t i m e0 0 5 。e q u i r i p p l el i n e a rp h a g ef i r e r ? i e e ej o f s o l i d - s t a t ec i r c u i t s ，v 0 1 2 7 ，p p 3 2 4 3 3 1 ，m a r c h1 9 9 2 k b u r ，“a n a l o gc m o ss q u a r e 1 a wc i r c u i t s 。”p h d d i s s e r t a t i o n u n i v o f t w e n t e ，e n s c h e d e ，t h en e t h e r l a n d s ，j a n 1 9 8 8 c s k i m ，y h k i m ，s b p a r k ， n e wc m o sl i n e a rt r a n s c o n d u c t o g ” e l e c t r o n i c s l e t t e r s v o i 2 8n o 2 1 o c t o b e r1 9 9 2 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 第三章二阶o t a c 滤波器 我们知道，高阶滤波器可以由一阶滤波器和二阶滤波器级连而成，所以 有必要讨论一下如何用o t a 构成二阶滤波器。 二阶滤波器的传输函数为： = 骘群 当k l = k 2 = k ，k o = k l p 时，为低通。 3 1 二阶滤波器的实现方式 3 1 1 单端输出二阶滤波器 a ) 结构- - l i l 图3 - 1b i q u a d 结构之一 该电路由两个g 单元和两个电容构成。假定g 。l 的输出为v 0 2 ，则 ：2 9 。- ( _ 一) 击+ v o l = g i n 2 ( 匕：也) 去+ 圪，v 0 2 代k v o - 可得： 轩等等畿警 = 坛 怕 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 改变v a 、v b 和v c 的状态，可以实现各种传输函数。当v b 和、，c 都接地 时，得n - 阶低通滤波器。 下表总结了当v a 、v b 和v c 的状态改变时，各种滤波器的传输函数以及它 们的。o 和q 值。 c i r c u i lt vp ： h l p u tc a e n d i l i o n s t r a h j ；j | ；：rf u n c l i 洲 l f 翳h i 群轴啦撺g 地 ! | q 爆特溅 a d j u s t a b kv ；v a震一霉融 。妊厦 w p v 8 a n dv cg r o u n d o d毋c f ；4 - 配湛q g n s m 裔e f l 孽翁 0 ) oa 啦u s 啪b l ov t = v n跳g m嚣_ 蕊 b i u l d p a s sv a a n d y c g u n d e d娥；q + 鹄+ 苫。 雨 蕾万i a d j u s t a b l ev | = v cs 2 c , c ，意-辫 埘翡p 蝴v a n dv a g r o u n d e d为q 七葶薯氛，斗菩目 0 甄q 孽石 a d j u s m b 酶v i = v 2 铲麓筑年g 。碧。 摄- 艘 n o t c h v bg r o m l d o d 静羹：s 0 。毫。- p 素滤。佰 表3 1 二阶滤波器结构一的传输特性 这种滤波器的特点是； + q 值取决于电容c 2 和c i 之比，但不能外调，即只适用于q 值固定的场 + 在c l 和c 2 确定以后，。o 只由n 确定。 b ) 结构二f l j 图3 - - 2m q u a o 结构之二 = 4 - o t a 和电容c l c 2 组成三个积分器，其中c 2 由o t a 2 和o t a 3 共用。 这种二阶滤波器的特点是： 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 + 如果g m l = g m = g m ，则。0 与g 成正比： ( i ) o 确定后，q 可以用g m 3 调节，并且调节g m 3 时，6 0o ；v 变； + 因为带通滤波器的带宽为b = c o o q ，调节通带的中心频率m o 时，能够 保持带宽不变。 c ) 结构三【2 】 大。 、，一s 2 e j e k + s g g 。圪+ g 。：g 。屹 盱丽i 了甄忑i i 图3 - - 3 b i q u a d 结构之三 = j 嚣- g m c c 孓q - ：q ，趄撇= g m l = g r a 2 q = 旦：亟石万 占m 3g m 3 这种二阶滤波器的特点是： + ”0 可以由g m 来调节： + 固定“o 后t q 可由可以用g m 3 调节，并且调节g m 3 时，不影响( 1 ) o ； + 零点可以由g m 4 和g 5 调，而极点决定于g m lg m ：和g 。3 ，因而灵活性更 例如，作低通滤波器时( v 孑- v b 卸，v i = v a ) ， 调节g 【5 可调节直流传输增益h o = 爿( 0 ) 。 坠“上瑶嚣 峨 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 3 1 2 全平衡式二阶滤波器 3 2 非理想二阶滤波器 图3 - - 4b i q u a d 结构之四【3 = j 等盼= 釜尝”庐j 百百2 j 磊瓦 从上一章知道，o t a 的非理想特性主要由它的输出阻抗不够大和带宽不够 宽引起的。由o t a 构成的二阶滤波器受o t a 的影响也是非理想的。考虑下面 的二阶滤波器 图3 - - 5b i q u a d 结构之五 其传输函数为： 尉“1 ：兰盟： ! j ，扣) ，+ 星盐j + 鱼造苎王 q ( ；岛 ：表 i 蜘 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 化： q = 厩。 睇= j 荨辱 通常选择 g 1 = g m 2 = g m g m 32 9 4 c i = c 2 = c i 有限输出阻抗的影响 根据上一章提到的o t a 的非理想模型，有 q + 一c + 争 g + 焱i 。 j 其中：g o 。ja n d g o , , e 是节点l 和节点2 的等效输出电导。 g o n t2 9 。i g o n 22 9 。2 + g 。3 + g d 4 可以得到： 0 ) 。下1 j l 一 3 2 + j 璺吐+ 垃+ 堑k + 盏i 血+ 缸l 纽纽! l g 岛qj c 】gq 岛 小赞+ 钱掣“酱+ 铐孙锩 ” g c c c c c 叠一。( ：o g o 一，* g o 。? 是二次效应，被忽略；g o n l 对o o 的影响比较小。下面看看q 的变 车：纽+ 虽咄+ 虬：监+ 纽+ 监 鳞 gqc l 瓯 q 土：上+ 立止4 盖! l g 缉g 纸 假设g “= g 。：= g 。，可以得到： l i 。2 9 岛g 峨c 1l2 一一 g 缉砖 2 有限带宽的影响 假设所以的o t a 的寄生零点都是t2 ，则： 硬盘驱动电路读信道低通滤波器设计 脚卜幕焉醺亨焉焉磊丢( i 喝一l 乇，+ 靠】i ( j o 弓一鲩】l ，+ i 矗 ”热2 铃+ 等+ 瞥瑚t + 警， 。 q t q ，卫)g g ( j qc i c 盎 ” 毡7 鲁”鼍蠹兰紫“詈一鼍擎+ 警2 券【z 一壶i g c i t g 一，z 1g(jg碍 g”2 i 一饼l 假设0 9 jz ，则有 虿2 虿一吨。 综合上述有限输出阻抗和有限带宽两种效应 虿2 虿+ 鬲一2 吃t 2 虿+ 瓦瓦i 由上式可见r 积分器的质量因子q 0 ( c 0 0 ) 对整个滤波器的q 值有至关重要的 参考文献： 【1 】秦世才，贾香鸾，“模拟集成电子学” i2 】 r l g e i g e ra n de s 缸c h e z s i n e n c i o ，”a c t i v ef i l t e r d e s i g nu s i n g o p e r a t i o n a lt r a n s c o n d u c t a n c ea m p l i f i e r s ：at u t o r i a l i e e ec i r c u i t s n d d e v i c e s m a g a z i n e ，v 0 1 1 ，p p 2 0 一3 2 ，m a r c h19 8 5 【3 】h a k a nd o g a n ，j o