二阶多功能电流模式滤波器的设计

摘要IV二阶多功能电流模式滤波器的设计摘要随着集成电路的快速发展，大功率电子器件的出现，为了解决谐波干扰的阻碍，滤波器是不可或缺的器件，对集成电路产品的性能有着很大的影响。可以说凡有电子产品的地方必有滤波器产品。本次研究针对电流传输器展开展开多维度、深层次的研究和分析，在此基础上设计新型电流传输电路，该电路的特点是基于缓冲器和放大器的基础上成型的传输设备，和传统电路相比，该电路本身的优势在于能耗低、电压低、传输精确度高等优势，最后以多输出第二代二阶电流模式滤波器电路通常由CCCII电路和电流传输器组成，和其他电路不同的是，该电路具备高通、带阻、低通、带通等适配性较高的功能。通过分析与仿真，所设计的电路在常温下，加入3.3V电源电压，从100KHz-100MHz可以实现通过的频率低于1.21赫兹，并将通过其中的信号因干扰而减弱的滤波降到最低；当信号高于截止频率正常通过时，低于截止频率的信号将会被降到最低；为特定区间内的信号通过时得以降到最低，从而实现大多数信号都能在较为合理的范围中通过，此外，将7.42KHz-4.66MHz区间内的信号最大限度减弱的带阻滤波，中心角频率为1.83MHz，通过改变电流源的数值可以调节滤波器的增益，从仿真可以验证电路可以实现所需求功能。本次研究是基于Cadence环境下开展的，采用的工艺器件以0.35μmCMOS为主，以此作为搭建电路和仿真的主要软硬件设备，设计可以在常温、3.3V电源电压下工作，所设计的整体版图面积为29912.0307。关键词：滤波器，电流传输器，低通滤波，高通滤波，带通滤波，带阻滤波AbstractDesignandImplementationofSecondOrderMultifunctionalCurrentModeFilterBasedonCMOSAbstractWiththerapiddevelopmentofintegratedcircuitsandtheemergenceofhigh-powerelectronicdevices,inordertosolvetheobstructionofharmonicinterference,filterisanindispensabledevice,whichhasagreatimpactontheperformanceofintegratedcircuitproducts.Itcanbesaidthatwherethereareelectronicproducts,theremustbefilterproducts.Inthispaper,thestructureofcurrenttransmitterisanalyzed,andasecondgenerationcurrenttransmittercircuit(CCCII)basedonoperationalamplifierandbufferisdesigned.Comparedwiththepreviouscircuit,thiscircuithastheadvantagesoflowvoltage,lowpowerconsumption,smalltransmissionerrorofvoltageandcurrent,highbandwidthandadjustableharmonicfiltergain,Finally,asecond-ordermultifunctionalcurrentmodefiltercircuitiscomposedofmultioutputsecond-generationcurrenttransmitter(MOCCCII)andCCCIIcircuit.Thecircuitcanrealizefourfilterfunctionsoflow-pass,highpass,band-passandbandstopatthesametime.Throughanalysisandsimulation,thedesignedcircuitcanpassthesignalbelowthecut-offfrequency(1.21MHz)from100kHzto100MHzbyadding3.3Vpowersupplyvoltageatroomtemperature,andthesignalabovethecut-offfrequencycanbeattenuatedtoverylow-passfiltering;Thesignalabovethecut-offfrequency(1.21MHz)passesthrough,andthesignalbelowthecut-offfrequencyattenuatestoaverylowhighpassfilter;Letthesignalintherangeof7.42KHz-4.66MHzattenuatetoverylowband-passfilteringthroughsignalsinotherranges;Letmostofthesignalspassthrough.Thesignalintherangeof7.42KHz-4.66MHzattenuatestoaverylowbandstopfilter,andthecenterangularfrequencyis1.83MHz.Thegainofthefiltercanbeadjustedbychangingthevalueofthecurrentsource.Itcanbeverifiedfromthesimulationthatthecircuitcanrealizetherequiredfunction.Thisdesigniscompletedincadenceenvironment,basedon0.35μmCMOSprocessdevicelibrary,completedtheconstructionandSimulationofthecircuit,thedesigncanworkatroomtemperatureand3.3Vpowersupplyvoltage,andtheoveralllayoutareais29912.0307.Keywords:Filter,Currenttransmitter,Lowpassfilter,Highpassfilter,Bandpassfilter,Bandstopfilter大连东软信息学院毕业设计（论文）目录目录TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题研究的背景与意义 11.2课题研究的内容与方法 11.3课题研究现状 2第2章关键技术介绍 32.1电流模式电路 32.2滤波器 42.2.1电流模式滤波器特点 52.2.2电流模式滤波器分类 52.3电流传输器 62.3.1第一代电流传输器（CCI） 62.3.2第二代电流传输器（CCII） 62.3.3电流控制电流传输器（CCCII） 72.4电流镜 82.5运算放大器 82.6电压跟随器 92.7反馈电路 10第3章电路整体设计 113.1二阶多功能电流模式滤波器 113.2CMOSCCCII电路 123.3CMOSMOCCCII电路 133.4设计工具 133.4.1Virtuoso软件 133.4.2Calibre软件 14第4章电路的搭建与仿真 154.1总体电路搭建 154.2电路的各部分模块 154.2.1CCCII电路 154.2.2MOCCCII电路 164.3电路的仿真 174.3.1低通滤波 174.3.2高通滤波 184.3.3带通滤波 184.3.4带阻滤波 194.4本章小结 19第5章版图设计及验证 215.1版图的绘制 215.1.1MOCCCII模块 215.1.2CCCII模块 215.1.3汇总模块 225.2版图DRC和LVS验证 225.2.1DRC验证 225.2.2LVS验证 245.3本章小结 26第6章结论 27参考文献 28致谢 29大连东软信息学院毕业设计（论文）-第1章绪论课题研究的背景与意义伴随着大功率电子器件的应用范围不断扩大，谐波干扰逐渐发展成为科研工作和工业生产中不可忽视的影响因素，滤波器由此产生，从未来的发展来看，滤波器的应用场景将不断深化，其与电子产品的关联性也会随着应用场景增加不断提升。一直以来，模拟电子电路设计长期的传统观念中，衡量信号变量的指标以电压为主，电流往往被忽略，大部分人对于电路功能的判断和使用主要体现在电压信号的处理上，从而催生了不少电压信号处理电路的出现。不过电压信号处理电路同样存在不小缺陷，尤其在高速和高频的电压环境下更为明显。滤波器根据系统设定的方式将通过的信号以频率为划分，并选择性地让部分频率的信号通过，它作为一门学科发展至今已有八十多年的历史。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛。滤波器的研究与发展经历了无源分立元件、集成线性元件、混合集成电路和单片全集成电路。从上世纪60年代开始，材料工业和计算机计算开始有所起步，也为滤波器的诞生与发展奠定技术基础，随着数十年的发展，滤波器技术得以优化和完善，其呈现更小、更快、更精准的发展趋势。电流模式电路，就是能够有成效地传送、放大和处理电流信号的电路。电流模式滤波器由于具有高速、低功耗、动态范围大、且与超大规模集成电路（VLSI，VeryLargeScaleIntegration）技术兼容的特点，引起了滤波器研究领域的极大关注。二阶多功能电流模式滤波器不仅能够有效通过各类频率的信号，也能够将不同输出端的信号形成排列组合的形式，从而达到有效的带阻滤波功能。在实际使用过程中，滤波器自身的品质因数和角频率可实现独立运行和调试，具备极强的灵活性和适应性，整体电路结构相对较为简单，使用灵活。课题研究的内容与方法滤波器是使输出端口所需要的频率分量能够顺利通过，而抑制或削弱不需要的频率分量，是模拟集成电路不可缺少的一部分。本次研究围绕MOCCCII滤波器电路由若干个RC无源元件和有源器件的组合基础上，能够实现输出与输入信号形成特定比例，从而实现不同类型的滤波，同时该滤波器能够实现固有频率和品质因素的独立运行和调试状态。本课题主要设计了一种改进型的电流模式滤波器，电路具有设计简单、灵敏度低和模块优化的特点，设计采用0.35μm工艺，利用Cadence软件，最终电路能够实现高通、低通、带通、带阻的功能，并根据所画电路图画出版图并进行验证。课题研究现状从上世纪40年代开始，运算放大器逐渐走进人们的视野，该技术主要建立在模拟电压模式的基础上展开的，从不同维度推动电路设计理论持续优化和完善，并逐渐发展出大量的应用场景和电路设计。从诞生时间来看，最早的电流模式有缘元件问世时间比运算放大器提前20年，但在发展之初并不被关注，相对于电压模式，电流模式电路的发展存在长期滞后的困境，针对电流模式电路的研究可通过电压模式的转换就能实现，并确保转换过程中的相关函数不发生变动，就能实现电压模式的电路设计与电流模式电路设计的匹配性，为其的优化和应用奠定良好的基础。为了能有效缓解和释放电压运放性能，针对电压运放存在的缺点进行优化和改进，电路模式电路设计逐渐受到行业专家的重视。如果用电流表示被处理信号的变化，电路可以理解为电流模式电路。从实践来看，电流模式电路本身具备较高的输出阻抗特点，此外，该电路模式可用于扩展，成为电流放大器的重要构成部分，能够有效降低电路在运行过程中的损耗。大连东软信息学院毕业设计（论文）第2章关键技术介绍2.1电流模式电路所谓电流模式电路通常指的是用电流作为信号变量的代表，针对电流变量进行调整实现各类电动功能的实际需求，该电路模式的特征主要体现在以下几方面：1.存在明显差异的阻抗水平，两种型号的本身不同在于阻抗水平的不同，在实践过程中，选择何种模式处理信号，很大程度上受到电路阻抗水平的影响。如果排除所有干扰因素，理想环境下的电压放大器需要达到输入阻抗的无穷大，同时确保输出阻抗为0，这无疑对电压信号传输提供便利的条件。在排除其他干扰因素的情况下，理想状态下的电流信号放大器应当保证输出阻抗无穷大，且输入阻抗为0的条件，唯有如此，才能为电流信号传输提供良好的条件。基于此，选择电压模式电路的重点要求其阻抗足够高；相对来说，选择电流模式电路的重点在于具有低阻抗的条件，同时通过电压的摆幅较小。2.拥有较高的传输速度和比较宽的频带，通常情况下，对传输速度和传输频带的因素一般集中在晶体管极间电容运行状态下产生的较低的阻抗水平时。从实际运行来看，这部分的阻抗节点普遍较低，此外，受到结电容整体阻抗节点不高的影响，该节点的阻容时间相对较小，就算此时经过的电流存在大幅度的改变的，对电压变化的影响极小，因此结电容的过渡时间相对较短，达到电容快速充放电的效果，有效提升整体相应的效率。基于此，当电流模式电力处于较大信号的运行条件下运行时，其做工效率远高于电压模式。不仅如此，受到电容处于低阻抗节点的影响，也会有效提升电容与节点阻抗较低，极大极点频率，全面提高上限频率，与结晶体的fT工作效率处于同一水平。3.电源功率小、电压低，为了有效提升集成电路的整体密度，最大限度降低做工损耗，控制并降低电源电压成为大势所趋。通常情况下，将其降低到3.3V-1.5V的功率下即可。从电压模式电路的角度出发，对其电源电压的降低实际上是对最大电压范围设定限制。此外，降低电源电压与高速传输的电压模式电路实际需求不匹配。另外，电流放大器本身并不会将电压摆幅和电压增益纳入考量范围，因此其无法产生足够大的电机电阻，所以在运行过程中对电源电压的使用必要性并不大。不仅如此，该电路在输出过程中通常与低阻抗的节点相连接，即便过程中的输出电流摆幅增大，依然不会改变其压降，基于此将电流模式电路运用在低电源电压的条件下，能够有效降低整个电路的功耗。4.非线性失真小，由于在电流模式电路中引入匹配技术，因此确保电流传输符合规定的前提下，应当保证电路的对称性。确保电路和信号形成较高的匹配性，从而有效消除晶体管中的非线性效应，从而极大降低失真造成的影响。如今不少电流设备中，整体功能受到一致认可的器件是电流传输器，随着相关技术的发展，该器件的应用深度和广度不断加强，多集中在阻抗变换器、滤波器等场景中。其主要特征在于，兼容性强、功能丰富、高频性能好。新一代电流传输器在性能和功能上不断升级。近些年广泛应用的电流模式滤波器是基于MOCCII的基础上发展起来的高效电流设备，该滤波器不但继承了CCIl滤波器的所有优势，该设备在不断优化和改进中提升了整体兼容性，从而使得滤波器的电路更简单、功耗更低、设计更方便。5.引入跨导线电路运算模式，有效精简了运算流程，该模式的原理主要指的是，如果在电路中存在跨导线环路，其中的每个晶体管都产生相关联系、相互制约的关联性。基于这种关联性，可有效简化计算的难度，该原理在非线性和线性电路中同样适用。6.动态范围大，该类型的电路的电路和动态范围中的最大值与电流限额相匹配，在实际运行过程中，并不会受到电压降低造成的影响。其晶体管的电流动态幅度相对较宽，此外，通常通过电流放大器的阻抗本就不高，因此其在运行阶段基本很少受到电压限制的影响，基于此，电流模式电路的动态范围远远大于电压模式电路。2.2滤波器滤波器是一种按规定方式让某些频率的信号通过，而阻止另一些频率的信号通过的电路，它作为一门学科发展至今已有八十多年的历史。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器在多种场景中的得以应用。针对滤波器的研究从无到有，从追逐的无源分立元件逐步发展到单盘全集集成电路，该过程历经多个电路元件的发展和演变。随着集成工艺、计算机计划的发展和演变，为滤波器的发展奠定良好的基础，同时为将滤波器推向更小、更快、更精准的发展高度。早期的无源RLC滤波器中的电感存在固有缺陷，如：损耗大、体积大、非线性、易引入干扰噪声，因而迫使人们开始研究有源滤波器的实现方法。上世纪50年代中期，Linvill在研究中首次采用负阻抗变换器进行转移，研制出全球首个有源滤波器。该滤波器是基于有源滤波器的基础上发展和演变，并在改进过程中摈弃电感器的束缚，此类滤波器整体体积更小，同时能够达到1000的Q值。七十年代发展起来的混合集成电路技术把有源RC滤波器推向成熟，成为滤波器学科发展史上的重要里程碑。作为一种专门的作用于补偿无功、有效限制谐波的电子装置，有源电力滤波器主要通过改变谐波的频率和大小进行调制和改变运行。所谓有源，指的是该设备通过电源的工作才能正常运行，该设备的应用有效缓解传统滤波设备单只能通过固定补偿的方式对谐波进行抑制的缺陷，真正实现了动态跟踪补偿的实践需求。2.2.1电流模式滤波器特点伴随着集成电路领域的持续发展和演变，大型集成电路的应用场景不断扩大，新一代电控电流传输器受到相关领域的广泛关注，该设备的优势主要集中在以下几个方面。1．该设备兼具了电流和电压两种模式的传输优势。2．该设备能够实现较快速度的跟随效果，同时能够根据实际需求调整较大的动态范围。3．该设备具备较宽的频带，能够在多种高频应用场景中发挥作用。4．该设备的电压相对较低。电流控制传输器使滤波器可以电调谐。电控电流传输器的电调谐功能是由它的X端的内部寄生电阻实现的。如果基于CCII的电路包含外部电阻，并且串联到CCII的X端，将会产生一个优势。2.2.2电流模式滤波器分类有源滤波的主要功能为针对部分符合设定要求的范围的频率正常通过，对设定范围之外的信号进行有效弱化和抑制。该设备的应用场景主要集中在抵消干扰、关键数据传输、信息处理等方面，由于该设备需要运算放大器频带的匹配，因此更多时候应用于相对频率较低的范围中。可以分为以下几类。低通滤波器并不会对低于截止频率范围的信号进行抑制作用，不过对于高于截止频率的信号的抑制性较强。高通滤波器与之相反，并不会对高于截止频率范围的信号进行抑制作用，但是对低于截止频率范围的信号进行抑制的设备。该设备的主要特点通常应用于频率响应和冲激响应的信号中。其中频率响应通常的以函数来表示，一般而言它是以复变量j为自变量的复变函数，以H（j）表示。它的模H（）和幅角（）为角频率的函数，分别是“幅频响应”和“相频响应”其产生激励作用的根源信号在经过系统过程中呈现出相位和幅度之间的变化。由此来看，可以将频率响应视为傅里叶变换的一种呈现。通常情况下，当线性无源系统可以用一个N阶\t"/item/%E9%AB%98%E9%80%9A%E6%BB%A4%E6%B3%A2/_blank"线性微分方程表示时，频率响应H（j）为一个有理分式，它的分子和分母分别与微分方程的右边和左边相对应。带通滤波器可以理解为将特定范围内的频率进行分量处理，并在此基础上将高于或低于该区间的频率采取弱化处理的滤波器，其整体概念和带阻滤波器存在异曲同工之处。对该设备的模拟可以通常以电阻-电感-电容电路(RLCcircuit)来展开。在特定条件下可见低通和高通滤波器进行组合。带阻滤波器通常指的是对大部分频率采取分量处理，针对部分高于或低于特定范围内的频率进行弱化处理的设备，其本身阻带范围很小，普遍具备较高的Q值。在实践过程中，可将电压分别输入高通和低通滤波器中，将两个输出电压相加，从而获得带阻滤波器，全通滤波器的特点在于不同经过的信号做任何弱化处理，此类滤波器本身与信号幅度之间的关联性很小，其主要用于对特定相位进行弥补，在特殊情况下，也可用以对零极点进行调节，进而保证系统的运行的稳定性2.3电流传输器电流传输器的功能极为强大，其和运算放大器的重要性一样，该设备的主要任务在于将多种电子元器件形成组合状态，形成多种类型的电路结构。该电路设备在精确度、转换率、稳定性方面呈现出良好的表现。2.3.1第一代电流传输器（CCI）上世纪60年代末期，Smith和Sedra在研究中认为电流传输器分别由三个元器件构成，其主要符号如下图2.1所示，其中X和Y是输入端，Z是输出端。图2.1第一代电流传输器符号电流传输器的作用在于：当电压输入Y端，相应的，其输入X端的电压也会保持一致。相反，有电流进入X端，其流入Y端的电流同样保持一致，不仅如此，电流I将被传输至Z端，如此一俩，可将Z端视为能够实现高输出阻抗、电流控制系数为1的电流控制电流源。2.3.2第二代电流传输器（CCII）为了提升该设备兼容性和通用性，Smith和Sedra在随后的70年代中持续优化和改进CCI的性能，并以此为基础提出新型CCI电流传输器，其符号如图2.2所示。图2.2第二代电流传输器符号通常情况下，设定CCII的Y端电流为0，X端电压和Y端电压的存在紧密关联性，Z端电流与X端电流相适应。和CCI相比，CCII最大的特征在于其抵消了Y端口产生的电流。从中发现，Y端口的电压阻抗无穷大；X作为电流输入端，其与Y端的电压呈现特定比例，所以可将X端的阻抗设为0；当X端输入端口的电流传输至Z端时，该区域的输出电流与X端存在紧密关联性，与之相适应的是电流方向，通常采用CCII-或CCII+进行区分。由此看来，传输至Z端的电流可通过X端输入，也可以由Y端输入电压。2.3.3电流控制电流传输器（CCCII）CCCII元件的源自CCII，随着CCII于上世纪70年代被提出之后，其在模拟电路设计上得到广泛应用，不过由于X端本身存在寄生电阻，但是在传输特性上缺乏对该电阻的考量，无形中导致两端的电压产生与预期效果不相符，从而导致其传输函数存在一定程度的误差。基于此，1995年由法国学者Fabre提出CCCII，通过X端寄生电阻受到直流偏压影响的特点，从而呈现出能够被正常调制的特点。大部分电路元件自身具备不同程度的电阻效应，在设计阶段能够有效降低无源元件的使用频率，能够有效简化电路设计，其底层逻辑在于X端寄生电阻本身的大小往往有偏置电流来把控，通常以内部直流流Io偏压对X端寄生电阻进行控制，能够有效调制其特性。它的电路符号如图2.3所示。图2.3CCCII符号图CCCII主要通过CCII的升级版，本身的输入特性和原有系统存在异曲同工之处，设定输入端为X和Y，并设定输出端为Z，不过和原有系统相比，其增加了R调节电阻，从而让该设备存在一定程度的电阻效应。2.4电流镜电流镜是本次设计MOCCCII的关键部件，它是模拟集成电路中必备的部件之一。通常其作用主要是在电压模式运算放大器中对有源负载和电流进行偏置。而在升级的电流模式电路设计中，该设备的作用不仅于此，其也被用于进行信号的复制。大部分电流镜可划分为动态和静态两种，目前静态电流镜可细分为级联电流镜、Wilson电流镜、Widlar电流镜等。图2.4标准共源共栅电流镜图2.4电流镜运用了共源共栅技术，可以减小由于输出和输入电流不同所引起的比例误差。图中输入端一侧为M1、M3串联，输出端一侧为M2、M4串联。M1、M3管栅、漏极接在一起，在电路中构成等效的二极管，两管都工作于饱和区，使得输入端呈现低输入电阻。M2、M4的栅、漏极都不短接，使输出端具有高输出电阻。2.5运算放大器运算放大器本身包含多个级别的电子集成电路，其主要任务在于根据实际情况将电路进行分级放大，能够实现有效抑制零点漂移的作用，此外该器件具备较高的输入电阻；和输入级不同的是，中间级的放大器的任务是将电压放大，该设备通常由放大电路和共射极组成；在实际使用过程中，负载和输出级产生连接关系，并呈现出极强的带载能力，其本身输出的电阻相对较低。运算放大器是本文提出电路的核心部分，因为后级的缓冲器电路也是运算放大器电路的改进，所以运算放大器性能的好坏将直接影响CCII电路的性能。高增益放大器的思想基于反馈的概念。在模拟电路中，要能够精确地定义传输函数。如图2.4本设计采用的运算放大器。图2.4运算放大器2.6电压跟随器在电压输入和输出过程中保持电压的一致性。电压跟随器的特征在于，整体输出阻抗比较低，而输入的阻抗相对更高。一般情况下，该设备的作用在于产生进行有效缓冲。通常电压放大器的输出阻抗相对较高，最高可达上千欧，一旦后级的输入阻抗相对较小，极易造成前级的输出电阻受到影响。此时，电压跟随器的作用开始显现，对能够有效发挥缓冲作用，为整个电路提供平稳过渡的作用。通常情况下，可通过运算放大器达到有效缓冲的效果，将输出电压全部反馈至输入端，从而实现输入和输出端电压保持一致，其公式为vout=vin。如图2.5所示，给出了使用CMOS管应用并联负反馈概念实现低输出电阻的电路。电路仅仅是具有单级放大器开环增益的单位增益缓冲器。图2.5简单的并联负反馈缓冲器如图2.5所示中，晶体管M1、M2组成输入差分对；晶体管M3、M8；M4、M6；M7、M9组成三组基本电流镜提供单端输出电流，在电路设计中，可取M3、M4具有相同的宽长比，M6、M7、M8、M9宽长比相同。静态偏置电流由电流源IB提供。信号从M2管的栅极进入，给M2的栅极提供交流电压信号的输入，这样在M2的漏极就得到了一个相应的小信号电流，小信号电流通过电流镜镜像到晶体管M6。并通过M3、M8；M7、M9这两组电流镜的作用，最终将电流传递给M1管。同时小信号电流在M6的漏极转化为输出电压vout，输出电压vout跟晶体管M1的栅极相连，从而将输出和输入联系起来，完成反馈功能。2.7反馈电路反馈电路的主要作用在于回收放大器输出信号，根据不同需求进行部分和全部回收，在此基础上对输入和输出信号展开对比和分析，使用得出的结果对输入和输出信号进行控制。根据电路结构的实际需求来划分，大致可分为电压反馈电路和电流反馈电路。通常将不同电路反馈应用于电子振荡电路中，大部分时候将负反馈电路应用于频率不同的放大电路上，近些年其应用深度和广度不断加强，在本次研究中，主要围绕负反馈电路展开研究和分析，通常情况下，负反馈对放大器电路性能产生的影响大致可总结为以下几个方面：可有效提升放大器增益的有效性和稳定性。可合理加宽放大器的频带。可降低失真效果。可最大限度提升信噪比。对放大器的各方面的电阻产生不同程度的影响。第3章电路整体设计3.1二阶多功能电流模式滤波器滤波器是一种按规定方式让某些频率的信号通过，而阻止另一些频率的信号通过的电路。二阶多功能电流模式滤波器是一款结构较为简单，功能更加完善的滤波器。如图3.1所示电路是由一个MOCCCII模块电路，一个CCCII模块电路，2个电容，2个电阻所组成的二阶多功能电流模式滤波器，通过选择不同端口来实现高通、带通、低通、带阻功能。图3.1二阶多功能电流模式滤波器设MOCCCII的电流控制系数为，CCCII-的电流控制系数为，由端口特性及电路的基本理论，可得电路的4个传输函数如下。（3-1）设由公式（3-1）可得到低通传输函数。（3-2）设由公式（3-2）可得到高通传输函数。（3-3）设由公式（3-3）可得到带通传输函数。（3-4）设由公式（3-4）可得到带阻传输函数。由上述方程式可知电路的中心频率及品质因数。（3-5）（3-6）式（3-5）、（3-6）说明中心频率ω0和品质因子Q可以通过k1和k2调节，因此，电路可以分别实现特征参数ω0和Q的独立可调。3.2CMOSCCCII电路图3.2为CMOS晶体管实现的电调谐小信号电流放大器。它是在小信号电流放大器电路基础上实现的。图3.2所示该电流放大器能够调节谐波信号，该设备由两个CMOS平方电路构成，分别由晶体管组M1、M2、M3和电流源组成第一个平方电路，由晶体管组M1'、M2'、M3'和电流源组成第二个平方电路构成。晶体管M4、M5以及电流源形成电流可控的偏置电路，给晶体管M3、M3'提供偏置电压。图中所有的管子均工作在饱和区。图3.3CCCII电路该电路第一部分是一个带缓冲加补偿的运算放大器。M5为源随器，用于降低X端的输出电阻。第一级的运算放大器是一个由晶体管M1、M2、M3、M4组成的差分放大器。该电路具有低功耗、电压和电流传输误差小、电压和电流传输带宽高等优点。通过电流镜给M1、M2、M3、M4、M15组成的差分放大器一个偏置，输出端X接回本身的输入端，组成一个单位增益的反馈，所以X端跟随Y端，电流也跟随Y端。3.3CMOSMOCCCII电路MOCCCII是一种由若干个输出端口构成的电流传输设备，并以此为基础进行延伸，从而发展成为若干种二阶滤波器的结构电路。图3.4MOCCCII电路图3.4中M1-M17为单端输出CCII的主要电路，即前面章节提出的高带宽电流传输器。M1、M17分别和M18、M19以及M20、M21构成两组同相输出电流镜，M22、M25分别和M26、M27以及M28、M29构成两组反相输出电流镜。其中M30、M31为PMOS分压电阻，给整个电路提供合适的静态偏置电流。由M16，M17产生的电流通过电流镜M18、M19及M20、M21传到Z1、Z2端。由M22，M25所产生的电流通过电流镜M26、M27以及M28、M29传到、端。电源电压维持在±1.2V，与低电压电路的实际需求相符，如果在实际需求中有要求，可进行输出端和输入端的扩展。每个增加输出或输入端口通常只需要增设MOS管即可。在实际设计过程中，可增加输出或输入端口以适应不同电路设计的需求。从图3.3中发现，数值型电流源并不存在，也摈弃了偏置电压，由此看来，该电路设计的实用性更强。3.4设计工具3.4.1Virtuoso软件本课题使用Virtuoso软件绘制版图，Virtuoso软件是Cadence公司设计的一款大型的、功能非常完善的电子设计自动化软件，Virtuoso有一个很强大的集成电路辅助设计系统，作为当下非常流行的电子自动化设计软件，各种不同模块的电路设计都可以在Virtuoso软件中进行，其中涵盖专用的射频电路、计算机布线设计、集成电路设计等内容。和其他类型的电路版图设计工具不同的是，Virtuoso具备极强的优势，主要体现在版图验证、电路绘制、电路仿真等方面。该软件如今受到越来越多人的认可，并在多个领域广泛应用。3.4.2Calibre软件Calibre软件是业界进行版图后期验证等工作时主要使用的软件之一。Calibre拥有非常完整的版图验证功能，目前，市场上有很多家集成电路设计公司、半导体制造公司、半导体封装测试公司以及单元库和网络之间互连的协议开发商均采用Calibre软件作为主要的版图验证工具。与其他验证软件相比较，Calibre软件工作容量大、验证速度快，工作效率高而且准确性好，还能够对版图实现多层次验证。Calibre作为版图验证工具，涵盖Calibre版图电路图和规则检查(DRC)等内容，并将两者进行对比和分析，在进行验证时严格遵守厂家在版图规格、电路性能、元件参数、工艺尺寸等各方面要求。此外，即使对于设计方法不同的版图，Calibre也能够对其完成识别和验证等功能，例如针对次波长版图设计，Calibre对其进行验证时可以新建模型，Calibre库包括四种主要的次波长验证技术，分别有光学制程修正、相位移光罩、散射条和偏轴照明技术。作为实体验证工具市场的领导者，Calibre已经成为许多厂商采用的标准。3.5本章小结本章完成了课题内容的主要设计与原理介绍，为下面搭建电路做好铺垫，同时也对电路搭建所使用的软件进行了大致介绍，通过这些准备工作让课题的研究进行的更加顺利。大连东软信息学院毕业设计（论文）第4章电路的搭建与仿真4.1总体电路搭建如图4.1所示，总体电路图一共由59MOS晶体管，加上2个电阻、3个电容完成总体电路图的搭建，总体电路图的搭建可以分两个模块进行，由MOCCCII模块和CCCII模块构成主要的电路图，在其基础上进行搭建连线，加入电阻和电容，由3个电压源（vdc）充当电路图的vdd、gnd、vss，由2个电流源（idc）为输入端，从而组成总体电路图。图4.1总体电路4.2电路的各部分模块4.2.1CCCII电路根据原理图搭建CCCII电路，如图4.2所示。电路图由13个PMOS管、19个NMOS管、1个电容组成、3三个电流源，其中电容是作为补偿的作用。本设计在电流相减的部分选择反向端作为输出。图4.2CCCII电路CCCII电路图CMOS管参数如下表4.1。表4.1CCCII管子参数器件名称宽长比器件名称宽长比器件名称宽长比MP060u/1uMP160u/1uMP260u/1uMP360u/1uMP460u/1uMP560u/1uMP660u/1uMP760u/1uMP860u/1uMP960u/1uMP1060u/1uMP1160u/1uMP1260u/1uMN040u/1uMN1160u/1uMN240u/1uMN340u/1uMN420u/1uMN520u/1uMN640u/1uMN740u/1uMN840u/1uMN910u/1uMN1010u/1uMN1110u/1uMN1210u/1uMN1310u/1uMN1410u/1uMN1510u/1uMN1610u/1uMN1710u/1uMN1810u/1uC01pf4.2.2MOCCCII电路根据原理图搭建MOCCCII电路，如图4.3所示，该电路由11个PMOS管、16个NMOS管组成，本设计只用到两路输出，所以另外两端输出端口省去。图4.3MOCCCII电路MOCCCII电路图CMOS管子参数如下表4.2。表4.2MOCCCII管子参数表器件名称宽长比器件名称宽长比器件名称宽长比MP024u/400nMP124u/400nMP211u/400nMP324u/400nMP424u/400nMP524u/400nMP624u/400nMP724u/400nMP824u/400nMP924u/400nMP1024u/400nMN012u/400nMN112u/400nMN24u/400nMN340u/400nMN440u/400nMN540u/400nMN68u/400nMN740u/400nMN840u/400nMN940u/400nMN108u/400nMN118u/400nMN128u/400nMN138u/400nMN148u/400nMN158u/400n4.3电路的仿真在CCCII电路图中设置Ia=50u，Ib=50u，Ic=100u，C0=C1=10pf，R0=R1=10K。采用交流仿真的方式，频率设置在100K-100MHz，如图4.4、图4.5、图4.6、图4.7可以得到四种功能的仿真，从所示波形图可以得出所搭建电路的正确性。4.3.1低通滤波如下图4.4所示，通过波形仿真不难发现，当波形低于1.2赫兹的频率时，能够全部通过，但一旦仿真波形高于截止频率，将会设备持续弱化，所以该仿真为低通滤波仿真波形。图4.4低通滤波4.3.2高通滤波如下图4.5所示，从仿真波形中可以看出波形低于截止频率（1.21MHz）频率会衰减到接近于0，高于截止频率信号会通过，所以该仿真为高通滤波仿真波形。图4.5高通滤波4.3.3带通滤波如下图4.6所示，从仿真可以看出仿真波形在7.42KHz-4.66MHz的范围内的信号通过，其他范围内的波形逐渐衰减到接近于0，所以该仿真为带通滤波仿真波形。图4.6带通滤波4.3.4带阻滤波如下图4.7所示，从仿真中可以看出仿真大部分范围内的信号可以通过，在7.42KHz-4.66MHz为阻带在其范围内的波形逐渐衰减到接近于0，所以从该仿真为带阻滤波仿真波形。图4.7带阻滤波4.4本章小结本章完成了电路的搭建与仿真，通过仿真验证了所搭建电路图的可以实现低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波的功能。在搭建过程中出现了电路线路错误和管子尺寸不合适导致仿真波形出现误差，通过细心检查进行改正。所设计的电路图中的CMOS晶体管尺寸还可以进一步优化，电路图的设计希望可以更加简便。大连东软信息学院毕业设计（论文）第5章版图设计及验证在整个电路的设计过程中有个尤为重要的过程—版图设计。版图的设计至关重要，直接反应出所设计的电路能否很好的将各个指标完全的实现。所以一个好的电路设计非常需要一个好的版图设计。版图设计是将设计方案转换为一组光刻掩模，根据相应的设计规则进行布局布线，在芯片制造过程中使用这些掩模版。在集成电路产业的快速发展下，制造材料和工艺阶段的快速发展先进的集成电路和集成电路布局设计已经从初步的简易图形设计发展到需要综合考虑各种因素的复杂设计问题。本章开始就是版图的设计，涉及到布局布线以及对版图和电路的验证，该环节主要是针对（DRC）电路版图的设计原则进行一致性验证（LVS）。5.1版图的绘制5.1.1MOCCCII模块MOCCCII电路一共有27个器件，其中有11PMOS管，16个NMOS管，画版图时采用源漏共用，将两个管子合成一个管子，如图5.1所示，版图含有6个PMOS管和12个NMOS管，版图面积为2474.2278。图5.1MOCCCII模块版图设计5.1.2CCCII模块CCCII电路一共有33个器件，其中有13个PMOS管，19个NMOS管，1个电容，其版图如图5.2所示，版图含有7个PMOS管和15个NMOS管，版图面积为8390.849。图5.2CCCII模块版图设计5.1.3汇总模块汇总模块在两个子模块相连的情况下加入3个电容，3个电阻而成，如图5.3所示，面积为29912.0307。图5.3汇总模块版图设计5.2版图DRC和LVS验证5.2.1DRC验证DRC验证过程如下。1.导出版图文件（gds文件），在Virtuoso主界面选择File→Export→StreamOut，在弹出的XStreamOut界面将版图文件导出。2.成功导出版图文件后需要在所操作的DRC文件夹路径下进入Calibre，这样才能确保DRC文件的正常运行。3.在Calibre中打开从Vrituoso中所导出的版图文件，在菜单中选择RunnmDRC选项在对应的对话窗口选择符合设计要求的内容--drc_header_1k_00以及版图模块文件然后进行DRC的验证。运行DRC验证后输出两个文件，一个是DRCSummaryReport，这个是对版图验证后的总结，另外一个报告是验证后的具体错误报告，将根据具体的错误报告来修改版图文件。如图5.4、5.5、5.6所示为各个模块版图以及整体版图所进行验证后的报告结果，其中“CheckMD*_CHK”是金属密度检查的错误报告，可以忽略。图5.4MOCCCII模块版图DRC验证报告如图5.4所示，忽略金属密度问题，所以MOCCCII模块版图DRC验证通过。图5.5CCCII模块版图DRC验证如图5.5所示，忽略金属密度问题，所以CCCII模块版图DRC验证通过。图5.6汇总版图DRC验证如图5.6所示，忽略金属密度问题，所以汇总版图DRC验证通过。5.2.2LVS验证当DRC验证结束后，应当针对版图设计电路进行全面检查，LVS的验证方式显著区别在于，其在研究过程中需要将gds文件和网表文件全部导出到LVS验证的文件夹下，验证过程如下。1.成功导出两个文件后，就需要在LVS验证的文件下打开Calibre，这里需要注意在跑LVS之前需要在Calibre中对版图上所打的标号进行加层——4024层，其目的是因为在Calibre中识别不出来在Vrituoso中所加的MET1的标识，需要更换为Calibre中的MET1层即4024层。2.所有标识修改完毕后进行保存，然后退出或新建一个控制台界面修改source_me文件，修改两个文件中的网表文件、版图文件的名称以及所在路径然后保存。3.执行命令./source_me，这时候打开Calibre进入所修改好的版图文件选择菜单栏中的StartRVE进行LVS验证，查看LVS检查结果并定位LVS错误，对版图和电路图的检查报告进行对比然后修改，直至电路图和版图相匹配为止。在每次修改过后都需要重新导入gds文件和cdl文件，否则LVS运行的一直是第一次跑过的结果。修改时要回到Cadence上进行修改。如图5.7、5.8、5.9所示为各个模块版图以及整体版图所进行验证后的报告结果。图5.7MOCCCII模块版图LVS验证如图5.7所示，MOCCCII模块版图LVS验证通过。图5.8CCCII模块版图LVS如图5.8所示，CCCII模块版图LVS验证通过。图5.8汇总模块版图LVS如图5.8所示，汇总模块版图LVS验证通过。5.3本章小结本章完成了版图的设计并进行了DRC和LVS验证，在版图设计工程中可以选择单独插入器件和一键插入，面对插入器件的格点错误，通过修改DRC规则文件中的格点尺寸来进行改正，其余格点错误通过设计规则来进行修改。在LVS验证过程中，版图中管子的尺寸与电路图中的尺寸不对应，需要进行细心的检查来找出问题管子所在，面对所画版图的逻辑错误，在LVS验证报告中找到所出现问题的器件部分并进行改正。所设计的版图面积还可以进一步优化，版图中连线部分还可以删减简化。大连东软信息学院毕业设计（论文）第6章结论在Cadence环境下基于0.35μmCMOS工艺完成了一种二阶多功能电流模式滤波器设计。通常涵盖电路模块的搭建与设计，以及关于电路版图的设计和多种模式的验证方法。通过分析电流模式电路设计的原理，以及电流传输器的优缺点，本设计主要包括了两个模块电路设计，其中有多端输出电流传输器MOCCCII电路模块、单端输出电流传输器CCCII电路模块。为了优化电路，设计了一种CCCII电路。本设计由两个模块进行搭建构成的二阶多功能电流模式具备若干种滤波功能，分别为带通、高通、低通以及带阻，此外，该电路设备整体性能稳定性较强，相较于传统电路设计有所简化。当电路搭建程序结束之后，开始仿真程序，本次研究中引入Cadence对主要的电路设计展开仿真工序。从仿真结果看，通过分析与仿真，设计的电路符合100KHz-100MHz区间内的带通、高通、低通、带阻等滤波的需求。1.21MHz为低通滤波和高通滤波的截止频率，7.42KHz-4.66MHz为带通滤波的通带范围，7.42KHz-4.66MHz为带阻滤波的阻带，1.83MHz是中心角频率，通过改变电流源的数值可以调节滤波器的增益。电路功能验证完毕，针对该滤波器展开设计，主要设计内容为版图设计，根据实际情况对电路布局、模块等方面进行设计，并利用LVS和DRC对相应电路进行仿真验证，进行整体版图的拼接，为了使版图形状和面积得到优化，部分CMOS管子通过源漏共用的原理拼接成一个管子，最终得到一个较为良好的整体版图，面积为29912.0307。在实际应用过程中，二阶多功能电流模式滤波器的设计并不是理想的，该设计的电路优化还需要进一步的完善。版图设计中的模块面积有待更进一步优化。希望通过进一步学习最新的集成电路理论，了解国内外出现的新的集成电路设计思想，力争所设计的集成电路可以达到更好的性能，更进一步的电路设计水平。随着现在集成电路技术的不断发展与革新，相信在以后的集成电路发展中一定会出现更加完美的电流模式滤波器。参考文献[1]黄苏平．低压共源共栅电流镜的偏置电路[J]，集成电路应用，2020，37（4）：25-27[2]李志军，王春华，刘荣．任意电流模式滤波器的综合实现[J]，通信学报，2010，31（8）：60-65，74[3]蒋品群，顾燊，宋树祥，岑明灿