طراحی و شبیه‌سازی یک فیلتر پایین‌گذر مرتبه چهار Gm-C بر پایه معکوس‌کننده‌های CMOS با مدار تنظیم خودکار فرکانس در فناوری(CMOS nm 90)

عبدالملکی, محمد; دوستی, مسعود; توکلی, محمدباقر

طراحی و شبیه‌سازی یک فیلتر پایین‌گذر مرتبه چهار Gm-C بر پایه معکوس‌کننده‌های CMOS با مدار تنظیم خودکار فرکانس در فناوری(CMOS nm 90)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشجوی دکتری مهندسی برق الکترونیک دانشگاه آزاد اسلامی واحد اراک

² دانشیار دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم تحقیقات

³ استادیار، دانشکده مهندسی برق دانشگاه آزاد اسلامی واحد اراک

چکیده

یکی از زمینه‌های تحقیقاتی در پدافند نوین، سامانه‌های رادیویی بی‌سیم با توان مصرفی کم است که به طور خاص منجر به تقاضا برای فیلترهای با عملکرد بالاتر می‌شود. فیلترهای Gm-C به دلیل عملکرد فرکانس بالا و قابلیت مجتمع شدن در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته‌اند. در این مقاله یک فیلتر پایینگذر مرتبه چهار Gm-C با مدار تنظیم فرکانس خودکار روی تراشه ارائه شده است. هسته این فیلتر یک تقویتکننده ترارسانایی عملیاتی (OTA) فرکانس بالای ولتاژ پایین بر پایه معکوسکنندههای CMOS است. برای افزایش خطینگی OTA، مدار پس‌خور مد مشترک (CMFB) جدیدی ارائه شده که با مدار پیش‌خور مد مشترک (CMFF) ترکیب شده‏ است. همچنین در این مقاله مدار تنظیم فرکانس خودکار جدیدی ارائه شده تا از طریق تنظیم ولتاژ بالک ترانزیستورها اثرات عدم تطبیق در المانها و تغییرات دمایی بر OTA و درنتیجه فرکانس قطع فیلتر را جبران کند، درحالی‌که این مدار بخش کمی از توان مصرفی فیلتر را به ‌خود اختصاص می‌دهد. مدارها با استفاده از فناوری CMOS nm 90 TSMC و با منبع تغذیه V 1 در نرمافزار Cadence طراحی و شبیهسازی شده است. نتایج شبیهسازی پس از جانمایی نشان می‌دهد بهره تفاضلی DC، بهره مد مشترک، فرکانس قطع dB 3 و فرکانس بهره واحد OTA به‌ترتیب برابر با dB 7/34، dB 26 ، MHz 237 و GHz 8/13 است. فرکانس قطع فیلتر GH 1 است و با اعمال ولتاژهای ورودی V_P-p 2/0 دو تن، مقدار مدولاسیون داخلی مرتبه سوم (IM3) فیلتر در فرکانس قطع فیلتر برابر با dB 38 میباشد. توان مصرفی و مساحت اشغالی فیلتر به‌ترتیب mW 8/4 و mm² 038/0×043/0 می‌باشد. همچنین شبیه‌سازی مونت‌کارلو مقاومت خوب فیلتر پیشنهادی را در برابر خطاهای فرآیند ساخت نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

DOR:20.1001.1.26762935.1400.12.1.3.9

موضوعات

الکترونیک- مدار مجتمع

عنوان مقاله [English]

Design and Simulation of Fourth-Order Low-Pass Gm-C Filter Based on CMOS Inverters With On-Chip Automatic Tuning

نویسندگان [English]

Mohammad Abdolmaleki ¹
Massoud Dousti ²
, Mohammad Bagher Tavakoli ³

¹ dep of engineering . Azad university of arak

² Dep. of Electrical Eng. Science and Research branch, Tehran, Iran

³ Dep of engineering. Azad Arak University

چکیده [English]

The study of low power wireless radio systems is an area in modern defense that especially deals with higher performance filters. In recent years, Gm-C filters have drawn attention due to their high frequency performance and integrability. In this paper, a fourth-order low-pass Gm-C filter with on-chip automatic tuning circuit is presented. The core of this filter is a low-voltage high-frequency CMOS inverter-based operational transconductance amplifier (OTA). To improve the linearity of the OTA, a new common-mode feedback (CMFB) circuit is presented that is combined with a common-mode feedforward (CMFF) circuit. Moreover, a new automatic tuning circuit is presented. By tuning the bulk voltage of transistors, this circuit compensates the effects of mismatches and temperature changes on the OTA, and therefore, on the filter cutoff frequency. Furthermore, this circuit consumes small portion of the power consumed by the filter. The circuits are designed and simulated in Cadence using TSMC 90nm CMOS technology and a 1 V power supply. The post-layout simulation results show that the DC differential gain, common-mode gain, -3 dB cutoff frequency and unity-gain frequency of the OTA are 34.7 dB, -26 dB, 255 MHz and 13.8 GHz, respectively. The cutoff frequency of the filter is 1 GHz, and by applying 0.2 Vp-p input voltages, the third-order intermodulation (IM3) of the filter at the cutoff frequency is -38 dB. The power consumption and the area of the filter are 4.8 mW and 0.043 × 0.038 mm², respectively. Moreover, Monte Carlo simulations show the good robustness of proposed filter against the process errors.

کلیدواژه‌ها [English]

Gm-C filter
operational transconductance amplifier
automatic tuning circuit
CMOS inverters

مراجع

[1] Galan, J.; Pedro, M.; Sanchez-Rodriguez, T.; Munoz, F.; Carvajal, R. G.; Lopez-Martin, A. “A Very Linear Low-Pass Filter with Automatic Frequency Tuning”; IEEE T. VLSI Syst. 2012, 21, 182-187.##

[2] Abdulaziz, M.; Ahmad, W.; Tormanen, M.; Sjoland, H. “A Linearization Technique for Differential OTAs”; IEEE T. CIRCUITS-II 2016, 64, 1002-1006.##

[3] Rezaei, F. “Linearity Enhancement in the Entire Tuning Range of CMOS OTA Using a New Tune Compensated Source Degeneration Technique”; Microelectr. J. 2017, 66, 128–135.##

[4] Nauta, B. “A CMOS Transconductance-C Filter Technique for Very High Frequencies”; IEEE J. Solid-St. Circ. 1992, 27, 142-153.##

[5] Rezaei, F.; Azhari, S.J. “A New Controllable Adaptive Biasing Linearization Technique for a CMOS OTA and Its Application to Tunable Gm-C Filter Design”; Microelectr. J. 2015, 46, 810–818.##

[6] Gonzalez-Diaz, V. R.; Sanchez-Gaspariano, L. A.; Muniz-Montero, C.; Alvarado-Pulido, J. J. “Improving Linearity in MOS Varactor Based VCOs by Means of the Output Quiescent Bias Point”; Integration 2016, 55, 274-280.##

[7] Jimenez-Fuentes, M.; Carvajal, R. G.; Acosta, L.; Rubia-Marcos, C.; Lopez-Martin, A.; Ramirez-Angulo, J. “A Tunable Highly Linear CMOS Transconductor With 80 dB of SFDR”; Integration 2009, 42, 277-285.##

[8] Kumngern, M.; Kulej, T.; Stopjakova, V.; Khateb, F. “0.5 V Sixth-Order Chebyshev Band-Pass Filter Based on Multiple-Input Bulk-Driven OTA”; AEU-Int. J. Electron. C. 2019, 111, 1–6.##

[9] Lo, T. Y.; Hung, C. C. “A 1 GHz Equiripple Low-Pass Filter With a High-Speed Automatic Tuning Scheme”; IEEE T. VLSI Syst. 2009, 19, 175-181.##

[10] Abdolmaleki, M.; Dousti, M.; Tavakoli, M. B. “Design and Simulation of Tunable Low-Pass Gm-C Filter With 1 GHz Cutoff Frequency Based on CMOS Inverters for High Speed Telecommunication Applications”; Analog Integr. Circ. S. 2019, 100, 279–286.##

[11] Lv, X.; Zhao, X.; Wang, Y.; Jia, D. “Super Class AB-AB Bulk-Driven Folded Cascode OTA”; Integration 2018, 63, 196-203.##

[12] Sharan, T.; Bhadauria, V. “Sub-Threshold, Cascode Compensated, Bulk-Driven OTAs With Enhanced Gain and Phase-Margin”; Microelectr. J. 2016, 54, 150–165.##

[13] Garradhi, K.; Hassen, N.; Ettaghzouti, T.; Besbes, K. “Realization of Current-Mode Biquadratic Filter Employing Multiple Output OTAs and MO-CCII”; AEU-Int. J. Electron. C. 2018, 83, 168–179.##

[14] Wang, J.; Li, Y.; Zhu, Z. “A 0.6-V Pseudo-Differential OTA With Switched-Opamp Technique for Low Power Applications”; Microelectr. J. 2019, 90, 117–122.##

[15] Gak, J.; Miguez, M. R.; Arnaud, A. “Nanopower OTAs With Improved Linearity and Low Input Offset Using Bulk Degeneration”; IEEE T. Circuits-I 2013, 61, 689–698. ##

[16] Dubey, T.; Bhadauria, V. “A Low-Voltage Highly Linear OTA Using Bulk-Driven Floating Gate MOSFETs”; AEU-Int J. Electron. C. 2019, 98, 29–37.##

[17] Nikseresht, S.; Azhari, S. J. “A New Current-Mode Computational Analog Block Free From the Body-Effect”; Integration 2019, 65, 18-31.##

[18] Bansal, U.; Gupta, M. “High Bandwidth Transimpedance Amplifier Using FGMOS for Low Voltage Operation”; Integration 2018, 60, 153-159.##

[19] Alaybeyoglu, E.; Kuntman, H. “A New Implementation of the Reconfigurable Analog Baseband Low Pass Filter With Cell-Based Variable Transconductance Amplifier”; Analog Integr. Circ. S. 2018, 97, 87–96.##

[20] Silva-Martinez, J.; Adut, J.; Rocha-Perez, J. M.; Robinson, M.; Rokhsaz, S. “A 60 mW, 200 MHz Continuous-Time Seventh-Order Linear Phase Filter With On-Chip Automatic Tuning System”; IEEE J. Solid-St. Circ. 2003, 38, 216–225.##

[21] Lechevallier, J.; Struiksma, R.; Sherry, H.; Catheli, A.; Klumperink, E.; Nauta, B. “A Forward-Body-Bias Tuned 450MHz Gm-C 3rd-Order Low-Pass Filter in 28nm UTBB FD-SOI With >1dBVp IIP3 Over a 0.7-to-1V Supply”; ISSCC Dig. Tech. Pap. I 2015, 96-97.##