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一种用于现场总线MAU芯片的带通滤波器设计

2015-08-07辛晓宁史玥峰

微处理机 2015年3期
关键词:二阶增益滤波器

辛晓宁,史玥峰

(沈阳工业大学信息科学与工程学院,沈阳110870)

·大规模集成电路设计、制造与应用·

一种用于现场总线MAU芯片的带通滤波器设计

辛晓宁,史玥峰

(沈阳工业大学信息科学与工程学院,沈阳110870)

设计了一种符合现场总线通信协议IEC61158-2标准的开关电容带通滤波器。通过分析协议要求,确定了滤波器参数。采用双二阶开关电容滤波器结构级联方法,设计了四阶开关电容带通滤波器。滤波器完全由片内元件实现,仿真结果表明,在各种工作条件及工艺角下,均可满足现场总线协议要求,证明应用MAU芯片可正确实现接收功能。

现场总线;开关电容;带通滤波器

1 引 言

介质结合单元(MAU,Medium Attachment Unit)是现场总线仪表中的接口电路,用于将仪表内部数字电路的逻辑信号转变为可通过总线发送的信号,并将从总线上接收的信号转换为内部数字电路所能识别的逻辑信号,实现标准逻辑信号与传输介质上物理信号之间的转换。现场总线技术应用广泛,对工业发展起着重要作用。因此,对MAU的研究也有着非常现实的意义。

开关电容滤波器因其具有精确的频响,良好的动态范围和线性度,整体结构简单,且在CMOS工艺下完全可用片内元件实现等特点,成为处理从总线上接收信号的理想选择。根据现场总线标准IEC61158-2对MAU接收电路的要求,设计并实现了一款应用于MAU接收电路的开关电容带通滤波器,并利用CANDENCE工具进行了电路仿真和版图设计。

2 滤波器设计

2.1 滤波器参数设计

IEC61158-2标准对MAU接收电路要求:滤波器的通带范围7.8KHz-39KHz;接收峰峰值不低于150mV的总线信号;不接收峰峰值低于75mV的信号[1]。另外考虑到芯片工作电源为5V,输入信号最大幅度会达到500mV。综合以上条件以及对功耗等其它条件的折中,滤波器通带增益为6dB,采样频率为500KHz。

根据以上技术指标,通过MATLAB软件计算,得到传递函数:

确定滤波器的阶数为四阶,根据零极点配对原则,将极点与它最近的零点相结合,将传输函数分解,得到两个双二阶传输函数:

2.2 滤波器结构设计

实现高阶滤波器的方法有很多种,本文采用的是级联低阶滤波器来合成高阶滤波器,这种方法结构简单,调试方便[2]。图1是低Q值的二阶开关电容滤波器单元电路,用单元电路分别实现传递函数(2)和(3),然后将两个电路级联在一起就实现了公式(1)所代表的高阶滤波器。

图1 低Q值的二阶开关电容滤波器电路Fig.1 2th order low Q switched capacitor filter circuit

图2为单元电路的信号流程图,根据流程图推导出所对应的传输函数公式,将传递函数(2)、(3)代入公式即可计算出相应的电容值,最后将Q值按由小到大的顺序级联,就实现了高阶开关电容滤波器[3]。

图2 二阶单元电路信号流程图Fig.2 2th order unit circuit signal flow chart

现场总线上的电压可以达到24V左右,开关电容滤波器不能直接连在总线上,因此需要一个既能抗高压又不影响后面电路频响的缓冲级。图3为缓冲级电路图,输入端接的是一个非常大的电容(n>1000),跟后边的放大器构成了一个高通滤波器,通过调整电容的大小使滤波器的截止频率为7.8KHz,通带增益为0dB,这样既不影响后面电路的频响又起到了隔离高压的缓冲作用。

图3 高通输入缓冲级电路Fig.3 High pass input buffer circuit

将缓冲级和4阶开关电容滤波器连在一起就构成了图4所示的应用于现场总线MAU的开关电容带通滤波器。

图4 开关电容带通滤波器电路Fig.4 Switch capacitor band pass filter circuit

3 分块电路设计

3.1 运算放大器设计

在开关电容滤波器设计中,运算放大器是其中很重要的部分,要选择适当的结构和参数,使之满足整个电路的要求。为了满足本设计对运算放大器共模输入范围、动态输出幅度以及高增益的要求,放大器采用如图5所示具有恒定跨导的轨对轨运算放大器。电路包括:具有恒定跨导的轨对轨输入级,Class-AB输出级和cascoded Miller频率补偿结构。

M1-M4管构成了轨对轨输入级,M1、M2是两个PMOS差分输入,可使共模输入范围的下限值接近地电位,M3、M4是两个NMOS差分输入,可使共模输入范围的上限值接近电源电压。采用三倍电流镜法控制互补差分对[4]可以使共模输入电平从电源到地电位变化时,输入级的跨导恒定。放大器的输出级采用的是浮动电流源控制的前馈式AB类轨对轨输出级,这种结构不但补偿了AB类控制电路对电源电压的依赖性,使输出级的静态电流不受共模输入电压的影响[5],而且也提高了电路的电源抑制比。

放大器的密勒补偿包括共源共栅密勒补偿和直接密勒补偿两种方法。共源共栅补偿是把补偿电容放到MOS管的源级与输出之间,有效地减小电容值。与直接补偿相比,具有单位增益带宽大、版图面积小等优点[5]。

由仿真可知,低频增益87dB,单位增益带宽5.5MHz,相位裕度68度,基本满足电路要求。

3.2 开关的设计

MOS管开关导通的时候,沟道中会存在反型层电荷,当开关关断的瞬间,电荷要通过源漏端释放。如果这些电荷转移到采样电容上,会使被采样电压产生偏移,引起电路的非线性,这种现象叫做沟道电荷注入[3]。为了降低电荷注入,开关管采用的是传输门结构,这使得相反的电荷量被两个沟道相互注入,达到抵消效果。

较大的W/L能得到较高的采样速度,但是也会使管子产生较大的寄生电容,从而降低电路精度。所以开关管的大小采用了折中设计,在满足速度要求的基础上,尽量采用小的W/L。

图5 开关符号和传输门结构Fig.5 Switch symbol and transmission gates structure

3.3 时钟的设计

在开关电容滤波器电路中,时钟决定了电荷转换何时发生,为了保证电荷不会丢失,要求时钟不相重叠。图6是不交叠时钟电路的简化图,根据电路所需的延迟时间确定延迟部分缓冲器的数量。

图6 不交叠时钟电路Fig.6 non-overlap clock circuit

4 电路仿真

由于开关电容滤波器是离散时间电路,所以不能利用交流小信号扫描的频域分析。比较常见的仿真方法有两种,第一种是等效电路法,即将电路中的开关电容网络、放大器等基本单元用等效模型代替,重新建立网表,就可以用连续时间电路的频率仿真方法进行仿真;另一种方法是采用SPECTRE对周期性大信号电路的仿真方法PSS(周期稳态仿真)和PAC(周期性信号仿真)对电路进行仿真。不过这两种方法都忽略了很多非线性因素,模型简单,因此仿真的精度不高。为了得到比较精确的频率特性曲线,本文采用描点法,即对每个频率点进行瞬态分析,然后将各个频率点的幅值用曲线连接到一起就得到了图7所示的频率特性曲线。根据频响曲线可以看出,通带增益为6dB,带宽为8KHz-39KHz,达到预期设计目标。

图7 电路的频率特性曲线Fig.7 The circuit of the frequency characteristic curve

5 结束语

设计了一种应用于现场总线MAU芯片接收电路的开关电容带通滤波器,采用两个二阶开关电容滤波器级联的方法,实现了四阶开关电容滤波器。并采用描点法绘制出滤波器的频率特性曲线,这种方法仿真精度高,仿真方便。详细分析了设计过程,成功实现现场总线通信协议IEC61158-2标准和芯片要求的技术指标。

[1] International Standard for Use in Industrial Control System.IEC61158-2 1993,Physical layer specification and service definition[S].GENEVA:Typeset and Printed by the IECCentral Office,1993.

[2] 范涛,彭杰,张峥,等.带通开关电容滤波器的设计和仿真方法[J].微电子学与计算机,2009,26(12):90-92.

Fan Tao,Peng Jie,Zhang Zheng,etal.Design and Simulation of Band Pass Switch Capacitor Filter[J].Microelectronics&Computer,2009,26(12):90-92.

[3] Johns D A,Martin K.Analog Integrated Circuit Design[M].曾朝阳,译.北京:机械工业出版社,2005:279-312.

[4] 周欢欢,陈岚,尹明会,等.低压恒跨导增益提高CMOS运算放大器的设计[J].半导体技术,2013,38(9):651-655.

Zhou Huanhuan,Chen Lan,Yin Minghui,et al.Design of CMOSOperational Amplifier with Low Voltage Constant Transconductance and Gain Boosting[J].Semiconductor Integrated Circuits,2013,38(9):651-655.

[5] Hogervorst R,Tero JP,Eschauzier R G H,et al.A Compact Power-Efficient 3V CMOS Rail-to-Rail Input/Output Operational Amplifier for VLSI Cell Libraries[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,1994,29(12):1505-1513.

Design of Band Pass Filter for Field Bus MAU Chip

Xin Xiaoning,Shi Yuefeng
(School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

A switched capacitor band pass filter,conforming to the field bus communication protocol standard IEC61158-2,is designed in this paper.By analyzing the protocol requirements,the filter parameter is determined and the structure cascademethod of basic double second-order switched capacitor filter is used.The 4th order band pass filter is designed aswell.It is completed by the chip components.The simulation results show that,under variousworking conditions and process,it can be used for MAU chip to implement receiving function correctly because ofmeeting the requirements of field bus protocol.

Fieldbus;Switched capacitor;Band-pass filter

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.001

TN432

B

1002-2279(2015)03-0001-03

辛晓宁(1965-),男,辽宁沈阳人,教授,硕士生导师,主研方向:大规模集成电路和SOC的低功耗设计方法、现场总线技术。

2014-11-14

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