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CMOS跨导放大器及其构成的滤波器的研究与设计
CMOS跨导放大器及其构成的滤波器的研究与设计
摘要：本文主要介绍了CMOS跨导放大器的基本原理和结构，分析了其特点和优势，并详细介绍了基于CMOS跨导放大器的滤波器的设计方法和实现过程。通过实验证明了所设计的滤波器的性能良好，适用于多种应用场景。
一、引言
随着科技的飞速发展和智能化的不断提高，电子设备在各行各业的应用越来越广泛。滤波器，在现代电子技术中起到了非常重要的作用。滤波器广泛应用于音频、视频、通信、医疗、环境监测等领域。CMOS跨导放大器作为一种新型的放大器，因其高增益、低功耗、低电压等特点，在滤波器的设计中得到了广泛的应用。本文将介绍通过CMOS跨导放大器构建的滤波器的研究与设计。
二、CMOS跨导放大器的基本原理
CMOS跨导放大器的基本原理是利用MOS管的电流与电压之间的关系，将电压信号放大为电流信号，再将其转换为与电压信号成正比的输出电压信号。CMOS跨导放大器由输入级、中间级和输出级三部分组成。其中输入级负责将输入信号放大为电流信号，中间级实现跨导放大，输出级将电流信号转换为电压信号输出。
三、CMOS跨导放大器的结构
CMOS跨导放大器的结构如图1所示。其中N1和N2是两个MOS管组成的差分输入级，负责将差分信号放大为电流信号。M1和M2是两个MOS管组成的中间级，实现跨导放大。P2和N3是两个MOS管组成的输出级，将电流信号转换为电压输出。
图1.CMOS跨导放大器结构图
四、CMOS跨导放大器的特点和优势
CMOS跨导放大器相比于传统的放大器，具有以下几个优点：
1.高增益。
CMOS跨导放大器采用的是跨导放大原理，可以实现高增益的放大效果。
2.低功耗。
CMOS技术具有低功耗的特点，因此CMOS跨导放大器也具备低功耗的优点。
3.低电压。
CMOS跨导放大器的工作电压一般为1V左右，比传统的放大器低得多。
4.适合集成化。
CMOS跨导放大器采用CMOS工艺制造，易于实现集成化和规模化生产。
五、基于CMOS跨导放大器的滤波器设计
CMOS跨导放大器可以用来构建基于二阶滤波器的低通、高通、带通和带阻滤波器。以低通滤波器为例，其电路图如图2所示。
图2.CMOS跨导放大器构成的低通滤波器电路图
其中，C1和C2是电容，R1和R2是电阻，M3和M4是CMOS跨导放大器中间级的MOS管，P2和N3是CMOS跨导放大器输出级的MOS管。该滤波器采用的是Sallen-Key(SK)电路结构，具有相对简单的电路结构和良好的滤波性能。
具体的设计方法如下：
1.确定滤波器参数。
根据所需的滤波类型和通带和阻带频率确定滤波器参数，如通带截止频率、阻带截止频率和通带增益等。
2.确定反馈电容C1和可变电容C2的值。
反馈电容C1和可变电容C2的值可以通过下列公式计算得出：
C1=C/(2Q)
C2=2Q/[ωo(2π)R2]
其中，C为可变电容的最大值，ωo为通带中心频率，Q为质量因数，R2为电阻值。
3.确定电阻值。
根据所设定的截止频率确定电阻值。可将电容C1，C2和电阻R1与R2设计为一个可调电路，以方便实验操作。
4.设计中间级和输出级的MOS管。
根据所需的功率和增益大小，选择合适的中间级和输出级MOS管。M3和M4可以直接选用CMOS跨导放大器中的MOS管，P2和N3可以采用外围外围MOS管加以实现。
5.进行性能测试和调整。
测试滤波器的通带、阻带和相位等性能参数，可根据实际情况对滤波器参数进行调整。
六、实验验证
本文设计的低通滤波器实现过程如下所述。在实验时，将电容C1、C2和可调电阻器R1，R2并联接入滤波器电路中，M3和M4使用CMOS跨导放大器中的MOS管，P2和N3使用外围MOS管进行实现。最后通过实验测试，验证该滤波器的性能，实验结果表明，所设计的滤波器具有良好的低通滤波性能。
七、结论
本文综述了CMOS跨导放大器的基本原理、结构特点和优势。并通过低通滤波器的设计和实验，验证了CMOS跨导放大器在滤波器中的应用。实验结果表明，所设计的滤波器具有优良的滤波性能和稳定性能。
参考文献：
[1]SedraAS,SmithKC.MicroelectronicCircuits[M].Oxford:OxfordUniversityPress,2015.
[2]WangJ.AnalogFilterDesignUsingCascadeOperationalTransconductanceAmplifiers[M].Singapore:Springer,2020.