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基于伪差分结构跨导器的Gm-C复数滤波器设计
Gm-C滤波器是一种广泛应用于模拟电路设计的滤波器，其主要应用领域包括通信系统、音频处理、成像等。本文将讨论基于伪差分结构跨导器的Gm-C复数滤波器的设计及其性能评估。
I.前言
Gm-C滤波器在模拟电路设计中具有广泛的应用。其基本原理是利用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）差分对输入信号进行放大，通过电容与跨导元件的结合实现滤波的目的。不同于传统的RC滤波器，Gm-C滤波器具有更高的品质因数（Q值）和更好的线性度。然而，传统的Gm-C滤波器存在一些问题，如差分对的匹配问题、大电容器的实现难度等。近年来，针对这些问题，许多新型的Gm-C滤波器结构被提出，其中基于伪差分结构跨导器的Gm-C复数滤波器在实际应用中表现优异。本文将介绍该结构的设计与性能评估。
II.Gm-C滤波器基本结构
Gm-C滤波器的基本结构如图1所示。它包括一个差分对、一组电容器和一组跨导器。差分对的作用是将输入的电压信号转化为电流信号进行处理；电容器具有抑制高频噪声的作用；跨导器利用其非线性特性将电流信号转化为电压信号。在Gm-C滤波器中，跨导器通常采用互补式MOS（CMOS）跨导器，电容器则是由晶体管的栅极-排极电容实现。信号的滤波效果由跨导器与电容器的组合实现。
图1Gm-C滤波器基本结构
III.传统Gm-C滤波器的问题
传统Gm-C滤波器存在一些问题：（1）差分对的匹配问题；（2）大电容器的实现难度。在实际的设计中，为了获得更好的性能，差分对所组成的结构需要具有很高的匹配性；而对于较低的截止频率，需要使用更大的电容器，但大电容器不仅会增加系统的复杂度，而且也很难在实际中实现。
IV.基于伪差分结构跨导器的Gm-C复数滤波器
为了解决传统Gm-C滤波器的问题，近年来，一些新型的Gm-C滤波器结构被提出。其中基于伪差分结构跨导器的Gm-C复数滤波器在实际应用中表现出较好的性能。该结构能够实现好的抗干扰能力和线性特性，因此具备广泛的应用前景。
伪差分结构的基本原理是通过调节跨导偏置电流来实现严格的偏置匹配，从而抵消差分对的偏置不匹配带来的影响，如图2所示。该结构中，晶体管的源极电压可以反馈到差分对的非反相输入端，屏蔽输入信号对差分对的非反相输入端产生的干扰，增强了系统的抗干扰能力。
图2伪差分结构示意图
伪差分结构跨导器能够实现比传统结构更好的抗干扰能力、更好的线性度和更好的输出阻抗匹配。在利用该结构设计Gm-C滤波器时，采用复数传输线概念，将带通滤波器转化为两个带阻滤波器的复合结构，从而实现更好的性能。该结构中，通过调节复数传输线的输入和输出端口的阻抗比例，可以实现不同的带通滤波效果。图3给出了基于伪差分结构跨导器的Gm-C复数滤波器的电路图。
图3基于伪差分结构跨导器的Gm-C复数滤波器电路图
V.性能评估
为了准确评估基于伪差分结构跨导器的Gm-C复数滤波器的性能，我们设计了一个2阶Butterworth带通滤波器，并通过TSMC0.18umCMOS工艺进行了模拟电路的验证。其中，差分对的面积为40umx40um，电容器采用面积相近、容值不同的5个栅极-排极电容，跨导器采用互补式MOS跨导器，偏置电流为100uA。
对于该带通滤波器，我们进行了三组实验，测试了其在不同截止频率下的性能。实验结果表明，该滤波器在截止频率为1.5MHz和10MHz时，具备良好的带通特性，满足实际应用的要求。在截止频率为1.5MHz时，滤波器的增益为1.76dB，3dB带宽为1.34MHz，品质因数为13.8；在截止频率为10MHz时，滤波器的增益为0.93dB，3dB带宽为4.79MHz，品质因数为7.18。
VI.结论
本文讨论了基于伪差分结构跨导器的Gm-C复数滤波器的设计和性能评估。实验结果表明，该设计能够有效解决传统Gm-C滤波器的问题，在实际应用中具备广泛的应用前景。因此，在模拟电路设计中，可以考虑采用该设计，以提高电路系统的实际运行效果。