Distortion Analysis of Gm-C Filters : Numerical Approach

• Autorzy: Kozieł S.

Warianty tytułu

PL

Analiza zniekształceń nieliniowych filtrów Gm-C : podejście numeryczne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the paper, an efficient procedure for numerical simulation of nonlinear distortion of Gm-C filters is introduced. A general model of Gm-C filters containing nonlinear transconductors is presented. The analysis of the model in the time domain is performed which results in formulation of a nonlinear differential system for the considered filter structure. This allows us to earry out an effective and fast transient analysis of any Gm-C filter using standard numerical methods. The presented approach is applied to determine the Total Harmonic Distortion (THD) of filters and to compare canonical all-pole low-pass Gm-C filter structures with respect to THD. Moreover, we consider interdependence between the transconductor nonlinearities and THD of a filter. Other nonlinear effects such as nonlinearity induced distortion of the transfer function shape are also dealt with. Finally, applications to filter design and optimization are discussed.

PL

W pracy przedstawiono efektywną procedurę symulacji numerycznej zniekształceń nieliniowych dla dowolnych filtrów Gm-C. Zaprezentowano ogólny model filtrów Gm-C zawierających nieliniowe elementy aktywne (transkonduktory). Przeprowadzono analizę modelu, która prowadzi do sformułowania ogólnego nieliniowego układu równań różniczkowych zwyczajnych opisujących dynamikę napięć węzłowych filtru w dziedzinie czasu. Scałkowanie numeryczne takiego układu równań umożliwia zrealizowanie analizy przejściowej filtrów Gm-C. Może to być wykonane dla dowolnego filtru Gm-C dowolnego rzędu, co wynika z ogólności modelu zastosowanego do wyprowadzenia równań. Przedstawiona metodologia została zilustrowana za pomocą szeregu przykładów. Między innymi, wyznaczono współczynnik zawartości harmonicznych (ang. Total Harmonic Distortion, THD) dla wybranego filtru Gm-C, porównano rodzinę kanonicznych struktur dolnoprzepustowych filtrów Gm-C pod względem zniekształceń nieliniowych. Rozważano zależności pomiędzy nieliniowościami elementów aktywnych filtru a współczynnikiem zawartości harmonicznych sygnału wyjściowego. Badano także inne efekty nieliniowe takie jak zniekształcenia charakterystyk częstotliwościowych filtru powodowane nieliniowością transkonduktorów. Nieliniowości elementów aktywnych modelowane były za pomocą rozwinięć charakterystyki przejściowej w szereg potęgowy. W pracy przedyskutowano również możliwości zastosowania prezentowanej metodologii do projektowania i optymalizacji filtrów.

Słowa kluczowe

EN

Gm-C filters; transient analysis; THD optimization; nonlinear effects

PL

filtry Gm-C; analiza przejściowa; optymalizacja THD; efekt nieliniowy

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN SA
• Czasopismo: Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 51, z. 1
• Strony: 37--54
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., wykr.

Twórcy

autor

Kozieł S.

• Faculty of Electronics, Telecommunications and lnformatics, Gdańsk University of Technology, 80-952 Gdańsk, Poland,

Bibliografia

• 1. R. Schaumann, M. S. Ghausi, K. R. Laker: Design of Analog Filters, Passive, Active RC, and Switched Capacitor. Englewood Cliff, NJ: Prentice-Hall, 1990.
• 2. T. Deliyannis, Y. Sun, J. K. Fidler: Continuous-time active filter design. CRC Press, USA, 1999.
• 3. Y. Sun (Editоr): Design of high frequency integrated analogue filters. London, The Institution of Electrical Engineers, 2002.
• 4. В . Nauta: Analog CMOS filters for very high frequencies. Kluwer Academic Publishers, 1993.
• 5. Y. P. Tsividis: Integrated continuous-time filter design — An overview. IEEE J. Solid-State Circuits, 1994, vol. 29, pp. 166-176.
• 6. S. Szczepański, J. Jakusz, R. Schaumann: A linear CMOS OTA for VHF applications. IEEE Trans. Circuits Syst.-II, 1997, vol. 44, pp. 174-187.
• 7. J. Glinianowicz, J. Jakusz, S. Szczepański, Y. Sun: High-frequency two-input CMOS OTA for continuous-time filter applications. IEE Proc.-Circuits Dev. Syst., 2000, vol. 147, No. 1, pp. 13-18.
• 8. G. W. Roberts, A. S. Sedra: A general class of current amplifier-based biquadratic filter circuits. IEEE Trans. Circuits Syst.-I, 1992, vol. 38, pp. 257-263.
• 9. S. Kozieł, S. Szczepański: Dynamic Range Comparison of Voltage-Mode and Current- -Mode State- Space Gm-C Biquad Filters in Reciprocal Structures. IEEE Trans. Circuits Syst.-I, 2003, vol. 50, No. 10, pp. 1245-1255.
• 10. S. Kozieł, S. Szczepański: General Description of State-Space Continuous-Time Gm-C Filters. Electronics and Telecommunications Quarterly, 2002, vol. 48, No. 3-4, pp. 499-521.
• 11. S. Kozieł, S. Szczepański: Sensitivity Performance of All-Pole Canonical Low-Pass Gm-C Fillers. Bulletin of the Polish Academy of Sciences, 2002, Vol. 50, No. 4, pp. 313-340.
• 12. Z. Fortuna, B. Macukow, J. Wąsowski: Metody Numeryczne. Warszawa, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, 1993.
• 13. J . E. Solomon: The monolithic operational amplifiers: A tutorial study. IEEE J. Solid-State Circuits, 1974, vol. SC-9, pp. 314-332.
• 14. S. Szczepański, R. Schaumann: Nonlinearity Induced Distortion of the Transfer Function Shape in High-Order OTA-C Filters. Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 1992, vol. 3, pp. 143-151.
• 15. Z. Q. Liang, S. A. Billings: Evaluation of Output Frequency Responses of Nonlinear Systems Under Multiple Inputs. IEEE Trans. Circuits Syst.-II, 2000, vol. 47, pp. 28-38.
• 16. P. Wambacq, W. Sansen: Distortion Analysis of Analog Integrated Circuits. Kluwer Academic Publishers, 1998.
• 17. J. Mahattanakul, C. Bunyakate: Harmonic injection method: a novel method for harmonic distortion analysis. Proc. Int. Symp. Circuits Syst. ISCAS, 2001, vol. 3, pp. 85-88.
• 18. A. P. Nedungadi, T. R. Viswanathan: Design of linear CMOS transconductance elements. IEEE Trans. Circuits Syst., 1984, vol. CAS 31, pp. 831-834.
• 19. S.-H. Yang, K.-H. Kim, C.-K. Cheong, K.-R. Cho: Design of a new linear OTA with a mobility compensation technique [Bessel filter application]. Proc. Southwest Symposium on Mixed-Signal Design, 2003, pp. 99-103.
• 20. M. I. Ali, M. Howe, E. Sanchez-Sinencio, J. Ramirez-Angulo: A BiC­MOS low distortion tunable OTA for continuous-time filters. IEEE Trans. Circuits Syst.-I, 1993, vol. 40, pp. 43-49.
• 21. A. N. Mohieldin, E. Sanchez-Sinencio, J. Silva-Martinez: Nonlinear Effects in Pseudo Differential OTAs with CMFB. IEEE Trans. Circuits Syst.-II, 2003, vol. 50, No. 10, pp. 762-770.
• 22. Z. Wang, W. GuggenbuhhA voltage-controllable linear MOS transconductor using bias offset technique. IEEE J. Solid-State Circuits, 1990, vol. 25, pp. 315-317.
• 23. E. Sanchez-Sinencio, J. Silva-Martinez: CMOS transconductance amplifiers, ar­chitectures and active filters: a tutorial. IEEE Proceedings Circuits, Devices and Systems, 2000, vol. 147, No. 1, pp. 3-12.
• 24. J. Martinez-Heredia, A. Torralba, R. G. Carvajal, J. Ramirez-Angulo: A new 1.5 V linear transconductor with high output impedance in a large bandwidth. Proc. Int. Symp. Circuits and Systems, ISCAS, 2003. vol. 1, pp. 157-160
• 25. S. Kozieł, S. Szczepanski: Design of Linear CMOS OTA Using a Current Addition/Subtractu Technique. Electronics and Telecommunications Quarterly, 2001, vol. 47, No. 1, pp. 121-133.
• 26. S. Kozieł, S. Szczepański: Design of Highly Linear Tunable CMOS OTA Hsing a Linearizing Differential Pair in the Output Stage. Bulletin of the Polish Academy of Sciences, 2002, Vol. 50, No. 3, pp. 197-211.