Noise analysis and optimization of continuous-time OTA-C filters

• Autorzy: Kozieł S.

Warianty tytułu

PL

Analiza i optymalizacja szumów filtrów OTA-C czasu ciągłego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the paper, a general approach to noise analysis in continuous-time OTA-C filters is presented. Based on a matrix description of a general OTA-C filter topology, universal formulas for evaluating noise in any OTA-C filter of arbitrary order are derived. The presented formulas can be easily implemented and used in computer-aided analysis/optimization software. The accuracy of the proposed method is confirmed by comparison to SPICE simulation. The examples of application for finding the minimum-noise 5th order multiple-loop feedback filters implementing Butterworth and Bessel transfer functions, and for optimal biquad sequencing and gain distribution in cascade realization of 8th order Butterworth filter are given.

PL

W pracy przedstawiono efektywną procedurę wyznaczania szumów w filtrach OTA-C czasu ciągłego. Procedura wyprowadzona jest w oparciu o ogólny model filtru OTA-C oraz jego opis macierzowy. Podano jawne formuły pozwalające określić odniesione do wejścia widmo szumów dowolnego filtru rozważanej klasy. Jako ilustrację, przedstawiono „ręczną" analizę szumów filtru dolnoprzepustowego drugiego rzędu opartą o wyprowadzone formuły. Otrzymane wyniki teoretyczne zostały zweryfikowane poprzez porównanie z wynikami otrzymywanymi za pomocą symulatora SPICE dla wybranych przykładów filtrów dolnoprzepustowych trzeciego oraz ósmego rzędu. Rolę elementu aktywnego w filtrach pełnił prosty transkontuktor CMOS wykorzystujący parę różnicową. Pokazano, że charakterystyki szumowe badanych filtrów otrzymane przy użyciu rozważanego ogólnego modelu filtru OTA-C są zgodne z wynikami symulacji komputerowych na poziomie tranzystorowym. Sformułowanie modelu w języku algebry liniowej umożliwia bezpośrednią implementację wyprowadzonych formuł i użycie we wspomaganej komputerowo optymalizacji szumów filtrów OTA-C. Jako ilustracje, przedstawiono zastosowanie modelu do rozwiązania wybranych problemów: znajdowania struktur filtrów z wielopętlowym sprzężeniem zwrotnym o minimalnych szumach na przykładzie filtrów realizujących funkcje przenoszenia Butterworth'a oraz Bessela piątego rzędu oraz optymalizacji szumów filtru Butterwortłfa ósmego rzędu w realizacji kaskadowej. Przedstawiony model może być zastosowany w komputerowych systemach wspomagania projektowania filtrów klasy OTA-C do rozwiązywania problemów związanych z optymalizacją parametrów szumowych oraz zakresu dynamiki.

Słowa kluczowe

EN

OTA-C filters; noise analysis; filter optimization

PL

filtry OTA-C; analiza szumowa; optymalizacja filtrów

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN SA
• Czasopismo: Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 51, z. 3
• Strony: 479--494
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., tab., wykr., rys.

Twórcy

autor

Kozieł S.

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

Bibliografia

• 1. R. Schaumann, M. S. Ghausi, К. R. Laker: Design of Analog Filters, Passive, Active RC, and Switched Capacitor. Englewood Cliff, NJ: Prentice-Hall, 1990.
• 2. T. Deliyannis, Y. Sun, J. К. Fidler: Continuous-time active filter design. CRC Press, USA, 1999.
• 3. R. L. Geiger, E. Sanchez-Sinencio: Active filter design using operational transconductance amplifiers: A tutorial. IEEE Circuit and Devices Mag. Vol. 1, 1985, pp. 20-32.
• 4. В. Nauta: Analog CMOS filters for very high frequencies. Kluwer Academic Publishers, 1993.
• 5. Y. Sun (Editоr): Design of high frequency integrated analogue filters. The Institution of Electrical Engineers, London, 2002.
• 6. E. Sanchez-Sinencio, J. Silva-Martinez: CMOS transconductance amplifiers, architectures and active filters: a tutorial. IEE Proc.-Circuits Dev. Syst., Vol. 147, No. 1, 2000, pp. 3-12.
• 7. S. Kozieł, S. Szczepański: Structure Generation and Performance Comparison of Canonical Elliptic Gm-C Filters. Proc. Int. Conf. Electron. Circuits, Syst., ICECS, Vol. I, Dubrovnik, Croatia, 2002, pp. 157-160.
• 8. S. Kozieł, S. Szczepański, R. Schaumann: General Approach to Continuous- Time Gm-C Filters. Int. J. Circuit Theory Appl., Vol.31, July/Aug. 2003, pp. 361-383.
• 9. Y. P. Tsividis: Integrated continuous-time filter design — an overview. IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 29, 1994, pp. 166-176.
• 10. P. K. D. Pai, and A. A. Abidi: A 40-mW 55 Mb/s CMOS Equalizer for Use in Magnetic Storage Read Channels. IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 29, Mar. 1994, pp. 489-499.
• 11. H. Khorramabadi, M. J. Tarsie, and N. S. Woo: Baseband filters for IS-95 CDMA receiver applications featuring digital automatic frequency tuning, in Int. Solid State Circuits Conf., San Francisco, 1996, pp. 172-173.
• 12. W. Dehaene, M. S. J. Steyaert, and W. Sansen: A 50-MHz Standard CMOS Pulse Equalizer for Hard Disk Read Channels. IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 32, July 1997, pp. 977-988.
• 13. A. Hassan, K. Sharaf, H. El-Ghitani, H. F. Ragai: The Design and Implementation of a Bandpass Gm-C Filter for Bluetooth. Proc. Midwest Symp. on Circuits Syst., MWSCAS, Vol. 2, 2002, pp. 629-632.
• 14. S. Mehrmanesh, M. Atarodi: A High Dynamic Range CMOS Variable Gain Filter for ADSL. Proc. Int. Symp. Circuits Syst. Circuits and Systems, ISCAS, Vol. 4, 2002, pp. 257-260.
• 15. S. Mehrmanesh, H. A. Aslanzadeh, M. B. Vahidfar, M. Atarodi: A 1.8V High Dynamic Range CMOS Gm-C Filter for Portable Video Systems. Proc. Int. Conf. Microelectronics, ICM, 2002, pp. 38-41.
• 16. W. Jendernalik, S. Szczepański: A CMOS OTA-C Channel-Select Filter for Mobile Receiver. Proc. Int. Conf. Circuits Syst. Comm., ICCSC, 2002, pp. 50-53.
• 17. C. D. Salthouse, R. Sarpeshkar. A Practical Micropower Programmable Bandpass Filter for Use in Bionic Ears. IEEE J. Solid-State Circuits, Vol. 38, No. 1, 2003, pp. 63-70.
• 18. A. A. Emira, E. Sanchez-Sinencio:A Pseudo Differential Complex Filter for Bluetooth With Frequency Tuning. IEEE Trans. Circuits Syst. II, Vol. 50, No. 10, 2003, pp. 742-754.
• 19. S. D’Amico, A. Вaschirotto: 0.18µm CMOS gmC Digitally Tuned Filter for Telecom Receivers. Proc. Int. Conf. Circuits Syst., ISCAS, Vol. 1, 2003, pp. 493-496.
• 20. J. Shin, S. Min, S. Kim, J. Choi, S. Lee, H. Park, J. Kim: 3.3-V Baseband Gm-C Filters for Wireless Transceiver Applications. Proc. Int. Conf. Circuits Syst., ISCAS, Vol. 1, 2003, pp. 457- 460.
• 21. S. Mehrmanesh, M. B. Vahidfar, H. A. Aslanzadeh, M. Atarodi: An Ultra Low-Voltage Gm-C Filter for Video Applications. Proc. Int. Conf. Circuits Syst., ISCAS, Vol. 1, 2003, pp. 561-564.
• 22. Y. Palaskas, Y. Tsividis: Dynamic Range Optimization of Weakly Nonlinear, Fully Balanced, Gm-C Filters With Power Dissipation Constraints. IEEE Trans. Circuits Syst.-II, Vol. 50, No. 10, Oct. 2003, pp. 714-727.
• 23. A. Brambilla, G. Espinosa, F. Montecchi, E. Sanchez-Sinencio: Noise optimization in operational transconductance amplifier filters, in Proc. Int. Symp. Circuits Syst. ISCAS, Vol. 1, 1989, pp. 118-121.
• 24. G. Ejthivoulidis, L. Toth, Y. P. Tsividis: Noise in Gm-C Filters. IEEE Trans. Circuits Syst., Vol. 45, No. 3, Mar. 1998, pp. 295-302.
• 25. A. S. Korotkov, R. Unbehauen: Calculation and Estimation of Noise in All-Pole Gm-C Filters. Int. J. Electron. Commun., Vol. 53, No. 3, 1999, pp. 151-154.
• 26. K. A. Mezher, P. Вowгоn: Noise-Flow-Graph Analysis of OTA-C Filters. Proc. Int. Symp. Circuits Syst. ISCAS, Vol. 1, 2001, pp. 695-698.
• 27. 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, Vol. 50, No. 10, 2003, pp. 1245-1255.
• 28. S. Kozieł, S. Szczepański: General Gm-C Filters with Finite-Band Transconductors. Proc. European Conf. Circuit Theory and Design, ECCTD, Vol. II, 2003, pp. 293-296.
• 29. T. Kaczorek: Wektory i macierze w automatyce i elektrotechnice. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1998.