辛?xí)詫?，史玥峰

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110870）

·大規(guī)模集成電路設(shè)計、制造與應(yīng)用·

一種用于現(xiàn)場總線MAU芯片的帶通濾波器設(shè)計

辛?xí)詫?，史玥峰

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110870）

設(shè)計了一種符合現(xiàn)場總線通信協(xié)議IEC61158-2標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)電容帶通濾波器。通過分析協(xié)議要求，確定了濾波器參數(shù)。采用雙二階開關(guān)電容濾波器結(jié)構(gòu)級聯(lián)方法，設(shè)計了四階開關(guān)電容帶通濾波器。濾波器完全由片內(nèi)元件實(shí)現(xiàn)，仿真結(jié)果表明，在各種工作條件及工藝角下，均可滿足現(xiàn)場總線協(xié)議要求，證明應(yīng)用MAU芯片可正確實(shí)現(xiàn)接收功能。

現(xiàn)場總線；開關(guān)電容；帶通濾波器

1 引 言

介質(zhì)結(jié)合單元（MAU，Medium Attachment Unit）是現(xiàn)場總線儀表中的接口電路，用于將儀表內(nèi)部數(shù)字電路的邏輯信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭赏ㄟ^總線發(fā)送的信號，并將從總線上接收的信號轉(zhuǎn)換為內(nèi)部數(shù)字電路所能識別的邏輯信號，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)邏輯信號與傳輸介質(zhì)上物理信號之間的轉(zhuǎn)換。現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用廣泛，對工業(yè)發(fā)展起著重要作用。因此，對MAU的研究也有著非常現(xiàn)實(shí)的意義。

開關(guān)電容濾波器因其具有精確的頻響，良好的動態(tài)范圍和線性度，整體結(jié)構(gòu)簡單，且在CMOS工藝下完全可用片內(nèi)元件實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，成為處理從總線上接收信號的理想選擇。根據(jù)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)IEC61158-2對MAU接收電路的要求，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一款應(yīng)用于MAU接收電路的開關(guān)電容帶通濾波器，并利用CANDENCE工具進(jìn)行了電路仿真和版圖設(shè)計。

2 濾波器設(shè)計

2.1 濾波器參數(shù)設(shè)計

IEC61158-2標(biāo)準(zhǔn)對MAU接收電路要求：濾波器的通帶范圍7.8KHz-39KHz；接收峰峰值不低于150mV的總線信號；不接收峰峰值低于75mV的信號［1］。另外考慮到芯片工作電源為5V，輸入信號最大幅度會達(dá)到500mV。綜合以上條件以及對功耗等其它條件的折中，濾波器通帶增益為6dB，采樣頻率為500KHz。

根據(jù)以上技術(shù)指標(biāo)，通過MATLAB軟件計算，得到傳遞函數(shù)：

確定濾波器的階數(shù)為四階，根據(jù)零極點(diǎn)配對原則，將極點(diǎn)與它最近的零點(diǎn)相結(jié)合，將傳輸函數(shù)分解，得到兩個雙二階傳輸函數(shù)：

2.2 濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計

實(shí)現(xiàn)高階濾波器的方法有很多種，本文采用的是級聯(lián)低階濾波器來合成高階濾波器，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便［2］。圖1是低Q值的二階開關(guān)電容濾波器單元電路，用單元電路分別實(shí)現(xiàn)傳遞函數(shù)（2）和（3），然后將兩個電路級聯(lián)在一起就實(shí)現(xiàn)了公式（1）所代表的高階濾波器。

圖1 低Q值的二階開關(guān)電容濾波器電路Fig.1 2th order low Q switched capacitor filter circuit

圖2為單元電路的信號流程圖，根據(jù)流程圖推導(dǎo)出所對應(yīng)的傳輸函數(shù)公式，將傳遞函數(shù)（2）、（3）代入公式即可計算出相應(yīng)的電容值，最后將Q值按由小到大的順序級聯(lián)，就實(shí)現(xiàn)了高階開關(guān)電容濾波器［3］。

圖2 二階單元電路信號流程圖Fig.2 2th order unit circuit signal flow chart

現(xiàn)場總線上的電壓可以達(dá)到24V左右，開關(guān)電容濾波器不能直接連在總線上，因此需要一個既能抗高壓又不影響后面電路頻響的緩沖級。圖3為緩沖級電路圖，輸入端接的是一個非常大的電容（n＞1000），跟后邊的放大器構(gòu)成了一個高通濾波器，通過調(diào)整電容的大小使濾波器的截止頻率為7.8KHz，通帶增益為0dB，這樣既不影響后面電路的頻響又起到了隔離高壓的緩沖作用。

圖3 高通輸入緩沖級電路Fig.3 High pass input buffer circuit

將緩沖級和4階開關(guān)電容濾波器連在一起就構(gòu)成了圖4所示的應(yīng)用于現(xiàn)場總線MAU的開關(guān)電容帶通濾波器。

圖4 開關(guān)電容帶通濾波器電路Fig.4 Switch capacitor band pass filter circuit

3 分塊電路設(shè)計

3.1 運(yùn)算放大器設(shè)計

在開關(guān)電容濾波器設(shè)計中，運(yùn)算放大器是其中很重要的部分，要選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和參數(shù)，使之滿足整個電路的要求。為了滿足本設(shè)計對運(yùn)算放大器共模輸入范圍、動態(tài)輸出幅度以及高增益的要求，放大器采用如圖5所示具有恒定跨導(dǎo)的軌對軌運(yùn)算放大器。電路包括：具有恒定跨導(dǎo)的軌對軌輸入級，Class-AB輸出級和cascoded Miller頻率補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。

M1-M4管構(gòu)成了軌對軌輸入級，M1、M2是兩個PMOS差分輸入，可使共模輸入范圍的下限值接近地電位，M3、M4是兩個NMOS差分輸入，可使共模輸入范圍的上限值接近電源電壓。采用三倍電流鏡法控制互補(bǔ)差分對［4］可以使共模輸入電平從電源到地電位變化時，輸入級的跨導(dǎo)恒定。放大器的輸出級采用的是浮動電流源控制的前饋式AB類軌對軌輸出級，這種結(jié)構(gòu)不但補(bǔ)償了AB類控制電路對電源電壓的依賴性，使輸出級的靜態(tài)電流不受共模輸入電壓的影響［5］，而且也提高了電路的電源抑制比。

放大器的密勒補(bǔ)償包括共源共柵密勒補(bǔ)償和直接密勒補(bǔ)償兩種方法。共源共柵補(bǔ)償是把補(bǔ)償電容放到MOS管的源級與輸出之間，有效地減小電容值。與直接補(bǔ)償相比，具有單位增益帶寬大、版圖面積小等優(yōu)點(diǎn)［5］。

由仿真可知，低頻增益87dB，單位增益帶寬5.5MHz，相位裕度68度，基本滿足電路要求。

3.2 開關(guān)的設(shè)計

MOS管開關(guān)導(dǎo)通的時候，溝道中會存在反型層電荷，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷的瞬間，電荷要通過源漏端釋放。如果這些電荷轉(zhuǎn)移到采樣電容上，會使被采樣電壓產(chǎn)生偏移，引起電路的非線性，這種現(xiàn)象叫做溝道電荷注入［3］。為了降低電荷注入，開關(guān)管采用的是傳輸門結(jié)構(gòu)，這使得相反的電荷量被兩個溝道相互注入，達(dá)到抵消效果。

較大的W/L能得到較高的采樣速度，但是也會使管子產(chǎn)生較大的寄生電容，從而降低電路精度。所以開關(guān)管的大小采用了折中設(shè)計，在滿足速度要求的基礎(chǔ)上，盡量采用小的W/L。

圖5 開關(guān)符號和傳輸門結(jié)構(gòu)Fig.5 Switch symbol and transmission gates structure

3.3 時鐘的設(shè)計

在開關(guān)電容濾波器電路中，時鐘決定了電荷轉(zhuǎn)換何時發(fā)生，為了保證電荷不會丟失，要求時鐘不相重疊。圖6是不交疊時鐘電路的簡化圖，根據(jù)電路所需的延遲時間確定延遲部分緩沖器的數(shù)量。

圖6 不交疊時鐘電路Fig.6 non-overlap clock circuit

4 電路仿真

由于開關(guān)電容濾波器是離散時間電路，所以不能利用交流小信號掃描的頻域分析。比較常見的仿真方法有兩種，第一種是等效電路法，即將電路中的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)、放大器等基本單元用等效模型代替，重新建立網(wǎng)表，就可以用連續(xù)時間電路的頻率仿真方法進(jìn)行仿真；另一種方法是采用SPECTRE對周期性大信號電路的仿真方法PSS（周期穩(wěn)態(tài)仿真）和PAC（周期性信號仿真）對電路進(jìn)行仿真。不過這兩種方法都忽略了很多非線性因素，模型簡單，因此仿真的精度不高。為了得到比較精確的頻率特性曲線，本文采用描點(diǎn)法，即對每個頻率點(diǎn)進(jìn)行瞬態(tài)分析，然后將各個頻率點(diǎn)的幅值用曲線連接到一起就得到了圖7所示的頻率特性曲線。根據(jù)頻響曲線可以看出，通帶增益為6dB，帶寬為8KHz-39KHz，達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

圖7 電路的頻率特性曲線Fig.7 The circuit of the frequency characteristic curve

5 結(jié)束語

設(shè)計了一種應(yīng)用于現(xiàn)場總線MAU芯片接收電路的開關(guān)電容帶通濾波器，采用兩個二階開關(guān)電容濾波器級聯(lián)的方法，實(shí)現(xiàn)了四階開關(guān)電容濾波器。并采用描點(diǎn)法繪制出濾波器的頻率特性曲線，這種方法仿真精度高，仿真方便。詳細(xì)分析了設(shè)計過程，成功實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線通信協(xié)議IEC61158-2標(biāo)準(zhǔn)和芯片要求的技術(shù)指標(biāo)。

［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］ 范濤，彭杰，張崢，等.帶通開關(guān)電容濾波器的設(shè)計和仿真方法［J］.微電子學(xué)與計算機(jī)，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］.曾朝陽，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：279-312.

［4］ 周歡歡，陳嵐，尹明會，等.低壓恒跨導(dǎo)增益提高CMOS運(yùn)算放大器的設(shè)計［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，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?xí)詫帲?965-），男，遼寧沈陽人，教授，碩士生導(dǎo)師，主研方向：大規(guī)模集成電路和SOC的低功耗設(shè)計方法、現(xiàn)場總線技術(shù)。

2014-11-14