一種用于現場總線MAU芯片的帶通濾波器設計

辛曉寧，史玥峰

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽110870）

·大規模集成電路設計、制造與應用·

一種用于現場總線MAU芯片的帶通濾波器設計

辛曉寧，史玥峰

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽110870）

設計了一種符合現場總線通信協議IEC61158-2標準的開關電容帶通濾波器。通過分析協議要求，確定了濾波器參數。采用雙二階開關電容濾波器結構級聯方法，設計了四階開關電容帶通濾波器。濾波器完全由片內元件實現，仿真結果表明，在各種工作條件及工藝角下，均可滿足現場總線協議要求，證明應用MAU芯片可正確實現接收功能。

現場總線；開關電容；帶通濾波器

1 引 言

介質結合單元（MAU，Medium Attachment Unit）是現場總線儀表中的接口電路，用于將儀表內部數字電路的邏輯信號轉變為可通過總線發送的信號，并將從總線上接收的信號轉換為內部數字電路所能識別的邏輯信號，實現標準邏輯信號與傳輸介質上物理信號之間的轉換。現場總線技術應用廣泛，對工業發展起著重要作用。因此，對MAU的研究也有著非常現實的意義。

開關電容濾波器因其具有精確的頻響，良好的動態范圍和線性度，整體結構簡單，且在CMOS工藝下完全可用片內元件實現等特點，成為處理從總線上接收信號的理想選擇。根據現場總線標準IEC61158-2對MAU接收電路的要求，設計并實現了一款應用于MAU接收電路的開關電容帶通濾波器，并利用CANDENCE工具進行了電路仿真和版圖設計。

2 濾波器設計

2.1 濾波器參數設計

IEC61158-2標準對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。

根據以上技術指標，通過MATLAB軟件計算，得到傳遞函數：

確定濾波器的階數為四階，根據零極點配對原則，將極點與它最近的零點相結合，將傳輸函數分解，得到兩個雙二階傳輸函數：

2.2 濾波器結構設計

實現高階濾波器的方法有很多種，本文采用的是級聯低階濾波器來合成高階濾波器，這種方法結構簡單，調試方便［2］。圖1是低Q值的二階開關電容濾波器單元電路，用單元電路分別實現傳遞函數（2）和（3），然后將兩個電路級聯在一起就實現了公式（1）所代表的高階濾波器。

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

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

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

現場總線上的電壓可以達到24V左右，開關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），跟后邊的放大器構成了一個高通濾波器，通過調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階開關電容濾波器連在一起就構成了圖4所示的應用于現場總線MAU的開關電容帶通濾波器。

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

3 分塊電路設計

3.1 運算放大器設計

在開關電容濾波器設計中，運算放大器是其中很重要的部分，要選擇適當的結構和參數，使之滿足整個電路的要求。為了滿足本設計對運算放大器共模輸入范圍、動態輸出幅度以及高增益的要求，放大器采用如圖5所示具有恒定跨導的軌對軌運算放大器。電路包括：具有恒定跨導的軌對軌輸入級，Class-AB輸出級和cascoded Miller頻率補償結構。

M1-M4管構成了軌對軌輸入級，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，這種結構不但補償了AB類控制電路對電源電壓的依賴性，使輸出級的靜態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。

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

MOS管開關導通的時候，溝道中會存在反型層電荷，當開關關斷的瞬間，電荷要通過源漏端釋放。如果這些電荷轉移到采樣電容上，會使被采樣電壓產生偏移，引起電路的非線性，這種現象叫做溝道電荷注入［3］。為了降低電荷注入，開關管采用的是傳輸門結構，這使得相反的電荷量被兩個溝道相互注入，達到抵消效果。

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

圖5 開關符號和傳輸門結構Fig.5 Switch symbol and transmission gates structure

3.3 時鐘的設計

在開關電容濾波器電路中，時鐘決定了電荷轉換何時發生，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，根據電路所需的延遲時間確定延遲部分緩沖器的數量。

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，即將電路中的開關電容網絡、放大器等基本單元用等效模型代替，重新建立網表，就可以用連續時間電路的頻率仿真方法進行仿真；另一種方法是采用SPECTRE對周期性大信號電路的仿真方法PSS（周期穩態仿真）和PAC（周期性信號仿真）對電路進行仿真。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，本文采用描點法，即對每個頻率點進行瞬態分析，然后將各個頻率點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。根據頻響曲線可以看出，通帶增益為6dB，帶寬為8KHz-39KHz，達到預期設計目標。

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

5 結束語

設計了一種應用于現場總線MAU芯片接收電路的開關電容帶通濾波器，采用兩個二階開關電容濾波器級聯的方法，實現了四階開關電容濾波器。并采用描點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。詳細分析了設計過程，成功實現現場總線通信協議IEC61158-2標準和芯片要求的技術指標。

［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.帶通開關電容濾波器的設計和仿真方法［J］.微電子學與計算機，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：機械工業出版社，2005：279-312.

［4］ 周歡歡，陳嵐，尹明會，等.低壓恒跨導增益提高CMOS運算放大器的設計［J］.半導體技術，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

辛曉寧（1965-），男，遼寧沈陽人，教授，碩士生導師，主研方向：大規模集成電路和SOC的低功耗設計方法、現場總線技術。

2014-11-14