在數(shù)字電子世界中，模擬電路仍然有必要的功能，尤其是濾波器。例如，當現(xiàn)實世界的信號被數(shù)字化或合成時，模擬濾波器對于抗鋸齒和重建至關重要。
    然而，經(jīng)典的濾波器技術在現(xiàn)代 CMOS 技術中往往難以實現(xiàn)，尤其是在納米節(jié)點中。因此，需要能夠與這些濾波器不可避免地相互作用的 CMOS 技術一起輕松制造的有源模擬濾波器。
    基于 1900 年代中期的 Sallen 和 Key 電路的早期有源電阻電容 (active-RC) 濾波器為現(xiàn)代有源模擬濾波器技術的發(fā)展奠定了基礎。這些技術從真空管和電路架時代開始發(fā)展到高度集成的技術。    CMOS時代有源模擬濾波器的演變

    圖 1使用運算放大器、電阻器和電容器的 Sallen-Key 二階低通電路。CRC出版社    CMOS時代有源模擬濾波器的演變

    圖 2在廣義 SAB 中，當 R6 = inf. 時存在損耗通陷波濾波器行為，當 R7 = inf. 時存在高通陷波濾波器。當 R6 和 R7 = inf 時，存在全通濾波器。CRC出版社
    有源濾波器類型
    一個進步領域是可集成跨導放大器的開發(fā)，也稱為運算跨導放大器（OTA）。這一進步很大程度上消除了對無源電阻元件的需求，并允許使用 OTA 作為有源電阻元件。此外，OTA 可以設計為電流可變電阻器，從而允許將電流而不是電壓用作控制變量。因此，僅由有源電路和電容器組成的有源 OTA-C 濾波器成為可能。    CMOS時代有源模擬濾波器的演變

    圖 3僅使用 3 個無源元件的 OTA 一階濾波器配置，基于 3 導納模型。CRC出版社

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    圖4上圖顯示了電阻器的OTA仿真。CRC出版社
    然而，對更高頻率、帶寬和其他性能因素的需求不斷增加，不斷挑戰(zhàn)模擬電路設計人員開發(fā)更緊湊、更高性能、具有有效 Q 值和抑制能力的有源濾波器。此外，集成到更小的節(jié)點技術中還需要有源濾波器技術來突破線性、低噪聲和低電壓操作的界限。
    有源 RC 濾波器存在帶寬較低的限制，而跨導放大器對電容寄生更敏感，并且在表現(xiàn)出較高帶寬的同時具有較低的相對線性度。僅有源模擬濾波器比 OTA-C 或 gm-C 濾波器具有潛在優(yōu)勢，因為它們具有低輸出阻抗。此外，僅有源模擬濾波器通常需要比 OTA-C 濾波器少得多的空間，因為電容元件通常需要更大的芯片空間。
    基于 OTA 設計的純有源模擬濾波器也可以在比 OTA-C 濾波器更廣泛的參數(shù)范圍內(nèi)進行控制，因為純有源濾波器的“電容”組件也是電流可控的。這是可能的，因為這些濾波器使用運算放大器極點和 OTA 的跨導控制來實現(xiàn)電流可控性，并可與外部電子器件配對以實現(xiàn)可編程性能。
    實現(xiàn)高階濾波器功能一般有三種方法：級聯(lián)二階部分、引入多環(huán)反饋電路和模擬無源LC梯形網(wǎng)絡。這些方法都增加了濾波器的復雜性并可以提高性能，但過程和設計變量的控制對于優(yōu)化濾波器性能是必要的。這些方法對于達到更高水平的濾波器選擇性是必要的，并且使用單個運算放大器可能無法實現(xiàn)這種性能水平。
    提高過濾器性能
    實現(xiàn)高階濾波器功能一般有3種方法：級聯(lián)二階段、引入多環(huán)反饋電路、模擬無源LC梯形網(wǎng)絡。這些方法都增加了過濾器的復雜性并可以提高性能；然而，為了優(yōu)化過濾器性能，還需要控制過程和設計變量。這些方法對于達到更高水平的濾波器選擇性是必要的，并且使用單個運算放大器可能無法實現(xiàn)這種性能水平。
    特別是，LC 梯形網(wǎng)絡可以用波有源濾波器 (WAF) 替換，WAF 通過用等效子網(wǎng)絡替換 LC 梯形網(wǎng)絡無源組件的每個串聯(lián)臂阻抗和并聯(lián)臂導納來模擬電阻端接 LC 梯形濾波器。    通過這種方法，LC 梯形網(wǎng)絡的元件被視為具有有源 RC 等效項的雙端口，該等效項由通過波形變量的線性變換設置的電壓和電流端口變量確定。可以使用波有源等效 (WAE) 來替換 LC 梯形濾波器中的每個元件：L、C、信號源和終端電阻。

    CMOS時代有源模擬濾波器的演變    圖 5電感器的 WAE 顯示為串聯(lián)臂 (a) 和并聯(lián)臂 (b)。CRC出版社

    CMOS時代有源模擬濾波器的演變    圖 6 LC 梯形濾波器原型 (a) 和 LC 梯形濾波器原型波有源實現(xiàn) (b)。圖中沒有指示值的電阻器可以假定為相等，并且可以使用任何方便的值來生產(chǎn)。

    可以使用雙輸出 (DO) 甚至多輸出 (MO) OTA 來實現(xiàn)濾波器（見圖7）。還可以使用運算放大器 RC、MOSFET-C 和 OTA-C 運算放大器電路元件來構建復雜的有源濾波器。

    CMOS時代有源模擬濾波器的演變