Design of the 5th-order Elliptic Low Pass Filter for Audio Frequency using CMOS Switched Capacitor

CMOS 스위치드 캐패시터 방식의 가청주파수대 5차 타원 저역 통과 여파기의 설계 및 구현

This paper describes an integrated low pass filter fabricated by using $0.8{\mu}m$ single poly CMOS ASIC technology. The filter has been designed for a 5th-order elliptic switched capacitor filter with cutoff frequency of 5khz, 0.1dB passband ripple. The filter consists of MOS swiches poly capacitors and five CMOS op-amps. For the realization of the SC filter, continuous time transfer function H(s) is obtained from LC passive type, and transfered as discrete time transfer H(z) through bilinear-z transform. Another filter has been designed by capacitor scaling for reduced chip area, considering dynamic range of the op-amp. The test results of two fabricated filters are cutoff frequency of 4.96~4.98khz, 35~38dB gain attenuation and 0.72~0.81dB passband ripple with the ${\pm}2.5V$power supply clock of 50KHz.

본 논문에서는 통과 대역폭이 5KHZ, ripple이 0.1dB이하인 스위치드 캐패시터(Switched Capacitor) 필터를 $0.8{\mu}m$ single poly CMOS ASIC 표준 공정을 이용하여 집적화된 단일 칩으로 제작하였다. 제안된 5차 타원 저역 통과 필털의 구성은 MOS 스위치와 poly 캐패시터, 5개의 2단 CMOS op-amp로 구성하였다. 필터구현은 LC 수동형으로부터 연속전달함수 H(s)를 구하고 쌍선형 z변환을 통하여 이산전달함수 H(z)으로 바꾸어 2차 바이쿼드(biquad)를 종속 연결하는 빌딩블록 방식을 택하였다. 또한 op-amp의 구동범위를 고려하면서 캐패시터 면적을 감소시킨 스케일링 실시한 동일 특성의 필터를 제작하여 그 특성 변화를 비교, 분석하였다. 측정결과 ${\pm}2.5V$ 전원, 50KHz의 표본 주파수에서 2종의 필터 모두 4.96~4.98KHz의 통과 대역폭에 0.7~0.81dB의 리플, 35~38dB정도의 저지대역 이득감쇠 특성을 보였다.