基于ＣＣＣⅡ的雙二階電流模式多功能濾波器結構

黃　巍　江金光

摘 要：提出了一種基于CCCⅡ的三輸入單輸出多功能電流模式雙二階濾波器結構。該濾波器結構簡單，僅包含兩個MOCCCⅡ，一個電阻和兩個接地電容。該結構通過選擇不同的輸入端和輸出端可以得到4個三輸入單輸出二階多功能濾波電路，這4個電路均可以實現低通、高通、帶通、帶阻、全通濾波功能，并且角頻率ω0和品質因素Q可以實現獨立可調,具有很低的無源和有源靈敏度。

關鍵詞：電流控制電流傳送器;電流模式;三輸入單輸出濾波器;低靈敏度

中圖分類號：TN713文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-078-03

Current-Mode Universal Biquadratic Filter Structure Based on CCCⅡ

HUANG Wei,JIANG Jinguang

(Global Navigation Satellite System Research Center,Wuhan University,Wuhan,430079,China)

Abstract：A three inputs and single output current-mode universal biquadratic filter structure using two multiple outputs current controlled conveyors and three RC passive components is presented.By choosing different inputs and outputs,four current-mode universal biquadratic filters of three inputs and single output can be implemented.And the structure has several advantages,such as the simple structure,very low active and passive sensitivities,independently adjustable natural angular frequency ω0 and the quality factor Q.

Keywords：current controlled conveyor;current-mode;three inputs and single output filter;low sensitivities

0 引 言

自電流傳送器(Current Conveyor,CC)問世以來，采用電流傳送器來實現多功能有源濾波器的功能和優點受到廣泛關注［1］。基于第二代電流傳輸器 (The Second Generation Current Conveyor,CCⅡ) 的電流模式濾波器由于其帶寬，線性和動態范圍等性能比運算放大器(Operational Amplifier) 更優越而被廣泛研究［2］。FABRE A等人則利用雙極型晶體管的線性互導特性，提出了電流控制電流傳送器(CCCⅡ)［3,4］,從而將電流傳送器的應用拓寬到電子可調諧功能的領域［2］ 。

近年來，很多三輸入、單輸出多功能二階濾波器被陸續提出。在文獻［1，2，5-10］中，都提出了三輸入、單輸出二階多功能濾波器，但是他們的電路結構不夠簡單,使用不夠靈活。CHIU W Y，HORNG J W等提出的三輸入、單輸出濾波器［1，5-7］，能實現多種濾波功能,可是所用的有源器件太多(文獻［1］中需要3個DDCC和4個RC元件，文獻［5］中需要3個CCⅡ和5個RC元件,文獻［6］中需要3個CCⅡ和6個RC元件,文獻［7］中需要5個CCⅡ和8個RC元件),而且角頻率ω0和品質因素Q不能獨立可調。HORNG采用3個CCⅡ和4個RC元件來實現電壓模式多功能濾波器［8］,但是這個電路的靈敏度不夠低,影響電路的穩定性。宋樹祥［9］提出了最小元件的新型多功能CCCⅡ-C電流模式濾波器,雖然其功能比較完善,但是這個電路的角頻率和品質因素不能獨立可調。王春華［10］于2006年提出了單MOCCⅡ多功能電流模式二階濾波器結構電路,電路由單個MOCCⅡ有源器件及4個RC無源元件構成,但是由于CCⅡ在X端口存在寄生電阻,因而會造成傳輸函數的誤差。而本文所提出的三輸入、單輸出多功能二階濾波器結構簡單，僅包含兩個CCCⅡ，一個電阻和兩個接地電容,并且角頻率ω0和品質因素Q可以實現獨立可調，具有很低的無源和有源靈敏度，該結構最大的一個特點是通過選擇不同的輸入端和輸出端可以得到4個三輸入單輸出二階多功能濾波電路,從而使該結構的使用更加靈活。

1 電路的提出與分析

本文采用的MOCCCⅡ(Multiple Outputs Current Controlled Conveyor Ⅱ)是FABRE等人提出的CCCⅡ電路［4］的基礎上采用交叉耦合電流鏡技術實現正負多端輸出的。MOCCCⅡ電路符號如圖1所示,它的端口特性可由矩陣表示：

IYVXIZ1驣ZNIZ1驣ZM〗=00001RX000100螃螃螃01000-100螃螃螃0-100〗?VYIXVZVZ〗(1)

其中：IZ1~IZN為同相電流輸出端，IZ1~IZM為反相電流輸出端，RX為MOCCCⅡ器件X端口的自身電阻，受偏置電流IB控制，其值RX=VT/2IB，VT約為-26 mV(室溫)。

圖1 MOCCCⅡ的電路符號

本文所提出的電路結構僅由2個CCCⅡ，1個電阻和2個接地電容組成，選擇不同的輸入端可以得到4個電路，如圖2所示。

這4個電路的傳輸函數分別為：

Iout1=/(2)

Iout2=/(3)

Iout3=/(4)

Iout4=/(5)

圖2 三輸入、單輸出多功能二階濾波器結構電路

由此可以看出所提出的4個電路均可實現三輸入單輸出，在這里選取圖2(a)的傳輸函數Iout1來討論：

(1) 若I3=Iin,I1=-Iin,I2=0,此時可以實現高通濾波。

(2) 若I2=Iin,I1=-Iin,I3=0,此時可以實現帶通濾波。

(3) 若I2=Iin,I1=I3=0,此時可以實現低通濾波。

(4) 若I3=Iin,I1=-2Iin,I2=2Iin,此時可以實現全通濾波。

由此可以看出這4個電路均可實現所有的濾波功能，并且從這4個電路圖中可以看出，這4個電路采用同樣的器件和同樣的電路結構，而僅僅是采用的輸入端和輸出端的不同，便可得到四種三輸入單輸出的多功能濾波器。

而且，該電路結構簡單，采用的器件較少，僅含有2個CCCⅡ，1個電阻和2個接地電容，便于硬件實現。電路僅運用兩個CCCⅡ,而未采用MOCCCⅡ,從而使電路更為簡單。

2 靈敏度分析

考慮到非理想情況，CCCⅡ的端口特性須改寫為：

IYVXIZ1驣ZNIZ1驣ZM=0000βRX000α00

螃螃螃0α000-α00

螃螃螃0-α00?VYIXVZVZ(6)

式中：α=1-εi(|εi|1),β=1-εV(|εV|1),其中，εi與εV分別為CCCⅡ的電流和電壓的跟隨誤差，考慮到CCCⅡ的非理想特性，電路的傳輸函數的特征方程轉換為：

D(s)=β1β2RX1RX2C1C2s2-α1α2RC1s-α1α2=

(1-εV1)(1-εV2)RX1RX2C1C2s2-(7)

(1-εi1)(1-εi2)RC1s-(1-εi1)(1-εi2)

固有頻率ω0和品質因素Q分別為：

ω0=α1α2β1β2RX1RX2C1C2(8)

Q=1Rβ1β2RX1RX2C2α1α2C1(9)

電路的固有頻率ω0和品質因素Q可以通過RX1和R獨立調節。

該電路的有源和無源靈敏度為：

Sω0α1,α2=-Sω0β1,β2=-Sω0RX1,RX2,C1,C2=1/2(10)

SQβ1,β2=-SQα1,α2=SQRX1,RX2,C2=-SQC1=1/2

SQR=-1(11)

所有的有源和無源靈敏度都很小。

3 硬件仿真

運用Hspice對所提出的電路進行仿真，采用Chartered CMOS 0.35 μm工藝的nmos_3p3和pmos_3p3。為實現電路的濾波特性,采用的CCCⅡ結構如圖3所示，仿真時電源電壓VDD=1.65 V,VSS=-1.65 V，偏置電流IB為1.3 μA，NMOS管的寬和長為W=10 μm,L=2 μm，PMOS管的寬和長為W=10 μm,L=1 μm。

圖3 CCCⅡ的結構

由于所提出的電路較多,鑒于篇幅有限,在這里給出圖2(d)的電路的仿真結果如圖4所示。

圖4(a)為C1=C2=20 pF ，R=10 kΩ帶通濾波器的幅頻特性；圖4(b)為C1=C2=20 pF，R=10 kΩ低通濾波器的幅頻特性；圖4(c)為C1=C2=10 pF，R=10 kΩ高通濾波器的幅頻特性；圖4(d)和圖4(e)分別為C1=C2=10 pF，R=10 kΩ全通濾波器的幅頻特性和相頻特性。

圖4 電路圖2(d)的仿真結果

由實驗數據的分析結果可以看出，在該濾波器電路中，通過不同的輸入端，在輸出端可以分別實現高通、低通和帶通濾波功能顯然仿真結果與理論分析一致，證實了電路的可行性。

4 結 語

本文提出了基于CCCⅡ的雙二階電流模式多功能濾波器結構，該結構具有以下特點：

(1) 通過選擇不同的輸入端和輸出端可以得到4個三輸入單輸出二階多功能濾波電路,從而使該結構的使用更加靈活；

(2) 結構非常簡單。整個電路結構僅由2個MOCCCⅡ和3個RC元件構成；

(3) 具有多功能性，可以產生電流模式二階低通、高通，帶通及全通濾波器；

(4) 具有較低的靈敏度；

(5) 固有頻率ω0和品質因數Q相互獨立可調。

參考文獻

［1］Chiu W Y,Horng J W.High-input and Low-output Impedance Voltage-mode Universal Biquadratic Filter Using DDCCs［J］.IEEE Trans.on Circuits and System-II:Express Briefs,2007,54(8):649-652.

［2］Shahram M,Sait T.Current-mode Electronically Tunable Universal Filter Using only Plus-type Current Controlled Conveyors and Grounded Capacitors［J］.ETRI Journal,2004,26(4):292-296.

［3］Fabre A,Saaid O,Wiest F,et al.High Frequency Applications Based on a New Current Controlled Conveyor［J］.IEEE Trans.on Circuits and System-I,1996,43(2):82-91.

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［6］何怡剛,江金光,吳杰.一種新穎的基于電流傳送器的三輸入單輸出多功能濾波器［J］.電子測量與儀器學報,1999,12(2):88-91.

［7］Chang C M,Chen P C.Universal Active Current Filter with Three Inputs and One Output Using Current Conveyor［J］.Int.Electronics,1991,71(5):817-819.

［8］Horng J W.High-input Impedance Voltage-mode Universal Biquadratic Filter Using Three Plus-type CCⅡs［J］.IEEE Trans.on Circuits and System-II:Analog Digit.Signal Process,2001,48(10):996-997.

［9］宋樹祥.最小元件的新型多功能CCCⅡ-C電流模式濾波器［J］.長沙大學學報,2005,19(5):57-59.

［10］王春華.單MOCCⅡ多功能電流模式二階濾波器［J］.儀器儀表學報,2006,27(11):1 493-1 496.

作者簡介

黃 巍 男，1984年出生，湖北廣水人，碩士研究生。主要研究方向為射頻及數模混合集成電路設計。

江金光 男，1969年出生，湖南株洲人，博士后，教授。主要研究方向為高性能數模轉換、濾波器和射頻集成電路、低電壓/低功率數模混合集成電路設計。

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