基于新型CCCII電流模式二階帶通濾波器設計

李 妍，于海勛

（西北工業(yè)大學 電子信息學院，陜西 西安 710129）

近幾十年來，隨著被處理信號的頻率不斷提高，電壓型運算放大器的固有缺點開始阻礙其在電路中應用。由此以電流為信號變量的電路在信號處理中的潛在優(yōu)勢逐漸被認識并被挖掘出來，促成了電流模式電路的發(fā)展[1]。電流模式電路就是能夠有效地傳送、放大和處理電流信號的電路。在電流模式電路中，以電流作為變量分析和標定的電路。隨著信息技術的不斷發(fā)展，信號處理在生活中的地位也不斷提高。而濾波器是信號處理系統(tǒng)設計中最基礎、最重要的環(huán)節(jié)之一，然而傳統(tǒng)的模擬信號處理基本上都基于運算放大器，由于運算放大器固有的缺點，即的-3 dB閉環(huán)帶寬與閉環(huán)增益的乘積為常數(shù)。因而電流模式信號處理電路技術成為當今國際上的前沿課題。電流傳輸器是電流模模擬信號處理領域中很重要的部件之一。第二代電流傳輸器（CCII）于1970年被提出，其獨特的電流傳輸特性使它成為電流模電路中的基本積木塊，在電流模式信號處理電路中獲得了廣泛的應用。但由于自身電路設計的不足，使電流傳輸特性無法達到理想程度，由此新型第二代電流傳輸器被提出。

1 新型第二代電流控制電流傳輸器CCCII

第二代電流傳輸器（CCII）由互補電流鏡，跨導線性部分和混合環(huán)路組成。可運用于頻率為兆赫范圍內(nèi)的電路中。但其內(nèi)部電路的輸入端X端和Y端存在一個寄生電阻，當偏置電流很低時，該寄生電阻不能被忽略。因而造成X端與Y端電壓跟蹤無法達到理想的程度[2]。由此1996年，Alain Fabre等人基于跨導線性環(huán)特性推出了新型電流傳輸器（CCCII）[3]，隨后的新型電流傳輸器都是基于此特性實現(xiàn)的。

1.1 跨導線性（TL）原理

跨導線性原理是由B.Gilbert提出的，這個原理簡化了非線性電路的計算，即適用于小信號，又適用于大信號。尤其在較大規(guī)模的電路中，只要存在“跨導線性環(huán)”，就會使電路計算大大簡化。在電流模電路中，幾乎到處都可以找到“跨導線性環(huán)”。

跨導線性環(huán)是由正偏的發(fā)射結或二級管組成的閉合環(huán)路，其中順時針方向的正偏結數(shù)等于反時針方向的正偏結數(shù)。圖1是由雙極型管組成的跨導線性環(huán)。TL回路必須滿足在回路中必須有偶數(shù)個（至少兩個）正偏發(fā)射結和順時針方向排列的正偏結數(shù)與反時針方向排列的正偏結數(shù)目必須相等。

圖1 跨導線性環(huán)Fig.1 Translinear loop

因為跨導線性環(huán)中各BJT管均處于正偏放大區(qū)，所以環(huán)中第j個晶體管的電流傳輸方程可表示為：

其中VT=kT/q，VT是熱電壓，在常溫下其值約為26 mV。此式為環(huán)中第j個晶體管正偏發(fā)射結的電壓表達式，沿環(huán)一周各正偏結的電壓之和應等于零，即：

1.2 CCCII設計電路及端口特性

CCCII利用內(nèi)部直流偏置控制X端的寄生電阻的特性以達到電壓可調的特性。新型電流傳輸器不僅保留了CCII的所有特性（輸入、輸出端口的矩陣關系），還通過改變直流偏置電源增加了新的特性[4]。其電路符號如圖2所示。

圖2 CCCII電路符號Fig.2 Circuit symbol of CCCII

圖3 為CCCII+電路，X端口與Y端口間電路為混合跨導線性電路，其中I0為電路直流偏置。Z端口由兩個互補電流鏡組成，電流跟隨X端口。雙極性晶體管Q1－Q4組成輸入跨導線性混合環(huán)路，電流關系I1I3＝I2I4。X端寄生電阻Rx＝VT/2I0，其中VT是溫度的電壓當量，在T＝3000K的常溫下，VT＝26 mV。由此公式可以看出，Rx的值可由I0控制。端口特性方程為：

圖3 新型電流傳輸器CCCII+電路原理圖Fig.3 Circuit diagram of new current conveyor CCCII

2 二階帶通濾波器的電路設計與仿真

2.1 帶通濾波器設計

圖4為二階帶通濾波器設計由2個CCCII和2個電容組成。通過增加偏置電流改進CCII得到CCCII電路。該設計不需要任何額外電阻，電路設計簡單。盡管電路設計簡單，但其能完成相應功能并應用于高頻電路中[5]。如果Iin是輸入電流，流過C1的輸出電流Iout可以通過輸入端虛擬接地的CCI+來計算。此外，輸出電流Iout在高阻抗情況下，可以通過對第二個CCCII+簡單增加一個互補的輸出端Z直接獲得[6]。本設計通過偏置電流I0的較低值實現(xiàn)較高的頻率。電路的傳輸函數(shù)為：

圖4 基于CCCII+的二階帶通濾波器Fig.4 Second-order bandpass filter based on novel CCCII

由公式（8）、（9）知當I01和I02有相同的值時，Rx的值也一樣。帶通濾波器的中心頻率可通過I0控制Rx的值實現(xiàn)，并且不影響品質因數(shù)。

2.2 帶通濾波器仿真

用HSpice通過電路軟件對圖4電路進行仿真分析，設計參數(shù)為CCCII+電壓±5 V，C1＝50 pF，C2＝1 pF。圖5（a），（b）分別為I01＝I02＝20μA，I01＝I02＝100μA時輸出的仿真結果。

圖5 仿真結果Fig.5 Simulation results

3 結 論

本設計提出了電流模式CCCII+做為基本積木塊，討論了采用最少的有源器件，僅需要兩塊CCCII+及無源器件電容構成了電流模式二階濾波器。所有電容都接地，從集成電路實現(xiàn)的觀點看，用接地電容是非常有利的。濾波器隨著I0的增大，中心頻率也變大，實現(xiàn)了電流傳輸器的偏置電流對中心頻率的控制。通過HSpice仿真分析證明設計電路的正確性和可行性。

[1]趙玉山，周躍慶，王萍.電流模式電子電路[M].天津：天津大學出版社，2001.

[2]Minaei S，Kaymak D，Ibrahim M，et a1.New CMOS configuration for current controlled conveyor（CCCIIs）[C]//In：1st IEEE International Conference Circuits and Systems for Communieations，ICCSC，2002：62－65.

[3]Fabre A，Saaid O，Wiest F，et al.Current controlled bandpass filter based on translinear conveyors[J].Electronics Letters，1995，31（20）：1727－1728.

[4]Fabre A.Dual translinear voltage/current convertor[J].Electron Lett，1983（19）：1030－1031.

[5]Fabre A，Saaid O，Wiest F，et al.Low power current-mode second-order bandpass IF filter[J].Circuits and System，1997，44（6）：436－446.

[6]Pabrl A，Alami M.A versatile translinear cell-library to implement high performance analog ASICS[C]//IEEE Proc，1990：89－94.