電流模式帶通濾波器設(shè)計(jì)

潘佳華,楊金孝,張仁鵬,2

（1.西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710129；2.西安通信學(xué)院 陜西 西安 710106）

在電子電路中，人們長久以來習(xí)慣于采用電壓而不是電流作為信號(hào)變量，并通過處理電壓信號(hào)來決定電路的功能，從而促成了電壓模式電路的誕生和發(fā)展。但是，隨著被處理信號(hào)的頻率越來越高，電壓型電路的固有缺點(diǎn)開始阻礙它在高頻、高速環(huán)境中的應(yīng)用[1-4]。

近二十年來，以電流為信號(hào)變量的電路在信號(hào)處理中的巨大潛在優(yōu)勢逐漸被認(rèn)識(shí)并被挖掘出來，促進(jìn)了一種新型電子電路——電流模式電路的發(fā)展。

近年來，電流模電路在速度，帶寬和線性度等方面比電壓模式有明顯的優(yōu)勢，受到越來越多的關(guān)注。因第二代電流傳輸器(CCII)比運(yùn)算放大器具有更寬的頻率范圍與動(dòng)態(tài)范圍和較大的線性度而受到國內(nèi)外學(xué)者的青睞。由CCII構(gòu)成的各種有源濾波器、振蕩器和阻抗模擬器不斷涌出。由CCII及RC元件構(gòu)成的電流模式濾波器，因具有功耗低、級(jí)聯(lián)時(shí)不需要任何匹配裝置、電路結(jié)構(gòu)簡單、便于集成等優(yōu)點(diǎn)而特別引人注目。本文使用第二代傳輸器設(shè)計(jì)帶通濾波器。

第二代電流傳輸器(CCII)就是典型的電流模電路的代表。無論信號(hào)的大小，都能比相應(yīng)的運(yùn)算放大器提供更大帶寬下更高的增益，亦即更大的增益帶寬積。

1 第二代電流傳輸器

CCII 的結(jié)構(gòu)包括3個(gè)端口，如圖 1 所示。

圖1 第二代電流傳輸器Fig.1 CCII

在理想情況下，CCII 的外部特性可由以下特征關(guān)系矩陣定義：

由式（1）可知，CCII的輸出電流Iz跟隨X端電流，與Y端狀態(tài)無關(guān)。Iz與Ix方向相同，Iz與Ix方向相反。X端電壓跟隨Y端電壓[5]。

圖2 二階帶通濾波器Fig.2 Second-order bandpass filter

2 電路分析

圖2為本文設(shè)計(jì)的帶通濾波器，本文僅使用一個(gè)CCII和兩個(gè)電阻，兩個(gè)電容構(gòu)成簡單的二階帶通濾波器。

二階帶通濾波器的傳遞函數(shù)為：

標(biāo)準(zhǔn)二階帶通濾波器傳遞函數(shù)為：

由公式(2)和公式(3)得：

CCII的實(shí)現(xiàn)電路：

圖3 電流傳輸器電路原理圖Fig.3 Circuit diagram of CCII

圖3為本文所使用的CCII的內(nèi)部電路圖，本文選用的是場效應(yīng)管來設(shè)計(jì)電流傳輸器。當(dāng)前的CCII是由簡單的電流鏡組成的，通過幾個(gè)晶體管實(shí)現(xiàn)[6]。

所有的場效應(yīng)管的長度均選L=2 μm,而場效應(yīng)管的寬，對(duì)于P型場效應(yīng)管其寬為Wp=40 μm,，N場效應(yīng)管其寬為Wn=16 μm,。

3 無源靈敏度

當(dāng)R1=R2，C1=C2時(shí)，

由公式（7）和公式（8）， 對(duì)R1，R2，C1，C2的靈敏度為-1/2，A0對(duì)R2，C1的靈敏度為1/2，對(duì)R1，C2的靈敏度為1/2，Q對(duì)R1，R2，C1，C2的靈敏度均為0，因而濾波器具有很低的無源靈敏度。

4 電路仿真

利用Hspice[10]對(duì)設(shè)計(jì)的二階濾波器電路進(jìn)行仿真時(shí)，電容C1=C2=0.1 μF，電阻R1=R2=10 kΩ。得到的幅頻特性和相頻特性如圖4所示。

理想的中心頻率為159 Hz,由仿真得到的圖4(a)的幅頻特性曲線可知，仿真得到的中心頻率與計(jì)算所得基本吻合，而其通帶帶寬約為440 Hz。而其相頻特性也與理想情況下基本相符。

圖4 仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result

5 結(jié)束語

本文選用CCII（第二代電流傳輸器）設(shè)計(jì)電流模式的帶通濾波器，為了使電路盡可能簡單，本文僅選用一個(gè)CCII進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

本文所設(shè)計(jì)的電流模式二階帶通濾波器具有以下特點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)簡單，僅選用一個(gè)CCII和4個(gè)RC元件；2）功耗低；3）本文設(shè)計(jì)的CMOS電流傳輸器具有低功耗高帶寬的特點(diǎn)。

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

[2]Minaei S,Ciqekoglu O,Kuntman H,et al.New Current-Mode Lowpass, Bandpass and Highpass Filters Employing CCCIIs[J].IEEE,2001(1):106-109.

[3]Soliman.A M.New Current-Mode Bandpass Filters Using Three Single-Output ICCIIs[J]. Active and Passive Electronic Components,2007:14-19.

[4]PopoviC J,PavasoviC A, VasiljeviC D. Low-power High Bandwidth CMOS Current Conveyor. IEEE,1997: 693-696.

[5]Kumngern M,Moungnoul P,Junnapiya S,et al.Current-mode universal ilter using translinear current conveyors[J].IEEE,2008:717-720.

[6]WANG Chun-huai, LI Jin. A CMOS differential current-controlled second generation current conveyor[J]. IEEE, 2005: 447-450.

[7]Minaei S, Sayin ok, Kuntman H. A New CMOS Electronically Tunable CurrentConveyor and Its Application to Current-Mode Filters[J].IEEE,2006,53(7):1448-1457.

[8]Bano S, Altaf T. Lowpass. Bandpass And Highpass Filters Using Current Inversion Type Negative Impedance Converter[J]. IEEE,2011: 62-66.

[9]Chang C-M. current mode allpass/notch and bandpass filter using single CCII[J]. IEEE,1991, 27(20):1812-1813.

[10]鐘文耀,鄭美珠. CMOS電路模擬與設(shè)計(jì)—基于Hspice[M].北京:科學(xué)出版社, 2007.