基于CCII+的電流模式二階帶通濾波器

席劍銳，楊金孝，王秉章

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安710129）

基于CCII+的電流模式二階帶通濾波器

席劍銳，楊金孝，王秉章

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安710129）

隨著電流模式的推廣，以電流模方法為基礎的系統及應用覆蓋了許多重要領域，其中一個重要的電流模模擬標準部件是電流傳輸器，大量應用電流傳輸器的新型通用濾波電路不斷被提出，本文提出一種新型的二階帶通濾波器，該濾波器功耗低、抗干擾能力強、容易集成等優點，采用CCII+來實現。

電流模式電路；第二代電流傳輸器；帶通濾波器；靈敏度

模擬電子電路歷史上采用電壓模式設計方法，即電路的信號用電壓變量來表述，電路的功能通過處理電壓信號來實現。對于電壓模式的電路，通常要求它在盡可能低的功耗下提供盡可能大的電壓信號擺幅。因此，要在電路中人為地設置多個高阻抗節點，去限制總的電流消耗和提高電壓擺幅。這些高阻抗節點存在負面效應，嚴重地影響了電路對高頻和高速信號的處理能力［1］。

近年來，電流模電路在速度、帶寬和線性度方面相對于電壓模有較為明顯的優勢，因而受到了廣泛的關注［2-4］。1968年，加拿大學者K.C.Smith和A.Sedra提出了一個新的模擬標準部件——電流傳輸器（Current Conveyer，簡稱CC）。電流傳輸器是一種功能很強的標準部件，將電流傳輸器與其它電子原件組合可以十分簡便的構成特定的電路結構，實現多種模擬信號的處理功能，在這一點上，電流傳輸器與通用電壓模式運算放大器是相似的。但是，電流傳輸器是一種電流模式電路，模擬電路的設計者們發現電流傳輸器能提供若干優于通用運算放大器的電路性能。電流傳輸器電路，無論信號大小，都能比相應的基于電壓運算放大器的電路提供更大帶寬下的更高電壓增益，即更大的增益帶寬積［5-7］。

文中基于Smith和Sedra的思想，利用第二代電流傳輸器設計了一種二階帶通濾波器，該濾波器具有功耗低、抗干擾能力強、容易集成等優點，并用Hspice軟件進行了仿真驗證。

1　第二代電流傳輸器

第二代電流傳輸器 （second generation current conveyor，簡稱CCII），如圖1所示為三端器件［8］。

圖1　CCII電路符號

CCII的端口特性可用下列矩陣方程描述［9］:

該方程表明，CCII的Y端口電流為零，X端口的電壓跟隨Y端口電壓，Z端口的電流跟隨X端口的電流。由此可見，Y是電壓輸入端，Y端口呈現的輸入阻抗為無窮大；X是電流輸入端，而且X端口電壓跟隨加于Y端口的電壓，因而X端口呈現零輸入阻抗；低阻抗X輸入端的電流傳輸到高阻抗的Z輸出端，即在Z端口產生一個可控的輸出電流，該電流僅取決于X端的輸入電流，電流方向可以相同也可以相反。（1）式中各變量均表示總瞬時量。其中，“+”號表示電流在X端和Z端都是流進傳輸器的，標為CCII+，而“-”號表示相反極性的情況，標為CCII-［5］。

圖2所示為一種CMOS第二代電流傳輸器（CCII+）［6］。該電路具有溫度穩定性高、容易集成、功耗低等優點。

圖2　CCII+的CMOS電路

電流傳輸器依靠兩組差分電路M1、M2和M3、M4工作。M7、M8構成的鏡像電流源使得流經M1、M3的漏極電流之和等于流過M2、M4的漏極電流之和，因此 VG1-VG2=VG4-VG3，VX= VY1-VY2。由場效應管M9、M11構成的反饋電路使得端電壓Vx不受X端電流降的影響。值得注意的是，式（4）只有在大信號工作下才有效。X端電流通過兩組鏡像電流源M9、M10和M11、M12流至Z+端，則有IZ=Ix。

由上面可以看出，如果將Y2端接地，則滿足式（1），因此圖2為一個第二代電流傳輸器。晶體管的寬長比如表1所示。

表1　MOS管的寬長比

2　電路分析

文中利用圖2所示的電流傳輸器，來設計如圖3所示的二階帶通濾波器。該濾波器由兩個CCII、3個電阻和3個電容構成。

圖3　二階帶通濾波器

利用CCII+端口電壓及電流之間的關系，可得傳遞函數為：

對比標準二階帶通濾波器傳遞函數可得其增益A0= R1R3CV/R2（R1C1+R3C3），濾波器的特征角頻率ω0和品質因數Q分別為：

從上兩式可以看出，ω0、Q可以相互獨立調節［7］。

在非理性條件下，CCII+端電壓與端電流的關系為［8］：

其中：β與α分別為電壓跟隨誤差和電流跟隨誤差對電路產生的影響。則傳遞函數為：

對比標準二階帶通濾波器傳遞函數可以看出，在非理想條件下，該二階濾波器的特征角頻率ω0和品質因數Q并沒有發生變化。也就是說即使CCII++電路出現電壓、電流跟隨誤差，ω0和Q可以保持很高的穩定性，所影響的僅僅是濾波器的增益。

靈敏度是衡量電路性能隨元件變化大小的指標，靈敏度越低，電路性能偏差隨元件變化就越小［9］，即對于微小變化：

根據靈敏度的定義：

若取R1=R3、C1=C3，可以求得：

3　電路仿真

通過計算機Hspice［10］軟件對本文所提出的二階帶通濾波器進行了電路仿真。在仿真中，場效應管的參數如表1所示，取電容C1=0.1μF，C3=1 nF，電阻R1=R3=10 kΩ。得到的幅頻特性和相頻特性如圖4（a）、4（b）所示

理論上，該二階帶通濾波器的中心頻率為1.6 kHz，由仿真圖4（a）的幅頻特性曲線可看出，仿真得到的中心頻率與理論值基本相同，其相頻特性也與理論基本相符。

4　結　論

文中以第二代電流傳輸器為基礎，設計了一種由6個RC元件和兩個CCII+構成的二階帶通濾波器。這種濾波器具有以下特點：1）結構簡單，所含元器件少，所有RC元件接地，便于集成。2）有源參數α、β對特征角頻率ω0和品質因數Q不產生影響。3）有源和無源靈敏度都很低。4）功耗低且便于級聯。因此，該濾波電路具有很好的應用前景。

圖4　仿真結果

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Current-mode second-order bandpass filter based on CCII+

XIJian-rui，YANG Jin-xiao，WANG Bing-zhang
（School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710129，China）

With the promotion of current-mode，systems and applicationswhich based on currentmode covering a number of important areas.One important component is the standard currentmode analog current conveyor and large number of new universal filter circuitswhich apply conveyorhave been raised.This paper proposesa new type ofsecond-orderband-pass filter of low-power，strong anti-interference abilityand easy integrationwhich use CCII+to achieve.

current-mode；circuitCCII；band-pass filter；sensitivity

TN713

A

1674-6236（2016）19-0145-03

2015-10-30稿件編號：201510235

席劍銳（1990—），男，陜西西安人，碩士。研究方向：微電子與固體電子學。