基于第三代電流傳輸器的濾波器設(shè)計(jì)

王麗娜，陳向東，李沁蓮

(四川成都西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610031)

由于電流模式電路比電壓模式有明顯的優(yōu)勢(shì)，如寬帶寬、更好的線性度、更大的動(dòng)態(tài)擺幅和低功耗[1-3]等，所以，電流模式電路在信號(hào)處理等高性能電路領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。此外，電流模式有源器件已被證實(shí)比常規(guī)的運(yùn)算放大器更簡(jiǎn)單，操作更方便。近年來(lái)，有源技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，出現(xiàn)了各種卓有成效的設(shè)計(jì)思路和方法。

二階有源濾波器已經(jīng)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的研究課題，第三代電流傳輸器 (CCIII)[4]作為一個(gè)新的有源元件被引入，然而基于CCIII的二階有源濾波器研究成果較少。本文提出了3種濾波結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)采用單一有源元件(CCIII)和幾個(gè)無(wú)源元件，不需要匹配條件，所有電路都有很好的靈敏度特性，元件數(shù)目較少，適合用CMOS實(shí)現(xiàn)，仿真結(jié)果證明了電路的可行性。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 第三代電流傳輸器基本電路

理想雙輸出第三代電流傳輸器的電路符號(hào)如圖1所示[5]，式(1)為其理想端口特性矩陣[5]，其中矩陣中的正號(hào)和負(fù)號(hào)分別表示電流是流進(jìn)z端口還是流出z端口，用此來(lái)區(qū)分CCIII+和 CCIII-。

1.2 低通、高通、帶通濾波器的電路

本文提出的二階電流模式低通、高通、帶通3種濾波器電路分別如圖2、圖3、圖4所示。每個(gè)構(gòu)造只使用單一CCIII-和幾個(gè)電阻、電容。

二階有源濾波器的設(shè)計(jì)是多階有源濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，二階實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)移函數(shù)如式(2)所示：

選 擇 適 當(dāng) 的 系 數(shù) ak(k=0，1，2)，bk(k=0，1)即 可 實(shí) 現(xiàn)以上3種濾波器。高階濾波器可以用二階節(jié)級(jí)聯(lián)或多路負(fù)反饋級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于圖2，3，4的電路圖，電流傳輸函數(shù)分別為：

式(3)、(4)、(5)分別是二階的低通、高通、帶通濾波器的傳遞函數(shù)。其極點(diǎn)角頻率分別為極點(diǎn)角頻率與極點(diǎn)品質(zhì)因數(shù)之比分別為：

所以，圖2、圖3、圖4的電路方案從理論上可以實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通功能。

2 電路仿真

為了驗(yàn)證提出的電路結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)低Q(0＜Q＜5)值的3種濾波器，應(yīng)用單一CCIII和幾個(gè)不同的RC構(gòu)成的濾波電路，使用HSPICE LEVEL49的MOS模型參數(shù)，在TMSC 0.35 μm CMOS 工藝、電源電壓 VDD=2.5 V、VSS＝-2.5 V條件下，設(shè)定Q=1，MOS管的尺寸為PMOS的W/L=210 μm/0.7 μm 和 NMOS 的 W/L=70 μm/0.7 μm，圖2、圖3、圖4中 ，I1=1 mA，R1=10 kΩ，R2=10 kΩ，R3=1 kΩ，R4=1 kΩ，C1=1 nF，C2=1 nF。

對(duì)3種電路進(jìn)行仿真。圖2、圖3、圖4的濾波器的幅頻響應(yīng)分別如圖5、圖6、圖7所示。

從圖中可以看出，幅頻在很寬的范圍內(nèi)都有效。適當(dāng)選取 R1、R2、R3、C1、C2的值，可以 設(shè)計(jì)出不同低 Q(0＜Q＜5)值的濾波器。

3 靈敏度分析

設(shè)一個(gè)濾波器的靈敏度為S，網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)ω和Q為y，電路元件電阻R或電容C為x，則網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)y對(duì)電路元件參數(shù)x的靈敏度函數(shù)定義為：

將低通濾波器的 ωp代入式(3)和式(6)，可得低通濾波器的電阻和電容靈敏度為：

將高通濾波器的 ωp代入式(4)和式(6)，可得高通濾波器的電阻和電容靈敏度為：

將帶通濾波器的極點(diǎn)角頻率 ωp代入式(5)和式(6)，可得低通濾波器的電阻和電容靈敏度為：

從上式分析可知，提出的低通、高通、帶通濾波器都具有較低的無(wú)源靈敏度。

濾波器對(duì)有源元件的靈敏度即求解濾波器對(duì)有源元件CCIII的靈敏度[7]。考慮 CCIII的非理想特性，假定非理想電流傳輸器描述為：

式中 hi=1+εi，|εi|＜＜1，i=1，…，4 為電壓電流跟蹤誤差[8]。

考慮式(7)中的跟蹤誤差，低通、高通、帶通濾波器的傳輸函數(shù)分別為：

從上面3個(gè)傳輸函數(shù)不難看出：CCIII的電壓電流的跟蹤誤差對(duì)濾波器的極點(diǎn)角頻率沒(méi)有影響，對(duì)極點(diǎn)角頻率與極點(diǎn)品質(zhì)因數(shù)的影響也較小，故有源靈敏度相對(duì)較低。

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