參數(shù)可線性重構(gòu)的電流模式二階帶通濾波器

宋樹(shù)祥,王小華,解鴻國(guó)

(廣西師范大學(xué)電子工程學(xué)院,廣西桂林 541004)

參數(shù)可線性重構(gòu)的電流模式二階帶通濾波器

宋樹(shù)祥,王小華,解鴻國(guó)

(廣西師范大學(xué)電子工程學(xué)院,廣西桂林 541004)

針對(duì)二階通用帶通濾波器存在特征參數(shù)不能線性重構(gòu)的缺點(diǎn),提出一種全新的特征參數(shù)可線性重構(gòu)的電流模式二階帶通濾波器設(shè)計(jì)理論。該調(diào)諧濾波器通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電流放大器的放大系數(shù)可線性重構(gòu)二階帶通濾波器的截止頻率、品質(zhì)因素等參數(shù),而濾波器的幅頻特性保持不變。Spectre仿真結(jié)果表明,±1.5 V電源電壓下,濾波器的中心頻率和品質(zhì)因素在2 GHz內(nèi)可線性重構(gòu)。

帶通濾波器;線性可重構(gòu);電流控制的電流傳輸器;電流放大器

1 引 言

隨著全集成有源濾波器的發(fā)展,參數(shù)可重構(gòu)的連續(xù)時(shí)間集成濾波器的研究和開(kāi)發(fā)已成為主流趨勢(shì),特別是在低中頻架構(gòu)接收機(jī)、ADSL(Asymmetrical Digital Subscriber Loop)和CDMA(Code Division Multiple Access)無(wú)線接收技術(shù)中,參數(shù)可重構(gòu)濾波器由于有著非常吸引人的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用[1-5]。因?yàn)榻邮諜C(jī)中的濾波器是鏡像抑制和信道選擇的關(guān)鍵模塊,其性能直接影響接收機(jī)的多項(xiàng)指標(biāo),濾波器的參數(shù)可重構(gòu)設(shè)計(jì),可以較好地解決因受工藝、環(huán)境(溫度、工作電壓)以及老化等因素的影響而導(dǎo)致濾波器性能發(fā)生變化無(wú)法恢復(fù)接收機(jī)性能這一問(wèn)題。另一方面,濾波器的參數(shù)可重構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)于設(shè)計(jì)可重構(gòu)系統(tǒng)也具有重要意義。基于CCCⅡ的電流模式濾波器因比電壓模式濾波器具有更寬的信號(hào)頻帶、更好的線形度和更大的動(dòng)態(tài)范圍而備受關(guān)注,各種不同類型的濾波器也被大量提出[6-9]。本文鑒于二階通用帶通濾波器的濾波參數(shù)重構(gòu)范圍窄且不能線性重構(gòu)等缺點(diǎn),提出一種全新的特征參數(shù)可線性重構(gòu)的電流模式二階帶通濾波器設(shè)計(jì)理論。該調(diào)諧濾波器通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電流放大器的放大系數(shù)A可線性重構(gòu)二階帶通濾波器的截止頻率、品質(zhì)因素等參數(shù)。整個(gè)設(shè)計(jì)在保證濾波器精確的幅頻特性基礎(chǔ)上使得帶通濾波器的截止頻率、品質(zhì)因素等參數(shù)具有線性可調(diào)諧性。

2 參數(shù)可線性重構(gòu)的二階帶通濾波器設(shè)計(jì)原理

1996年,Fabre等人提出了電流控制傳輸器(CCCⅡ)[10]。該電流控制傳輸器由于具有較好的電流控制功能而廣泛應(yīng)用,其實(shí)現(xiàn)電路及符號(hào)如圖1所示。

圖1 電流控制傳輸器CCCⅡ的電路和符號(hào)Fig.1 Circuit and symbol of CCCⅡ

在理想情況下,端口電流、電壓的關(guān)系可用式(1)表示:

式中,Rx=VT/2IB,VT≈26 mV。電阻Rx的值可被偏置電流IB調(diào)諧。z+表示同相輸出,z-表示反相輸出,iz+=ix,iz-=-ix。在本設(shè)計(jì)中將用電流控制傳輸器作為設(shè)計(jì)參數(shù)可線性重構(gòu)的二階帶通濾波器的基本設(shè)計(jì)模塊。

本文在基本二階濾波器的基礎(chǔ)上提出一種特征參數(shù)可線性重構(gòu)的電流模式帶通濾波器的設(shè)計(jì)理論,其工作原理如下所述。

圖2 基本二階濾波器原理圖Fig.2 Principle diagram of basic second-order filter

圖2為帶通輸出和加有電流放大電路的低通輸出的基本二階濾波器原理圖,根據(jù)濾波器低通和帶通的系統(tǒng)函數(shù)理論,圖2的二階低通和帶通系統(tǒng)函數(shù)如下:

從式(2)可以計(jì)算出基本二階濾波器的特征頻率f0=1/2π。如果在圖2的基礎(chǔ)上,從低通輸出端引出一個(gè)反饋電流,該經(jīng)電流放大器放大A倍后和輸入電流疊加,作為二階濾波器的輸入信號(hào),那么將構(gòu)成一種新的二階濾波器,如圖3所示。該電路具有參數(shù)可重構(gòu)功能,下面對(duì)該電路的濾波參數(shù)可重構(gòu)性進(jìn)行分析。

圖3 參數(shù)可重構(gòu)的二階帶通濾波器原理圖Fig.3 Principle diagram of second-order bandpass filter with reconfigurable parameters

為了達(dá)到二階濾波器電路參數(shù)可線性重構(gòu)的目的,將圖3進(jìn)行改進(jìn),在原有電路的基礎(chǔ)上再加上一個(gè)電流反饋回路,如圖4所示。

圖4 參數(shù)可線性重構(gòu)的帶通二階濾波器原理框圖Fig.4 Principle diagram of second-order bandpass filter with linear reconfigurable parameters

通過(guò)計(jì)算得出,圖4中二階濾波電路的帶通系統(tǒng)函數(shù)如式(5)所示:

為了更好地說(shuō)明圖4所示電路參數(shù)可線性重構(gòu)的性質(zhì),根據(jù)式(2)、式(3)和式(5),將圖2、圖3和圖4濾波器的特征參數(shù)計(jì)算出來(lái),如表1所示。

表1 基本二階、可重構(gòu)二階和可線性重構(gòu)的二階帶通濾波器特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of basic,parameters reconfigurable and parameters linear reconfigurable second-order bandpass filters

從表1可以看出,如果基本二階濾波器的參數(shù)設(shè)定,圖3結(jié)構(gòu)中二階帶通濾波器電路的中心頻率和品質(zhì)因素可以通過(guò)放大系數(shù)A來(lái)重構(gòu),重構(gòu)系數(shù)為 1-A,具有非線性重構(gòu)特性。圖4結(jié)構(gòu)中二階帶通濾波器的電路參數(shù)也可以通過(guò)重構(gòu)電流放大倍數(shù)A來(lái)重構(gòu),重構(gòu)系數(shù)為(1-A),具有線性重構(gòu)特性,而且只要滿足(1-A)>0即可,重構(gòu)范圍寬。從表1還可以看出,圖3和圖4電路的二階帶通增益和-3 dB帶寬與基本二階濾波器嚴(yán)格保持一樣,這在無(wú)線接收技術(shù)設(shè)計(jì)中十分重要。

為了驗(yàn)證所提出的參數(shù)可線性重構(gòu)的帶通二階濾波器設(shè)計(jì)理論是否正確,本文提出基于圖1(a)所示的CCCⅡ的參數(shù)可線性重構(gòu)的二階帶通濾波器如圖5所示。1、2、3號(hào)CCC Ⅱ模塊和電容 c1、c2構(gòu)成圖 2的基本二階帶通濾波器,控制(control)CCCⅡ模塊和3號(hào)CCCⅡ模塊構(gòu)成電流放大器A。圖5中電壓Vy2通過(guò)電容c1構(gòu)成低通輸出。通過(guò)對(duì)控制(control)CCCⅡ模塊的兩個(gè)輸出電流進(jìn)行設(shè)計(jì),使Iz1=2Ix,Iz2=-AIx,那么參數(shù)可線性重構(gòu)的二階帶通濾波器總的反饋電流為 Iz=(2-A)Ix,其中 A=-IBC/IB。

圖5 基于CCCⅡ的參數(shù)可線性重構(gòu)的帶通濾波器電路Fig.5 Circuit of bandpass filter with linear reconfigurable parameters based on CCCⅡ

在圖 5電路中,設(shè) IB1=IB2=IB3=IB,則 1、2、3號(hào)CCCⅡ模塊X端的輸入電阻可計(jì)算為Rx1=Rx2=Rx3=VT/2IB。令c1=c2=C,則圖5虛線框內(nèi)基本二階低通和帶通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可計(jì)算如下:

從式(6)得出基本二階濾波器的中心頻率為f0=1/2πRxC。通過(guò)對(duì)比式(6)和式(5),可計(jì)算出參數(shù)a′=a=RxC,b=(RxC)2。這樣,參數(shù)可線性重構(gòu)的帶通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)如下:

根據(jù)文獻(xiàn)[10],計(jì)算得到放大系數(shù) A=-IBC/IB,且A≤0。二階帶通濾波器的電路參數(shù)可以通過(guò)改變CCCⅡ模塊中的外接電流源的直流電流比IBC/IB來(lái)線性重構(gòu),重構(gòu)范圍寬(只要滿足 A≤0即可)且重構(gòu)十分方便。

3 靈敏度分析

4 Spectre仿真

為了驗(yàn)證參數(shù)可線性重構(gòu)二階帶通濾波器的設(shè)計(jì)理論證的正確性,在0.18 μ m SMIC BiCMOS工藝條件下對(duì)圖5所示電路進(jìn)行Spectre仿真。取電路的參數(shù)為:電源電壓為±1.5V,電容取值C1=C2=C=5 pF,偏置電流 IB1=IB2=IB3=50 μ A,則可計(jì)算出基本二階帶通濾波器的理論中心頻率為122 MHz。取電流放大器的放大系數(shù)A等于-1、-2和-5,即偏置電流 IBC分別為50 μ A 、100 μ A和250 μ A時(shí)對(duì)濾波器進(jìn)行Spectre仿真,仿真結(jié)果如圖6所示。分析圖6可得出 f0T=239 MHz(A=-1)、f0T=368MHz(A=-2)和 f0T=736 MHz(A=-5),與理論計(jì)算值f0T=244 MHz(A=-1)、f0T=366 MHz(A=-2)和f0T=732 MHz(A=-5)基本一致,由此可得出,本文所提出的參數(shù)可線性重構(gòu)的電流模式二階帶通濾波器理論是正確的。本文提出的可線性重構(gòu)二階帶通濾波器是對(duì)文獻(xiàn)[6]提出的二階帶通濾波器的改進(jìn),但和文獻(xiàn)[6]相比具有更寬的頻率可調(diào)諧范圍,而且中心頻率和品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)可以通過(guò)放大系數(shù) A線性重構(gòu),準(zhǔn)確性更好。

圖6 Spectre仿真結(jié)果(電流放大系數(shù)A=-1,-2,-5)Fig.6 Spectre simulation results(current amplification coefficient A=-1,-2,-5)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種參數(shù)可線性重構(gòu)的二階帶通濾波器設(shè)計(jì)理論,該濾波器通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電流放大器的放大系數(shù)A可線性重構(gòu)二階帶通濾波器的截止頻率、品質(zhì)因素等參數(shù)。采用0.18 μ m SMIC BiCMOS工藝,±1.5 V電源電壓下,設(shè)計(jì)了基于CCCⅡ的參數(shù)可線性重構(gòu)的帶通濾波器電路。Spectre仿真結(jié)果表明,該濾波器電路的中心頻率和品質(zhì)因素在2 GHz內(nèi)可線性重構(gòu),偏差小于2%。該理論同樣適用于高通可線性重構(gòu)濾波器設(shè)計(jì)。

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SONG Shu-xiang was born inShuangfeng,Hunan Province,in 1970.He received the Ph.D.degree from Huazhong University of Science and Technology in 2009.He is now an associate professor.His research concerns analog integrated circuit design.

Email:songshuxiang@mailbox.gxnu.edu.cn

王小華(1980—),男,湖南邵陽(yáng)人,講師,主要研究方向?yàn)槟M集成電路設(shè)計(jì);

W ANG Xiao-hua was born inShaoyang,Hunan Province,in 1980.He is now a lecturer.His research concerns analog circuit design.

解鴻國(guó)(1983—),男,山西大同人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槟M集成電路設(shè)計(jì)及其應(yīng)用。

XIE Hong-guowasborn in Datong,Shanxi Province,in 1983.He is now a graduate student.His research concerns analog integrated circuits and their applications.

The National Natural Science Foundation of China(No.61061006)

A Current-mode Second-order Bandpass Filter with Linear Reconfigurable Parameters

SONG Shu-xiang,WANG Xiao-hua,XIE Hong-guo
(College of Electronic Engineering,Guangxi Normal University,Guilin 541004,China)

In view of the shortcoming that the filter characteristic parameters of the second-order universal bandpass filters can not be linearly modified,a novel design theory for the second-order current-mode bandpass filter with linear reconfigurable characteristic parameters is presented.The parameters of the filter such as cut-off frequency and Q-factor can be linearly reconfigured by adjusting the value of the gain of the current feedback amplifiers,without any change of the filter amplitude-frequency characteristics.Spectre simulation results confirm that the filter cut-off frequency and Q-factor can be linearly reconstructed in 2 GHz with±1.5 V power supply voltage.

bandpass filter;linear reconfigurable;current controlled current conveyor;current amplifier

TN713

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.029

1001-893X(2012)06-0974-05

2012-01-20;

2012-03-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61061006)

宋樹(shù)祥(1970—),男,湖南雙峰人,2009年于華中科技大學(xué)獲電路與系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位,現(xiàn)為副教授,主要研究方向?yàn)槟M集成電路設(shè)計(jì);