基于新型CCCII電流模式二階帶通濾波器設(shè)計(jì)

李 妍，于海勛

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)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(yùn)算放大器的固有缺點(diǎn)開始阻礙其在電路中應(yīng)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(rèn)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(biāo)定的電路。隨著信息技術(shù)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(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)、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(yùn)算放大器，由于運(yùn)算放大器固有的缺點(diǎn)，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(shù)成為當(dāng)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(lǐng)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(dú)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(yīng)用。但由于自身電路設(shè)計(jì)的不足，使電流傳輸特性無法達(dá)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(bǔ)電流鏡，跨導(dǎo)線性部分和混合環(huán)路組成?？蛇\(yùn)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(dāng)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(dá)到理想的程度[2]。由此1996年，Alain Fabre等人基于跨導(dǎo)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(shí)現(xiàn)的。

1.1 跨導(dǎo)線性（TL）原理

跨導(dǎo)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(jì)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(dǎo)線性環(huán)”，就會使電路計(jì)算大大簡化。在電流模電路中，幾乎到處都可以找到“跨導(dǎo)線性環(huán)”。

跨導(dǎo)線性環(huán)是由正偏的發(fā)射結(jié)或二級管組成的閉合環(huán)路，其中順時針方向的正偏結(jié)數(shù)等于反時針方向的正偏結(jié)數(shù)。圖1是由雙極型管組成的跨導(dǎo)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(jié)和順時針方向排列的正偏結(jié)數(shù)與反時針方向排列的正偏結(jié)數(shù)目必須相等。

圖1 跨導(dǎo)線性環(huán)Fig.1 Translinear loop

因?yàn)榭鐚?dǎo)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(jié)的電壓表達(dá)式，沿環(huán)一周各正偏結(jié)的電壓之和應(yīng)等于零，即：

1.2 CCCII設(shè)計(jì)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(dá)到電壓可調(diào)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(guān)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(dǎo)線性電路，其中I0為電路直流偏置。Z端口由兩個互補(bǔ)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(dǎo)線性混合環(huán)路，電流關(guān)系I1I3＝I2I4。X端寄生電阻Rx＝VT/2I0，其中VT是溫度的電壓當(dāng)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(shè)計(jì)與仿真

2.1 帶通濾波器設(shè)計(jì)

圖4為二階帶通濾波器設(shè)計(jì)由2個CCCII和2個電容組成。通過增加偏置電流改進(jìn)CCII得到CCCII電路。該設(shè)計(jì)不需要任何額外電阻，電路設(shè)計(jì)簡單。盡管電路設(shè)計(jì)簡單，但其能完成相應(yīng)功能并應(yīng)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(jì)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(bǔ)的輸出端Z直接獲得[6]。本設(shè)計(jì)通過偏置電流I0的較低值實(shí)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(dāng)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(shí)現(xiàn)，并且不影響品質(zhì)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(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)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(jié)果。

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results

3 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)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(gòu)成了電流模式二階濾波器。所有電容都接地，從集成電路實(shí)現(xiàn)的觀點(diǎn)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(shí)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(shè)計(jì)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(xué)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.