基于OTA和CCCII的電流模式可調(diào)諧濾波器

周細(xì)鳳，曾榮周

ZHOU Xifeng1,ZENG Rongzhou2

1.湖南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411101

2.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410151

基于OTA和CCCII的電流模式可調(diào)諧濾波器

周細(xì)鳳1，曾榮周2

ZHOU Xifeng1,ZENG Rongzhou2

1.湖南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411101

2.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410151

設(shè)計(jì)了一種新穎的雙二階電流模式通用濾波器結(jié)構(gòu)，該濾波器僅包含有源器件OTA、CCCII和接地電容，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與VLSI工藝兼容，便于集成，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)低通、高通、帶通、帶阻、全通等濾波功能；Q和ω0可以互相不影響的獨(dú)立調(diào)節(jié)。采用PSPICE軟件仿真分析了所提電路的性能。

電流控制電流傳送器；運(yùn)算跨導(dǎo)放大器；電可調(diào)諧；通用濾波器

1 引言

濾波器作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中必不可缺的基本模塊，一直倍受關(guān)注，而雙二階濾波，因?yàn)槠淠軌蚝芊奖愕丶?jí)聯(lián)成為高階濾波器，更是發(fā)展迅速。電流模式雙二階濾波，不但具有電流模式電路的諸多優(yōu)點(diǎn)，如較寬的帶寬，較大的線性范圍，以及較大的動(dòng)態(tài)范圍等，而且能夠很方便地級(jí)聯(lián)成為高階濾波器，因此受到了極大的關(guān)注[1-13]。另一方面，電流控制傳送器（CCCII）作為電流傳送器的一種改良形式，具有很強(qiáng)的通用性和比較寬的增益帶寬積，而且其X輸出端的電阻RX被偏置電流IB控制，很容易通過改變偏置電流IB來控制RX的值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電調(diào)諧功能。同時(shí)，運(yùn)算跨導(dǎo)放大器（OTA）因?yàn)榫哂泄ぷ黝l率高，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于集成等特點(diǎn)，被廣泛用于有源濾波電路中。在設(shè)計(jì)基于CCCII或者OTA的有源濾波電路時(shí)候，通常需要綜合考慮功耗、芯片面積、電路結(jié)構(gòu)以及是否便于調(diào)諧等因素。在已報(bào)道的各種雙二階濾波器的設(shè)計(jì)中，有些只能實(shí)現(xiàn)單一濾波功能，通用性不強(qiáng)[3]；有些雖能實(shí)現(xiàn)多功能，但所含元件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于降低功耗、成本和減少芯片面積[2-3，6-7，13]；有些角頻率ω0不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，電路電調(diào)諧性能不強(qiáng)[2-5，8]。

本文提出了一種新型的可調(diào)諧電流模式雙二階濾波器電路，該濾波器采用CCCII和OTA作為有源器件，僅包含接地電容，能夠?qū)崿F(xiàn)5種通用的濾波功能，如低通、高通、帶通、帶阻、全通。角頻率ω0和品種因素Q可能通過改變OTA的增益獨(dú)立調(diào)節(jié)；該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且功耗低。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 有源器件簡(jiǎn)介

CCCII的電流傳輸矩陣如式（1）所示，式（1）中，RX是X端電阻，RX=VT/2IB，VT≈26 mV（VT是溫度電壓當(dāng)量，室溫時(shí)為26 mV），IB是偏置電流。很明顯可通過改變偏置電流IB來控制RX的值。+、－號(hào)分別表示同相和反相輸出。

CCCII的電路模型和等效電路，分別如圖1（a）和圖1 （b）所示。

圖1 CCCII的電路符號(hào)和宏模型

OTA的電路符號(hào)可用圖2表示，圖中VI為輸入電壓，IO為輸出電流，g為跨導(dǎo)，IB為可調(diào)節(jié)的外部偏置電流，它們之間的關(guān)系為：IO=gVI(g=IB/2VT)。將OTA的輸出端和反向輸入端短接，同相輸入端接地，如圖3所示，可以得到一個(gè)可調(diào)電阻，電阻值如式（2）所示，這樣的有源電阻所占用的芯片面積小，阻值可以通過IO進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 OTA等效電阻

圖2 OTA電路符號(hào)

采用多輸出OTA和接地電容所構(gòu)成的電流模式無損積分器的電路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。采用無損積分電路，可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)各種不同類型的有源濾波電路或者振蕩器電路[6，11]。

圖4 電流模式無損積分器

2.2 電流模式雙二階濾波器的結(jié)構(gòu)及傳遞函數(shù)

基于CCCII和OTA的雙二階電流模式濾波器如圖5所示，該濾波器包含2個(gè)CCCII和2個(gè)跨導(dǎo)運(yùn)放，2個(gè)接地電容，Iin為外部輸入電流，Iout1、Iout2、Iout3均為輸出電流。根據(jù)圖5以及CCCII和OTA的端口特性，可得如下方程組：

其中：

在圖5中，3個(gè)輸出端能夠直接實(shí)現(xiàn)高通、低通和帶通3種濾波功能，對(duì)這3個(gè)輸出端子進(jìn)行組合，可以實(shí)現(xiàn)其他的兩種濾波功能。其中帶阻為 Inotch=Ilp+Ihp，全通為具體的傳遞函數(shù)如式（5）所示：

由表達(dá)式（3）、（5），可見圖5所示的濾波器電路可以實(shí)現(xiàn)高通、帶通、低通、帶阻以及全通5種濾波功能。當(dāng)gm0·RX0＜＜1，有g(shù)m0·RX0+1近似為1，D1(s)第一項(xiàng)近似為C1C2Rx2s2/gm1，此時(shí)，其特征頻率ω0和品質(zhì)因數(shù)Q分別為：

圖5 基于CCCII和OTA的雙二階電流模式濾波器

2.3 非理想特性分析

當(dāng)考慮CCCII的非理性特性時(shí)候，有 IZ=αIX(α= 1-ei，ei表示Z端對(duì)X端的電流跟隨誤差，理想情況下ei=0），VX=βVY+IXRX（β=1-ev，ev表示X端對(duì)Y端的電壓跟隨誤差理想情況下ev=0）；同樣考慮OTA的非理性特性時(shí)，有Vin·gm·γ=Iout（γ=1-eg，eg表示跨導(dǎo)的傳導(dǎo)誤差，理想情況下eg=1）。重新分析表達(dá)式（3）所示的傳遞函數(shù)，有：

相應(yīng)的，角頻率和品質(zhì)因素分別變?yōu)椋?/p>

對(duì)于有源網(wǎng)絡(luò)來說，靈敏度分析，是十分必要的，靈敏度的定義式為：

根據(jù)靈敏度的定義式，圖5所示，有源濾波器的參數(shù)γ0的靈敏度采用下式可以計(jì)算：

可得：

采用同樣的方法，可以得到其他參數(shù)的靈敏度大小，如式（13）和式（14）所示：

由以上各表達(dá)式可見，該電路具有很低的靈敏度。

3 電路仿真分析

為了驗(yàn)證理論分析的可行性，對(duì)圖5（b）所示的電路通過PSPICE進(jìn)行了模擬仿真測(cè)試。在測(cè)試過程中，MOS管采用TSMC.35μm的CMOS工藝，電源電壓為VDD=－VSS= 1.85 V。CCCII所采用的電路原理圖如圖6所示[2，6]，IB1= 150μA，IB2=14.5μA；MOS的寬長(zhǎng)比如表1所示。OTA所選取的電路原理圖如圖7所示[10]，IO1=3μA，IO2=212μA；MOS的寬長(zhǎng)比如表2所示。

圖6 CCCII的MOS電路結(jié)構(gòu)圖

表1 CCCII內(nèi)部電路中MOS的寬長(zhǎng)比

圖7 OTA的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖

表2 OTA的內(nèi)部電路中MOS的寬長(zhǎng)比

取C1=C2=10 pF，經(jīng)計(jì)算得角頻率為F0=5.29 MHz，理論與實(shí)際電路的幅頻特性如圖8所示。由圖可見，所得結(jié)果與理論分析十分吻合。

圖8 電流模式雙二階濾波器的各種濾波特性的幅頻曲線圖

角頻率ω0可以通過偏置電流IB或者IO來調(diào)節(jié)，在本測(cè)試中，保持Q=1，不變，令I(lǐng)B1=150μA，IO1=3μA，將IO2和IB2分別設(shè)置為表3的值，所得到的帶通特性測(cè)試結(jié)果如圖9所示。由圖9可見，可調(diào)節(jié)的范圍從0.7 MHz到7 MHz。圖10給出了保持ω0為常數(shù)的時(shí)候，取IB1=150μA，IO1=3μA，分別將IO2和IB2設(shè)置為表4的值的時(shí)候，測(cè)試所得到的帶阻特性的幅頻響應(yīng)曲線。

表3 調(diào)節(jié)角頻率ω0的偏置電流表

表4 調(diào)節(jié)Q的偏置電流

圖9 調(diào)節(jié)ω0所得的帶通響應(yīng)圖

圖10 調(diào)節(jié)Q所得的帶阻響應(yīng)圖

4 結(jié)束語

提出了一種電流模式雙二階通用濾波器，該濾波器采用CCCII和OTA作為有源器件，只包含接地電容，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于VLSI集成；且所有的輸出都從CCCII的Z端輸出，具有很高的輸出阻抗，可以直接級(jí)聯(lián)，得到高階濾波器。PSPICE軟件仿真分析表明，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)5種基本的濾波功能，如低通、高通、帶通、帶阻、全通；Q和ω0可以互相不影響地獨(dú)立調(diào)節(jié)，有源和無源靈敏度都很低。

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1.College of Electrical&Information Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan,Hunan 411101,China

2.Hunan Mechanical&Electrical Polytechnic,Changsha 410151,China

A new electronically tunable universal Current-Mode（CM）filter structure employing two Current Controlled Conveyor（CCCIIs）,two OTAs and only grounded capacitors are presented.It's compatible with VLSI technology since no resistance is employed in the circuit.This versatile filter can simultaneously realize five basic transfer functions from the same configuration.The parameter ω0can be tuned by changing component manually without effect to the Q.The simulation results have been carried out by PSPICE.

Current Controlled Conveyor（CCCII）;Operational Transconductance Amplifier（OTA）;electronically tunable;universal filter

A

TN911.71

10.3778/j.issn.1002-8331.1207-0064

ZHOU Xifeng,ZENG Rongzhou.Electronically tunable current-mode universal filter employing CCCII and OTA.Computer Engineering and Applications,2013,49（7）：68-71.

湖南省教育廳項(xiàng)目（No.11C0321）；湖南工程學(xué)院科研項(xiàng)目（No.xj0903）。

周細(xì)鳳（1979—），女，在讀博士，講師，研究領(lǐng)域?yàn)镃MOS模擬集成電路設(shè)計(jì)，有源濾波器設(shè)計(jì)，開關(guān)電容技術(shù)等。E-mail：xifeng-zhou@whu.edu.cn

2012-07-06

2012-08-30

1002-8331（2013）07-0068-04

CNKI出版日期：2012-11-09 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20121109.1152.001.html