電流模式二階帶通濾波器設(shè)計

吳從中,宋宇

(合肥工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009)

電流模式二階帶通濾波器設(shè)計

吳從中,宋宇

(合肥工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009)

針對傳統(tǒng)帶通濾波器電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題,提出一種基于電流控制傳輸器（CCCII）的電流模式二階帶通濾波器電路。該電路由一個CCCII和3個接地RC元件構(gòu)成,可通過調(diào)節(jié)偏置電流控制電路的中心頻率,具有結(jié)構(gòu)簡單,方便集成的特點(diǎn),并且具有很低的靈敏度。使用Hspice軟件對電路進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了該設(shè)計的正確性。

電流模式；電流控制傳輸器；帶通濾波器；靈敏度

電流模式電路因其在傳輸速度、帶寬、線性度和動態(tài)范圍等方面相對于電壓模式電路有更為優(yōu)良的性能,因而受到了高度關(guān)注［1-2］。電流傳輸器（CC）是一種電流模式電路,研究發(fā)現(xiàn)電流傳輸器能提供優(yōu)于通用運(yùn)算放大器的電路性能,由電流傳輸器和其他電子元件可十分方便的構(gòu)成各種特定的電路結(jié)構(gòu),在模擬信號處理上有著廣泛應(yīng)用。近年來,基于第二代電流傳輸器（CCII）的濾波電路、放大電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路不斷被人們設(shè)計實(shí)現(xiàn)。然而第二代電流傳輸器有兩個缺點(diǎn):1）自身參數(shù)不易調(diào)節(jié)；2）由于端口X存在寄生電阻,因而導(dǎo)致從Y端到X端的電壓存在跟隨誤差。1996年,Fabre使用雙極型晶體管實(shí)現(xiàn)了電流控制傳輸器（CCCII）。電流控制傳輸器不僅方便調(diào)節(jié),并且端口Y到端口X有很低的電壓跟隨誤差。基于電流控制傳輸器的電流模式濾波器電路、振蕩器電路和放大器電路近年來也不斷被提出。然而以往提出的帶通濾波電路通常使用多個電流傳輸器和電子元件,電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜［3-5］。本文設(shè)計了一種二階帶通濾波器電路,該電路僅由一個電流控制傳輸器和3個電容電阻構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡單,其中心頻率可通過偏置電流控制,易于調(diào)節(jié),并且具有很低的靈敏度,使用Hspice軟件驗(yàn)證了該設(shè)計的正確性。

1 電流控制傳輸器原理及實(shí)現(xiàn)電路

電流控制傳輸器的電路符號如圖1所示,其端口特性可用下列矩陣方程表示［6］:

圖1 CCCII電路符號Fig.1 Electrical symbol of the CCCII

式 （1）中,+號表示Z端電流流進(jìn)電流控制傳輸器（CCCII+）,-號表示Z端電流流出電流控制傳輸器（CCCII-）。由式（1）可知,CCCII的Y端口電流為零,X端口電壓跟隨Y端口的電壓,Z端口電流跟隨X端口的電流。由此可見,Y端口輸入阻抗為無窮大,是電壓輸入端。X端口是電流輸入端,而且X端口電壓跟隨加于Y端口的電壓,輸入阻抗很低。低阻抗X輸入端的電流傳輸?shù)礁咦杩沟腪輸出端,即在Z端口產(chǎn)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。Rx為X端口的輸入寄生電阻,可由下式表示:

其中VT為熱電壓,當(dāng)在常溫T=300 K下時,VT≈26 mV。Ib為CCCII的偏置電流。由（2）式可見,電流控制傳輸器X端口的輸入寄生電阻Rx的阻值可由偏置電流Ib控制。

本文使用的電流控制傳輸器為CCCII-,即Z端口和X端口的電流關(guān)系為Iz=-Ix。CCCII-使用BTJ三極管實(shí)現(xiàn),其電路如圖2所示［7］。

圖2 CCCII-實(shí)現(xiàn)電路Fig.2 Circuit diagram of CCCII-

2 基于CCCII的二階帶通濾波器實(shí)現(xiàn)及分析

本文設(shè)計的二階帶通濾波器如圖3所示。該濾波器電路由一個CCCII-、兩個電容和一個電阻構(gòu)成。

圖3 二階帶通濾波器原理圖Fig.3 Circuit diagram of second-order bandpass filter

計算該二階帶通濾波器的傳遞函數(shù)為:

則該二階帶通濾波器的中心頻率ω0和品質(zhì)因數(shù)Q分別為:

根據(jù)靈敏度公式的定義［8-9］:

將式（4）、式（5）分別代入式（6）,可分析該電流模式二階帶通濾波器ω0和Q對無源器件的無源靈敏度,分析結(jié)果為:

其中△=R1C1+R1C2+RxC2。

由以上計算結(jié)果可知,該帶通濾波電路對無源器件的靈敏度均小于1,具有很低的無源靈敏度。

計算有源靈敏度時,需要求出在非理想條件下該濾波器的傳遞函數(shù)。在非理想情況下,由于電流控制傳輸器的端口存在一定的電流和電壓的跟隨誤差,電流控制傳輸器的端口特性矩陣方程變?yōu)?

式中α=1-εv,εv（εv1）為從Y端口到X端口的電壓跟隨誤差。β=1-εi,εi（εi1）為從X端口到Z端口的電流跟隨誤差。

則二階帶通濾波器的傳遞函數(shù)變?yōu)?

其中心頻率ω0與式（4）相同,品質(zhì)因數(shù)Q為:

將式（4）、式（9）代入式（6）,可分析該電流模式二階帶通濾波器ω0和Q對有源器件的有源靈敏度,分析結(jié)果為:

由上面的計算結(jié)果可知,該帶通濾波電路的有源靈敏度也小于1,因此該濾波器也具有很低的有源靈敏度。

3 電路Hspice仿真

為了驗(yàn)證圖3所設(shè)計電路的正確性,使用Hspice對電路進(jìn)行仿真［10］。設(shè)定參數(shù)為CCCII-電源電壓取±2.5 V,C1=C2=1nF, R1=1.3 kΩ,偏置電流Ib=20 μA。經(jīng)過計算可知此時帶通濾波器的理論中心頻率為f0=173.1 kHz。若保持其他參數(shù)不變,取偏置電流Ib=80 μA時,則帶通濾波器的理論中心頻率變?yōu)閒0=346.3 kHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示?？梢?當(dāng)改變偏置電流大小時,帶通濾波器的中心頻率也發(fā)生了變化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論數(shù)據(jù)基本吻合,因此本文所設(shè)計的二階帶通濾波器電路是正確的。

圖4 仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result

4 結(jié)束語

本文使用電流控制傳輸器設(shè)計電流模式二階帶通濾波器,為了使電路的結(jié)構(gòu)盡量簡單,僅使用了一個CCCII和3個接地RC元件。通過Hspice對電路進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了該設(shè)計的正確性。本文設(shè)計的電流模式二階帶通濾波器電路具有以下幾個特點(diǎn):

1）電路結(jié)構(gòu)簡單,僅使用一個電流控制傳輸器和3個RC元件,并且RC元件均接地,便于集成；

2）電路的中心頻率可由偏置電流控制,方便調(diào)節(jié)；

3）電路具有很低的無源靈敏度和有源靈敏度。

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The design of current-mode second-order bandpass filter

WU Cong-zhong，SONG Yu
（School of Computer and Information,Hefei University of Technology,Hefei 230009，China）

According to the fact that traditional bandpass filter circuit has a complex structure，a current-mode second-order bandpass filter based on the second-generation current-controlled current conveyor（CCCII）is presented.The circuit consists of one CCCII and three grounded R and C components.The central frequency can be controlled by adjusting the bias current.The circuit has a simple structure，very low sensitivity，and easy to integrate.Hspice simulation result is given to confirm the theoretical analysis.

current-mode；current-controlled current conveyor；bandpass filter；sensitivity

TN713+.5

：A

：1674-6236（2015）18-0183-03

2014-12-15稿件編號：201412118

吳從中 （1965—）,男,安徽安慶人,副教授。研究方向:嵌入式系統(tǒng)和信號處理。