基于CCCII電流模式二階有源多功能濾波器設(shè)計(jì)

李園海，高海生

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西 南昌330013）

作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中不可缺少的電路模塊，濾波器在隨著信號(hào)精度要求不斷提高的需求下越來(lái)越受到重視，雙二階濾波能夠很方便地級(jí)聯(lián)成為高階濾波器，又可以單獨(dú)使用，因此在整個(gè)濾波器的研究發(fā)展中占據(jù)了重要的位置［1-2］。電流模式雙二階濾波結(jié)構(gòu)綜合了電流模式濾波電路的動(dòng)態(tài)范圍與帶寬較廣，動(dòng)態(tài)范圍較大的諸多優(yōu)點(diǎn)?；诘诙娏鱾鬏斊鰿CII（current conveyor II）的電流模式濾波器因相對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)放構(gòu)成的電壓模式有源濾波器在線性度，信號(hào)頻帶和動(dòng)態(tài)范圍等性能上優(yōu)勢(shì)明顯，因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)并推出了各種不同類型的電流模式濾波器，并進(jìn)行了深入研究和改進(jìn)。但由于CCII自身特性，無(wú)法完全消除其X端的寄生電阻，這就導(dǎo)致了基于CCII的電路產(chǎn)生傳輸誤差［3］。如若需要對(duì)濾波器設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，哪怕對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，需要對(duì)無(wú)源器件的大小進(jìn)行調(diào)整，這就涉及到更換元件的問(wèn)題，十分麻煩。第二代電流控制電流傳輸器CCCII作為CCII的改良形式，在A.Fabre和O.Suaid提出后受到了研究者廣泛關(guān)注，其具有很強(qiáng)的通用性和較寬的增益帶寬積。電路中通過(guò)利用雙極型晶體管的線性互導(dǎo)的特性，可控制偏置電流IB來(lái)調(diào)節(jié)X端寄生電阻RX的大小，達(dá)到實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的電調(diào)諧功能［4］。

設(shè)計(jì)電路為二階電流模式單輸入多輸出濾波器結(jié)構(gòu)，僅采用較少的阻容元件接地，以CCCII作為基本模塊，通過(guò)對(duì)輸出端的線性連接，能夠?qū)崿F(xiàn)高通低通帶通帶阻全通5類通用的濾波功能。該電路是通過(guò)在各類基于傳統(tǒng)運(yùn)放濾波器的電路上進(jìn)行改進(jìn)，利用CCCII模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、中心頻率和無(wú)源靈敏度都較低。

1 電路理論與設(shè)計(jì)

1.1 CCCII——器件及端口特性

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［5］。其不僅保留了CCII的所有特性（輸入、輸出端口的矩陣關(guān)系），還通過(guò)改變直流偏置電源增加了新的特性。

圖1為設(shè)定的CCCII實(shí)現(xiàn)模塊下層電路，輸入端口X與Y之間的電路為混合跨導(dǎo)線性環(huán)路，由雙極性晶體管Q1～Q4組成，其電流關(guān)系為I1I3=I2I4［5］。電路所需的直流偏置電流IB通過(guò)Q9～Q13回路組成的鏡像電流源提供，而Q5～Q8構(gòu)成的兩個(gè)互補(bǔ)電流鏡能夠在Z端輸出X端的復(fù)制電流，-Z端作為反向輸出端［6-7］。RX為X端的寄生電阻，其值RX=VT/2IB（VT是溫度電壓當(dāng)量，常溫下約為26 mV）。很明顯，可通過(guò)改變偏置電流IB來(lái)控制RX的值［9］。電流傳輸矩陣如式（1），+、-號(hào)分別表示同相和反相輸出。

圖1 新型電流傳輸器CCCII電路原理圖Fig.1 Circuit diagram of new current conveyor CCCII

圖2（a）所示為CCCII在PSpice中設(shè)定的層次電路外部模型，2（b）為其等效電路。

圖2 CCCII的層次電路模型和等效電路Fig.2 Hierarchical circuit model and the equivalent circuit of CCCII

1.2 二階濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該濾波器設(shè)計(jì)僅由3個(gè)CCCII器件、1個(gè)接地電阻和兩個(gè)接地電容構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，CCCII1輸入端通過(guò)電流源Iin作為唯一外部輸入電流，Iout1，Iout2，Iout3為輸出電流端，見(jiàn)圖3。

圖3 基于CCCII的雙二階電流模式濾波器Fig.3 Second-older current mode filter based on CCCII

1.3 傳遞函數(shù)計(jì)算

根據(jù)圖3的濾波器電路結(jié)構(gòu)、基爾霍夫電流定律（KCL）及CCCII本身端口特性，可得如下方程組：

由上述方程整理可得

還可將Iout1，Iout2，Iout33個(gè)輸出端的電流相互連接到一起，則可得到

經(jīng)過(guò)理論分析可知，在不改變電路結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)選取不同的輸出端就可以實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通等不同的濾波功能。

由式（6）可知，Iout1實(shí)現(xiàn)了高通濾波器，由式（7）可知，Iout2實(shí)現(xiàn)了帶通濾波器，由式（8）可知，Iout3實(shí)現(xiàn)了低通濾波器，由式（11）可知，Iout4也就是通過(guò)組合Iout1與Iout3輸出端，可實(shí)現(xiàn)帶阻濾波器，由式（12）可知，Iout5也就是Iout1，Iout2，Iout3的組合輸出，實(shí)現(xiàn)了全通輸出，由于3個(gè)基本輸出端口均為高阻，Iout4，Iout5只需將基本輸出端線性連接即可實(shí)現(xiàn)［8-9］。

由推算得出的極點(diǎn)頻率與極點(diǎn)Q值可知，這兩個(gè)參數(shù)都受到各CCCII寄生電阻Rx的影響，而Rx可通過(guò)CCCII的偏置電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，無(wú)需調(diào)整設(shè)計(jì)電路的無(wú)源器件參數(shù)，就能夠方便的調(diào)試濾波器性能，電調(diào)諧作用明顯。

1.4 靈敏度分析

對(duì)于一個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)，靈敏度分析是十分必要的，靈敏度是衡量由于環(huán)境改變而引起元件變化造成的濾波器影響的偏差大?。?0-11］。其定義式為

根據(jù)靈敏度的定義式，可計(jì)算各參數(shù)靈敏度大小如下：

上述計(jì)算表明，由此電路得到的二階濾波器其無(wú)源靈敏度均為與電路無(wú)關(guān)的常數(shù)，且絕對(duì)值均小于1，由此可見(jiàn)各參數(shù)無(wú)源靈敏度都是比較低的。

2 仿真環(huán)境介紹

電路仿真分析是模擬電路設(shè)計(jì)的核心部分，由于模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，對(duì)仿真工具也提出了較高的精度與速度等各方面要求，目前在眾多電力電子仿真軟件里，OrCAD PSpice有著廣泛的用戶人群。該軟件由OrCAD公司推出，在對(duì)各類電路進(jìn)行仿真分析的過(guò)程中，能夠緊密結(jié)合電路原理圖，構(gòu)建與實(shí)際元件特性十分相似的電路元件模型，仿真波形與實(shí)際電路檢測(cè)的結(jié)果十分相近，因此在電路設(shè)計(jì)中具有十分重要的指導(dǎo)意義［12］。

PSpice軟件的優(yōu)點(diǎn)在于：

1）能夠提供電路所進(jìn)行的模擬仿真包含了瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)和頻域狀態(tài)，包括直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析、參數(shù)分析、噪聲分析、溫度分析、蒙特卡羅分析和最壞情況分析等多類分析功能。

2）PSpice對(duì)電路的精確模擬、分析及優(yōu)化范圍很廣，可以從直流一直到大于100 GHz的微波范圍。

3）該軟件為設(shè)計(jì)者提供了上萬(wàn)個(gè)的模擬器件仿真模型用于設(shè)計(jì)需要，用戶也可以通過(guò)使用自行設(shè)定參數(shù)變量，構(gòu)建自己所需的器件模型。

4）PSpice在電路設(shè)計(jì)中相當(dāng)于一個(gè)軟件板，使用戶從不同角度對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行研究與分析，大大提高了設(shè)計(jì)效率，節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本。

3 電路仿真與分析

為了驗(yàn)證電路的正確性及電路性能，利用PSpice對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行模擬仿真測(cè)試，通過(guò)OrCAD Capture CIS 繪制層次電路原理圖3及CCCII 模塊下層電路圖1，通過(guò)PSpice A/D Edition 仿真輸出交流分析波形。測(cè)試過(guò)程中CCCII模塊下層電路即圖1的三極管NPN管選擇Q2N696，PNP管選擇Q2N722，Q2N722與Q2N696的參數(shù)設(shè)置如表1所示［13］。

表1 參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter settings

3個(gè)CCCII器件電源電壓為2.5 V，偏置電流均為13 μA，得到寄生電阻Rx為1 kΩ，取電阻R為1 kΩ，電容C1=C2=0.1 μF，計(jì)算得出ω=106rad·s-1，Q=1，令輸入交流Iin=2 A，仿真結(jié)果及特性曲線見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 高通與低通幅頻特性曲線Fig.4 High-pass and low-pass amplitude-frequency characteristic curve

圖5 帶通與帶阻幅頻特性曲線Fig.5 Band-pass and band-stop amplitude-frequency characteristic curve

圖4、圖5仿真結(jié)果波形分別顯示為高通、低通和帶通、帶阻的幅頻特性，其中心頻率約為140 kHz，與ω=106rad·s-1的理論數(shù)據(jù)相近。

電路中，電路內(nèi)置參數(shù)值的變動(dòng)對(duì)電路的性能有著不同的影響，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)電路的無(wú)源器件與CCCII偏置電流進(jìn)行參數(shù)掃描分析，以電路高通輸出端Iout1進(jìn)行檢測(cè)，可得到參數(shù)變化對(duì)電路影響的特性曲線。

圖6為IB1（IB2）=1.32.613 μA，C1=0.1110 nF時(shí)的高通輸出特性曲線。而在分析過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)IB3、C2和R對(duì)電路影響十分小，可以忽略。

從圖中我們可以看出，通過(guò)調(diào)整IB1、IB2或者C1的取值，可以達(dá)到調(diào)整電路的線性、帶寬等性能的作用。由于無(wú)源器件C1的調(diào)節(jié)需要通過(guò)更換其電路元件來(lái)完成，較為麻煩，因此通常利用較為方便的電流源IB1，IB2來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。將IB1用作電路粗調(diào)，IB2用作電路細(xì)調(diào)，可以很方便的使電路達(dá)到最精確最優(yōu)的性能。

4 結(jié)論

在第二代電流控制電流傳輸器CCCII 的基礎(chǔ)上展開(kāi)研究，提出了一個(gè)基于CCCII 的電流模式多功能濾波器，設(shè)計(jì)得到的電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，無(wú)源器件較少，便于集成。極點(diǎn)頻率和極點(diǎn)Q值相互獨(dú)立，可利用CCCII偏置電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，電調(diào)諧性能良好。通過(guò)計(jì)算機(jī)PSpice 仿真分析驗(yàn)證其能夠?qū)崿F(xiàn)多種濾波功能，無(wú)源靈敏度低。

圖6 IB1，IB2，C1取不同值時(shí)的高通輸出特性曲線Fig.6 High-pass output characteristic curve for different value ofIB1，IB2，C1

通過(guò)對(duì)兩個(gè)電路中的有源器件與無(wú)源元件進(jìn)行參數(shù)掃描分析，針對(duì)元件參數(shù)變化給電路線性、帶寬等性能帶來(lái)的影響進(jìn)行了研究，使電路實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中能夠合理選擇出各元件參數(shù)的最佳取值，達(dá)到實(shí)際需要的濾波效果。

[1] CHEN H P,CHU P L.Versatile universal electronically tunable current-mode filter using CCCIIs[J].IEICE Electron Express,2009,6(2):122-128.

[2] 王春華.新穎的基于CCII的電壓模式二階濾波器[J].微電子學(xué),1998,28(1):49-53.

[3] FABRE A,SUAID O.High frequency applications based on a new current controlled conveyor[J].IEEE Trans on Circuits and Systems,1996,43(2):82-91.

[4] 周細(xì)鳳,曾榮周.基于OTA和CCCII的電流模式可調(diào)諧濾波器[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2013,49(7):78-84.

[5] SUWAT MANEEWAN,BANCHA SREEWIROTE,WINAI JAIKLA.Electronically tunable voltage-mode universal filter using DDCC and CCCII[J].International Conference on Circuits System and Simulation,2011,7(2):34-42.

[6] 譚陽(yáng)紅,賀迅宇,韋力強(qiáng),等.單輸入多輸出通用可調(diào)濾波器的CCCII實(shí)現(xiàn)[J].株洲工學(xué)院學(xué)報(bào),2006,20(2):61-64.

[7] PAUL S K,PANDEY N.Realization of plus-tye CCCIIs based voltage mode universal filter[C]//Proceedings of IEEE IntSymp on Integrated Circuits,2007:119-122.

[8] 劉燕鵬,彭良玉,楊春慧.基于MOCCII和CCCII的三輸入單輸出濾波器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(8):33-37.

[9] YUCE E,MINAEI S.ICCII-based universal current mode analog filter employing only grounded passive components[J].Analog Integr Circ Sig Process,2009,58(2):161-169.

[10] 官雪輝,陳鵬,劉海文,等.超寬帶濾波器的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,28(1):15-17.

[11] PANDEY N,PAUL S K.All-pass filter based on CCII-and CCCII-[J].Int J Electron,2004,91(8):485-489.

[12] 李妍,于海勛.基于新型CCCII電流模式二階帶通濾波器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(17):67-71.

[13] 譚陽(yáng)紅.基于OrCAD16.3的電子電路分析與設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2011:103-109.