基于ＣＣＣⅡ的双二阶电流模式多功能滤波器结构

黄　巍　江金光

摘 要：提出了一种基于CCCⅡ的三输入单输出多功能电流模式双二阶滤波器结构。该滤波器结构简单，仅包含两个MOCCCⅡ，一个电阻和两个接地电容。该结构通过选择不同的输入端和输出端可以得到4个三输入单输出二阶多功能滤波电路，这4个电路均可以实现低通、高通、带通、带阻、全通滤波功能，并且角频率ω0和品质因素Q可以实现独立可调,具有很低的无源和有源灵敏度。

关键词：电流控制电流传送器;电流模式;三输入单输出滤波器;低灵敏度

中图分类号：TN713文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2009)03-078-03

Current-Mode Universal Biquadratic Filter Structure Based on CCCⅡ

HUANG Wei,JIANG Jinguang

(Global Navigation Satellite System Research Center,Wuhan University,Wuhan,430079,China)

Abstract：A three inputs and single output current-mode universal biquadratic filter structure using two multiple outputs current controlled conveyors and three RC passive components is presented.By choosing different inputs and outputs,four current-mode universal biquadratic filters of three inputs and single output can be implemented.And the structure has several advantages,such as the simple structure,very low active and passive sensitivities,independently adjustable natural angular frequency ω0 and the quality factor Q.

Keywords：current controlled conveyor;current-mode;three inputs and single output filter;low sensitivities

0 引 言

自电流传送器(Current Conveyor,CC)问世以来，采用电流传送器来实现多功能有源滤波器的功能和优点受到广泛关注［1］。基于第二代电流传输器 (The Second Generation Current Conveyor,CCⅡ) 的电流模式滤波器由于其带宽，线性和动态范围等性能比运算放大器(Operational Amplifier) 更优越而被广泛研究［2］。FABRE A等人则利用双极型晶体管的线性互导特性，提出了电流控制电流传送器(CCCⅡ)［3,4］,从而将电流传送器的应用拓宽到电子可调谐功能的领域［2］ 。

近年来，很多三输入、单输出多功能二阶滤波器被陆续提出。在文献［1，2，5-10］中，都提出了三输入、单输出二阶多功能滤波器，但是他们的电路结构不够简单,使用不够灵活。CHIU W Y，HORNG J W等提出的三输入、单输出滤波器［1，5-7］，能实现多种滤波功能,可是所用的有源器件太多(文献［1］中需要3个DDCC和4个RC元件，文献［5］中需要3个CCⅡ和5个RC元件,文献［6］中需要3个CCⅡ和6个RC元件,文献［7］中需要5个CCⅡ和8个RC元件),而且角频率ω0和品质因素Q不能独立可调。HORNG采用3个CCⅡ和4个RC元件来实现电压模式多功能滤波器［8］,但是这个电路的灵敏度不够低,影响电路的稳定性。宋树祥［9］提出了最小元件的新型多功能CCCⅡ-C电流模式滤波器,虽然其功能比较完善,但是这个电路的角频率和品质因素不能独立可调。王春华［10］于2006年提出了单MOCCⅡ多功能电流模式二阶滤波器结构电路,电路由单个MOCCⅡ有源器件及4个RC无源元件构成,但是由于CCⅡ在X端口存在寄生电阻,因而会造成传输函数的误差。而本文所提出的三输入、单输出多功能二阶滤波器结构简单，仅包含两个CCCⅡ，一个电阻和两个接地电容,并且角频率ω0和品质因素Q可以实现独立可调，具有很低的无源和有源灵敏度，该结构最大的一个特点是通过选择不同的输入端和输出端可以得到4个三输入单输出二阶多功能滤波电路,从而使该结构的使用更加灵活。

1 电路的提出与分析

本文采用的MOCCCⅡ(Multiple Outputs Current Controlled Conveyor Ⅱ)是FABRE等人提出的CCCⅡ电路［4］的基础上采用交叉耦合电流镜技术实现正负多端输出的。MOCCCⅡ电路符号如图1所示,它的端口特性可由矩阵表示：

IYVXIZ1驣ZNIZ1驣ZM〗=00001RX000100螃螃螃01000-100螃螃螃0-100〗•VYIXVZVZ〗(1)

其中：IZ1~IZN为同相电流输出端，IZ1~IZM为反相电流输出端，RX为MOCCCⅡ器件X端口的自身电阻，受偏置电流IB控制，其值RX=VT/2IB，VT约为-26 mV(室温)。

图1 MOCCCⅡ的电路符号

本文所提出的电路结构仅由2个CCCⅡ，1个电阻和2个接地电容组成，选择不同的输入端可以得到4个电路，如图2所示。

这4个电路的传输函数分别为：

Iout1=/(2)

Iout2=/(3)

Iout3=/(4)

Iout4=/(5)

图2 三输入、单输出多功能二阶滤波器结构电路

由此可以看出所提出的4个电路均可实现三输入单输出，在这里选取图2(a)的传输函数Iout1来讨论：

(1) 若I3=Iin,I1=-Iin,I2=0,此时可以实现高通滤波。

(2) 若I2=Iin,I1=-Iin,I3=0,此时可以实现带通滤波。

(3) 若I2=Iin,I1=I3=0,此时可以实现低通滤波。

(4) 若I3=Iin,I1=-2Iin,I2=2Iin,此时可以实现全通滤波。

由此可以看出这4个电路均可实现所有的滤波功能，并且从这4个电路图中可以看出，这4个电路采用同样的器件和同样的电路结构，而仅仅是采用的输入端和输出端的不同，便可得到四种三输入单输出的多功能滤波器。

而且，该电路结构简单，采用的器件较少，仅含有2个CCCⅡ，1个电阻和2个接地电容，便于硬件实现。电路仅运用两个CCCⅡ,而未采用MOCCCⅡ,从而使电路更为简单。

2 灵敏度分析

考虑到非理想情况，CCCⅡ的端口特性须改写为：

IYVXIZ1驣ZNIZ1驣ZM=0000βRX000α00

螃螃螃0α000-α00

螃螃螃0-α00•VYIXVZVZ(6)

式中：α=1-εi(|εi|1),β=1-εV(|εV|1),其中，εi与εV分别为CCCⅡ的电流和电压的跟随误差，考虑到CCCⅡ的非理想特性，电路的传输函数的特征方程转换为：

D(s)=β1β2RX1RX2C1C2s2-α1α2RC1s-α1α2=

(1-εV1)(1-εV2)RX1RX2C1C2s2-(7)

(1-εi1)(1-εi2)RC1s-(1-εi1)(1-εi2)

固有频率ω0和品质因素Q分别为：

ω0=α1α2β1β2RX1RX2C1C2(8)

Q=1Rβ1β2RX1RX2C2α1α2C1(9)

电路的固有频率ω0和品质因素Q可以通过RX1和R独立调节。

该电路的有源和无源灵敏度为：

Sω0α1,α2=-Sω0β1,β2=-Sω0RX1,RX2,C1,C2=1/2(10)

SQβ1,β2=-SQα1,α2=SQRX1,RX2,C2=-SQC1=1/2

SQR=-1(11)

所有的有源和无源灵敏度都很小。

3 硬件仿真

运用Hspice对所提出的电路进行仿真，采用Chartered CMOS 0.35 μm工艺的nmos_3p3和pmos_3p3。为实现电路的滤波特性,采用的CCCⅡ结构如图3所示，仿真时电源电压VDD=1.65 V,VSS=-1.65 V，偏置电流IB为1.3 μA，NMOS管的宽和长为W=10 μm,L=2 μm，PMOS管的宽和长为W=10 μm,L=1 μm。

图3 CCCⅡ的结构

由于所提出的电路较多,鉴于篇幅有限,在这里给出图2(d)的电路的仿真结果如图4所示。

图4(a)为C1=C2=20 pF ，R=10 kΩ带通滤波器的幅频特性；图4(b)为C1=C2=20 pF，R=10 kΩ低通滤波器的幅频特性；图4(c)为C1=C2=10 pF，R=10 kΩ高通滤波器的幅频特性；图4(d)和图4(e)分别为C1=C2=10 pF，R=10 kΩ全通滤波器的幅频特性和相频特性。

图4 电路图2(d)的仿真结果

由实验数据的分析结果可以看出，在该滤波器电路中，通过不同的输入端，在输出端可以分别实现高通、低通和带通滤波功能显然仿真结果与理论分析一致，证实了电路的可行性。

4 结 语

本文提出了基于CCCⅡ的双二阶电流模式多功能滤波器结构，该结构具有以下特点：

(1) 通过选择不同的输入端和输出端可以得到4个三输入单输出二阶多功能滤波电路,从而使该结构的使用更加灵活；

(2) 结构非常简单。整个电路结构仅由2个MOCCCⅡ和3个RC元件构成；

(3) 具有多功能性，可以产生电流模式二阶低通、高通，带通及全通滤波器；

(4) 具有较低的灵敏度；

(5) 固有频率ω0和品质因数Q相互独立可调。

参考文献

［1］Chiu W Y,Horng J W.High-input and Low-output Impedance Voltage-mode Universal Biquadratic Filter Using DDCCs［J］.IEEE Trans.on Circuits and System-II:Express Briefs,2007,54(8):649-652.

［2］Shahram M,Sait T.Current-mode Electronically Tunable Universal Filter Using only Plus-type Current Controlled Conveyors and Grounded Capacitors［J］.ETRI Journal,2004,26(4):292-296.

［3］Fabre A,Saaid O,Wiest F,et al.High Frequency Applications Based on a New Current Controlled Conveyor［J］.IEEE Trans.on Circuits and System-I,1996,43(2):82-91.

［4］Fabre A,Saaid O,Wiest F,et al.Low Power Current-mode Second-order Band-pass IF Filter［J］.IEEE Trans.on Circuits and System-II,1997,44(6):436-445.

［5］Horng J W.High Input Impedance Voltage-mode Universal Biquadratic Filters with Three Inputs Using Plus-type CCⅡs［J］.Int.Electronics,2004,91(8):465-475.

［6］何怡刚,江金光,吴杰.一种新颖的基于电流传送器的三输入单输出多功能滤波器［J］.电子测量与仪器学报,1999,12(2):88-91.

［7］Chang C M,Chen P C.Universal Active Current Filter with Three Inputs and One Output Using Current Conveyor［J］.Int.Electronics,1991,71(5):817-819.

［8］Horng J W.High-input Impedance Voltage-mode Universal Biquadratic Filter Using Three Plus-type CCⅡs［J］.IEEE Trans.on Circuits and System-II:Analog Digit.Signal Process,2001,48(10):996-997.

［9］宋树祥.最小元件的新型多功能CCCⅡ-C电流模式滤波器［J］.长沙大学学报,2005,19(5):57-59.

［10］王春华.单MOCCⅡ多功能电流模式二阶滤波器［J］.仪器仪表学报,2006,27(11):1 493-1 496.

作者简介

黄 巍 男，1984年出生，湖北广水人，硕士研究生。主要研究方向为射频及数模混合集成电路设计。

江金光 男，1969年出生，湖南株洲人，博士后，教授。主要研究方向为高性能数模转换、滤波器和射频集成电路、低电压/低功率数模混合集成电路设计。

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