基于MOCCCⅡ的N階電流模式濾波器的設(shè)計

隨著VLSI技術(shù)的發(fā)展，電流模電路(Current ModeCircuit)的研究正在蓬勃發(fā)展。與電壓模電路相比，電流模電路具有頻寬大、電路結(jié)構(gòu)簡單、電源損耗較低及動態(tài)范圍較寬等優(yōu)點。電流模式電路的設(shè)計和實現(xiàn)把模擬集成電路帶入了一個新階段。基于BJT(雙極型晶體管)實現(xiàn)的第二代電流控制傳輸器CCCⅡ(Second Gen-eration Current Controlled Conveyer)除了具有上述各項優(yōu)點外，尤其適合在高頻和高速信號領(lǐng)域中應(yīng)用，此外，電路中具有本質(zhì)電阻(Intrinsic Resistance)的特點又使得由它設(shè)計的電路更具彈性。目前基于CCCⅡ的n階電流模式濾波器，或大部分限于特殊類型(如低通)的濾波器，或電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)的設(shè)計較為復(fù)雜，所用有源和無源器件較多。本文僅用n+2個有源CCCⅡ器件、n個接地電容及兩個電阻方便地構(gòu)成低通、帶通、高通、帶阻及全通類型的n階濾波器，整個電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)的設(shè)計都很簡單。

1 N階多功能濾波器的設(shè)計方法

1.1 MOCCCⅡ的電路實現(xiàn)

多輸出的電流控制傳輸器MOCCCⅡ(Multiple outputscccⅡ)是在1996年法國Fabre等幾位學(xué)者提出的第二代電流控制電流傳輸器的基礎(chǔ)上設(shè)計出的。如果在CCCⅡ混合跨導(dǎo)線性環(huán)的后級加上多端輸出的對稱電流鏡，則可獲得MOCCCⅡ電路。其電路符號和實現(xiàn)原理如圖1所示。電流傳輸矩陣為：

式中，VT=26mV(室溫)，本質(zhì)電阻(寄生電阻)RX受偏置電流Ib控制。

1.2 信號流圖及MOCCCⅡ濾波器的提出

由梅森公式分析可知，式(2)所表達(dá)的分子分母均為n階傳輸函數(shù)，可由圖2(a)所示的信號流圖實現(xiàn)，針對連續(xù)系統(tǒng)，信號流圖所表示的系統(tǒng)可用積分器來模擬，由CCCⅡ構(gòu)成的積分器如圖2(b)所示。

CCCⅡ積分器輸出與輸入的關(guān)系表達(dá)式為：Io／Ii=1／(SC1Rx)。有了信號流圖及CCCⅡ積分器，便能迅速得出基于MOCCCⅡ的電流模式濾波器，電路如圖3所示。圖中，MOCCCⅡ0和MOCCCⅡn+l均采用多端輸出的MOCCCⅡ，它的Z端輸出電流與Y端輸入電流的關(guān)系滿足：Iz／Ii=Ra／Rxo，Rxo為左邊第一個MOCCCⅡ0的寄生電阻，大小為Rxo=VT／2Ibo，最右邊的MOCCCⅡn+1同理，而中間的積分器只需采用單端輸出形式。

2 原理分析及多功能濾波器生成

由圖3及電路基本理論可得：

由

式(3)到式(6)可以得到低通、帶通、高通、帶阻及全通濾波器電路。

2.1 低通濾波器

從式(3)到式(6)的推導(dǎo)過程可以看出，式(6)中分子的Sn項是由式(3)中左邊的最后一個含Ii的項所產(chǎn)生的，電路圖所對應(yīng)的是圖3中MOCCCⅡ0中最下面的Z端輸出，即第n+l端Z輸出(MOCCCⅡ0共有n+l端Z輸出)；Sn-1是式(3)的倒數(shù)第二個含Ii的項所產(chǎn)生的，電路圖所對應(yīng)的是圖3中MOC-CCⅡ0中倒數(shù)第2端Z輸出，即第n端Z輸出，依次類推，分子的常數(shù)項為圖3中MOCCCⅡ0的最上端Z輸出，即第1端z輸出。所以，低通濾波器傳遞函數(shù)為：

對應(yīng)的電路為在圖3中只保留MOCCCⅡ0的第1端Z輸出，而去掉MOCCCⅡ0其他的Z端輸出。

2.2 帶通濾波器

若保留式(6)中分子的除常數(shù)項和Sn項外其他任意一項，則為帶通濾波器。這里僅考慮保留Sn／2項(n為偶數(shù))，其傳遞函數(shù)為：

對應(yīng)的電路為僅保留圖3中MOCCCⅡ0的第(n／2)+1端Z輸出，而去掉MOCCCⅡ0的其他Z端輸出的電路。

2.3 高通濾波器

僅保留式(6)中分子的Sn項，則為高通濾波器，其傳遞函數(shù)為：

對應(yīng)的電路為僅保留圖3中MOCCCⅡ0第n+1端Z輸出，而去掉其他MOCCCⅡ0的其他Z輸出的電路。

2.4 帶阻濾波器

保留式(6)中分子的Sn項和常數(shù)項，則為帶阻濾波器，其傳遞函數(shù)為：

對應(yīng)的電路為僅保留圖3中MOCCCⅡ0第1端Z輸出和第n+1端Z輸出，而去掉MOCCCⅡ0的其他Z輸出的電路。

2.5 全通濾波器

全通濾波器的傳遞函數(shù)表達(dá)式應(yīng)為式(6)中分子Sn項符號與Sn-1項符號相反，且K1=K2=1。其傳遞函數(shù)為：

由于式(6)分子的常數(shù)項對應(yīng)MOCCCⅡ0的第l端Z輸出，S1項對應(yīng)于第2端Z輸出，S2項對應(yīng)于第3端Z輸出……所以式(11)所對應(yīng)的電路是：將圖3中MOCCCⅡ0的偶數(shù)端(從上往下數(shù))輸出改為反相輸出，奇數(shù)端輸出為同相輸出。

3 計算機(jī)仿真

為了驗證設(shè)計電路的可行性，對四階巴特沃斯類型的各種濾波器進(jìn)行了設(shè)計和PSPICE仿真。CCCⅡ的電源電壓均取±5V，偏置電流Ib都設(shè)為13μA，則各Rx=VT／2Ib=1kΩ，電路中Ra=Rb=1kΩ，所以各傳遞函數(shù)中K1=Ra／Rao=K2=Rb／Rx(n+1)=1，電容C1=0.2613μF，C2=.1306μF，C3=O.0765μF，C4=0.03827μF。仿真結(jié)果如圖4所示，可以看出所設(shè)計的多功能濾波器工作頻率可達(dá)到4MHz左右，低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波器仿真結(jié)果分別為圖4(a)～(e)所示，從而證實了設(shè)計的可行性。

本文提出的基于MOCCCⅡ的電流模式n階多功能濾波器，設(shè)計方法簡單，綜合性強，能產(chǎn)生各種高階濾波器。只要改變圖3中MOCCCⅡ0的Z輸出端的連接方式，就可以得到低通、帶通、高通及全通濾波器電路，其轉(zhuǎn)換方法也很簡單。濾波器結(jié)構(gòu)簡單，n階濾波器僅用了n+2個有源CCCⅡ器件、n個接地電容及兩個電阻，通過調(diào)整電容或者各CCCⅡ的偏置電流就可以實現(xiàn)濾波器截止角頻率等參數(shù)的調(diào)諧，使得參數(shù)很容易設(shè)計。所有RC元件均接地，外接電阻少，便于單片集成。