關(guān)于CCCⅡ與OTA的三輸入單輸出多功能電流模式濾波器

0 引 言

近些年，電流模式電子電路的發(fā)展得到越來(lái)越多的關(guān)注，與傳統(tǒng)的電壓模式電路相比，電流模式電路具有速度快、動(dòng)態(tài)范圍大、功耗小，適于超大規(guī)模集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。其中電流控制第二代電流傳送器(CCCⅡ)和跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(OTA)作為電流模式信號(hào)處理中的基本有源器件，在連續(xù)時(shí)間濾波器中得到了廣泛應(yīng)用。

大量基于電流傳送器的二階電流模式濾波器的文獻(xiàn)不斷見諸報(bào)道，當(dāng)然也包括許多三輸入單輸出的二階濾波器電路，但在這些電路中，有的仍然為電壓模式電路；有的雖然能夠?qū)崿F(xiàn)五種濾波器功能，卻要用不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而需要大量的有源器件，不利于集成；有的盡管只用兩個(gè)MOCC和少量無(wú)源器件，但中心頻率卻不可調(diào)。而由CCCⅡ和OTA結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)電流模式濾波器的電路則很少見。

本文提出的一種通用有源電流模式三輸入單輸出濾波器新電路，僅采用兩個(gè)電流傳送器、兩個(gè)電容和一個(gè)電阻，比文獻(xiàn)[9]中的電路節(jié)省一半以上的器件。所提出的電路，無(wú)源元件少且均接地，有利于全集成。理論分析及PSpice仿真結(jié)果表明所提電路的正確性。

1 電路描述

1.1 CCCⅡ簡(jiǎn)介

電流傳輸器CCCⅡ電路符號(hào)如圖1所示。

CCCⅡ的端口特性由下列混合矩陣方程給出：

式中：Rx是X端的輸入電阻，由偏置電流Ib控制，關(guān)系式為Rx=VT／（2Ib），在T=300 K的常溫下，VT=26 mV。

1.2 OTA簡(jiǎn)介

OTA的電路符號(hào)如圖2所示。

理想的OTA的傳輸特性是：

式中：Iout輸出電流；Vd是差模輸入電壓；Gm是開環(huán)增益，稱為跨導(dǎo)增益，它是外部控制電流Ib的函數(shù)。

1.3 三輸入單輸出二階電流模式濾波器

一種新穎的電流模式的三輸入單輸出的雙二階濾波器如圖3所示，該電路由一個(gè)CCCⅡ，一個(gè)OTA，兩個(gè)電容和一個(gè)電阻組成。其中：i1，i2，i3分別為輸入電流，iout為輸出電流。

由CCCⅡ和OTA的端口特性，并經(jīng)電路分析得到如下電流傳輸函數(shù)。

從上式可以看出，適當(dāng)選擇不同的輸入電流組合，能分別實(shí)現(xiàn)二階低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波器功能。其具體實(shí)現(xiàn)如下：

可見，濾波器的特征頻率可以通過接地電容C1和C2來(lái)調(diào)整。

2 靈敏度分析

根據(jù)靈敏度計(jì)算公式

得到的中心頻率ω0和品質(zhì)因素Q相對(duì)于電路中的各元件（RX，Gm，C1，C2）的靈敏度如表1所示。

由表1可知該電路的靈敏度與參數(shù)無(wú)關(guān)，而且在數(shù)值上等于0.5，因此該電路具有良好的靈敏度特性。

3 實(shí)例設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真

為了驗(yàn)證上述所提出的電路方案的正確性，對(duì)圖3的電路方案進(jìn)行了PSpice仿真，并與理論值相比較。

本文設(shè)計(jì)了品質(zhì)因素Q=1，中心頻率取ω0=26.24 kHz的低通、高通、帶通、帶阻和全通五種基本的二階濾波功能。

用CMOS構(gòu)成的CCCⅡ和OTA做PSpice仿真的宏觀模型圖如圖4，圖5所示。

設(shè)置CCCⅡ中的偏置電流Ib=6.0μA，偏置電壓VDD=-Vss=1.85 V，PMOS的寬長(zhǎng)是W=3 μm，L=2 μm；NMOS的寬長(zhǎng)是W=3μm，L=4 μm。

設(shè)置OTA中的偏置電流Ibp=25μA，PMOS與NMOS寬長(zhǎng)比見表2。

設(shè)置電容為C1=C2=1E-9 F，R3=3 kΩ仿真所實(shí)現(xiàn)的各種濾波器功能如圖6所示。圖7為不同中心頻率下所得的帶通頻響特性。由圖可看出，所得結(jié)果與理論分析完全吻合，從而證明了本文所提出的電路方案是正確的。

4 結(jié) 語(yǔ)

提出了一種新穎的CCCⅡ和OTA相結(jié)合的二階多功能電流模式濾波器，由于沒有使用浮地電容和電阻，便于實(shí)現(xiàn)集成。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過選擇不同的輸入端電流實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻和全通五種濾波功能。所設(shè)計(jì)的濾波器頻率可調(diào)，只需適當(dāng)調(diào)節(jié)CCCⅡ和OTA的偏置電流，則可達(dá)到調(diào)節(jié)CCCⅡ內(nèi)部電阻Rx及OTA的Gm，使得濾波器的調(diào)諧能力大大提高，且ω0，Q對(duì)無(wú)源元件靈敏度低。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該濾波器在較寬的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)良好。

編輯：jq