基于CCII和CDCTA的低功耗電控調(diào)諧n階濾波器設(shè)計(jì)詳解

針對高階濾波器功耗高和頻帶窄的問題，提出了一種電流模式n階多功能濾波器。該電路僅由一個(gè)第二代電流傳輸器（CCII）、一個(gè)電流差分級聯(lián)跨導(dǎo)放大器(CDCTA)以及接地電容組成。電路結(jié)構(gòu)簡單，功耗低至6.82 mW，靈敏度小于1，3 dB帶寬大于100 MHz，且?guī)捒呻娍卣{(diào)諧。PSpice仿真和硬件實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電路正確有效。

0 引言

連續(xù)時(shí)間濾波器在計(jì)算機(jī)、通信、電子、智能控制等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景，基于第二代電流傳輸器(Second Generation Current Conveyor，CCII)、運(yùn)算放大器(Operational Transconductance Amplifier，OTA)、電流差分跨導(dǎo)放大器(Current Differencing Transconductance Amplifier，CDTA)等各種有源器件的二階電流模式濾波器電路設(shè)計(jì)已經(jīng)有所報(bào)道[1-6]。CCII因其具有很強(qiáng)的通用性、靈活性和較寬的增益帶寬積而成為一種最基本的有源器件。CDCTA是繼電流差分跨導(dǎo)放大器CDTA之后提出的一種具有靈活度高、功耗低、頻帶寬、可電控調(diào)諧等特性的純電流模式有源器件[7]。

盡管基于各種有源器件的連續(xù)時(shí)間濾波器的設(shè)計(jì)已經(jīng)比較成熟，但是高階濾波器還是比較少見，特別是由不同器件結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)的高階濾波器鮮有介紹[8-10]。本文僅使用CCII和CDCTA兩個(gè)有源器件設(shè)計(jì)了一種n階多功能濾波器，它具有電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、頻帶寬、靈敏度低且可電控調(diào)諧等特點(diǎn)。

1 CCII與CDCTA的端口特性及電路

CCII是一種具有電流傳遞功能的電流模式器件，其電路符號和等效電路如圖1所示。CCII擁有X和Y兩個(gè)輸入端和一個(gè)電流跟隨輸出端Z，理想傳輸特性可用下列矩陣描述。

其中，gmi是第i級跨導(dǎo)增益，可由偏置電流IBi控制，Vz和Vxi是在輸出端口Z和Xi上的電壓降(假設(shè)有一個(gè)外部阻抗連接在端口上)。Vz和Vxi通過跨導(dǎo)轉(zhuǎn)變成下一級的輸出電流Ix1c和Ixic。

2 n階多功能濾波器的設(shè)計(jì)

圖3給出了基于CCII和CDCTA的多功能有源濾波器電路，它僅需一個(gè)CCII，一個(gè)CDCTA和n個(gè)接地電容，就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)n階低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波函數(shù)功能。因此，這種結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)n階濾波器電路被大大地簡化，非常適合于集成。如圖3所示，Iin是濾波器的輸入信號，Ioi是它的輸出信號。

根據(jù)圖3和式(1)~式(4)，電路輸出方程為：

高通濾波器：

由以上等式可知，可以直接從電路的Io1、Ioi、Io(n+1)分別獲得高通、帶通和低通濾波函數(shù)，且其頻帶都可通過gm電控調(diào)諧。此外如果需要生成帶阻和全通濾波函數(shù)，也僅僅只需要通過選擇Io1至Io(n+1)簡便地累加求和。

3 設(shè)計(jì)舉例

為了證明上述所提出的n階多功能濾波器可用性，設(shè)計(jì)了一個(gè)電流模式五階多功能濾波器，如圖4所示。假設(shè)偏置電流都取相等值，根據(jù)等式(10)～式(14)計(jì)算可得：

4 計(jì)算機(jī)仿真

為驗(yàn)證上述理論分析，設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為100 MHz五階巴特沃斯濾波器，其Δ(s)函數(shù)為：

為盡量減小有源器件對所設(shè)計(jì)的濾波器性能影響，第二代電流傳輸器[2]輸入電壓取正負(fù)1.25 V，Io取50 μA，I1=I2=I3=100 μA。CDCTA[11]電源設(shè)置如下：VDD=-VSS=1.25 V，Io=50 μA，IA=100 μA。為方便計(jì)算，取gm=100 μS，通過調(diào)諧偏置電流取IB=IB1=IB2=IB3=IB4=IB5=450.08 μA。根據(jù)所設(shè)定的電路參數(shù)，采用TSMC 0.18 μm CMOS模型在PSpice中對所設(shè)計(jì)的五階多功能濾波器進(jìn)行仿真。為使濾波器3 dB截止頻率為100 MHz，根據(jù)五階濾波器特殊函數(shù)以及等式(15)～式(19)，無源濾波器電容取值為C1=3.090 μF，C2=6.168 μF，C3=10.021 pF，C4=1.490 pF，C5=3.468 pF。仿真結(jié)果如圖5、圖6所示，實(shí)測五階濾波器3 dB截止頻率為99.88 MHz。

為了驗(yàn)證所提出的濾波器頻帶可電控調(diào)諧，當(dāng)CDCTA的偏置電流分別取IB=400.22 μA，IB=450.08 μA，IB=500.14 μA時(shí)，五階低通濾波器理論中心頻率分別為80 MHz、100 MHz、120 MHz，仿真結(jié)果如圖7所示。顯然，所提出的高階濾波器的帶寬可電控調(diào)諧。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的濾波器具有穩(wěn)定的傳輸響應(yīng)特性，選取五階低通濾波器做了方波測試，測試結(jié)果如圖8所示。

與此同時(shí)，為了分析電路的總諧波失真（THD），當(dāng)輸入信號取50 MHz正弦輸入信號時(shí)，THD仿真結(jié)果如圖9所示。顯然，當(dāng)五階濾波器電路電流小于30 μA時(shí)，電路的總諧波失真低于3.5%。此外，仿真結(jié)果表明該電路具有極低的功耗，測試功耗僅為6.82 mW。

5 結(jié)論

本文提出了一個(gè)純電流模式連續(xù)時(shí)間高階濾波器，它僅僅使用CCII與CDCTA兩個(gè)有源器件和n個(gè)接地電容，電路具有如下優(yōu)勢：(1)僅含兩個(gè)有源器件，結(jié)構(gòu)簡單；(2)不含無源電阻，易于集成；(3)電壓低，功耗?。?4)頻帶寬，適用范圍廣；(5)可實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻和全通5種濾波功能；(6)頻帶可電控調(diào)諧；(7)靈敏度低，失真度小?；谶@些特點(diǎn)，該多功能濾波器可用于通信信號處理領(lǐng)域中的信源篩選、干擾信號過濾等常見場景。