基于MOCCCⅡ的N阶电流模式滤波器的设计

2007-04-06 11:26:36来源: 电子技术应用

随着VLSI技术的发展,电流模电路(Current ModeCircuit)的研究正在蓬勃发展。与电压模电路相比,电流模电路具有频宽大、电路结构简单、电源损耗较低及动态范围较宽等优点。电流模式电路的设计和实现把模拟集成电路带入了一个新阶段。基于BJT(双极型晶体管)实现的第二代电流控制传输器CCCⅡ(Second Gen-eration Current Controlled Conveyer)除了具有上述各项优点外,尤其适合在高频和高速信号领域中应用,此外,电路中具有本质电阻(Intrinsic Resistance)的特点又使得由它设计的电路更具弹性。目前基于CCCⅡ的n阶电流模式滤波器,或大部分限于特殊类型(如低通)的滤波器,或电路结构及参数的设计较为复杂,所用有源和无源器件较多。本文仅用n+2个有源CCCⅡ器件、n个接地电容及两个电阻方便地构成低通、带通、高通、带阻及全通类型的n阶滤波器,整个电路结构及参数的设计都很简单。

1 N阶多功能滤波器的设计方法

1.1 MOCCCⅡ的电路实现

多输出的电流控制传输器MOCCCⅡ(Multiple outputscccⅡ)是在1996年法国Fabre等几位学者提出的第二代电流控制电流传输器的基础上设计出的。如果在CCCⅡ混合跨导线性环的后级加上多端输出的对称电流镜,则可获得MOCCCⅡ电路。其电路符号和实现原理如图1所示。电流传输矩阵为:


式中,VT=26mV(室温),本质电阻(寄生电阻)RX受偏置电流Ib控制。

1.2 信号流图及MOCCCⅡ滤波器的提出

由梅森公式分析可知,式(2)所表达的分子分母均为n阶传输函数,可由图2(a)所示的信号流图实现,针对连续系统,信号流图所表示的系统可用积分器来模拟,由CCCⅡ构成的积分器如图2(b)所示。

 


CCCⅡ积分器输出与输入的关系表达式为:Io/Ii=1/(SC1Rx)。有了信号流图及CCCⅡ积分器,便能迅速得出基于MOCCCⅡ的电流模式滤波器,电路如图3所示。图中,MOCCCⅡ0和MOCCCⅡn+l均采用多端输出的MOCCCⅡ,它的Z端输出电流与Y端输入电流的关系满足:Iz/Ii=Ra/Rxo,Rxo为左边第一个MOCCCⅡ0的寄生电阻,大小为Rxo=VT/2Ibo,最右边的MOCCCⅡn+1同理,而中间的积分器只需采用单端输出形式。

2 原理分析及多功能滤波器生成

由图3及电路基本理论可得:

式(3)到式(6)可以得到低通、带通、高通、带阻及全通滤波器电路。

2.1 低通滤波器

从式(3)到式(6)的推导过程可以看出,式(6)中分子的Sn项是由式(3)中左边的最后一个含Ii的项所产生的,电路图所对应的是图3中MOCCCⅡ0中最下面的Z端输出,即第n+l端Z输出(MOCCCⅡ0共有n+l端Z输出);Sn-1是式(3)的倒数第二个含Ii的项所产生的,电路图所对应的是图3中MOC-CCⅡ0中倒数第2端Z输出,即第n端Z输出,依次类推,分子的常数项为图3中MOCCCⅡ0的最上端Z输出,即第1端z输出。所以,低通滤波器传递函数为:



对应的电路为在图3中只保留MOCCCⅡ0的第1端Z输出,而去掉MOCCCⅡ0其他的Z端输出。



2.2 带通滤波器

若保留式(6)中分子的除常数项和Sn项外其他任意一项,则为带通滤波器。这里仅考虑保留Sn/2项(n为偶数),其传递函数为:



对应的电路为仅保留图3中MOCCCⅡ0的第(n/2)+1端Z输出,而去掉MOCCCⅡ0的其他Z端输出的电路。

2.3 高通滤波器

仅保留式(6)中分子的Sn项,则为高通滤波器,其传递函数为:

对应的电路为仅保留图3中MOCCCⅡ0第n+1端Z输出,而去掉其他MOCCCⅡ0的其他Z输出的电路。
 
2.4 带阻滤波器

保留式(6)中分子的Sn项和常数项,则为带阻滤波器,其传递函数为:

对应的电路为仅保留图3中MOCCCⅡ0第1端Z输出和第n+1端Z输出,而去掉MOCCCⅡ0的其他Z输出的电路。

2.5 全通滤波器

全通滤波器的传递函数表达式应为式(6)中分子Sn项符号与Sn-1项符号相反,且K1=K2=1。其传递函数为:

由于式(6)分子的常数项对应MOCCCⅡ0的第l端Z输出,S1项对应于第2端Z输出,S2项对应于第3端Z输出……所以式(11)所对应的电路是:将图3中MOCCCⅡ0的偶数端(从上往下数)输出改为反相输出,奇数端输出为同相输出。

3 计算机仿真

为了验证设计电路的可行性,对四阶巴特沃斯类型的各种滤波器进行了设计和PSPICE仿真。CCCⅡ的电源电压均取±5V,偏置电流Ib都设为13μA,则各Rx=VT/2Ib=1kΩ,电路中Ra=Rb=1kΩ,所以各传递函数中K1=Ra/Rao=K2=Rb/Rx(n+1)=1,电容C1=0.2613μF,C2=.1306μF,C3=O.0765μF,C4=0.03827μF。仿真结果如图4所示,可以看出所设计的多功能滤波器工作频率可达到4MHz左右,低通、高通、带通、带阻和全通滤波器仿真结果分别为图4(a)~(e)所示,从而证实了设计的可行性。




本文提出的基于MOCCCⅡ的电流模式n阶多功能滤波器,设计方法简单,综合性强,能产生各种高阶滤波器。只要改变图3中MOCCCⅡ0的Z输出端的连接方式,就可以得到低通、带通、高通及全通滤波器电路,其转换方法也很简单。滤波器结构简单,n阶滤波器仅用了n+2个有源CCCⅡ器件、n个接地电容及两个电阻,通过调整电容或者各CCCⅡ的偏置电流就可以实现滤波器截止角频率等参数的调谐,使得参数很容易设计。所有RC元件均接地,外接电阻少,便于单片集成。

关键字:损耗  低通  无源  带通

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