《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CCII和CDCTA的低功耗電控調(diào)諧n階濾波器設(shè)計
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
王春霞1，司國斌1，郭亞濤2
1.焦作大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 焦作454003；2.中國國家電網(wǎng)河南溫縣供電公司，河南 焦作454003
摘要： 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。該電路僅由一個第二代電流傳輸器（CCII）、一個電流差分級聯(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仿真和硬件實驗測試結(jié)果表明所設(shè)計的電路正確有效。
中圖分類號： TN4
文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174381
中文引用格式： 王春霞，司國斌，郭亞濤. 基于CCII和CDCTA的低功耗電控調(diào)諧n階濾波器設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，
44(7)：56-58，63.
英文引用格式： Wang Chunxia，Si Guobin，Guo Yatao. Design of low-power electronically controllable nth-order filter using CCII and CDCTA[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(7)：56-58，63.
Design of low-power electronically controllable nth-order filter using CCII and CDCTA
Wang Chunxia1，Si Guobin1，Guo Yatao2
1.Mechanical and Electrical Engineering，Jiaozuo University，Jiaozuo 454003，China； 2.State Grid Corporation of China，Wenxian Power Supply Company，Jiaozuo 454003，China
Abstract： In order to solve problems of high power consumption and narrow bandwidth, a new current-mode nth-order multifunction filter circuit was presented. It is composed of one CCII(second-generation current conveyor),one CDCTA(current differencing cascaded transconductance amplifier) and grounded capacitors. The proposed filter enjoys the simple structure and the circuit power consumption is only 6.82 mW, the maximum sensitivities value is only 1 and the circuit bandwidth is over 100 MHz. Moreover, its bandwidth can be tuned electronically. PSpice simulation and hardware experiment have been included to verify the theoretical analysis.
Key words : nth-order filter；CCII；CDCTA；current-mode circuit

0 引言

    連續(xù)時間濾波器在計算機、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)計已經(jīng)有所報道[1-6]。CCII因其具有很強的通用性、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)時間濾波器的設(shè)計已經(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)合起來實現(xiàn)的高階濾波器鮮有介紹[8-10]。本文僅使用CCII和CDCTA兩個有源器件設(shè)計了一種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。

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兩個輸入端和一個電流跟隨輸出端Z，理想傳輸特性可用下列矩陣描述。

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    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

    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CCII，一個CDCTA和n個接地電容，就可以同時實現(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。

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    根據(jù)圖3和式(1)~式(4)，電路輸出方程為：

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    高通濾波器：

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    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)計了一個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)計算可得：

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4 計算機仿真

    為驗證上述理論分析，設(shè)計一個截止頻率為100 MHz五階巴特沃斯濾波器，其Δ(s)函數(shù)為：

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    為盡量減小有源器件對所設(shè)計的濾波器性能影響，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)計的五階多功能濾波器進行仿真。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，實測五階濾波器3 dB截止頻率為99.88 MHz。

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    為了驗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，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。

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    為了驗證所設(shè)計的濾波器具有穩(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。

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    與此同時，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，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，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。

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5 結(jié)論

    本文提出了一個純電流模式連續(xù)時間高階濾波器，它僅僅使用CCII與CDCTA兩個有源器件和n個接地電容，電路具有如下優(yōu)勢：(1)僅含兩個有源器件，結(jié)構(gòu)簡單；(2)不含無源電阻，易于集成；(3)電壓低，功耗小；(4)頻帶寬，適用范圍廣；(5)可實現(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，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。

參考文獻

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作者信息:

王春霞1，司國斌1，郭亞濤2

(1.焦作大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 焦作454003；2.中國國家電網(wǎng)河南溫縣供電公司，河南 焦作454003)

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