基于CCC II的雙二階電流模式多功能濾波器結(jié)構(gòu)

0 引 言
    自電流傳送器(Current Conveyor，CC)問世以來，采用電流傳送器來實現(xiàn)多功能有源濾波器的功能和優(yōu)點受到廣泛關(guān)注。基于第二代電流傳輸器(TheSecond Generation Current Conveyor，CCⅡ)的電流模式濾波器由于其帶寬，線性和動態(tài)范圍等性能比運算放大器(Operational Amplifier)更優(yōu)越而被廣泛研究。FABRE A等人則利用雙極型晶體管的線性互導(dǎo)特性，提出了電流控制電流傳送器(CCCⅡ)，從而將電流傳送器的應(yīng)用拓寬到電子可調(diào)諧功能的領(lǐng)域。
    近年來，很多三輸入、單輸出多功能二階濾波器被陸續(xù)提出。在文獻中，都提出了三輸入、單輸出二階多功能濾波器，但是他們的電路結(jié)構(gòu)不夠簡單，使用不夠靈活。CHIU W Y，HORNG J W等提出的三輸入、單輸出濾波器，能實現(xiàn)多種濾波功能，可是所用的有源器件太多(文獻中需要3個DDCC和4個RC元件，文獻中需要3個CCⅡ和5個RC元件，文獻中需要3個CCⅡ和6個RC元件，文獻中需要5個CCⅡ和8個RC元件)，而且角頻率ω0和品質(zhì)因素Q不能獨立可調(diào)。HORNG采用3個CCⅡ和4個RC元件來實現(xiàn)電壓模式多功能濾波器，但是這個電路的靈敏度不夠低，影響電路的穩(wěn)定性。宋樹祥提出了最小元件的新型多功能CCCⅡ一C電流模式濾波器，雖然其功能比較完善，但是這個電路的角頻率和品質(zhì)因素不能獨立可調(diào)。王春華于2006年提出了單MOCCⅡ多功能電流模式二階濾波器結(jié)構(gòu)電路，電路由單個MOCCⅡ有源器件及4個RC無源元件構(gòu)成，但是由于CCⅡ在X端口存在寄生電阻，因而會造成傳輸函數(shù)的誤差。而本文所提出的三輸入、單輸出多功能二階濾波器結(jié)構(gòu)簡單，僅包含兩個CCCⅡ，一個電阻和兩個接地電容，并且角頻率ω0和品質(zhì)因素Q可以實現(xiàn)獨立可調(diào)，具有很低的無源和有源靈敏度，該結(jié)構(gòu)最大的一個特點是通過選擇不同的輸入端和輸出端可以得到4個三輸入單輸出二階多功能濾波電路，從而使該結(jié)構(gòu)的使用更加靈活。
l 電路的提出與分析
    本文采用的MOCCCⅡ(Multipie Outputs CurrentControlled ConveyorⅡ)是FABRE等人提出的CCCIl由路的其礎(chǔ)上采用交叉耦合由流鏡技術(shù)實現(xiàn)正負多端輸出的。M0CCCⅡ電路符號如圖1所示，它的端口特性可由矩陣表示：

其中：Iz1～IzN為同相電流輸出端，IZ1～IZM為反相電流輸出端，RX為MOCCCⅡ器件X端口的自身電阻，受偏置電流IB控制，其值RX=VT／2IB，VT約為一26 mV(室溫)。

本文所提出的電路結(jié)構(gòu)僅由2個CCCⅡ，1個電阻和2個接地電容組成，選擇不同的輸入端可以得到4個電路，如圖2所示。

    這4個電路的傳輸函數(shù)分別為：

由此可以看出所提出的4個電路均可實現(xiàn)三輸入單輸出，在這里選取圖2(a)的傳輸函數(shù)Iout1來討論：
    (1)若I3=Iin，I1=一Iin，I2=O，此時可以實現(xiàn)高通濾波。
    (2)若I2=Iin，I1=-Iin，I3=0，此時可以實現(xiàn)帶通濾波。
    (3)若I2=Iin，I1=I3=0，此時可以實現(xiàn)低通濾波。
    (4)若I3=Iin，I1=一2Iin，I2=2Iin，此時可以實現(xiàn)全通濾波。
    由此可以看出這4個電路均可實現(xiàn)所有的濾波功能，并且從這4個電路圖中可以看出，這4個電路采用同樣的器件和同樣的電路結(jié)構(gòu)，而僅僅是采用的輸入端和輸出端的不同，便可得到四種三輸入單輸出的多功能濾波器。
    而且，該電路結(jié)構(gòu)簡單，采用的器件較少，僅含有2個CCCⅡ，1個電阻和2個接地電容，便于硬件實現(xiàn)。電路僅運用兩個CCCⅡ，而未采用MOCCCⅡ，從而使電路更為簡單。

2 靈敏度分析
    考慮到非理想情況，CCCⅡ的端口特性須改寫為：

式中：α=1一εi(|εi|《1)，β=1一εv(|εv|《1)，其中，εi與εv分別為CCCⅡ的電流和電壓的跟隨誤差，考慮到CCCⅡ的非理想特性，電路的傳輸函數(shù)的特征方程轉(zhuǎn)換為：

固有頻率ω0和品質(zhì)因素Q分別為：

電路的固有頻率ω0和品質(zhì)因素Q可以通過Rx1和R獨立調(diào)節(jié)。
    該電路的有源和無源靈敏度為：

所有的有源和無源靈敏度都很小。

3 硬件仿真
    運用Hspice對所提出的電路進行仿真，采用Chartered CMOS O．35μm工藝的nmos_3p3和pmos_3p3。為實現(xiàn)電路的濾波特性，采用的CCCⅡ結(jié)構(gòu)如圖3所示，仿真時電源電壓VDD=1．65 V，VSS=一1．65 V，偏置電流IB為1．3μA，NMOS管的寬和長為W=10μm，L=2μm，PMOS管的寬和長為W=10μm，L=1μm。

由于所提出的電路較多，鑒于篇幅有限，在這里給出圖2(d)的電路的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4(a)為C1=C2=20 pF，R=10 kΩ帶通濾波器的幅頻特性；圖4(b)為C1=C2=20 pF，R=10 kΩ低通濾波器的幅頻特性；圖4(c)為C1=C2=10 pF，R=10 kΩ高通濾波器的幅頻特性；圖4(d)和圖4(e)分別為C1=C2=10 pF，R=10 kΩ全通濾波器的幅頻特性和相頻特性。
    由實驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以看出，在該濾波器電路中，通過不同的輸入端，在輸出端可以分別實現(xiàn)高通、低通和帶通濾波功能顯然仿真結(jié)果與理論分析一致，證實了電路的可行性。

4 結(jié) 語
    本文提出了基于CCCⅡ的雙二階電流模式多功能濾波器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有以下特點：
    (1)通過選擇不同的輸入端和輸出端可以得到4個三輸入單輸出二階多功能濾波電路，從而使該結(jié)構(gòu)的使用更加靈活；
    (2)結(jié)構(gòu)非常簡單。整個電路結(jié)構(gòu)僅由2個MOCCCⅡ和3個RC元件構(gòu)成；
    (3)具有多功能性，可以產(chǎn)生電流模式二階低通、高通，帶通及全通濾波器；
    (4)具有較低的靈敏度；
    (5)固有頻率ω0和品質(zhì)因數(shù)Q相互獨立可調(diào)。