模拟技术
连续时间滤波器在计算机、通信、电子、智能控制等行业有着广泛的应用前景,基于第二代电流传输器(Second Generation Current Conveyor,CCII)、运算放大器(Operational Transconductance Amplifier,OTA)、电流差分跨导放大器(Current Differencing Transconductance Amplifier,CDTA)等各种有源器件的二阶电流模式滤波器电路设计已经有所报道。CCII因其具有很强的通用性、灵活性和较宽的增益带宽积而成为一种最基本的有源器件。CDCTA是继电流差分跨导放大器CDTA之后提出的一种具有灵活度高、功耗低、频带宽、可电控调谐等特性的纯电流模式有源器件。
尽管基于各种有源器件的连续时间滤波器的设计已经比较成熟,但是高阶滤波器还是比较少见,特别是由不同器件结合起来实现的高阶滤波器鲜有介绍。本文仅使用CCII和CDCTA两个有源器件设计了一种n阶多功能滤波器,它具有电路结构简单、功耗低、频带宽、灵敏度低且可电控调谐等特点。
CCII是一种具有电流传递功能的电流模式器件,其电路符号和等效电路如图1所示。CCII拥有X和Y两个输入端和一个电流跟随输出端Z,理想传输特性可用下列矩阵描述。
其中,gmi是第i级跨导增益,可由偏置电流IBi控制,Vz和Vxi是在输出端口Z和Xi上的电压降(假设有一个外部阻抗连接在端口上)。Vz和Vxi通过跨导转变成下一级的输出电流Ix1c和Ixic。
图3给出了基于CCII和CDCTA的多功能有源滤波器电路,它仅需一个CCII,一个CDCTA和n个接地电容,就可以同时实现n阶低通、高通、带通、带阻和全通滤波函数功能。因此,这种结构相对于传统n阶滤波器电路被大大地简化,非常适合于集成。如图3所示,Iin是滤波器的输入信号,Ioi是它的输出信号。
根据图3和式(1)~式(4),电路输出方程为:
高通滤波器:
由以上等式可知,可以直接从电路的Io1、Ioi、Io(n+1)分别获得高通、带通和低通滤波函数,且其频带都可通过gm电控调谐。此外如果需要生成带阻和全通滤波函数,也仅仅只需要通过选择Io1至Io(n+1)简便地累加求和。
为了证明上述所提出的n阶多功能滤波器可用性,设计了一个电流模式五阶多功能滤波器,如图4所示。假设偏置电流都取相等值,根据等式(10)~式(14)计算可得:
为验证上述理论分析,设计一个截止频率为100 MHz五阶巴特沃斯滤波器,其Δ(s)函数为:
为尽量减小有源器件对所设计的滤波器性能影响,第二代电流传输器[2]输入电压取正负1.25 V,Io取50 μA,I1=I2=I3=100 μA。CDCTA电源设置如下:VDD=-VSS=1.25 V,Io=50 μA,IA=100 μA。为方便计算,取gm=100 μS,通过调谐偏置电流取IB=IB1=IB2=IB3=IB4=IB5=450.08 μA。根据所设定的电路参数,采用TSMC 0.18 μm CMOS模型在PSpice中对所设计的五阶多功能滤波器进行仿真。为使滤波器3 dB截止频率为100 MHz,根据五阶滤波器特殊函数以及等式(15)~式(19),无源滤波器电容取值为C1=3.090 μF,C2=6.168 μF,C3=10.021 pF,C4=1.490 pF,C5=3.468 pF。仿真结果如图5、图6所示,实测五阶滤波器3 dB截止频率为99.88 MHz。
为了验证所提出的滤波器频带可电控调谐,当CDCTA的偏置电流分别取IB=400.22 μA,IB=450.08 μA,IB=500.14 μA时,五阶低通滤波器理论中心频率分别为80 MHz、100 MHz、120 MHz,仿真结果如图7所示。显然,所提出的高阶滤波器的带宽可电控调谐。
为了验证所设计的滤波器具有稳定的传输响应特性,选取五阶低通滤波器做了方波测试,测试结果如图8所示。
与此同时,为了分析电路的总谐波失真(THD),当输入信号取50 MHz正弦输入信号时,THD仿真结果如图9所示。显然,当五阶滤波器电路电流小于30 μA时,电路的总谐波失真低于3.5%。此外,仿真结果表明该电路具有极低的功耗,测试功耗仅为6.82 mW。
本文提出了一个纯电流模式连续时间高阶滤波器,它仅仅使用CCII与CDCTA两个有源器件和n个接地电容,电路具有如下优势:(1)仅含两个有源器件,结构简单;(2)不含无源电阻,易于集成;(3)电压低,功耗小;(4)频带宽,适用范围广;(5)可实现低通、高通、带通、带阻和全通5种滤波功能;(6)频带可电控调谐;(7)灵敏度低,失真度小。基于这些特点,该多功能滤波器可用于通信信号处理领域中的信源筛选、干扰信号过滤等常见场景。
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