基于MOOTAS和CCCII電流模式通用濾波器

金 豐,江金光

摘 要:提出一種采用跨導(dǎo)運(yùn)算放大器MO-OTAS與電流傳送器CCCII相結(jié)合構(gòu)成的電流模式多功能濾波器,該電路由一個(gè)CCCII器件、二個(gè)MO-OTAS和三個(gè)接地電容所組成。在輸入端加入信號(hào)并將其與相應(yīng)的輸出端進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合,即可得到低通、高通、帶通、帶阻和全通五種二階濾波器功能。所提出的電路中心頻率可調(diào)范圍大,中心頻率ω0和品質(zhì)因數(shù)Q獨(dú)立可調(diào),無源元件全部接地,利于集成,產(chǎn)生的電路具有很低的靈敏度。理論分析和HSpice計(jì)算機(jī)仿真表明,提出的電路方案正確。

關(guān)鍵詞:電流傳送器(CCCII);跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(OTA);電流模式;多功能濾波器

中圖分類號(hào):TN713文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)20-001-03

Current-mode Multifunctional Filter Based on MO-OTAS and CCCII

JIN Feng,JIANG Jinguang

(Global Navigation Satellite System Research Center,Wuhan University,Wuhan,430079,China)

Abstract: A novel structure of biquadrates filter based on multiple current output operational transconductance amplifier (MO-OTA) and current controlled conveyor(CCCII) is presented in this paper.The proposed circuit is constructed with one CCCII,two MO-OTAS and three grounded capacitors.Various filtering functions such as slow-pass,high-pass,band-pass,notch,all-pass filtering are obtained by selecting different output signal combinations.Range of the central frequency of the proposed circuit is very large,and separately adjustable centre frequency ω0 and the quality factor Q.Theoretical analysis and PSpice simulation indicate that the proposed circuit is effective and feasible.

Keywords:current controlled conveyor;operational tranconductance amplifier;current-mode;multi-function filter

0 引 言

近些年來,電流模式電路引起了學(xué)術(shù)界的濃厚興趣,其中電流控制第二代電流傳送器(CCCII)和跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(OTA)作為電流模式信號(hào)處理中的基本有源器件,在連續(xù)時(shí)間濾波器中得到了廣泛應(yīng)用。因而大量有關(guān)采用跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(OTA) [1-3]和電流控制第二代電流傳輸器(CCCII±) [4-6]構(gòu)成的電流模式濾波器的文獻(xiàn)不斷見諸報(bào)道。

跨導(dǎo)運(yùn)算放大器是一種電壓控制的電流源器件,該器件電路結(jié)構(gòu)簡單,高頻性能好,很適合實(shí)現(xiàn)全集成連續(xù)時(shí)間濾波器。另外,第二代電流控制傳輸器CCCII除了具有上述各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)外,尤其適合在高頻和高速信號(hào)領(lǐng)域中應(yīng)用。此外,電路中具有本質(zhì)電阻(Intrinsic Resistance)的特點(diǎn),使得由它設(shè)計(jì)的電路更[1]具彈性。因而關(guān)于OTA與CCC相結(jié)合的電路設(shè)計(jì)也受到廣大研究人員的高度重視[7]。

在此,提出使用一個(gè)MO-CCC,兩個(gè)MO-OTAS和三個(gè)接地電容所組成的電流模式通用濾波器。該設(shè)計(jì)相對(duì)于以往的一些電路而言[8,9],不僅所有電容全部接地利于集成,而且中心頻率和品質(zhì)因數(shù)獨(dú)立可調(diào)。針對(duì)所提電路進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明所提出的二階電流模式濾波器電路方案的正確性。

1 MO-OTAS和CCCII±簡介

跨導(dǎo)運(yùn)算放大器CCCII±和電流傳輸器MO-OTAS電路符號(hào)及原理如圖1,圖2所示。

圖1 運(yùn)放CCCII±

圖2 電流傳輸器

由圖3可知,理想的OTA的傳輸特性是:

Io=±gm (Vi+-Vi-)=±gmVd(1)

式中:Io是輸出電流;Vd是差模輸入電壓;gm是開環(huán)增益,稱為跨導(dǎo)增益,它是外部控制電流Ib的函數(shù)。

CCCII±的端口特性由下列混合矩陣方程給出:

IYVXIZIZI=

0000

1RX00

0011

0000

0-100VY

IX

VZ

VZ

V(2)

式中:RX是X端的輸入電阻,由偏置電流Ib控制,關(guān)系式為RX=VT/2Ib,在T=300 K的常溫下VT=26 mV。

2 電路分析

一種將MO-OTAS和CCCII±相結(jié)合所得到的雙二階濾波器如圖3所示。其中,Iin為輸入電流;Ilp,Ihp,Ibp分別為低通、高通、帶通輸出函數(shù)。該電路的有源器件在輸入端輸入信號(hào)時(shí),在輸出端通過電流鏡技術(shù)可以獲得多個(gè)輸出,而且由于輸出端的高阻抗,可以將各個(gè)輸出端任意組合而得到二階陷波和全通函數(shù)。

圖3 多功能二階濾波器

由MO-OTAS和CCCII±的端口特性,經(jīng)電路分析得到如下的電流傳輸函數(shù):

IlpIin=gm1/(C1C2RX)D(K)(3)

IhpIin=S2D(K)(4)

IbpIin=S(gm1/C1)D(K)(5)

并且通過低通與高通的線性組合可得到帶阻如下:

IbrIin=gm2/(C2C3RX)+S2D(K)(6)

式中:D(K)=S2+S(gm1/C1)+gm2/(C1C2RX)

將上式通過變換可得如下函數(shù):

D(K)=S2+S(ω0/Q)+ω20(7)

式中:參數(shù)ω0和Q由下式表達(dá):

ω0=gm2/(C2C3RX)(8)

Q=gm2/(C2C3RX)(C1/gm1)(9)

為了簡化分析式(8),式(9),這里假設(shè)gm1=gm2=gm,而且C2=C3=C,當(dāng)調(diào)節(jié)C1或gm1的數(shù)值時(shí),可以看見Q在隨其變化,而ω0仍然保持不變。可見,濾波器的特征頻率和品質(zhì)因數(shù)可以獨(dú)立進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 靈敏度分析

根據(jù)靈敏度計(jì)算公式SYX=(X/Y)(礩/礨)得到的中心頻率ω0和品質(zhì)因數(shù)Q相對(duì)于電路中的各元件(RX,C1,C2,Gm)的靈敏度如表1所示。

表1 電路元件靈敏度

XSω0XSQXXSω0XSQX

gm10-1C101

gm20.50.5C2-0.5-0.5

RX-0.5-0.5C3-0.5-0.5

4 實(shí)例設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真

為了驗(yàn)證上述所提出電路方案的正確性,對(duì)圖3電路方案進(jìn)行了HSpice仿真,并與理論值相比較。

使電路元器件符合設(shè)計(jì)的電路要求,在模型MO-OTAS和DO-CCII的基礎(chǔ)上,修改了其電路圖,如圖4所示。

圖4 MO-OTAS和CCCII內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

為了實(shí)現(xiàn)上述電路功能,設(shè)置CCCII±中的偏置電流Ibi=6.0 μA,偏置電壓VDD=-VSS=1.85 V,PMOS的寬和長分別為W=3 μm,L=2 μm;NMOS的寬和長分別為W=3 μm,L=4 μm。

設(shè)置OTA中的偏置電流Ibp=5.5 μA,偏置電壓VDD=-VSS=1.85 V,PMOS與NMOS的寬長是W=4 μm,L=2 μm。

作為一個(gè)設(shè)計(jì)例子,將低通、高通、帶通、帶阻和全通的中心頻率設(shè)置為10 kHz,設(shè)置電路電容為C1=C2=C3=10-9 F,仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。其中,圖5為低通、高通、帶通、帶阻波形。圖6為調(diào)節(jié)CCCII中偏置電流Ibi,使其分別為3 μA,6 μA,12 μA,24 μA下所得到的低通波形圖像。

圖5 二階濾波器頻響特性

圖6 不同Ibi下低通濾波器頻響特性

由表1,表2可以看出,改變電路品質(zhì)因數(shù)Q的值,可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn),即調(diào)節(jié)電路和改變硬件。對(duì)于電路的調(diào)節(jié),可以給定C1=C2=C3=1×10-9 F,只需調(diào)節(jié)OTA1的偏置電流,進(jìn)而改變跨導(dǎo)的大小,以此表達(dá)改變品質(zhì)因數(shù)的目的。另外一種是通過改變C1的大小來改變品質(zhì)因數(shù)。圖7,圖8分別以帶通和帶阻來實(shí)現(xiàn)上述功能。

表1 改變OTA1的跨導(dǎo)表2 改變接地電容C1

QC1gm1/μs

11×10-964

21×10-932

41×10-916

81×10-98

161×10-94

QC1gm1/μs

11×10-964

22×10-964

44×10-964

88×10-964

1616×10-964

圖7 改變OTA1的跨導(dǎo)所得帶通頻響特性

5 結(jié) 語

這里提出一種新穎的MO-OTAS和CCCII相結(jié)合的二階多功能電流模式濾波器,所設(shè)計(jì)的濾波器頻率可調(diào),只需適當(dāng)調(diào)節(jié)CCCII的偏置電流,即可達(dá)到調(diào)節(jié)CCCII內(nèi)部電阻RX,使得濾波器的調(diào)諧能力大大提高。 另外, 還提出了兩種改變品質(zhì)因數(shù)的方法,通過實(shí)驗(yàn)證明了中心頻率與品質(zhì)因數(shù)之間的相互獨(dú)立性,而且由于沒有使用浮地電容,便于實(shí)現(xiàn)集成。且w0,Q對(duì)無源元件靈敏度低。仿真結(jié)果驗(yàn)證了它在較寬的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)良好。

圖8 改變C1大小所得帶阻頻響特性

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