基于新型CCCII電流模式二階帶通濾波器設計

李 妍，于海勛

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129）

近幾十年來，隨著被處理信號的頻率不斷提高，電壓型運算放大器的固有缺點開始阻礙其在電路中應用。由此以電流為信號變量的電路在信號處理中的潛在優勢逐漸被認識并被挖掘出來，促成了電流模式電路的發展[1]。電流模式電路就是能夠有效地傳送、放大和處理電流信號的電路。在電流模式電路中，以電流作為變量分析和標定的電路。隨著信息技術的不斷發展，信號處理在生活中的地位也不斷提高。而濾波器是信號處理系統設計中最基礎、最重要的環節之一，然而傳統的模擬信號處理基本上都基于運算放大器，由于運算放大器固有的缺點，即的-3 dB閉環帶寬與閉環增益的乘積為常數。因而電流模式信號處理電路技術成為當今國際上的前沿課題。電流傳輸器是電流模模擬信號處理領域中很重要的部件之一。第二代電流傳輸器（CCII）于1970年被提出，其獨特的電流傳輸特性使它成為電流模電路中的基本積木塊，在電流模式信號處理電路中獲得了廣泛的應用。但由于自身電路設計的不足，使電流傳輸特性無法達到理想程度，由此新型第二代電流傳輸器被提出。

1 新型第二代電流控制電流傳輸器CCCII

第二代電流傳輸器（CCII）由互補電流鏡，跨導線性部分和混合環路組成。可運用于頻率為兆赫范圍內的電路中。但其內部電路的輸入端X端和Y端存在一個寄生電阻，當偏置電流很低時，該寄生電阻不能被忽略。因而造成X端與Y端電壓跟蹤無法達到理想的程度[2]。由此1996年，Alain Fabre等人基于跨導線性環特性推出了新型電流傳輸器（CCCII）[3]，隨后的新型電流傳輸器都是基于此特性實現的。

1.1 跨導線性（TL）原理

跨導線性原理是由B.Gilbert提出的，這個原理簡化了非線性電路的計算，即適用于小信號，又適用于大信號。尤其在較大規模的電路中，只要存在“跨導線性環”，就會使電路計算大大簡化。在電流模電路中，幾乎到處都可以找到“跨導線性環”。

跨導線性環是由正偏的發射結或二級管組成的閉合環路，其中順時針方向的正偏結數等于反時針方向的正偏結數。圖1是由雙極型管組成的跨導線性環。TL回路必須滿足在回路中必須有偶數個（至少兩個）正偏發射結和順時針方向排列的正偏結數與反時針方向排列的正偏結數目必須相等。

圖1 跨導線性環Fig.1 Translinear loop

因為跨導線性環中各BJT管均處于正偏放大區，所以環中第j個晶體管的電流傳輸方程可表示為：

其中VT=kT/q，VT是熱電壓，在常溫下其值約為26 mV。此式為環中第j個晶體管正偏發射結的電壓表達式，沿環一周各正偏結的電壓之和應等于零，即：

1.2 CCCII設計電路及端口特性

CCCII利用內部直流偏置控制X端的寄生電阻的特性以達到電壓可調的特性。新型電流傳輸器不僅保留了CCII的所有特性（輸入、輸出端口的矩陣關系），還通過改變直流偏置電源增加了新的特性[4]。其電路符號如圖2所示。

圖2 CCCII電路符號Fig.2 Circuit symbol of CCCII

圖3 為CCCII+電路，X端口與Y端口間電路為混合跨導線性電路，其中I0為電路直流偏置。Z端口由兩個互補電流鏡組成，電流跟隨X端口。雙極性晶體管Q1－Q4組成輸入跨導線性混合環路，電流關系I1I3＝I2I4。X端寄生電阻Rx＝VT/2I0，其中VT是溫度的電壓當量，在T＝3000K的常溫下，VT＝26 mV。由此公式可以看出，Rx的值可由I0控制。端口特性方程為：

圖3 新型電流傳輸器CCCII+電路原理圖Fig.3 Circuit diagram of new current conveyor CCCII

2 二階帶通濾波器的電路設計與仿真

2.1 帶通濾波器設計

圖4為二階帶通濾波器設計由2個CCCII和2個電容組成。通過增加偏置電流改進CCII得到CCCII電路。該設計不需要任何額外電阻，電路設計簡單。盡管電路設計簡單，但其能完成相應功能并應用于高頻電路中[5]。如果Iin是輸入電流，流過C1的輸出電流Iout可以通過輸入端虛擬接地的CCI+來計算。此外，輸出電流Iout在高阻抗情況下，可以通過對第二個CCCII+簡單增加一個互補的輸出端Z直接獲得[6]。本設計通過偏置電流I0的較低值實現較高的頻率。電路的傳輸函數為：

圖4 基于CCCII+的二階帶通濾波器Fig.4 Second-order bandpass filter based on novel CCCII

由公式（8）、（9）知當I01和I02有相同的值時，Rx的值也一樣。帶通濾波器的中心頻率可通過I0控制Rx的值實現，并且不影響品質因數。

2.2 帶通濾波器仿真

用HSpice通過電路軟件對圖4電路進行仿真分析，設計參數為CCCII+電壓±5 V，C1＝50 pF，C2＝1 pF。圖5（a），（b）分別為I01＝I02＝20μA，I01＝I02＝100μA時輸出的仿真結果。

圖5 仿真結果Fig.5 Simulation results

3 結 論

本設計提出了電流模式CCCII+做為基本積木塊，討論了采用最少的有源器件，僅需要兩塊CCCII+及無源器件電容構成了電流模式二階濾波器。所有電容都接地，從集成電路實現的觀點看，用接地電容是非常有利的。濾波器隨著I0的增大，中心頻率也變大，實現了電流傳輸器的偏置電流對中心頻率的控制。通過HSpice仿真分析證明設計電路的正確性和可行性。

[1]趙玉山，周躍慶，王萍.電流模式電子電路[M].天津：天津大學出版社，2001.

[2]Minaei S，Kaymak D，Ibrahim M，et a1.New CMOS configuration for current controlled conveyor（CCCIIs）[C]//In：1st IEEE International Conference Circuits and Systems for Communieations，ICCSC，2002：62－65.

[3]Fabre A，Saaid O，Wiest F，et al.Current controlled bandpass filter based on translinear conveyors[J].Electronics Letters，1995，31（20）：1727－1728.

[4]Fabre A.Dual translinear voltage/current convertor[J].Electron Lett，1983（19）：1030－1031.

[5]Fabre A，Saaid O，Wiest F，et al.Low power current-mode second-order bandpass IF filter[J].Circuits and System，1997，44（6）：436－446.

[6]Pabrl A，Alami M.A versatile translinear cell-library to implement high performance analog ASICS[C]//IEEE Proc，1990：89－94.