電流模式二階帶通濾波器設計

吳從中,宋宇

(合肥工業大學 計算機與信息學院,安徽 合肥 230009)

電流模式二階帶通濾波器設計

吳從中,宋宇

(合肥工業大學 計算機與信息學院,安徽 合肥 230009)

針對傳統帶通濾波器電路結構復雜的問題,提出一種基于電流控制傳輸器（CCCII）的電流模式二階帶通濾波器電路。該電路由一個CCCII和3個接地RC元件構成,可通過調節偏置電流控制電路的中心頻率,具有結構簡單,方便集成的特點,并且具有很低的靈敏度。使用Hspice軟件對電路進行仿真,驗證了該設計的正確性。

電流模式；電流控制傳輸器；帶通濾波器；靈敏度

電流模式電路因其在傳輸速度、帶寬、線性度和動態范圍等方面相對于電壓模式電路有更為優良的性能,因而受到了高度關注［1-2］。電流傳輸器（CC）是一種電流模式電路,研究發現電流傳輸器能提供優于通用運算放大器的電路性能,由電流傳輸器和其他電子元件可十分方便的構成各種特定的電路結構,在模擬信號處理上有著廣泛應用。近年來,基于第二代電流傳輸器（CCII）的濾波電路、放大電路以及模數轉換電路不斷被人們設計實現。然而第二代電流傳輸器有兩個缺點:1）自身參數不易調節；2）由于端口X存在寄生電阻,因而導致從Y端到X端的電壓存在跟隨誤差。1996年,Fabre使用雙極型晶體管實現了電流控制傳輸器（CCCII）。電流控制傳輸器不僅方便調節,并且端口Y到端口X有很低的電壓跟隨誤差。基于電流控制傳輸器的電流模式濾波器電路、振蕩器電路和放大器電路近年來也不斷被提出。然而以往提出的帶通濾波電路通常使用多個電流傳輸器和電子元件,電路結構較為復雜［3-5］。本文設計了一種二階帶通濾波器電路,該電路僅由一個電流控制傳輸器和3個電容電阻構成,結構簡單,其中心頻率可通過偏置電流控制,易于調節,并且具有很低的靈敏度,使用Hspice軟件驗證了該設計的正確性。

1 電流控制傳輸器原理及實現電路

電流控制傳輸器的電路符號如圖1所示,其端口特性可用下列矩陣方程表示［6］:

圖1 CCCII電路符號Fig.1 Electrical symbol of the CCCII

式 （1）中,+號表示Z端電流流進電流控制傳輸器（CCCII+）,-號表示Z端電流流出電流控制傳輸器（CCCII-）。由式（1）可知,CCCII的Y端口電流為零,X端口電壓跟隨Y端口的電壓,Z端口電流跟隨X端口的電流。由此可見,Y端口輸入阻抗為無窮大,是電壓輸入端。X端口是電流輸入端,而且X端口電壓跟隨加于Y端口的電壓,輸入阻抗很低。低阻抗X輸入端的電流傳輸到高阻抗的Z輸出端,即在Z端口產生一個可控的輸出電流,該電流僅取決于X端的輸入電流,電流方向可以相同也可以相反。Rx為X端口的輸入寄生電阻,可由下式表示:

其中VT為熱電壓,當在常溫T=300 K下時,VT≈26 mV。Ib為CCCII的偏置電流。由（2）式可見,電流控制傳輸器X端口的輸入寄生電阻Rx的阻值可由偏置電流Ib控制。

本文使用的電流控制傳輸器為CCCII-,即Z端口和X端口的電流關系為Iz=-Ix。CCCII-使用BTJ三極管實現,其電路如圖2所示［7］。

圖2 CCCII-實現電路Fig.2 Circuit diagram of CCCII-

2 基于CCCII的二階帶通濾波器實現及分析

本文設計的二階帶通濾波器如圖3所示。該濾波器電路由一個CCCII-、兩個電容和一個電阻構成。

圖3 二階帶通濾波器原理圖Fig.3 Circuit diagram of second-order bandpass filter

計算該二階帶通濾波器的傳遞函數為:

則該二階帶通濾波器的中心頻率ω0和品質因數Q分別為:

根據靈敏度公式的定義［8-9］:

將式（4）、式（5）分別代入式（6）,可分析該電流模式二階帶通濾波器ω0和Q對無源器件的無源靈敏度,分析結果為:

其中△=R1C1+R1C2+RxC2。

由以上計算結果可知,該帶通濾波電路對無源器件的靈敏度均小于1,具有很低的無源靈敏度。

計算有源靈敏度時,需要求出在非理想條件下該濾波器的傳遞函數。在非理想情況下,由于電流控制傳輸器的端口存在一定的電流和電壓的跟隨誤差,電流控制傳輸器的端口特性矩陣方程變為:

式中α=1-εv,εv（εv1）為從Y端口到X端口的電壓跟隨誤差。β=1-εi,εi（εi1）為從X端口到Z端口的電流跟隨誤差。

則二階帶通濾波器的傳遞函數變為:

其中心頻率ω0與式（4）相同,品質因數Q為:

將式（4）、式（9）代入式（6）,可分析該電流模式二階帶通濾波器ω0和Q對有源器件的有源靈敏度,分析結果為:

由上面的計算結果可知,該帶通濾波電路的有源靈敏度也小于1,因此該濾波器也具有很低的有源靈敏度。

3 電路Hspice仿真

為了驗證圖3所設計電路的正確性,使用Hspice對電路進行仿真［10］。設定參數為CCCII-電源電壓取±2.5 V,C1=C2=1nF, R1=1.3 kΩ,偏置電流Ib=20 μA。經過計算可知此時帶通濾波器的理論中心頻率為f0=173.1 kHz。若保持其他參數不變,取偏置電流Ib=80 μA時,則帶通濾波器的理論中心頻率變為f0=346.3 kHz。實驗結果如圖4所示。可見,當改變偏置電流大小時,帶通濾波器的中心頻率也發生了變化,實驗結果與理論數據基本吻合,因此本文所設計的二階帶通濾波器電路是正確的。

圖4 仿真結果Fig.4 Simulation result

4 結束語

本文使用電流控制傳輸器設計電流模式二階帶通濾波器,為了使電路的結構盡量簡單,僅使用了一個CCCII和3個接地RC元件。通過Hspice對電路進行仿真,驗證了該設計的正確性。本文設計的電流模式二階帶通濾波器電路具有以下幾個特點:

1）電路結構簡單,僅使用一個電流控制傳輸器和3個RC元件,并且RC元件均接地,便于集成；

2）電路的中心頻率可由偏置電流控制,方便調節；

3）電路具有很低的無源靈敏度和有源靈敏度。

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The design of current-mode second-order bandpass filter

WU Cong-zhong，SONG Yu
（School of Computer and Information,Hefei University of Technology,Hefei 230009，China）

According to the fact that traditional bandpass filter circuit has a complex structure，a current-mode second-order bandpass filter based on the second-generation current-controlled current conveyor（CCCII）is presented.The circuit consists of one CCCII and three grounded R and C components.The central frequency can be controlled by adjusting the bias current.The circuit has a simple structure，very low sensitivity，and easy to integrate.Hspice simulation result is given to confirm the theoretical analysis.

current-mode；current-controlled current conveyor；bandpass filter；sensitivity

TN713+.5

：A

：1674-6236（2015）18-0183-03

2014-12-15稿件編號：201412118

吳從中 （1965—）,男,安徽安慶人,副教授。研究方向:嵌入式系統和信號處理。