基于CCCII電流模式二階有源多功能濾波器設計

李園海，高海生

（華東交通大學電氣與電子工程學院，江西 南昌330013）

作為現代電子系統中不可缺少的電路模塊，濾波器在隨著信號精度要求不斷提高的需求下越來越受到重視，雙二階濾波能夠很方便地級聯成為高階濾波器，又可以單獨使用，因此在整個濾波器的研究發展中占據了重要的位置［1-2］。電流模式雙二階濾波結構綜合了電流模式濾波電路的動態范圍與帶寬較廣，動態范圍較大的諸多優點。基于第二代電流傳輸器CCII（current conveyor II）的電流模式濾波器因相對傳統運放構成的電壓模式有源濾波器在線性度，信號頻帶和動態范圍等性能上優勢明顯，因此近年來國內設計并推出了各種不同類型的電流模式濾波器，并進行了深入研究和改進。但由于CCII自身特性，無法完全消除其X端的寄生電阻，這就導致了基于CCII的電路產生傳輸誤差［3］。如若需要對濾波器設計進行調整，哪怕對電路參數進行調節，需要對無源器件的大小進行調整，這就涉及到更換元件的問題，十分麻煩。第二代電流控制電流傳輸器CCCII作為CCII的改良形式，在A.Fabre和O.Suaid提出后受到了研究者廣泛關注，其具有很強的通用性和較寬的增益帶寬積。電路中通過利用雙極型晶體管的線性互導的特性，可控制偏置電流IB來調節X端寄生電阻RX的大小，達到實現整個系統的電調諧功能［4］。

設計電路為二階電流模式單輸入多輸出濾波器結構，僅采用較少的阻容元件接地，以CCCII作為基本模塊，通過對輸出端的線性連接，能夠實現高通低通帶通帶阻全通5類通用的濾波功能。該電路是通過在各類基于傳統運放濾波器的電路上進行改進，利用CCCII模塊進行實現，結構簡單、集成度高、中心頻率和無源靈敏度都較低。

1 電路理論與設計

1.1 CCCII——器件及端口特性

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［5］。其不僅保留了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。

圖1為設定的CCCII實現模塊下層電路，輸入端口X與Y之間的電路為混合跨導線性環路，由雙極性晶體管Q1～Q4組成，其電流關系為I1I3=I2I4［5］。電路所需的直流偏置電流IB通過Q9～Q13回路組成的鏡像電流源提供，而Q5～Q8構成的兩個互補電流鏡能夠在Z端輸出X端的復制電流，-Z端作為反向輸出端［6-7］。RX為X端的寄生電阻，其值RX=VT/2IB（VT是溫度電壓當量，常溫下約為26 mV）。很明顯，可通過改變偏置電流IB來控制RX的值［9］。電流傳輸矩陣如式（1），+、-號分別表示同相和反相輸出。

圖1 新型電流傳輸器CCCII電路原理圖Fig.1 Circuit diagram of new current conveyor CCCII

圖2（a）所示為CCCII在PSpice中設定的層次電路外部模型，2（b）為其等效電路。

圖2 CCCII的層次電路模型和等效電路Fig.2 Hierarchical circuit model and the equivalent circuit of CCCII

1.2 二階濾波器結構設計

該濾波器設計僅由3個CCCII器件、1個接地電阻和兩個接地電容構成，電路結構較為簡單，CCCII1輸入端通過電流源Iin作為唯一外部輸入電流，Iout1，Iout2，Iout3為輸出電流端，見圖3。

圖3 基于CCCII的雙二階電流模式濾波器Fig.3 Second-older current mode filter based on CCCII

1.3 傳遞函數計算

根據圖3的濾波器電路結構、基爾霍夫電流定律（KCL）及CCCII本身端口特性，可得如下方程組：

由上述方程整理可得

還可將Iout1，Iout2，Iout33個輸出端的電流相互連接到一起，則可得到

經過理論分析可知，在不改變電路結構的前提下，通過選取不同的輸出端就可以實現低通、高通、帶通等不同的濾波功能。

由式（6）可知，Iout1實現了高通濾波器，由式（7）可知，Iout2實現了帶通濾波器，由式（8）可知，Iout3實現了低通濾波器，由式（11）可知，Iout4也就是通過組合Iout1與Iout3輸出端，可實現帶阻濾波器，由式（12）可知，Iout5也就是Iout1，Iout2，Iout3的組合輸出，實現了全通輸出，由于3個基本輸出端口均為高阻，Iout4，Iout5只需將基本輸出端線性連接即可實現［8-9］。

由推算得出的極點頻率與極點Q值可知，這兩個參數都受到各CCCII寄生電阻Rx的影響，而Rx可通過CCCII的偏置電流進行調節，因此，無需調整設計電路的無源器件參數，就能夠方便的調試濾波器性能，電調諧作用明顯。

1.4 靈敏度分析

對于一個有源網絡，靈敏度分析是十分必要的，靈敏度是衡量由于環境改變而引起元件變化造成的濾波器影響的偏差大小［10-11］。其定義式為

根據靈敏度的定義式，可計算各參數靈敏度大小如下：

上述計算表明，由此電路得到的二階濾波器其無源靈敏度均為與電路無關的常數，且絕對值均小于1，由此可見各參數無源靈敏度都是比較低的。

2 仿真環境介紹

電路仿真分析是模擬電路設計的核心部分，由于模擬電路結構復雜多樣，對仿真工具也提出了較高的精度與速度等各方面要求，目前在眾多電力電子仿真軟件里，OrCAD PSpice有著廣泛的用戶人群。該軟件由OrCAD公司推出，在對各類電路進行仿真分析的過程中，能夠緊密結合電路原理圖，構建與實際元件特性十分相似的電路元件模型，仿真波形與實際電路檢測的結果十分相近，因此在電路設計中具有十分重要的指導意義［12］。

PSpice軟件的優點在于：

1）能夠提供電路所進行的模擬仿真包含了瞬態、穩態和頻域狀態，包括直流分析、交流分析、瞬態分析、參數分析、噪聲分析、溫度分析、蒙特卡羅分析和最壞情況分析等多類分析功能。

2）PSpice對電路的精確模擬、分析及優化范圍很廣，可以從直流一直到大于100 GHz的微波范圍。

3）該軟件為設計者提供了上萬個的模擬器件仿真模型用于設計需要，用戶也可以通過使用自行設定參數變量，構建自己所需的器件模型。

4）PSpice在電路設計中相當于一個軟件板，使用戶從不同角度對設計的電路進行研究與分析，大大提高了設計效率，節約了開發成本。

3 電路仿真與分析

為了驗證電路的正確性及電路性能，利用PSpice對所設計的電路進行模擬仿真測試，通過OrCAD Capture CIS 繪制層次電路原理圖3及CCCII 模塊下層電路圖1，通過PSpice A/D Edition 仿真輸出交流分析波形。測試過程中CCCII模塊下層電路即圖1的三極管NPN管選擇Q2N696，PNP管選擇Q2N722，Q2N722與Q2N696的參數設置如表1所示［13］。

表1 參數設置Tab.1 Parameter settings

3個CCCII器件電源電壓為2.5 V，偏置電流均為13 μA，得到寄生電阻Rx為1 kΩ，取電阻R為1 kΩ，電容C1=C2=0.1 μF，計算得出ω=106rad·s-1，Q=1，令輸入交流Iin=2 A，仿真結果及特性曲線見圖4和圖5。

圖4 高通與低通幅頻特性曲線Fig.4 High-pass and low-pass amplitude-frequency characteristic curve

圖5 帶通與帶阻幅頻特性曲線Fig.5 Band-pass and band-stop amplitude-frequency characteristic curve

圖4、圖5仿真結果波形分別顯示為高通、低通和帶通、帶阻的幅頻特性，其中心頻率約為140 kHz，與ω=106rad·s-1的理論數據相近。

電路中，電路內置參數值的變動對電路的性能有著不同的影響，通過對設計電路的無源器件與CCCII偏置電流進行參數掃描分析，以電路高通輸出端Iout1進行檢測，可得到參數變化對電路影響的特性曲線。

圖6為IB1（IB2）=1.32.613 μA，C1=0.1110 nF時的高通輸出特性曲線。而在分析過程中我們發現IB3、C2和R對電路影響十分小，可以忽略。

從圖中我們可以看出，通過調整IB1、IB2或者C1的取值，可以達到調整電路的線性、帶寬等性能的作用。由于無源器件C1的調節需要通過更換其電路元件來完成，較為麻煩，因此通常利用較為方便的電流源IB1，IB2來進行調節。將IB1用作電路粗調，IB2用作電路細調，可以很方便的使電路達到最精確最優的性能。

4 結論

在第二代電流控制電流傳輸器CCCII 的基礎上展開研究，提出了一個基于CCCII 的電流模式多功能濾波器，設計得到的電路結構較為簡單，無源器件較少，便于集成。極點頻率和極點Q值相互獨立，可利用CCCII偏置電流進行調節，電調諧性能良好。通過計算機PSpice 仿真分析驗證其能夠實現多種濾波功能，無源靈敏度低。

圖6 IB1，IB2，C1取不同值時的高通輸出特性曲線Fig.6 High-pass output characteristic curve for different value ofIB1，IB2，C1

通過對兩個電路中的有源器件與無源元件進行參數掃描分析，針對元件參數變化給電路線性、帶寬等性能帶來的影響進行了研究，使電路實現的過程中能夠合理選擇出各元件參數的最佳取值，達到實際需要的濾波效果。

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