基于MOOTAS和CCCII电流模式通用滤波器

摘 要:提出一种采用跨导运算放大器MO-OTAS与电流传送器CCCII相结合构成的电流模式多功能滤波器,该电路由一个CCCII器件、二个MO-OTAS和三个接地电容所组成。在输入端加入信号并将其与相应的输出端进行适当的组合,即可得到低通、高通、带通、带阻和全通五种二阶滤波器功能。所提出的电路中心频率可调范围大,中心频率ω0和品质因数Q独立可调,无源元件全部接地,利于集成,产生的电路具有很低的灵敏度。理论分析和HSpice计算机仿真表明,提出的电路方案正确。

关键词:电流传送器(CCCII);跨导运算放大器(OTA);电流模式;多功能滤波器

中图分类号:TN713文献标识码:A

文章编号: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

近些年来,电流模式电路引起了学术界的浓厚兴趣,其中电流控制第二代电流传送器(CCCII)和跨导运算放大器(OTA)作为电流模式信号处理中的基本有源器件,在连续时间滤波器中得到了广泛应用。因而大量有关采用跨导运算放大器(OTA) [1-3]和电流控制第二代电流传输器(CCCII±) [4-6]构成的电流模式滤波器的文献不断见诸报道。

跨导运算放大器是一种电压控制的电流源器件,该器件电路结构简单,高频性能好,很适合实现全集成连续时间滤波器。另外,第二代电流控制传输器CCCII除了具有上述各项优点外,尤其适合在高频和高速信号领域中应用。此外,电路中具有本质电阻(Intrinsic Resistance)的特点,使得由它设计的电路更[1]具弹性。因而关于OTA与CCC相结合的电路设计也受到广大研究人员的高度重视[7]。

在此,提出使用一个MO-CCC,两个MO-OTAS和三个接地电容所组成的电流模式通用滤波器。该设计相对于以往的一些电路而言[8,9],不仅所有电容全部接地利于集成,而且中心频率和品质因数独立可调。针对所提电路进行仿真,仿真结果表明所提出的二阶电流模式滤波器电路方案的正确性。

1 MO-OTAS和CCCII±简介

跨导运算放大器CCCII±和电流传输器MO-OTAS电路符号及原理如图1,图2所示。

图1 运放CCCII±

图2 电流传输器

由图3可知,理想的OTA的传输特性是:

Io=±gm (Vi+-Vi-)=±gmVd(1)

式中:Io是输出电流;Vd是差模输入电压;gm是开环增益,称为跨导增益,它是外部控制电流Ib的函数。

CCCII±的端口特性由下列混合矩阵方程给出:

IYVXIZIZI=

0000

1RX00

0011

0000

0-100VY

IX

VZ

VZ

V(2)

式中:RX是X端的输入电阻,由偏置电流Ib控制,关系式为RX=VT/2Ib,在T=300 K的常温下VT=26 mV。

2 电路分析

一种将MO-OTAS和CCCII±相结合所得到的双二阶滤波器如图3所示。其中,Iin为输入电流;Ilp,Ihp,Ibp分别为低通、高通、带通输出函数。该电路的有源器件在输入端输入信号时,在输出端通过电流镜技术可以获得多个输出,而且由于输出端的高阻抗,可以将各个输出端任意组合而得到二阶陷波和全通函数。

图3 多功能二阶滤波器

由MO-OTAS和CCCII±的端口特性,经电路分析得到如下的电流传输函数:

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

IhpIin=S2D(K)(4)

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

并且通过低通与高通的线性组合可得到带阻如下:

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

式中:D(K)=S2+S(gm1/C1)+gm2/(C1C2RX)

将上式通过变换可得如下函数:

D(K)=S2+S(ω0/Q)+ω20(7)

式中:参数ω0和Q由下式表达:

ω0=gm2/(C2C3RX)(8)

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

为了简化分析式(8),式(9),这里假设gm1=gm2=gm,而且C2=C3=C,当调节C1或gm1的数值时,可以看见Q在随其变化,而ω0仍然保持不变。可见,滤波器的特征频率和品质因数可以独立进行调节。

3 灵敏度分析

根据灵敏度计算公式SYX=(X/Y)(Y/X)得到的中心频率ω0和品质因数Q相对于电路中的各元件(RX,C1,C2,Gm)的灵敏度如表1所示。

表1 电路元件灵敏度

XSω0XSQXXSω0XSQX

gm10-1C101

gm20.50.5C2-0.5-0.5

RX-0.5-0.5C3-0.5-0.5

4 实例设计与计算机仿真

为了验证上述所提出电路方案的正确性,对图3电路方案进行了HSpice仿真,并与理论值相比较。

使电路元器件符合设计的电路要求,在模型MO-OTAS和DO-CCII的基础上,修改了其电路图,如图4所示。

图4 MO-OTAS和CCCII内部结构图

为了实现上述电路功能,设置CCCII±中的偏置电流Ibi=6.0 μA,偏置电压VDD=-VSS=1.85 V,PMOS的宽和长分别为W=3 μm,L=2 μm;NMOS的宽和长分别为W=3 μm,L=4 μm。

设置OTA中的偏置电流Ibp=5.5 μA,偏置电压VDD=-VSS=1.85 V,PMOS与NMOS的宽长是W=4 μm,L=2 μm。

作为一个设计例子,将低通、高通、带通、带阻和全通的中心频率设置为10 kHz,设置电路电容为C1=C2=C3=10-9 F,仿真结果如图5、图6所示。其中,图5为低通、高通、带通、带阻波形。图6为调节CCCII中偏置电流Ibi,使其分别为3 μA,6 μA,12 μA,24 μA下所得到的低通波形图像。

图5 二阶滤波器频响特性

图6 不同Ibi下低通滤波器频响特性

由表1,表2可以看出,改变电路品质因数Q的值,可以通过两种方法实现,即调节电路和改变硬件。对于电路的调节,可以给定C1=C2=C3=1×10-9 F,只需调节OTA1的偏置电流,进而改变跨导的大小,以此表达改变品质因数的目的。另外一种是通过改变C1的大小来改变品质因数。图7,图8分别以带通和带阻来实现上述功能。

表1 改变OTA1的跨导表2 改变接地电容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

图7 改变OTA1的跨导所得带通频响特性

5 结 语

这里提出一种新颖的MO-OTAS和CCCII相结合的二阶多功能电流模式滤波器,所设计的滤波器频率可调,只需适当调节CCCII的偏置电流,即可达到调节CCCII内部电阻RX,使得滤波器的调谐能力大大提高。 另外, 还提出了两种改变品质因数的方法,通过实验证明了中心频率与品质因数之间的相互独立性,而且由于没有使用浮地电容,便于实现集成。且w0,Q对无源元件灵敏度低。仿真结果验证了它在较宽的频率范围内表现良好。

图8 改变C1大小所得带阻频响特性

参考文献

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