- 易迪拓培训,专注于微波、射频、天线设计工程师的培养
基于MO-OTAS和CCCII电流模式通用滤波器设计
录入：edatop.com 点击：
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)和电流控制第二代电流传输器(CCCII±)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 Re-sistance)的特点，使得由它设计的电路更具弹性。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。
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，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士简介
跨导运算放大器CCCII士和电流传输器MO-OTAS电路符号及原理如图1，图2所示。
由图3可知，理想的()TA的传输特性是：
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：
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。
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：
并且通过低通与高通的线性组合可得到带阻如下：
式中：D(K)=S2+S(gm1／C1)+gm2／(C1C2RX)
将上式通过变换可得如下函数：
式中：参数ω0和Q由下式表达：
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
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。
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。
为了实现上述电路功能，设置CCCII±中的偏置电流Ibi=6．0μA，偏置电压VDD=-VSS=1．85 V，PMOS的宽和长分别为W=3μm，L=2μm；NMOS的宽和长分别为W=3μm，L=4μm。
设置OTA中的偏置电流Ibp=5．5μA，偏置电压VDD=-VSS=1．85 V，PMOS与NMOS的宽长是W=4 μm，L=2μm。
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=10-9F，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3μA，6μA，12μA，24μA下所得到的低通波形图像。
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=1×10-9F，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。
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ω0，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。
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 Re-sistance)的特点，使得由它设计的电路更具弹性。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。
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，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士简介
跨导运算放大器CCCII士和电流传输器MO-OTAS电路符号及原理如图1，图2所示。
由图3可知，理想的()TA的传输特性是：
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：
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。
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：
并且通过低通与高通的线性组合可得到带阻如下：
式中：D(K)=S2+S(gm1／C1)+gm2／(C1C2RX)
将上式通过变换可得如下函数：
式中：参数ω0和Q由下式表达：
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
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。
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。
为了实现上述电路功能，设置CCCII±中的偏置电流Ibi=6．0μA，偏置电压VDD=-VSS=1．85 V，PMOS的宽和长分别为W=3μm，L=2μm；NMOS的宽和长分别为W=3μm，L=4μm。
设置OTA中的偏置电流Ibp=5．5μA，偏置电压VDD=-VSS=1．85 V，PMOS与NMOS的宽长是W=4 μm，L=2μm。
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=10-9F，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3μA，6μA，12μA，24μA下所得到的低通波形图像。
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=1×10-9F，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。
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ω0，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。
射频工程师养成培训教程套装，助您快速成为一名优秀射频工程师...
射频和天线工程师培训课程详情>>
