基于MOCCCⅡ的N阶电流模式滤波器的设计

随着VLSI技术的发展，电流模电路(Current ModeCircuit)的研究正在蓬勃发展。与电压模电路相比，电流模电路具有频宽大、电路结构简单、电源损耗较低及动态范围较宽等优点。电流模式电路的设计和实现把模拟集成电路带入了一个新阶段。基于BJT(双极型晶体管)实现的第二代电流控制传输器CCCⅡ(Second Gen-eration Current Controlled Conveyer)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)的特点又使得由它设计的电路更具弹性。目前基于CCCⅡ的n阶电流模式滤波器，或大部分限于特殊类型(如低通)的滤波器，或电路结构及参数的设计较为复杂，所用有源和无源器件较多。本文仅用n+2个有源CCCⅡ器件、n个接地电容及两个电阻方便地构成低通、带通、高通、带阻及全通类型的n阶滤波器，整个电路结构及参数的设计都很简单。  

1 N阶多功能滤波器的设计方法  

1.1 MOCCCⅡ的电路实现  

多输出的电流控制传输器MOCCCⅡ(Multiple outputscccⅡ)是在1996年法国Fabre等几位学者提出的第二代电流控制电流传输器的基础上设计出的。如果在CCCⅡ混合跨导线性环的后级加上多端输出的对称电流镜，则可获得MOCCCⅡ电路。其电路符号和实现原理如图1所示。电流传输矩阵为：   

  

式中，VT=26mV(室温)，本质电阻(寄生电阻)RX受偏置电流Ib控制。

1.2 信号流图及MOCCCⅡ滤波器的提出   

由梅森公式分析可知，式(2)所表达的分子分母均为n阶传输函数，可由图2(a)所示的信号流图实现，针对连续系统，信号流图所表示的系统可用积分器来模拟，由CCCⅡ构成的积分器如图2(b)所示。  

  


  


  

CCCⅡ积分器输出与输入的关系表达式为：Io／Ii=1／(SC1Rx)。有了信号流图及CCCⅡ积分器，便能迅速得出基于MOCCCⅡ的电流模式滤波器，电路如图3所示。图中，MOCCCⅡ0和MOCCCⅡn+l均采用多端输出的MOCCCⅡ，它的Z端输出电流与Y端输入电流的关系满足：Iz／Ii=Ra／Rxo，Rxo为左边第一个MOCCCⅡ0的寄生电阻，大小为Rxo=VT／2Ibo，最右边的MOCCCⅡn+1同理，而中间的积分器只需采用单端输出形式。   

2 原理分析及多功能滤波器生成

由图3及电路基本理论可得：
  
由  


  
式(3)到式(6)可以得到低通、带通、高通、带阻及全通滤波器电路。  

2.1 低通滤波器

从式(3)到式(6)的推导过程可以看出，式(6)中分子的Sn项是由式(3)中左边的最后一个含Ii的项所产生的，电路图所对应的是图3中MOCCCⅡ0中最下面的Z端输出，即第n+l端Z输出(MOCCCⅡ0共有n+l端Z输出)；Sn-1是式(3)的倒数第二个含Ii的项所产生的，电路图所对应的是图3中MOC-CCⅡ0中倒数第2端Z输出，即第n端Z输出，依次类推，分子的常数项为图3中MOCCCⅡ0的最上端Z输出，即第1端z输出。所以，低通滤波器传递函数为：  


  

对应的电路为在图3中只保留MOCCCⅡ0的第1端Z输出，而去掉MOCCCⅡ0其他的Z端输出。
  


  


  

2.2 带通滤波器  

若保留式(6)中分子的除常数项和Sn项外其他任意一项，则为带通滤波器。这里仅考虑保留Sn／2项(n为偶数)，其传递函数为：  

  

对应的电路为仅保留图3中MOCCCⅡ0的第(n／2)+1端Z输出，而去掉MOCCCⅡ0的其他Z端输出的电路。  

2.3 高通滤波器  

仅保留式(6)中分子的Sn项，则为高通滤波器，其传递函数为：
  

  
对应的电路为仅保留图3中MOCCCⅡ0第n+1端Z输出，而去掉其他MOCCCⅡ0的其他Z输出的电路。

2.4 带阻滤波器  

保留式(6)中分子的Sn项和常数项，则为带阻滤波器，其传递函数为：  


  
对应的电路为仅保留图3中MOCCCⅡ0第1端Z输出和第n+1端Z输出，而去掉MOCCCⅡ0的其他Z输出的电路。  

2.5 全通滤波器  

全通滤波器的传递函数表达式应为式(6)中分子Sn项符号与Sn-1项符号相反，且K1=K2=1。其传递函数为：  


  
由于式(6)分子的常数项对应MOCCCⅡ0的第l端Z输出，S1项对应于第2端Z输出，S2项对应于第3端Z输出……所以式(11)所对应的电路是：将图3中MOCCCⅡ0的偶数端(从上往下数)输出改为反相输出，奇数端输出为同相输出。  

3 计算机仿真   

为了验证设计电路的可行性，对四阶巴特沃斯类型的各种滤波器进行了设计和PSPICE仿真。CCCⅡ的电源电压均取±5V，偏置电流Ib都设为13μA，则各Rx=VT／2Ib=1kΩ，电路中Ra=Rb=1kΩ，所以各传递函数中K1=Ra／Rao=K2=Rb／Rx(n+1)=1，电容C1=0.2613μF，C2=.1306μF，C3=O.0765μF，C4=0.03827μF。仿真结果如图4所示，可以看出所设计的多功能滤波器工作频率可达到4MHz左右，低通、高通、带通、带阻和全通滤波器仿真结果分别为图4(a)～(e)所示，从而证实了设计的可行性。
  


  


  
本文提出的基于MOCCCⅡ的电流模式n阶多功能滤波器，设计方法简单，综合性强，能产生各种高阶滤波器。只要改变图3中MOCCCⅡ0的Z输出端的连接方式，就可以得到低通、带通、高通及全通滤波器电路，其转换方法也很简单。滤波器结构简单，n阶滤波器仅用了n+2个有源CCCⅡ器件、n个接地电容及两个电阻，通过调整电容或者各CCCⅡ的偏置电流就可以实现滤波器截止角频率等参数的调谐，使得参数很容易设计。所有RC元件均接地，外接电阻少，便于单片集成。