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基于MOCCC II和OTA的频率可调谐 多功能电流模式滤波器

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0 引 言
   
电流传送器自1968年问世以来,在模拟电路设计中应用十分广泛,也在人们的关注下不断发展,基于第二代电流传送器CCⅡ(The Second Generation Current Conveyor)的电路方案层出不穷。然而,由于CCⅡ的X端存在寄生电阻,从而造成CCII的X端与Y端电压跟踪无法达到理想程度,导致了电路的传输函数产生误差。1996年A.Fabre等人利用双极型晶体管的线性互导(Translinear Loop)特性实现了电流控制传送器CCCⅡ(Current Controlled Conveyor),克服了CCⅡ的不足。CCCⅡ利用X端的寄生电阻受内部直流偏压控制的特性,使CCCⅡ的应用延伸到电调节的领域。这样使得CCCⅡ和OTA(Operational Transconductance Ampli-fier)一样,元件本身能够产生电阻效应,设计过程中减少了无源元件的使用,使电路结构变得简单,而且提高了频响降低了功耗。
    运算跨导放大器OTA,输入电压控制输出电流,开环增益是以S为量纲的跨导,可通过偏置电流对开环增益连续调节,频带宽、高频性能好。这些性能优点远远超过了常规电压型运算放大器。
    随着CCCⅡ以及OTA的提出,二者的优点越来越受到重视,由CCCⅡ构成的滤波器,以及OTA-C滤波器也有一些报道,然而,由CCCⅡ与OTA联合构成的滤波器的报道尚不多见。本文提出了一种基于MOC-CCⅡ和OTA的电流模式滤波器,只需两个MOCCCⅡ和一个OTA以及两个接地电容元件,无须任何电阻元件,由于MOCCCⅡ和OTA均可通过偏置电流调节,采用二者联合构成的电路,频率可调谐的范围更广,电路具有设计简单,灵敏度低和多功能滤波等优点,并且经过理论分析和模拟仿真,验证了本文所提出的电路结构是正确的。

1 频率可调谐多功能电流模式滤波器的设计
1.1 MOCCCⅡ器件的简介

    理想MOCCCⅡ的Y端和Z端阻抗为无穷大,其电路符号如图1所示,端口特性如下:

   
式中:RX是X端的寄生电阻,其值为:RX=VT/(2IB);VT为热电压,在常温(T=300 K)下,VT△26 mV;IB为偏置电流,控制寄生电阻RX实现电可调性。

1.2 OTA器件的简介
    OTA因其跨导增益便于调节,线性控制范围宽,电路结构简单便于集成的优点,颇受重视,应用范围很广。
    OTA的符号如图2所示,在理想情况下,输入输出阻抗趋于无穷大,图3为其理想模型。Vi+为同相输入端,Vi-为反相输入端,Io是输出电流,IB是偏置电流。

    OTA的传输特性为:

   
式中:Vid是差模输入电压;Gm是跨导增益。在常温小信号下有:Gm=19.2IB。

2 提出的电路
2.1 电路原理

    新的二阶多功能滤波器如图4所示。

    多功能电流模式滤波器根据各MOCCCⅡ的理想端口特性,以及电路结构,可以得出电路各输出端口的传输函数:

   
2.2 电路功能分析
    选取不同的输入端,在不同的输出端可以获得不同的滤波功能,而且将不同的输出端进行组合也可以得到不同的滤波功能,真正地实现了多功能。具体实现如下:
    (1)当选取Ii3=Ii,Ii1=0时,输出端Io3可以实现全通功能:

   
    (2)当选取Ii1=Ii3=Ii,Ii2=0时,输出端Io2可以实现低通功能,Io1实现带通功能,组合Io3与Io1实现带阻功能:

   
    (3)当选取Ii3=-Ii1=Ii,Ii2=0时,组合3个输出端可以实现高通功能:

   
    可见,滤波器的特征频率ωo可以通过电容C进行独立调节。
2.3 灵敏度的分析
   
由ωo以及Q的式子,根据对数灵敏度的定义SXY=X/Y·eY/eX,可以求出特征频率ωo和品质因数Q相对电阻RX1,RX2和电容C1,C2的灵敏度,如表1所示。显然,该电路具有很低的灵敏度。

[p] 3 仿真模拟
   
为了验证图5电路所示的正确性,本文采用了PSpice仿真。
3.1 实际电路
    MOCCCII以及OTA分别采用如图5~图7所示的实际电路实现。

    CCCⅡ±实现电路的MOS管采用0.5 μm工艺,如表2所示。

    为了实现上述二阶特性,选取直流电压VDD=4 V,VSS=-2.4 V,偏置电流IB1=IB2=1.3μA,C1=C2=6 pF,NMOS管的尺寸L=2μm,W=10μm,PMOS管的尺寸L=1/μm,W=10μm。OTA实现电路的MOS管采用0.35μm工艺的NMOS_3p3和PMOS_3p3。取直流电压VD33=3.3 V,IB3=0.1μA。输入电流取Ii=1μA。特征频率和品质因数分别为fo=ωo/(2π)=2.7 MHz,Q=1。
3.2 多功能滤波器的幅频、相频响应
    经PSpice仿真,理论与实际电路的幅频特性(Gain),相频特性(Phase)如图8所示。

    由图可见,所得结果与理论分析十分吻合,在相当宽的频率范围内都有效,从而证实了本文提出的电路方案是正确的。
    此外,赋予接地电容不同的值,并保持其他参数值不变,可以使Q=1不变,独立地调节ωo。如图9所示,以带通波形为例,分别取C1=C2=600 pF;60 pF,6 pF。有fo=0.027 MHz,O.27 MHz,2.7 MHz。可见,当fo=ωo/2π增大时,波形不变,只是整体向右平移。


4 结 语
   
本文设计的基于MOCCCⅡ和OTA的频率可调谐多功能电流模式滤波器,由两个MOCCCⅡ,1个OTA和2个接地电容组成,通过选择不同的输入和输出端口,能够实现二阶低通、高通、带通、带阻、全通五个滤波功能。调整MOCCCⅡ以及OTA的偏置电流和电容值,能够对特征参数进行正交调节,并且特征频率fo可以通过接地电容C实现独立调节,频率可调谐的范围很广。此外,设计的电路具有很低的灵敏度,所使用的无源元件很少并且均接地,易于用CMOS技术集成。最后,面向实际电路,经过PSpice仿真验证,在很宽的频率范围内都表现良好,结果表明所提出的电路方案正确有效。

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