王麗娜，陳向東，李沁蓮

(四川成都西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都610031)

由于電流模式電路比電壓模式有明顯的優(yōu)勢，如寬帶寬、更好的線性度、更大的動態(tài)擺幅和低功耗[1-3]等，所以，電流模式電路在信號處理等高性能電路領域中發(fā)揮著越來越重要的作用。此外，電流模式有源器件已被證實比常規(guī)的運算放大器更簡單，操作更方便。近年來，有源技術發(fā)展逐漸成熟，出現(xiàn)了各種卓有成效的設計思路和方法。

二階有源濾波器已經(jīng)成為一個標準的研究課題，第三代電流傳輸器 (CCIII)[4]作為一個新的有源元件被引入，然而基于CCIII的二階有源濾波器研究成果較少。本文提出了3種濾波結構，每個結構采用單一有源元件(CCIII)和幾個無源元件，不需要匹配條件，所有電路都有很好的靈敏度特性，元件數(shù)目較少，適合用CMOS實現(xiàn)，仿真結果證明了電路的可行性。

1 電路設計

1.1 第三代電流傳輸器基本電路

理想雙輸出第三代電流傳輸器的電路符號如圖1所示[5]，式(1)為其理想端口特性矩陣[5]，其中矩陣中的正號和負號分別表示電流是流進z端口還是流出z端口，用此來區(qū)分CCIII+和 CCIII-。

1.2 低通、高通、帶通濾波器的電路

本文提出的二階電流模式低通、高通、帶通3種濾波器電路分別如圖2、圖3、圖4所示。每個構造只使用單一CCIII-和幾個電阻、電容。

二階有源濾波器的設計是多階有源濾波器設計的基礎，二階實現(xiàn)的轉移函數(shù)如式(2)所示：

選 擇 適 當 的 系 數(shù) ak(k=0，1，2)，bk(k=0，1)即 可 實 現(xiàn)以上3種濾波器。高階濾波器可以用二階節(jié)級聯(lián)或多路負反饋級聯(lián)來實現(xiàn)。

對于圖2，3，4的電路圖，電流傳輸函數(shù)分別為：

式(3)、(4)、(5)分別是二階的低通、高通、帶通濾波器的傳遞函數(shù)。其極點角頻率分別為極點角頻率與極點品質因數(shù)之比分別為：

所以，圖2、圖3、圖4的電路方案從理論上可以實現(xiàn)低通、高通、帶通功能。

2 電路仿真

為了驗證提出的電路結構可以實現(xiàn)低Q(0＜Q＜5)值的3種濾波器，應用單一CCIII和幾個不同的RC構成的濾波電路，使用HSPICE LEVEL49的MOS模型參數(shù)，在TMSC 0.35 μm CMOS 工藝、電源電壓 VDD=2.5 V、VSS＝-2.5 V條件下，設定Q=1，MOS管的尺寸為PMOS的W/L=210 μm/0.7 μm 和 NMOS 的 W/L=70 μm/0.7 μm，圖2、圖3、圖4中 ，I1=1 mA，R1=10 kΩ，R2=10 kΩ，R3=1 kΩ，R4=1 kΩ，C1=1 nF，C2=1 nF。

對3種電路進行仿真。圖2、圖3、圖4的濾波器的幅頻響應分別如圖5、圖6、圖7所示。

從圖中可以看出，幅頻在很寬的范圍內都有效。適當選取 R1、R2、R3、C1、C2的值，可以 設計出不同低 Q(0＜Q＜5)值的濾波器。

3 靈敏度分析

設一個濾波器的靈敏度為S，網(wǎng)絡性能參數(shù)ω和Q為y，電路元件電阻R或電容C為x，則網(wǎng)絡性能參數(shù)y對電路元件參數(shù)x的靈敏度函數(shù)定義為：

將低通濾波器的 ωp代入式(3)和式(6)，可得低通濾波器的電阻和電容靈敏度為：

將高通濾波器的 ωp代入式(4)和式(6)，可得高通濾波器的電阻和電容靈敏度為：

將帶通濾波器的極點角頻率 ωp代入式(5)和式(6)，可得低通濾波器的電阻和電容靈敏度為：

從上式分析可知，提出的低通、高通、帶通濾波器都具有較低的無源靈敏度。

濾波器對有源元件的靈敏度即求解濾波器對有源元件CCIII的靈敏度[7]。考慮 CCIII的非理想特性，假定非理想電流傳輸器描述為：

式中 hi=1+εi，|εi|＜＜1，i=1，…，4 為電壓電流跟蹤誤差[8]。

考慮式(7)中的跟蹤誤差，低通、高通、帶通濾波器的傳輸函數(shù)分別為：

從上面3個傳輸函數(shù)不難看出：CCIII的電壓電流的跟蹤誤差對濾波器的極點角頻率沒有影響，對極點角頻率與極點品質因數(shù)的影響也較小，故有源靈敏度相對較低。

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[8]何怡剛，陳洪云，謝宏.用第三代電流傳送器設計電流模式有源濾波器.湖南大學學報，2001，28(6)：59-63.