宋樹祥,王小華,解鴻國

(廣西師范大學電子工程學院,廣西桂林 541004)

參數(shù)可線性重構的電流模式二階帶通濾波器

宋樹祥,王小華,解鴻國

(廣西師范大學電子工程學院,廣西桂林 541004)

針對二階通用帶通濾波器存在特征參數(shù)不能線性重構的缺點,提出一種全新的特征參數(shù)可線性重構的電流模式二階帶通濾波器設計理論。該調(diào)諧濾波器通過調(diào)節(jié)反饋電流放大器的放大系數(shù)可線性重構二階帶通濾波器的截止頻率、品質(zhì)因素等參數(shù),而濾波器的幅頻特性保持不變。Spectre仿真結果表明,±1.5 V電源電壓下,濾波器的中心頻率和品質(zhì)因素在2 GHz內(nèi)可線性重構。

帶通濾波器;線性可重構;電流控制的電流傳輸器;電流放大器

1 引 言

隨著全集成有源濾波器的發(fā)展,參數(shù)可重構的連續(xù)時間集成濾波器的研究和開發(fā)已成為主流趨勢,特別是在低中頻架構接收機、ADSL(Asymmetrical Digital Subscriber Loop)和CDMA(Code Division Multiple Access)無線接收技術中,參數(shù)可重構濾波器由于有著非常吸引人的優(yōu)點而被廣泛采用[1-5]。因為接收機中的濾波器是鏡像抑制和信道選擇的關鍵模塊,其性能直接影響接收機的多項指標,濾波器的參數(shù)可重構設計,可以較好地解決因受工藝、環(huán)境(溫度、工作電壓)以及老化等因素的影響而導致濾波器性能發(fā)生變化無法恢復接收機性能這一問題。另一方面,濾波器的參數(shù)可重構設計,對于設計可重構系統(tǒng)也具有重要意義?；贑CCⅡ的電流模式濾波器因比電壓模式濾波器具有更寬的信號頻帶、更好的線形度和更大的動態(tài)范圍而備受關注,各種不同類型的濾波器也被大量提出[6-9]。本文鑒于二階通用帶通濾波器的濾波參數(shù)重構范圍窄且不能線性重構等缺點,提出一種全新的特征參數(shù)可線性重構的電流模式二階帶通濾波器設計理論。該調(diào)諧濾波器通過調(diào)節(jié)反饋電流放大器的放大系數(shù)A可線性重構二階帶通濾波器的截止頻率、品質(zhì)因素等參數(shù)。整個設計在保證濾波器精確的幅頻特性基礎上使得帶通濾波器的截止頻率、品質(zhì)因素等參數(shù)具有線性可調(diào)諧性。

2 參數(shù)可線性重構的二階帶通濾波器設計原理

1996年,Fabre等人提出了電流控制傳輸器(CCCⅡ)[10]。該電流控制傳輸器由于具有較好的電流控制功能而廣泛應用,其實現(xiàn)電路及符號如圖1所示。

圖1 電流控制傳輸器CCCⅡ的電路和符號Fig.1 Circuit and symbol of CCCⅡ

在理想情況下,端口電流、電壓的關系可用式(1)表示:

式中,Rx=VT/2IB,VT≈26 mV。電阻Rx的值可被偏置電流IB調(diào)諧。z+表示同相輸出,z-表示反相輸出,iz+=ix,iz-=-ix。在本設計中將用電流控制傳輸器作為設計參數(shù)可線性重構的二階帶通濾波器的基本設計模塊。

本文在基本二階濾波器的基礎上提出一種特征參數(shù)可線性重構的電流模式帶通濾波器的設計理論,其工作原理如下所述。

圖2 基本二階濾波器原理圖Fig.2 Principle diagram of basic second-order filter

圖2為帶通輸出和加有電流放大電路的低通輸出的基本二階濾波器原理圖,根據(jù)濾波器低通和帶通的系統(tǒng)函數(shù)理論,圖2的二階低通和帶通系統(tǒng)函數(shù)如下:

從式(2)可以計算出基本二階濾波器的特征頻率f0=1/2π。如果在圖2的基礎上,從低通輸出端引出一個反饋電流,該經(jīng)電流放大器放大A倍后和輸入電流疊加,作為二階濾波器的輸入信號,那么將構成一種新的二階濾波器,如圖3所示。該電路具有參數(shù)可重構功能,下面對該電路的濾波參數(shù)可重構性進行分析。

圖3 參數(shù)可重構的二階帶通濾波器原理圖Fig.3 Principle diagram of second-order bandpass filter with reconfigurable parameters

為了達到二階濾波器電路參數(shù)可線性重構的目的,將圖3進行改進,在原有電路的基礎上再加上一個電流反饋回路,如圖4所示。

圖4 參數(shù)可線性重構的帶通二階濾波器原理框圖Fig.4 Principle diagram of second-order bandpass filter with linear reconfigurable parameters

通過計算得出,圖4中二階濾波電路的帶通系統(tǒng)函數(shù)如式(5)所示:

為了更好地說明圖4所示電路參數(shù)可線性重構的性質(zhì),根據(jù)式(2)、式(3)和式(5),將圖2、圖3和圖4濾波器的特征參數(shù)計算出來,如表1所示。

表1 基本二階、可重構二階和可線性重構的二階帶通濾波器特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of basic,parameters reconfigurable and parameters linear reconfigurable second-order bandpass filters

從表1可以看出,如果基本二階濾波器的參數(shù)設定,圖3結構中二階帶通濾波器電路的中心頻率和品質(zhì)因素可以通過放大系數(shù)A來重構,重構系數(shù)為 1-A,具有非線性重構特性。圖4結構中二階帶通濾波器的電路參數(shù)也可以通過重構電流放大倍數(shù)A來重構,重構系數(shù)為(1-A),具有線性重構特性,而且只要滿足(1-A)>0即可,重構范圍寬。從表1還可以看出,圖3和圖4電路的二階帶通增益和-3 dB帶寬與基本二階濾波器嚴格保持一樣,這在無線接收技術設計中十分重要。

為了驗證所提出的參數(shù)可線性重構的帶通二階濾波器設計理論是否正確,本文提出基于圖1(a)所示的CCCⅡ的參數(shù)可線性重構的二階帶通濾波器如圖5所示。1、2、3號CCC Ⅱ模塊和電容 c1、c2構成圖 2的基本二階帶通濾波器,控制(control)CCCⅡ模塊和3號CCCⅡ模塊構成電流放大器A。圖5中電壓Vy2通過電容c1構成低通輸出。通過對控制(control)CCCⅡ模塊的兩個輸出電流進行設計,使Iz1=2Ix,Iz2=-AIx,那么參數(shù)可線性重構的二階帶通濾波器總的反饋電流為 Iz=(2-A)Ix,其中 A=-IBC/IB。

圖5 基于CCCⅡ的參數(shù)可線性重構的帶通濾波器電路Fig.5 Circuit of bandpass filter with linear reconfigurable parameters based on CCCⅡ

在圖 5電路中,設 IB1=IB2=IB3=IB,則 1、2、3號CCCⅡ模塊X端的輸入電阻可計算為Rx1=Rx2=Rx3=VT/2IB。令c1=c2=C,則圖5虛線框內(nèi)基本二階低通和帶通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可計算如下:

從式(6)得出基本二階濾波器的中心頻率為f0=1/2πRxC。通過對比式(6)和式(5),可計算出參數(shù)a′=a=RxC,b=(RxC)2。這樣,參數(shù)可線性重構的帶通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)如下:

根據(jù)文獻[10],計算得到放大系數(shù) A=-IBC/IB,且A≤0。二階帶通濾波器的電路參數(shù)可以通過改變CCCⅡ模塊中的外接電流源的直流電流比IBC/IB來線性重構,重構范圍寬(只要滿足 A≤0即可)且重構十分方便。

3 靈敏度分析

4 Spectre仿真

為了驗證參數(shù)可線性重構二階帶通濾波器的設計理論證的正確性,在0.18 μ m SMIC BiCMOS工藝條件下對圖5所示電路進行Spectre仿真。取電路的參數(shù)為:電源電壓為±1.5V,電容取值C1=C2=C=5 pF,偏置電流 IB1=IB2=IB3=50 μ A,則可計算出基本二階帶通濾波器的理論中心頻率為122 MHz。取電流放大器的放大系數(shù)A等于-1、-2和-5,即偏置電流 IBC分別為50 μ A 、100 μ A和250 μ A時對濾波器進行Spectre仿真,仿真結果如圖6所示。分析圖6可得出 f0T=239 MHz(A=-1)、f0T=368MHz(A=-2)和 f0T=736 MHz(A=-5),與理論計算值f0T=244 MHz(A=-1)、f0T=366 MHz(A=-2)和f0T=732 MHz(A=-5)基本一致,由此可得出,本文所提出的參數(shù)可線性重構的電流模式二階帶通濾波器理論是正確的。本文提出的可線性重構二階帶通濾波器是對文獻[6]提出的二階帶通濾波器的改進,但和文獻[6]相比具有更寬的頻率可調(diào)諧范圍,而且中心頻率和品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)可以通過放大系數(shù) A線性重構,準確性更好。

圖6 Spectre仿真結果(電流放大系數(shù)A=-1,-2,-5)Fig.6 Spectre simulation results(current amplification coefficient A=-1,-2,-5)

5 結束語

本文提出了一種參數(shù)可線性重構的二階帶通濾波器設計理論,該濾波器通過調(diào)節(jié)反饋電流放大器的放大系數(shù)A可線性重構二階帶通濾波器的截止頻率、品質(zhì)因素等參數(shù)。采用0.18 μ m SMIC BiCMOS工藝,±1.5 V電源電壓下,設計了基于CCCⅡ的參數(shù)可線性重構的帶通濾波器電路。Spectre仿真結果表明,該濾波器電路的中心頻率和品質(zhì)因素在2 GHz內(nèi)可線性重構,偏差小于2%。該理論同樣適用于高通可線性重構濾波器設計。

[1]Graham D W,Hasler P E,Chawla R,et al.A Low-Power Programmable BandpassFilter Section for Higher Order Filter Applications[J].IEEE Transactions on Circuits System I,2008,54(6):1165-1176.

[2]Mohammad Mahdi Farhad,Sattar Mirzakuchaki.A Gm-C Anti-Aliasing Filter for Digital Radio Receivers[C]//Pro-ceedings of the Second International Conference on Electrical Engineering.Lahore,Pakistan:University of Engineering and Technology,2008:195-198.

[3]Han Shuguang,Chi Baoyong,Wang Zhihua.A Mixed Loop CMOS Analog GFSK Modulator with TunableModulation Index[J].IEEE Transaction on Circuits andSystems II,2007,54(6):547-551.

[4]Julien Arcamone,Bertrand Misischi,Francisco Serra-Graells,et al.A Compact and Low-Power CMOS Circuit for Fully Integrated NEMS Resonators[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems II,2007,54(6):377-381.

[5]Schmid H P,Moschytz G S.Aetive-MOSFET-C Single Amplifier Biquadratic Filters for Video Ferquencies[J].IEEE Pore-Circuits Devices System,2000,147(2):35-41.

[6]宋樹祥,王小華.電調(diào)諧CCCⅡ-C電流模式二階帶通濾波器[J].電路與系統(tǒng)學報,2011,16(5):51-54.

SONG Shu-xiang,WANG Xiao-hua.A New electronically tunable Currentmode second-order bandpassFilter Based on CCCⅡ-C[J].Journal of Circuits and Systems,2011,16(5):51-54.(in Chinese)

[7]Pui-In M,Seng-Side,U,Rui P M.Transceiver structure selection:review,state-of-the-art survey and case study[J].IEEE Circuits System Magazine,2007,7(2):6-25.

[8]Liao Wei-Hung,Chen Chang-Sheng,Lin Yo-Shen.Single-chip integration of electronically switchable bandpassfilter for 3.5GHz WiMAX application[C]//Proceedings of 2010 Microwave Symposium Digest.Anaheim,CA:IEEE,2010:1368-1371.

[9]Lakys Y,Godara B,Fabre A.Cognitive and encrypted communications.Part 2:A new theory for frequency agile active filters and the validation results for an agile bandpass in SiGe-BiCMOS[C]//Proceeding of the 6th International Conference on Electrical and Electronics Engineering.Bursa,Turkey:IEEE,2009:16-29.

[10]Fabre A,Saaid O,Wiest F,et al.High frequency applications based on a new current controlled conveyor[J].IEEE Transactions on Circuits System,1996,43(2):82-91.

SONG Shu-xiang was born inShuangfeng,Hunan Province,in 1970.He received the Ph.D.degree from Huazhong University of Science and Technology in 2009.He is now an associate professor.His research concerns analog integrated circuit design.

Email:songshuxiang@mailbox.gxnu.edu.cn

王小華(1980—),男,湖南邵陽人,講師,主要研究方向為模擬集成電路設計;

W ANG Xiao-hua was born inShaoyang,Hunan Province,in 1980.He is now a lecturer.His research concerns analog circuit design.

解鴻國(1983—),男,山西大同人,碩士研究生,主要研究方向為模擬集成電路設計及其應用。

XIE Hong-guowasborn in Datong,Shanxi Province,in 1983.He is now a graduate student.His research concerns analog integrated circuits and their applications.

The National Natural Science Foundation of China(No.61061006)

A Current-mode Second-order Bandpass Filter with Linear Reconfigurable Parameters

SONG Shu-xiang,WANG Xiao-hua,XIE Hong-guo
(College of Electronic Engineering,Guangxi Normal University,Guilin 541004,China)

In view of the shortcoming that the filter characteristic parameters of the second-order universal bandpass filters can not be linearly modified,a novel design theory for the second-order current-mode bandpass filter with linear reconfigurable characteristic parameters is presented.The parameters of the filter such as cut-off frequency and Q-factor can be linearly reconfigured by adjusting the value of the gain of the current feedback amplifiers,without any change of the filter amplitude-frequency characteristics.Spectre simulation results confirm that the filter cut-off frequency and Q-factor can be linearly reconstructed in 2 GHz with±1.5 V power supply voltage.

bandpass filter;linear reconfigurable;current controlled current conveyor;current amplifier

TN713

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.029

1001-893X(2012)06-0974-05

2012-01-20;

2012-03-12

國家自然科學基金資助項目(61061006)

宋樹祥(1970—),男,湖南雙峰人,2009年于華中科技大學獲電路與系統(tǒng)專業(yè)博士學位,現(xiàn)為副教授,主要研究方向為模擬集成電路設計;