席劍銳，楊金孝，王秉章

（西北工業(yè)大學 電子信息學院，陜西 西安710129）

基于CCII+的電流模式二階帶通濾波器

席劍銳，楊金孝，王秉章

（西北工業(yè)大學 電子信息學院，陜西 西安710129）

隨著電流模式的推廣，以電流模方法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)及應(yīng)用覆蓋了許多重要領(lǐng)域，其中一個重要的電流模模擬標準部件是電流傳輸器，大量應(yīng)用電流傳輸器的新型通用濾波電路不斷被提出，本文提出一種新型的二階帶通濾波器，該濾波器功耗低、抗干擾能力強、容易集成等優(yōu)點，采用CCII+來實現(xiàn)。

電流模式電路；第二代電流傳輸器；帶通濾波器；靈敏度

模擬電子電路歷史上采用電壓模式設(shè)計方法，即電路的信號用電壓變量來表述，電路的功能通過處理電壓信號來實現(xiàn)。對于電壓模式的電路，通常要求它在盡可能低的功耗下提供盡可能大的電壓信號擺幅。因此，要在電路中人為地設(shè)置多個高阻抗節(jié)點，去限制總的電流消耗和提高電壓擺幅。這些高阻抗節(jié)點存在負面效應(yīng)，嚴重地影響了電路對高頻和高速信號的處理能力［1］。

近年來，電流模電路在速度、帶寬和線性度方面相對于電壓模有較為明顯的優(yōu)勢，因而受到了廣泛的關(guān)注［2-4］。1968年，加拿大學者K.C.Smith和A.Sedra提出了一個新的模擬標準部件——電流傳輸器（Current Conveyer，簡稱CC）。電流傳輸器是一種功能很強的標準部件，將電流傳輸器與其它電子原件組合可以十分簡便的構(gòu)成特定的電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多種模擬信號的處理功能，在這一點上，電流傳輸器與通用電壓模式運算放大器是相似的。但是，電流傳輸器是一種電流模式電路，模擬電路的設(shè)計者們發(fā)現(xiàn)電流傳輸器能提供若干優(yōu)于通用運算放大器的電路性能。電流傳輸器電路，無論信號大小，都能比相應(yīng)的基于電壓運算放大器的電路提供更大帶寬下的更高電壓增益，即更大的增益帶寬積［5-7］。

文中基于Smith和Sedra的思想，利用第二代電流傳輸器設(shè)計了一種二階帶通濾波器，該濾波器具有功耗低、抗干擾能力強、容易集成等優(yōu)點，并用Hspice軟件進行了仿真驗證。

1　第二代電流傳輸器

第二代電流傳輸器 （second generation current conveyor，簡稱CCII），如圖1所示為三端器件［8］。

圖1　CCII電路符號

CCII的端口特性可用下列矩陣方程描述［9］:

該方程表明，CCII的Y端口電流為零，X端口的電壓跟隨Y端口電壓，Z端口的電流跟隨X端口的電流。由此可見，Y是電壓輸入端，Y端口呈現(xiàn)的輸入阻抗為無窮大；X是電流輸入端，而且X端口電壓跟隨加于Y端口的電壓，因而X端口呈現(xiàn)零輸入阻抗；低阻抗X輸入端的電流傳輸?shù)礁咦杩沟腪輸出端，即在Z端口產(chǎn)生一個可控的輸出電流，該電流僅取決于X端的輸入電流，電流方向可以相同也可以相反。（1）式中各變量均表示總瞬時量。其中，“+”號表示電流在X端和Z端都是流進傳輸器的，標為CCII+，而“-”號表示相反極性的情況，標為CCII-［5］。

圖2所示為一種CMOS第二代電流傳輸器（CCII+）［6］。該電路具有溫度穩(wěn)定性高、容易集成、功耗低等優(yōu)點。

圖2　CCII+的CMOS電路

電流傳輸器依靠兩組差分電路M1、M2和M3、M4工作。M7、M8構(gòu)成的鏡像電流源使得流經(jīng)M1、M3的漏極電流之和等于流過M2、M4的漏極電流之和，因此 VG1-VG2=VG4-VG3，VX= VY1-VY2。由場效應(yīng)管M9、M11構(gòu)成的反饋電路使得端電壓Vx不受X端電流降的影響。值得注意的是，式（4）只有在大信號工作下才有效。X端電流通過兩組鏡像電流源M9、M10和M11、M12流至Z+端，則有IZ=Ix。

由上面可以看出，如果將Y2端接地，則滿足式（1），因此圖2為一個第二代電流傳輸器。晶體管的寬長比如表1所示。

表1　MOS管的寬長比

2　電路分析

文中利用圖2所示的電流傳輸器，來設(shè)計如圖3所示的二階帶通濾波器。該濾波器由兩個CCII、3個電阻和3個電容構(gòu)成。

圖3　二階帶通濾波器

利用CCII+端口電壓及電流之間的關(guān)系，可得傳遞函數(shù)為：

對比標準二階帶通濾波器傳遞函數(shù)可得其增益A0= R1R3CV/R2（R1C1+R3C3），濾波器的特征角頻率ω0和品質(zhì)因數(shù)Q分別為：

從上兩式可以看出，ω0、Q可以相互獨立調(diào)節(jié)［7］。

在非理性條件下，CCII+端電壓與端電流的關(guān)系為［8］：

其中：β與α分別為電壓跟隨誤差和電流跟隨誤差對電路產(chǎn)生的影響。則傳遞函數(shù)為：

對比標準二階帶通濾波器傳遞函數(shù)可以看出，在非理想條件下，該二階濾波器的特征角頻率ω0和品質(zhì)因數(shù)Q并沒有發(fā)生變化。也就是說即使CCII++電路出現(xiàn)電壓、電流跟隨誤差，ω0和Q可以保持很高的穩(wěn)定性，所影響的僅僅是濾波器的增益。

靈敏度是衡量電路性能隨元件變化大小的指標，靈敏度越低，電路性能偏差隨元件變化就越小［9］，即對于微小變化：

根據(jù)靈敏度的定義：

若取R1=R3、C1=C3，可以求得：

3　電路仿真

通過計算機Hspice［10］軟件對本文所提出的二階帶通濾波器進行了電路仿真。在仿真中，場效應(yīng)管的參數(shù)如表1所示，取電容C1=0.1μF，C3=1 nF，電阻R1=R3=10 kΩ。得到的幅頻特性和相頻特性如圖4（a）、4（b）所示

理論上，該二階帶通濾波器的中心頻率為1.6 kHz，由仿真圖4（a）的幅頻特性曲線可看出，仿真得到的中心頻率與理論值基本相同，其相頻特性也與理論基本相符。

4　結(jié)　論

文中以第二代電流傳輸器為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種由6個RC元件和兩個CCII+構(gòu)成的二階帶通濾波器。這種濾波器具有以下特點：1）結(jié)構(gòu)簡單，所含元器件少，所有RC元件接地，便于集成。2）有源參數(shù)α、β對特征角頻率ω0和品質(zhì)因數(shù)Q不產(chǎn)生影響。3）有源和無源靈敏度都很低。4）功耗低且便于級聯(lián)。因此，該濾波電路具有很好的應(yīng)用前景。

圖4　仿真結(jié)果

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Current-mode second-order bandpass filter based on CCII+

XIJian-rui，YANG Jin-xiao，WANG Bing-zhang
（School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710129，China）

With the promotion of current-mode，systems and applicationswhich based on currentmode covering a number of important areas.One important component is the standard currentmode analog current conveyor and large number of new universal filter circuitswhich apply conveyorhave been raised.This paper proposesa new type ofsecond-orderband-pass filter of low-power，strong anti-interference abilityand easy integrationwhich use CCII+to achieve.

current-mode；circuitCCII；band-pass filter；sensitivity

TN713

A

1674-6236（2016）19-0145-03

2015-10-30稿件編號：201510235

席劍銳（1990—），男，陜西西安人，碩士。研究方向：微電子與固體電子學。