基于MO_CCCDTA的电控调谐电流模式六阶椭圆带通滤波器.pdf

第 16 卷 第 3 期 电路与系统学报 Vol.16 No.3 2011 年 6 月 JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS June，2011 文章编号：1007-0249(2011)03-0129-04 基于 MO-CCCDTA 的电控调谐电流 模式六阶椭圆带通滤波器*李永安（咸阳师范学院 物理与电子工程学院，陕西 咸阳 712000）摘要：提出了一个多输出电流差分跨导放大器（MO-CCCDTA），利用它设计了一个电流模式二阶带通、二阶高通带阻和二阶低通带阻电路，以此为基础，利用级联法设计了电流模式六阶椭圆带通滤波器。该滤波器仅使用 3 个MO-CCCDTA、1 个 CDTA 和 7 个电容，通过调节偏置电流，各滤波器参数均能被电控调谐。计算机仿真表明电路正确有效。关键词：六阶椭圆带通滤波器；电流模式；电控调谐；多输出电流控制电流差分跨导放大器 中图分类号：TN722.7+7 文献标识码：A 1 引言 电流控制电流差分跨导放大器（CCCDTA）是一种结合了 CCC和 OTA 优点的新型电流模式器件，因此由 CCCDTA 构成的电路性能15优于 CC、CCC和 OTA 组成的相应电路68，文1,2报导的振荡器、文35报导的二阶通用电流模滤波器已很好的说明了这一点。然而上述电流模滤波器仅限于二阶，基于 MO-CCCDTA 的高阶电流模式滤波器尚不多见。为此，本文提出了一个具有三个电控参数的多输出电流差分跨导放大器（MO-CCCDTA），先利用它设计了三个参数可电控调节的二阶电流模式模块电路：二阶带通、二阶高通带阻和二阶低通带阻电路，再基于该模块电路，用级联法设计了电流模式六阶椭圆带通滤波器。该滤波器仅使用 3 个 MO-CCCDTA，1 个 CDTA 和 7 个电容，通过调节MO-CCCDTA 的各个偏置电流，滤波器参数均能被电控调谐。计算机仿真表明电路正确有效。2 电路原理 2.1 多输出电流差分跨导放大器 在 CCCDTA 内部增加一个跨导放大级，并通过在输出端增加电流镜，可使 x 端口数目随意增加，即可构成 MO-CCCDTA，其电路符号和等效电路如图 1 所示9，其端口特性可由下面的一组方程给出：12211121，zmxzmxnpzznnnpppVgIVgIIIIIIRVIRV=（1）其中 Rp、Rn分别为 p 端口和 n 端口的输入电阻：12BTnpIVRR=（2）gm1、gm2为 MO-CCCDTA 一级和二级跨导：TBmTBmVIgVIg2，23221=（3）式（2）、（3）中 IB1、IB2和 IB3为 MO-CCCDTA 的偏置电流，VT为热电压。2.2 基于 MO-CCCDTA 的二阶节 *收稿日期：2009-10-09 修订日期：2009-12-21 基金项目：陕西省教育厅自然科学研究基金资助项目（Z010JK889）；咸阳师范学院重点科研基金资助项目（07xsyk206）(a)MO-CCCDTA 的符号(b)MO-CCCDTA 的等效电路图 1 MO-CCCDTA 的符号和等效电路130 电路与系统学报 第 16 卷 图 2 给出了基于 MO-CCCDTA 多功能电流模式二阶电路，其中有一个大反馈环，沿大反馈环路，其环路增益为)1(/2CsRsCgpm+。使用 Mason 公式，可得电路的图行列式为)1(12CsRsCgpm+=从电流源 Ii到输出端 Iobp的前向通道增益为)1/(1CsRp+，由梅森公式知相应的传输函数为 222/CRgCRssCRsIIpmppiobp+=（4）显然这是一个二阶带通滤波器。结合式（2）、（3），可知电路的极点频率和品质因数分别为 31211BBTpmoIICVRgC=（5）1321BBIIQ=（6）滤波器带通增益为 1=BPH （7）式（5）、（6）表明，通过调整 MO-CCCDTA 的偏置电流 IB1、IB3，可实现所需的极点频率和品质因数，这是构成电控调谐高阶滤波器的基础。图 3 给出了基于 MO-CCCDTA 电流模式二阶高通带阻电路，显然它与图 2 有相同的环路。从电流源 Ii到输出端 Iolp和 Iohp的前向通道增益分别为)1(/1CsRsCgpm+、)1/(CsRCsRpp+，由梅森公式知相应的传输函数为 22221/CRgCRssCRgIIPmPPmiolp+=，2222/CRgCRsssIIPmPiohp+=，222212/CRgCRssCRgsIIPmPPmio+=显然这是一个二阶高通带阻滤波器，其极点频率和品质因数仍为式（5）、（6）所示。该滤波器零点频率为 3211BBoPmnIIRgC=（8）高通增益为 1=HPH （9）低通增益为 3221BBmmLPIIggH=（10）图 4 给出了基于 MO-CCCDTA 电流模式二阶低通带阻电路，显然仍与图 2 有相同的环路。若选择CCC=+21，则从输入 Ii到输出端 Iobp和 Iohp的前向通道增益分别为)1(/2CsRsCgpm+、)1/(CsRCsRpp+，由梅森公式知相应的传输函数为 22222/CRgCRssCRgIIPmPPmiolp+=，2222122/)/(CRgCRssCCCsIIPmPiohp+=，222222122/)/(CRgCRssCRgCCCsIIPmPPmio+=显然这是一个二阶低通带阻滤波器，其极点频率和品质因数仍为式（5）、（6）所示。该滤波器零点频率为 21221111CCRgCCCoPmn+=+=（11）低通增益为 1=LPH （12）图 4 基于 MO-CCCDTA的低通带阻滤波器图 3 基于 MO-CCCDT的高通带阻滤波器图 2 基于 MO-CCCDTA的二阶带通滤波器 第 3 期 李永安：基于 MO-CCCDTA 的电控调谐电流模式六阶椭圆带通滤波器 131 高通增益为 212CCCHHP+=（13）2.3 电控调谐六阶椭圆带通滤波器 考虑一个椭圆滤波器，其中心频率为 1MHz，fo处增益为 12.9dB，通带纹波为 1dB，带宽为0.5MHz，高于 2.2MHz、低于 0.45MHz 至少衰减 37.1dB。这个椭圆滤波器可用一个六阶滤波器来逼近10,11，而这个六阶滤波器可通过级联一个二阶带通、一个二阶高通带阻和一个二阶低通带阻来实现，如图 5 所示，其中每个二阶节的参数如表 1 所示10。因此，该电路的传输函数为：126212212621221262610843.631092311.0)1079.227(28.0 10363.241057024.0108278.610438.39105942.1105942.1)(+=ssssssssssH （14）由于第一个二阶节是一个带通滤波器，其输出电流具有高阻抗，因此可直接与第二个二阶节相联。第二个二阶节是一个高通带阻滤波器，其输出是高通输出和低通输出之和，而高通输出不具有高阻抗特点，其输出必须接地或虚地，因此在第二个二阶节后紧跟一个单位电流缓冲器，而单位电流缓冲器可用 1 个 CDTA实现2。第三个二阶节是一个低通带阻滤波器，其输出与第二个二阶节类似，当输出没有接地或虚地时，其后也应跟一个单位电流缓冲器2。每个二阶节参数都可通过调节相应MO-CCCDTA偏置电流设置。选nF1.021=+CCC，将表 1 中每组参数分别代入式（5）、（6）、（7），式（5）、（6）、（8）、（9）、（10），式（5）、（6）、（11）、（12）、（13），可得每个二阶节的偏置电流数值及通带增益，如表2 所示，且nF72.01=C，nF28.02=C。从而实现六阶椭圆带通滤波器。该滤波器仅由3个MO-CCCDTA，1个CDTA和7个电容组成，结构简单，易于集成。滤波器参数具有电控调谐的特点，因次电路优于CDTA的相应电路。3 仿真结果 为了验证电路的正确性，先 把 文9中 的MO-CCCDTA修饰为图6所示的MO-CCCDTA，再在EWB5.0平台上创建图1所示的MO-CCCDTA子电路模型（V5.1=CCV，V5.1=EEV。NPN管，PNP管参数均为：15A-1E=SI，100BF=，ns15.0=FT，20=BR，10pF=JSC，V100=AFV，0.2pF=JCC。），先实现图2、图3和图4，然后按图5电路仿真。取0.72nF1=C，nF28.02=C，各MO-CCCDTA的偏置电流按表2选取。仿真结果如图7所示。用EWB5.0表 3 六阶椭圆带通滤波器参数比较 参数 fo(MHz)G(fo)(dB)BW(MHz)Amax(dB)A(f2.2MHz)(dB)理论值 1 12.9 0.5 1 37.1 37.1 仿真值 1 11.88 0.52 1.02 37.48 38.17 误差 0%-7.91%2%2%1.024%2.884%图 5 基于 MO-CCCDTA 的六阶椭圆带通滤波器表 1 1MHz 椭圆带通滤 波器的级联节参数 编号fo(MHz)Q fn(MHz)1 1 3.9392 2 0.785964 8.6557 0.4160843 1.27232 8.6557 2.40335表 2 1MHz 椭圆带通滤波器的偏置电流及通带增益二阶节IB1(A)IB2(A)IB3(A)HLP HHPHBP1 20.7 1286 1 2 7.4 623 2222 0.28 1 3 12 3596 1 0.28 图 6 MO-CCCDTA 的一种双极型实现 132 电路与系统学报 第 16 卷 提 供 的 指 针 可 测 得：MHz1=of，dB88.11)G(=of，0.52MHz=BW，1.02dBmax=A。当f小于0.45MHz时，衰减大于37.48dB；当f大于2.2Hz时，衰减大于38.17dB。与理论值的比较如表3所示。可见计算机仿真结果与理论设计基本一致，说明所设计电路正确有效。由于EWB5.0不能直接仿真电流模电路，可用交流信号源串联1k电阻，然后经单位电流缓冲器接输入端，而输出端亦通过另一单位电流缓冲器，再经过1k电阻接地，则两个1k电阻上的电压比等于输出、输入电流比，从而仿真了电流模电路。4 结论 提出了一个新颖MO-CCCDTA，它具有3个电控参数：IB1、IB2和IB3，用它做有源器件，实现了二阶带通、二阶高通带阻和二阶低通带阻电路，以此为基础，利用级联法设计了电流模式六阶椭圆带通滤波器。该滤波器使用元件少，参数可电控调谐，可用在通信、仪器和测量系统中，尤其是在高频场合。参考文献：1 ABUELMAATTI M T,AI-QAHTANI M A.A new current-cotrolled multiphasne sinusoidal oscillator using translinear current conveyors J.Analog and digital signal processing,1998,45(7):881-885.2 TANGSRIRAT W,TANJAROEN W.Current-mode multiphase sinusoidal oscillator using current differencing transconductance amplifiers J.Circuits syst signal process,2008,27(1):81-93.3 JAIKLA W,SIRIPRUCHYANUN M.Current controlled current differencing transconductance amplifier(CCCDTA):A new building block and its applications A.Proceedings of ECTI Conference 2006 C.Ubonratchathani,Thailand:2006-05.348-351.4 李永安 基于 MO-CDTA 的电控调谐多功能电流模式二阶滤波器及振荡器J.微电子学,2009,39(5):670-672.5 SIRIPRUCHYANUN M,JAIKLA W.Electronically controllable current-mode universal biquad filter using single DO-CCCDTA J.Circuits syst signal process,2008,27(1):113-122.6 贺迅宇,王春华,李志军.一种高阶电流模式滤波器的系统设计方法J.电路与系统学报,2008,13(4):101-103.7 王丽萍，李 亨，何怡刚等.基于 CCCII+的电流模式低通滤波器设计J.电路与系统学报，2008；13（2）：144-147.8 彭良玉,何怡刚,张春熹,等.可调谐的电流模式五阶椭圆低通滤波器设计J.电路与系统学报,2007,12(6):16-18.9 DUANGMALAI D,MANGKALAKEEREE S,SIRIPRUCHYANUN M.High output-impedance current-mode quadrature oscillator using single MO-CCCDTA A.In seventh PSU engineering conference,2009 C.Songkla,Thailand,2009-05.287-290.10 BIOLEK D,BIOLKOVA V.Universal biquads using CDTA elements for cascade filter design A.In 13th Int.Multi Conference CSCC 2003 C.Corfu,Greece:2003.8-12.11 FRANCO S.design with operational amplifiers and analog integrated circuits(third edition)M.Mc.Graw-Hill Science Engineering,2001.作者简介：李永安（1961-），男，陕西三原人，咸阳师范学院物理与电子工程学院教授，主要从事电子技术的科研与教学，已发表学术论文 80 余篇。Electronically tunable current-mode sixth-order elliptic band-pass filter using MO-CCCDTAs LI Yong-an(School of Physics and Electronic Engineering,Xianyang Normal University,Xianyang 712000,China)Abstract:A modified MO-CCCDTA is present.A current-mode second-order band-pass,high-pass band stop,and low-pass band stop circuits using MO-CCCDTAs are given.Moreover,a current-mode sixth-order elliptic band-pass filter is realized by cascade method.The circuit uses only three MO-CCCDTA s,one CDTA and seven capacitors.The parameters of the circuit can be tuned electronically by tuning bias currents.The results of computer simulation show the analysis method is valid and effective.Key words:sixth-order elliptic band-pass filter;current mode;electronically controlled tuning;MO-CCCDTA 图 7 六阶椭圆带通滤波器的仿真结果理想输出 实际输出 f(Hz)vo(dB)