基于MOCCC II和OTA的頻率可調(diào)諧 多功能電流模式濾波器

0 引 言
    電流傳送器自1968年問世以來，在模擬電路設(shè)計中應(yīng)用十分廣泛，也在人們的關(guān)注下不斷發(fā)展，基于第二代電流傳送器CCⅡ(The Second Generation Current Conveyor)的電路方案層出不窮。然而，由于CCⅡ的X端存在寄生電阻，從而造成CCII的X端與Y端電壓跟蹤無法達到理想程度，導(dǎo)致了電路的傳輸函數(shù)產(chǎn)生誤差。1996年A．Fabre等人利用雙極型晶體管的線性互導(dǎo)(Translinear Loop)特性實現(xiàn)了電流控制傳送器CCCⅡ(Current Controlled Conveyor)，克服了CCⅡ的不足。CCCⅡ利用X端的寄生電阻受內(nèi)部直流偏壓控制的特性，使CCCⅡ的應(yīng)用延伸到電調(diào)節(jié)的領(lǐng)域。這樣使得CCCⅡ和OTA(Operational Transconductance Ampli-fier)一樣，元件本身能夠產(chǎn)生電阻效應(yīng)，設(shè)計過程中減少了無源元件的使用，使電路結(jié)構(gòu)變得簡單，而且提高了頻響降低了功耗。
    運算跨導(dǎo)放大器OTA，輸入電壓控制輸出電流，開環(huán)增益是以S為量綱的跨導(dǎo)，可通過偏置電流對開環(huán)增益連續(xù)調(diào)節(jié)，頻帶寬、高頻性能好。這些性能優(yōu)點遠遠超過了常規(guī)電壓型運算放大器。
    隨著CCCⅡ以及OTA的提出，二者的優(yōu)點越來越受到重視，由CCCⅡ構(gòu)成的濾波器，以及OTA-C濾波器也有一些報道，然而，由CCCⅡ與OTA聯(lián)合構(gòu)成的濾波器的報道尚不多見。本文提出了一種基于MOC-CCⅡ和OTA的電流模式濾波器，只需兩個MOCCCⅡ和一個OTA以及兩個接地電容元件，無須任何電阻元件，由于MOCCCⅡ和OTA均可通過偏置電流調(diào)節(jié)，采用二者聯(lián)合構(gòu)成的電路，頻率可調(diào)諧的范圍更廣，電路具有設(shè)計簡單，靈敏度低和多功能濾波等優(yōu)點，并且經(jīng)過理論分析和模擬仿真，驗證了本文所提出的電路結(jié)構(gòu)是正確的。

1 頻率可調(diào)諧多功能電流模式濾波器的設(shè)計
1．1 MOCCCⅡ器件的簡介
    理想MOCCCⅡ的Y端和Z端阻抗為無窮大，其電路符號如圖1所示，端口特性如下：

   
式中：RX是X端的寄生電阻，其值為：RX=VT／(2IB)；VT為熱電壓，在常溫(T=300 K)下，VT△26 mV；IB為偏置電流，控制寄生電阻RX實現(xiàn)電可調(diào)性。

1．2 OTA器件的簡介
    OTA因其跨導(dǎo)增益便于調(diào)節(jié)，線性控制范圍寬，電路結(jié)構(gòu)簡單便于集成的優(yōu)點，頗受重視，應(yīng)用范圍很廣。
    OTA的符號如圖2所示，在理想情況下，輸入輸出阻抗趨于無窮大，圖3為其理想模型。Vi+為同相輸入端，Vi-為反相輸入端，Io是輸出電流，IB是偏置電流。

    OTA的傳輸特性為：

   
式中：Vid是差模輸入電壓；Gm是跨導(dǎo)增益。在常溫小信號下有：Gm=19．2IB。

2 提出的電路
2．1 電路原理
    新的二階多功能濾波器如圖4所示。

    多功能電流模式濾波器根據(jù)各MOCCCⅡ的理想端口特性，以及電路結(jié)構(gòu)，可以得出電路各輸出端口的傳輸函數(shù)：

   
2．2 電路功能分析
    選取不同的輸入端，在不同的輸出端可以獲得不同的濾波功能，而且將不同的輸出端進行組合也可以得到不同的濾波功能，真正地實現(xiàn)了多功能。具體實現(xiàn)如下：
    (1)當選取Ii3=Ii，Ii1=0時，輸出端Io3可以實現(xiàn)全通功能：

   
    (2)當選取Ii1=Ii3=Ii，Ii2=0時，輸出端Io2可以實現(xiàn)低通功能，Io1實現(xiàn)帶通功能，組合Io3與Io1實現(xiàn)帶阻功能：

   
    (3)當選取Ii3=-Ii1=Ii，Ii2=0時，組合3個輸出端可以實現(xiàn)高通功能：

   
    可見，濾波器的特征頻率ωo可以通過電容C進行獨立調(diào)節(jié)。
2．3 靈敏度的分析
    由ωo以及Q的式子，根據(jù)對數(shù)靈敏度的定義SXY=X/Y·eY/eX，可以求出特征頻率ωo和品質(zhì)因數(shù)Q相對電阻RX1，RX2和電容C1，C2的靈敏度，如表1所示。顯然，該電路具有很低的靈敏度。

3 仿真模擬
    為了驗證圖5電路所示的正確性，本文采用了PSpice仿真。
3．1 實際電路
    MOCCCII以及OTA分別采用如圖5～圖7所示的實際電路實現(xiàn)。

    CCCⅡ±實現(xiàn)電路的MOS管采用0．5 μm工藝，如表2所示。

    為了實現(xiàn)上述二階特性，選取直流電壓VDD=4 V，VSS=-2．4 V，偏置電流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實現(xiàn)電路的MOS管采用0．35μm工藝的NMOS_3p3和PMOS_3p3。取直流電壓VD33=3．3 V，IB3=0．1μA。輸入電流取Ii=1μA。特征頻率和品質(zhì)因數(shù)分別為fo=ωo／(2π)=2．7 MHz，Q=1。
3．2 多功能濾波器的幅頻、相頻響應(yīng)
    經(jīng)PSpice仿真，理論與實際電路的幅頻特性(Gain)，相頻特性(Phase)如圖8所示。

    由圖可見，所得結(jié)果與理論分析十分吻合，在相當寬的頻率范圍內(nèi)都有效，從而證實了本文提出的電路方案是正確的。
    此外，賦予接地電容不同的值，并保持其他參數(shù)值不變，可以使Q=1不變，獨立地調(diào)節(jié)ωo。如圖9所示，以帶通波形為例，分別取C1=C2=600 pF；60 pF，6 pF。有fo=0．027 MHz，O．27 MHz，2．7 MHz?？梢?，當fo=ωo／2π增大時，波形不變，只是整體向右平移。

4 結(jié) 語
    本文設(shè)計的基于MOCCCⅡ和OTA的頻率可調(diào)諧多功能電流模式濾波器，由兩個MOCCCⅡ，1個OTA和2個接地電容組成，通過選擇不同的輸入和輸出端口，能夠?qū)崿F(xiàn)二階低通、高通、帶通、帶阻、全通五個濾波功能。調(diào)整MOCCCⅡ以及OTA的偏置電流和電容值，能夠?qū)μ卣鲄?shù)進行正交調(diào)節(jié)，并且特征頻率fo可以通過接地電容C實現(xiàn)獨立調(diào)節(jié)，頻率可調(diào)諧的范圍很廣。此外，設(shè)計的電路具有很低的靈敏度，所使用的無源元件很少并且均接地，易于用CMOS技術(shù)集成。最后，面向?qū)嶋H電路，經(jīng)過PSpice仿真驗證，在很寬的頻率范圍內(nèi)都表現(xiàn)良好，結(jié)果表明所提出的電路方案正確有效。