基于MO-OTAS和CCCII電流模式通用濾波器

0 引 言

近些年來(lái)，電流模式電路引起了學(xué)術(shù)界的濃厚興趣，其中電流控制第二代電流傳送器(CCCII)和跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(OTA)作為電流模式信號(hào)處理中的基本有源器件，在連續(xù)時(shí)間濾波器中得到了廣泛應(yīng)用。因而大量有關(guān)采用跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(OTA)和電流控制第二代電流傳輸器(CCCII±)構(gòu)成的電流模式濾波器的文獻(xiàn)不斷見(jiàn)諸報(bào)道。

跨導(dǎo)運(yùn)算放大器是一種電壓控制的電流源器件，該器件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高頻性能好，很適合實(shí)現(xiàn)全集成連續(xù)時(shí)間濾波器。另外，第二代電流控制傳輸器CCCII除了具有上述各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)外，尤其適合在高頻和高速信號(hào)領(lǐng)域中應(yīng)用。此外，電路中具有本質(zhì)電阻(Intrinsic Re-sistance)的特點(diǎn)，使得由它設(shè)計(jì)的電路更具彈性。因而關(guān)于OTA與CCC相結(jié)合的電路設(shè)計(jì)也受到廣大研究人員的高度重視。

在此，提出使用一個(gè)MO-CCC，兩個(gè)MO-OTAS和三個(gè)接地電容所組成的電流模式通用濾波器。該設(shè)計(jì)相對(duì)于以往的一些電路而言，不僅所有電容全部接地利于集成，而且中心頻率和品質(zhì)因數(shù)獨(dú)立可調(diào)。針對(duì)所提電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明所提出的二階電流模式濾波器電路方案的正確性。

1 MO—OTAS和CCCII士簡(jiǎn)介

跨導(dǎo)運(yùn)算放大器CCCII士和電流傳輸器MO-OTAS電路符號(hào)及原理如圖1，圖2所示。


由圖2可知，理想的()TA的傳輸特性是：

式中：Io是輸出電流；Vd是差模輸入電壓；gm是開(kāi)環(huán)增益，稱為跨導(dǎo)增益，它是外部控制電流Ib的函數(shù)。CCCII±的端口特性由下列混合矩陣方程給出：
式中：Rx是X端的輸入電阻，由偏置電流Ib控制，關(guān)系式為RX=VT／2Ib，在T=300 K的常溫下VT=26 mV。

2 電路分析

一種將MO-OTAS和CCCII±相結(jié)合所得到的雙二階濾波器如圖3所示。其中，Iin為輸入電流；Ilp，Ihp，Ibp分別為低通、高通、帶通輸出函數(shù)。該電路的有源器件在輸入端輸入信號(hào)時(shí)，在輸出端通過(guò)電流鏡技術(shù)可以獲得多個(gè)輸出，而且由于輸出端的高阻抗，可以將各個(gè)輸出端任意組合而得到二階陷波和全通函數(shù)。
由MO-OTAS和CCCII±的端口特性，經(jīng)電路分析得到如下的電流傳輸函數(shù)：
并且通過(guò)低通與高通的線性組合可得到帶阻如下：
式中：D(K)=S2+S(gm1／C1)+gm2／(C1C2RX)

將上式通過(guò)變換可得如下函數(shù)：
式中：參數(shù)ω0和Q由下式表達(dá)：
為了簡(jiǎn)化分析式(8)，式(9)，這里假設(shè)gm1=gm2=gm，而且C2=C3=C，當(dāng)調(diào)節(jié)C1或gm1的數(shù)值時(shí)，可以看見(jiàn)Q在隨其變化，而ω0仍然保持不變?？梢?jiàn)，濾波器的特征頻率和品質(zhì)因數(shù)可以獨(dú)立進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 靈敏度分析

根據(jù)靈敏度計(jì)算公式得到的中心頻率ω0和品質(zhì)因數(shù)Q相對(duì)于電路中的各元件(RX，C1，C2，Gm)的靈敏度如表1所示。
4 實(shí)例設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真

為了驗(yàn)證上述所提出電路方案的正確性，對(duì)圖3電路方案進(jìn)行了HSpice仿真，并與理論值相比較。使電路元器件符合設(shè)計(jì)的電路要求，在模型MO—OTAS和DO-CCII的基礎(chǔ)上，修改了其電路圖，如圖4所示。
為了實(shí)現(xiàn)上述電路功能，設(shè)置CCCII±中的偏置電流Ibi=6．0μA，偏置電壓VDD=-VSS=1．85 V，PMOS的寬和長(zhǎng)分別為W=3μm，L=2μm；NMOS的寬和長(zhǎng)分別為W=3μm，L=4μm。

設(shè)置OTA中的偏置電流Ibp=5．5μA，偏置電壓VDD=-VSS=1．85 V，PMOS與NMOS的寬長(zhǎng)是W=4 μm，L=2μm。

作為一個(gè)設(shè)計(jì)例子，將低通、高通、帶通、帶阻和全通的中心頻率設(shè)置為10 kHz，設(shè)置電路電容為C1=C2=C3=10-9F，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。其中，圖5為低通、高通、帶通、帶阻波形。圖6為調(diào)節(jié)CCCII中偏置電流Ibi，使其分別為3μA，6μA，12μA，24μA下所得到的低通波形圖像。
由表1，表2可以看出，改變電路品質(zhì)因數(shù)Q的值，可以通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)，即調(diào)節(jié)電路和改變硬件。對(duì)于電路的調(diào)節(jié)，可以給定C1=C2=C3=1×10-9F，只需調(diào)節(jié)OTA1的偏置電流，進(jìn)而改變跨導(dǎo)的大小，以此表達(dá)改變品質(zhì)因數(shù)的目的。另外一種是通過(guò)改變C1的大小來(lái)改變品質(zhì)因數(shù)。圖7，圖8分別以帶通和帶阻來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。




5 結(jié) 語(yǔ)

這里提出一種新穎的MO-OTAS和CCCII相結(jié)合的二階多功能電流模式濾波器，所設(shè)計(jì)的濾波器頻率可調(diào)，只需適當(dāng)調(diào)節(jié)CCCII的偏置電流，即可達(dá)到調(diào)節(jié)CCCII內(nèi)部電阻RX，使得濾波器的調(diào)諧能力大大提高。另外，還提出了兩種改變品質(zhì)因數(shù)的方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了中心頻率與品質(zhì)因數(shù)之間的相互獨(dú)立性，而且由于沒(méi)有使用浮地電容，便于實(shí)現(xiàn)集成。且ω0，Q對(duì)無(wú)源元件靈敏度低。仿真結(jié)果驗(yàn)證了它在較寬的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)良好。

編輯：博子