基于MOCCCⅡ的N階電流模式濾波器的設計

隨著VLSI技術的發展，電流模電路(Current ModeCircuit)的研究正在蓬勃發展。與電壓模電路相比，電流模電路具有頻寬大、電路結構簡單、電源損耗較低及動態范圍較寬等優點。電流模式電路的設計和實現把模擬集成電路帶入了一個新階段。基于BJT(雙極型晶體管)實現的第二代電流控制傳輸器CCCⅡ(Second Gen-eration Current Controlled Conveyer)除了具有上述各項優點外，尤其適合在高頻和高速信號領域中應用，此外，電路中具有本質電阻(Intrinsic Resistance)的特點又使得由它設計的電路更具彈性。目前基于CCCⅡ的n階電流模式濾波器，或大部分限于特殊類型(如低通)的濾波器，或電路結構及參數的設計較為復雜，所用有源和無源器件較多。本文僅用n+2個有源CCCⅡ器件、n個接地電容及兩個電阻方便地構成低通、帶通、高通、帶阻及全通類型的n階濾波器，整個電路結構及參數的設計都很簡單。

1 N階多功能濾波器的設計方法

1.1 MOCCCⅡ的電路實現

多輸出的電流控制傳輸器MOCCCⅡ(Multiple outputscccⅡ)是在1996年法國Fabre等幾位學者提出的第二代電流控制電流傳輸器的基礎上設計出的。如果在CCCⅡ混合跨導線性環的后級加上多端輸出的對稱電流鏡，則可獲得MOCCCⅡ電路。其電路符號和實現原理如圖1所示。電流傳輸矩陣為：

式中，VT=26mV(室溫)，本質電阻(寄生電阻)RX受偏置電流Ib控制。

1.2 信號流圖及MOCCCⅡ濾波器的提出

由梅森公式分析可知，式(2)所表達的分子分母均為n階傳輸函數，可由圖2(a)所示的信號流圖實現，針對連續系統，信號流圖所表示的系統可用積分器來模擬，由CCCⅡ構成的積分器如圖2(b)所示。

CCCⅡ積分器輸出與輸入的關系表達式為：Io／Ii=1／(SC1Rx)。有了信號流圖及CCCⅡ積分器，便能迅速得出基于MOCCCⅡ的電流模式濾波器，電路如圖3所示。圖中，MOCCCⅡ0和MOCCCⅡn+l均采用多端輸出的MOCCCⅡ，它的Z端輸出電流與Y端輸入電流的關系滿足：Iz／Ii=Ra／Rxo，Rxo為左邊第一個MOCCCⅡ0的寄生電阻，大小為Rxo=VT／2Ibo，最右邊的MOCCCⅡn+1同理，而中間的積分器只需采用單端輸出形式。

2 原理分析及多功能濾波器生成

由圖3及電路基本理論可得：

由

式(3)到式(6)可以得到低通、帶通、高通、帶阻及全通濾波器電路。

2.1 低通濾波器

從式(3)到式(6)的推導過程可以看出，式(6)中分子的Sn項是由式(3)中左邊的最后一個含Ii的項所產生的，電路圖所對應的是圖3中MOCCCⅡ0中最下面的Z端輸出，即第n+l端Z輸出(MOCCCⅡ0共有n+l端Z輸出)；Sn-1是式(3)的倒數第二個含Ii的項所產生的，電路圖所對應的是圖3中MOC-CCⅡ0中倒數第2端Z輸出，即第n端Z輸出，依次類推，分子的常數項為圖3中MOCCCⅡ0的最上端Z輸出，即第1端z輸出。所以，低通濾波器傳遞函數為：

對應的電路為在圖3中只保留MOCCCⅡ0的第1端Z輸出，而去掉MOCCCⅡ0其他的Z端輸出。

2.2 帶通濾波器

若保留式(6)中分子的除常數項和Sn項外其他任意一項，則為帶通濾波器。這里僅考慮保留Sn／2項(n為偶數)，其傳遞函數為：

對應的電路為僅保留圖3中MOCCCⅡ0的第(n／2)+1端Z輸出，而去掉MOCCCⅡ0的其他Z端輸出的電路。

2.3 高通濾波器

僅保留式(6)中分子的Sn項，則為高通濾波器，其傳遞函數為：

對應的電路為僅保留圖3中MOCCCⅡ0第n+1端Z輸出，而去掉其他MOCCCⅡ0的其他Z輸出的電路。

2.4 帶阻濾波器

保留式(6)中分子的Sn項和常數項，則為帶阻濾波器，其傳遞函數為：

對應的電路為僅保留圖3中MOCCCⅡ0第1端Z輸出和第n+1端Z輸出，而去掉MOCCCⅡ0的其他Z輸出的電路。

2.5 全通濾波器

全通濾波器的傳遞函數表達式應為式(6)中分子Sn項符號與Sn-1項符號相反，且K1=K2=1。其傳遞函數為：

由于式(6)分子的常數項對應MOCCCⅡ0的第l端Z輸出，S1項對應于第2端Z輸出，S2項對應于第3端Z輸出……所以式(11)所對應的電路是：將圖3中MOCCCⅡ0的偶數端(從上往下數)輸出改為反相輸出，奇數端輸出為同相輸出。

3 計算機仿真

為了驗證設計電路的可行性，對四階巴特沃斯類型的各種濾波器進行了設計和PSPICE仿真。CCCⅡ的電源電壓均取±5V，偏置電流Ib都設為13μA，則各Rx=VT／2Ib=1kΩ，電路中Ra=Rb=1kΩ，所以各傳遞函數中K1=Ra／Rao=K2=Rb／Rx(n+1)=1，電容C1=0.2613μF，C2=.1306μF，C3=O.0765μF，C4=0.03827μF。仿真結果如圖4所示，可以看出所設計的多功能濾波器工作頻率可達到4MHz左右，低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波器仿真結果分別為圖4(a)～(e)所示，從而證實了設計的可行性。

本文提出的基于MOCCCⅡ的電流模式n階多功能濾波器，設計方法簡單，綜合性強，能產生各種高階濾波器。只要改變圖3中MOCCCⅡ0的Z輸出端的連接方式，就可以得到低通、帶通、高通及全通濾波器電路，其轉換方法也很簡單。濾波器結構簡單，n階濾波器僅用了n+2個有源CCCⅡ器件、n個接地電容及兩個電阻，通過調整電容或者各CCCⅡ的偏置電流就可以實現濾波器截止角頻率等參數的調諧，使得參數很容易設計。所有RC元件均接地，外接電阻少，便于單片集成。