基于CCCII的电压模式多功能滤波器的设计

第17卷第4期 湖南工程学院学报 Vo1.17.No .42007年12月 Jour na lof Hunan I nstitute of Engineering Dec .2007收稿日期6基金项目湖南省教育厅科研资助项目(36、5)作者简介周细凤(),女,硕士,研究方向有源滤波器设计及开关电容技术基于CCC II 的电压模式多功能滤波器的设计周细凤1,彭良玉2,3,韩　英3,黄满池3(1.湖南工程学院电气与信息工程系,湖南湘潭411101;2.北京航空航天大学光电技术研究所,北京100083;3.湖南师范大学物理与信息科学学院,湖南长沙410081) 摘　要:设计了一种基于电流控制传送器(CCC II )任意阶电压模式多功能滤波器.其电路结构简单,无源元件全部接地,便于集成且与VLSI 工艺兼容.理论分析和计算机仿真表明电路方案正确,是可行的.关键词:有源滤波器;电流控制传送器(CCC II);电路理论与设计中图分类号:TN713 文献标识码:A 文章编号:1671-119X (2007)04-0001-040　引言电流传送器(C urr ent -Conveyor,CC )是一种万用功能模块,用它可以方便的实现各种电流模式电路和电压模式电路,但是在CC II 的X 端有一个寄生电阻,而其传输特性并没有考虑这个电阻,这样就导致了基于CC II 的传输函数产生误差,尤其在X 端外接电容时误差较大.于是Fabre 等人利用双极型晶体管的线性互导(Translinear Loop )特性实现了电流控制传送器(C urrent Contr olled Conveyor )[1],其电路结构简单,提高了频响,降低了功耗.本文提出了一种基于CCC II ±的任意阶多功能滤波器设计方法.导出的滤波器能实现低通、高通、带通、带阻、全通等功能,且含有较少的元件,所有的电容均接地,无需任何电阻元件.易于在同一芯片上集成,且占用较小的芯片面积.1　电路理论与设计1.1　CCC II 器件简介电流控制传送器电路符号如图1所示,其电流传输矩阵如式(1)所示,式(1)中,V T ≈26mV (室温),电阻R x 被偏置电流I B 控制[2].很明显可通过I B 来控制R x 的值.图1　CCC II 电路符号i y v x i z i-z=0001R x00100-1v yi x v z,R x =V T /(2I B )(1)1.2　电路原理图推导设基于电压模式的n 阶通用滤波器传递函数为:V out=a b ×a n S nV n +a n -1S n -1V n -1……+a 1S V 1+a 0V 0a n S n +a n -1S n -1……+a 1S +a 0(2)其中a n ,a n -1……a 1,a 0是传递函数系数.交叉相乘(2)式,再除以a n S n,得:b V ou t -aV n =∑ni =1[aV n -i -bV out ]a n -i a n Si(3)其中a n -i a n Si=∏j=i -1j=0a n -j-1a n -j S(i =1,2,……,n )(4)把式(4)代入式(3),展开得:b V o u t -aV n =[aV n -1-b V out ]+[aV n -2-b V ou t ]+:2007-0-01:04C 40C404:1979-:.……+[aV1-b Vout]+[aV-b Vout]a0a1Sa1a2S…an-2an-1an-1anS(5)令:aVo u t(n)=[aV-bVout]a0a1S(6)式(6)通过如图2所示的CCC II电路实现,图中用了三个单输入CCC II,其中CCC II—的偏置电阻Rxb=1b,两个CCC II+的偏置电阻分别为:Rxa=1a,Rx0=1a0,还用了一个接地电容,其值为a1.图2　式(6)的CCC II实现将式(6)代入式(5)得:b Vout-a Vn=[aVn-1-b Vout]+[aVn-2-bV out]+……+[aV1-bV out]+a0V o u t(n)]a1a2S…a n-2an-1Sa n-1anS令:a1Vo u t(n-1)=[aV1-bVout+aVout(n)]a1a2S(8)图3示出了实现式(8)的CCC II实现电路,运用式图3　式(8)的CCC II实现(6)与(8),从式(7)中得到以下通用n-1个独立公式:an-iVout(i)=[aVn-i-b Vo u t+an-i-1Vo u t(i+1)]an-ian-i+1Si=1,2,3……n-2(9)和V out=(a n-1V o u t(1)+aV n)1b(10)运用图2与图3的同样的电路实现式(9)与式(10),得到如图4所示的n阶多功能滤波器结构,其中V0V1……V n是滤波器输入电压,V o u t是滤波器输出电压.从式(2)中可看出,适当选择各输入端电压VV1……V n,能实现不同功能的滤波器:1)高通:设置V0=V1=……=V n-2=V n-1=0,Vn=Vin,也就是说在图2中去掉输入端为0的CC2C IIs,可得n阶高通传递函数:H(S)=V o u tV in=aba n S na n S n+a n-1S n-1+a n-2S n-2+……a1S+a0(11)图　阶多功能滤波器2 湖南工程学院学报 2007年4n 2)低通:设置V 1=V 2=……=V n -1=V n =0,V 0=V in3)带通:如果n 为偶数,可设置V (n /2)=V in ,而其余输入电压为0;如果n 为奇数,可设置V (n /2-(1/2))或V (n /2+(1/2))为V in ,其余输入电压为0.4)带阻:设置V 0=V n =V in,,V 1=V 2=……V n -1=05)全通:如果n 为偶数,V n =V in ,V n -1=-V in ,V n -2=V in ……V 1=-V in ,V 0=V in ;如果n 为奇数,V n =V in ,V n -1=-V in ,V n -2=V in……,V 1=V in ,V 0=-V in为了方便该设计方法的推导,图4中使用了同样的符号(a i )代表CCC II 的偏置电阻和所有的接地电容值,如果将a 0,a 1……a n -2,a n -1用1/R X0,1/R X1……1/RX (n -1),1/R Xn 代替,将电容a 1,a 2……a n -1,a n 用C 1,C 2……C n -1,C n 代替,图4中电路的传递函数如下式所示:V o u t =a baS n V n +b n S n -1V n -1b n S n -2V n -2+…b 2b 3…b n -1b n S V 1+b 1b 2…b n -1b n V 0S n+b n Sn-1+b n -1b n Sn -2+…b 2b 3…b n -1b n S +b 1b 2…b n -1b n =abS nV n +∑n -1i =0V n -i -1Sn -i -1∏i =nj =n -i b jS n+∑n -1i=0Sn -i -1∏i =nj =n -i b j其中b j =g j C j　j =1,2,3……n -1,n (12)不难看出,对比式(2)与式(12),有下列参数关系:a n =1(13)a i =∏n -1j =ib j+1=∏n -1j=ig j+1C j +1(i =0,1,…n -1)(14)2　设计实例与计算机仿真据上述设计步骤,可得实现2阶多功能滤波器如图4所示,取电容C 1=a 1,C 2=a 2,CCC II -的偏置电阻R xb =1b,CCC II +的偏置电阻R xa =1a,R x0=1a 0,R x 1=1a 1经分析易得其传输函数如下:V o u t=a b a 2s 2V 2+a 1s V 1+a 0V 0a 2s 2+a 1s +a 0(15)分析(15)式,易得:①V 1=V 0=0,V 2=V in ,为高通滤波器;②V 0=V in ,V 2=V 1=0,为低通滤波器;③V 1=V in ,V 2=V 1=0,为带通滤波器;④V 1=0,V 0=V 2=V in ,为带阻滤波器;⑤V 2=V in ,V 1=2V in ,V 0=0为全通滤波器;图5　2阶多功能滤波器原理图要求根据对图5所示电路,设计一个f 0=310235M 的多功能滤波器,经分析取C 1=C 2=10pF ,R x 0=R x1=5263Ω,进行Pspice 仿真,所得的高通,低通,带通,带阻,全通滤波器的幅频特性如图6所示;显然与设计要求吻合.(a)带通、带阻、全通滤波器的幅频相应 (b)高通、低通滤波器的幅频响应图6　二阶电压模式多功能滤波器的仿真结果3第4期 周细凤等:基于CCC II 的电压模式多功能滤波器的设计 为了验证上述所提电路的正确性,作者还对该电路的2、4、6阶滤波器进行PSP I CE 仿真.图5(a )、图5(b )分别给出了2、4、6阶低通、高通滤波器的幅频特性曲线,由图中的计算机PSP I C E 仿真结果可以看出,2阶滤波器的过渡带比较长,随着阶数的增高,过渡带减小,幅频特性越接近理想特性. (a)　2、4、6阶低通滤波器的幅频响应 (b)　2、4、6阶高通滤波器的幅频响应图7　二阶电压模式多功能滤波器的仿真结果3　结　论提出了一种新的高阶可调的CCC II 电压模式多功能滤波器,经过上述电路分析及PSP I CE 仿真验证,可得该滤波器具有如下优点:(1)该设计方法简单明了、综合性强,无需改变电路结构,可以很方便的实现n 阶低通、高通、带通、带阻以及全通函数,且每种滤波器结构简单.(2)所需元器件不多,n 阶滤波器仅需2n +2个CCC II s 和n 个电容,所有的电容均接地,易于在同一芯片上集成,且占用较小的芯片面积.(3)通过控制CCC II 偏置电流的大小,可实现滤波器的极点角频率等参数的电调谐.(4)所设计的电路不含电阻,仅含和CCC IIs 和接地电容,与MO S VLSI 工艺兼容,易于单片集成.(5)所设计的滤波器具有良好的高频性能.参　考　文　献[1]　Fabre,A .,Saa i d,O .,Wi e st,F.et a l .Hig h F requency Ap 2plicati onsBa s ed on a Ne w Current Contr olled Convey or [J ].Circuits and Syste ms I:1996,2(43):82291.[2]　Ala in Fabre .High frequency H ig h -Q B I C MOS Current-Mod Band pa ss Filte r andMobile Co mm unication Appli 2cati on [J ].IEEE JOURN AL OF S OL I D -ST ATE C I R 2CU ITS,1998,33(4):614-624.[3]　Ts ukutani T,Ishida M,Tsui ki S,et a l .Versatile Current-mode B iquad F ilt e r Using Multi p le Current Out put OT As[J ].Int .J .Electron,1996,80(4):533-541.[4]　彭良玉,何怡刚,黄满池,吴　杰.电流模式N 阶CCC II(±)-C 低通滤波器的系统设计[J ].电子学报,2003,31(8):1234-1236.[5]　Chun 2M i ng Chang,Al 2Hashi m i,B.M..Analytical Sy nthe 2sis of Current 2mode high 2order OT A -C filters[J ].Circuits and Syst ems I :2003,9(50):1188-1192.An Ar b itra ry O rder M ulti function F ilter Ba s ed on CCC IIZHOU X i -feng 1,PE N G L iang -yu2,3,HAN Ying 3,HUAN GM an -chi3(1.Dep t .of Elect .and I nforma ti on Eng .,Hunan I nstitute of Enginee ring ,Xi angtan 411101,Ch i na;2.I nstit ute of Op t oe lec troni c s Technol ogy,Be iji ng Uni ve rsity of Aeronautics and A stronautic s,Be ijing 100083,China;3.College of Physic s and Infor ma tion Science,Hunan Nor ma l Uni ve rsit y,Changsha 410081,Chi na)Abstrac t:A nove l c ir cuit of the m ultifunc tion arbitrary order voltage 2mode filter is designed based on curr ent con 2tr olled conveyor (CCC II ).The c ircuit has the charac teristics of si mple struc tur e,a ll gr ounded capac itors and low ac 2S y VLSI y T y ff f K y f ;y (II);y 4 湖南工程学院学报 2007年tive and passiv e sensitiviitie s .o the cir cuits is integrated convenientl and is co mpatible with techn olog.heoretical ana l sis and co mputer si mulati on indicate that the p r o posed circuit is e ec tive and ea sible .e wor ds:active ilte r curr ent contr olled c onve or CCC circuit theor and de sig n。