电流模式二阶带通滤波器设计

吴从中,宋宇

(合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥 230009)

电流模式二阶带通滤波器设计

吴从中,宋宇

(合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥 230009)

针对传统带通滤波器电路结构复杂的问题,提出一种基于电流控制传输器（CCCII）的电流模式二阶带通滤波器电路。该电路由一个CCCII和3个接地RC元件构成,可通过调节偏置电流控制电路的中心频率,具有结构简单,方便集成的特点,并且具有很低的灵敏度。使用Hspice软件对电路进行仿真,验证了该设计的正确性。

电流模式；电流控制传输器；带通滤波器；灵敏度

电流模式电路因其在传输速度、带宽、线性度和动态范围等方面相对于电压模式电路有更为优良的性能,因而受到了高度关注［1-2］。电流传输器（CC）是一种电流模式电路,研究发现电流传输器能提供优于通用运算放大器的电路性能,由电流传输器和其他电子元件可十分方便的构成各种特定的电路结构,在模拟信号处理上有着广泛应用。近年来,基于第二代电流传输器（CCII）的滤波电路、放大电路以及模数转换电路不断被人们设计实现。然而第二代电流传输器有两个缺点:1）自身参数不易调节；2）由于端口X存在寄生电阻,因而导致从Y端到X端的电压存在跟随误差。1996年,Fabre使用双极型晶体管实现了电流控制传输器（CCCII）。电流控制传输器不仅方便调节,并且端口Y到端口X有很低的电压跟随误差。基于电流控制传输器的电流模式滤波器电路、振荡器电路和放大器电路近年来也不断被提出。然而以往提出的带通滤波电路通常使用多个电流传输器和电子元件,电路结构较为复杂［3-5］。本文设计了一种二阶带通滤波器电路,该电路仅由一个电流控制传输器和3个电容电阻构成,结构简单,其中心频率可通过偏置电流控制,易于调节,并且具有很低的灵敏度,使用Hspice软件验证了该设计的正确性。

1 电流控制传输器原理及实现电路

电流控制传输器的电路符号如图1所示,其端口特性可用下列矩阵方程表示［6］:

图1 CCCII电路符号Fig.1 Electrical symbol of the CCCII

式 （1）中,+号表示Z端电流流进电流控制传输器（CCCII+）,-号表示Z端电流流出电流控制传输器（CCCII-）。由式（1）可知,CCCII的Y端口电流为零,X端口电压跟随Y端口的电压,Z端口电流跟随X端口的电流。由此可见,Y端口输入阻抗为无穷大,是电压输入端。X端口是电流输入端,而且X端口电压跟随加于Y端口的电压,输入阻抗很低。低阻抗X输入端的电流传输到高阻抗的Z输出端,即在Z端口产生一个可控的输出电流,该电流仅取决于X端的输入电流,电流方向可以相同也可以相反。Rx为X端口的输入寄生电阻,可由下式表示:

其中VT为热电压,当在常温T=300 K下时,VT≈26 mV。Ib为CCCII的偏置电流。由（2）式可见,电流控制传输器X端口的输入寄生电阻Rx的阻值可由偏置电流Ib控制。

本文使用的电流控制传输器为CCCII-,即Z端口和X端口的电流关系为Iz=-Ix。CCCII-使用BTJ三极管实现,其电路如图2所示［7］。

图2 CCCII-实现电路Fig.2 Circuit diagram of CCCII-

2 基于CCCII的二阶带通滤波器实现及分析

本文设计的二阶带通滤波器如图3所示。该滤波器电路由一个CCCII-、两个电容和一个电阻构成。

图3 二阶带通滤波器原理图Fig.3 Circuit diagram of second-order bandpass filter

计算该二阶带通滤波器的传递函数为:

则该二阶带通滤波器的中心频率ω0和品质因数Q分别为:

根据灵敏度公式的定义［8-9］:

将式（4）、式（5）分别代入式（6）,可分析该电流模式二阶带通滤波器ω0和Q对无源器件的无源灵敏度,分析结果为:

其中△=R1C1+R1C2+RxC2。

由以上计算结果可知,该带通滤波电路对无源器件的灵敏度均小于1,具有很低的无源灵敏度。

计算有源灵敏度时,需要求出在非理想条件下该滤波器的传递函数。在非理想情况下,由于电流控制传输器的端口存在一定的电流和电压的跟随误差,电流控制传输器的端口特性矩阵方程变为:

式中α=1-εv,εv（εv1）为从Y端口到X端口的电压跟随误差。β=1-εi,εi（εi1）为从X端口到Z端口的电流跟随误差。

则二阶带通滤波器的传递函数变为:

其中心频率ω0与式（4）相同,品质因数Q为:

将式（4）、式（9）代入式（6）,可分析该电流模式二阶带通滤波器ω0和Q对有源器件的有源灵敏度,分析结果为:

由上面的计算结果可知,该带通滤波电路的有源灵敏度也小于1,因此该滤波器也具有很低的有源灵敏度。

3 电路Hspice仿真

为了验证图3所设计电路的正确性,使用Hspice对电路进行仿真［10］。设定参数为CCCII-电源电压取±2.5 V,C1=C2=1nF, R1=1.3 kΩ,偏置电流Ib=20 μA。经过计算可知此时带通滤波器的理论中心频率为f0=173.1 kHz。若保持其他参数不变,取偏置电流Ib=80 μA时,则带通滤波器的理论中心频率变为f0=346.3 kHz。实验结果如图4所示。可见,当改变偏置电流大小时,带通滤波器的中心频率也发生了变化,实验结果与理论数据基本吻合,因此本文所设计的二阶带通滤波器电路是正确的。

图4 仿真结果Fig.4 Simulation result

4 结束语

本文使用电流控制传输器设计电流模式二阶带通滤波器,为了使电路的结构尽量简单,仅使用了一个CCCII和3个接地RC元件。通过Hspice对电路进行仿真,验证了该设计的正确性。本文设计的电流模式二阶带通滤波器电路具有以下几个特点:

1）电路结构简单,仅使用一个电流控制传输器和3个RC元件,并且RC元件均接地,便于集成；

2）电路的中心频率可由偏置电流控制,方便调节；

3）电路具有很低的无源灵敏度和有源灵敏度。

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The design of current-mode second-order bandpass filter

WU Cong-zhong，SONG Yu
（School of Computer and Information,Hefei University of Technology,Hefei 230009，China）

According to the fact that traditional bandpass filter circuit has a complex structure，a current-mode second-order bandpass filter based on the second-generation current-controlled current conveyor（CCCII）is presented.The circuit consists of one CCCII and three grounded R and C components.The central frequency can be controlled by adjusting the bias current.The circuit has a simple structure，very low sensitivity，and easy to integrate.Hspice simulation result is given to confirm the theoretical analysis.

current-mode；current-controlled current conveyor；bandpass filter；sensitivity

TN713+.5

：A

：1674-6236（2015）18-0183-03

2014-12-15稿件编号：201412118

吴从中 （1965—）,男,安徽安庆人,副教授。研究方向:嵌入式系统和信号处理。