《电子技术应用》

基于CCII和CDCTA的低功耗电控调谐n阶滤波器设计

2018年电子技术应用第7期
王春霞1,司国斌1,郭亚涛2
(1.焦作大学 机电工程学院,河南 焦作454003;2.中国国家电网河南温县供电公司,河南 焦作454003)
摘要: 针对高阶滤波器功耗高和频带窄的问题,提出了一种电流模式n阶多功能滤波器。该电路仅由一个第二代电流传输器(CCII)、一个电流差分级联跨导放大器(CDCTA)以及接地电容组成。电路结构简单,功耗低至6.82 mW,灵敏度小于1,3 dB带宽大于100 MHz,且带宽可电控调谐。PSpice仿真和硬件实验测试结果表明所设计的电路正确有效。
中图分类号: TN4
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.174381
中文引用格式: 王春霞,司国斌,郭亚涛. 基于CCII和CDCTA的低功耗电控调谐n阶滤波器设计[J].电子技术应用,2018,
44(7):56-58,63.
英文引用格式: Wang Chunxia,Si Guobin,Guo Yatao. Design of low-power electronically controllable nth-order filter using CCII and CDCTA[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(7):56-58,63.

Design of low-power electronically controllable nth-order filter using CCII and CDCTA

Wang Chunxia1,Si Guobin1,Guo Yatao2
(1.Mechanical and Electrical Engineering,Jiaozuo University,Jiaozuo 454003,China; 2.State Grid Corporation of China,Wenxian Power Supply Company,Jiaozuo 454003,China)
Abstract: In order to solve problems of high power consumption and narrow bandwidth, a new current-mode nth-order multifunction filter circuit was presented. It is composed of one CCII(second-generation current conveyor),one CDCTA(current differencing cascaded transconductance amplifier) and grounded capacitors. The proposed filter enjoys the simple structure and the circuit power consumption is only 6.82 mW, the maximum sensitivities value is only 1 and the circuit bandwidth is over 100 MHz. Moreover, its bandwidth can be tuned electronically. PSpice simulation and hardware experiment have been included to verify the theoretical analysis.

0 引言

    连续时间滤波器在计算机、通信、电子、智能控制等行业有着广泛的应用前景,基于第二代电流传输器(Second Generation Current Conveyor,CCII)、运算放大器(Operational Transconductance Amplifier,OTA)、电流差分跨导放大器(Current Differencing Transconductance Amplifier,CDTA)等各种有源器件的二阶电流模式滤波器电路设计已经有所报道[1-6]。CCII因其具有很强的通用性、灵活性和较宽的增益带宽积而成为一种最基本的有源器件。CDCTA是继电流差分跨导放大器CDTA之后提出的一种具有灵活度高、功耗低、频带宽、可电控调谐等特性的纯电流模式有源器件[7]

    尽管基于各种有源器件的连续时间滤波器的设计已经比较成熟,但是高阶滤波器还是比较少见,特别是由不同器件结合起来实现的高阶滤波器鲜有介绍[8-10]。本文仅使用CCII和CDCTA两个有源器件设计了一种n阶多功能滤波器,它具有电路结构简单、功耗低、频带宽、灵敏度低且可电控调谐等特点。

1 CCII与CDCTA的端口特性及电路

    CCII是一种具有电流传递功能的电流模式器件,其电路符号和等效电路如图1所示。CCII拥有X和Y两个输入端和一个电流跟随输出端Z,理想传输特性可用下列矩阵描述。

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    其中,gmi是第i级跨导增益,可由偏置电流IBi控制,Vz和Vxi是在输出端口Z和Xi上的电压降(假设有一个外部阻抗连接在端口上)。Vz和Vxi通过跨导转变成下一级的输出电流Ix1c和Ixic

2 n阶多功能滤波器的设计

    图3给出了基于CCII和CDCTA的多功能有源滤波器电路,它仅需一个CCII,一个CDCTA和n个接地电容,就可以同时实现n阶低通、高通、带通、带阻和全通滤波函数功能。因此,这种结构相对于传统n阶滤波器电路被大大地简化,非常适合于集成。如图3所示,Iin是滤波器的输入信号,Ioi是它的输出信号。

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    根据图3和式(1)~式(4),电路输出方程为:

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    高通滤波器:

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    由以上等式可知,可以直接从电路的Io1、Ioi、Io(n+1)分别获得高通、带通和低通滤波函数,且其频带都可通过gm电控调谐。此外如果需要生成带阻和全通滤波函数,也仅仅只需要通过选择Io1至Io(n+1)简便地累加求和。

3 设计举例

    为了证明上述所提出的n阶多功能滤波器可用性,设计了一个电流模式五阶多功能滤波器,如图4所示。假设偏置电流都取相等值,根据等式(10)~式(14)计算可得:

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4 计算机仿真

    为验证上述理论分析,设计一个截止频率为100 MHz五阶巴特沃斯滤波器,其Δ(s)函数为:

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    为尽量减小有源器件对所设计的滤波器性能影响,第二代电流传输器[2]输入电压取正负1.25 V,Io取50 μA,I1=I2=I3=100 μA。CDCTA[11]电源设置如下:VDD=-VSS=1.25 V,Io=50 μA,IA=100 μA。为方便计算,取gm=100 μS,通过调谐偏置电流取IB=IB1=IB2=IB3=IB4=IB5=450.08 μA。根据所设定的电路参数,采用TSMC 0.18 μm CMOS模型在PSpice中对所设计的五阶多功能滤波器进行仿真。为使滤波器3 dB截止频率为100 MHz,根据五阶滤波器特殊函数以及等式(15)~式(19),无源滤波器电容取值为C1=3.090 μF,C2=6.168 μF,C3=10.021 pF,C4=1.490 pF,C5=3.468 pF。仿真结果如图5、图6所示,实测五阶滤波器3 dB截止频率为99.88 MHz。

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    为了验证所提出的滤波器频带可电控调谐,当CDCTA的偏置电流分别取IB=400.22 μA,IB=450.08 μA,IB=500.14 μA时,五阶低通滤波器理论中心频率分别为80 MHz、100 MHz、120 MHz,仿真结果如图7所示。显然,所提出的高阶滤波器的带宽可电控调谐。

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    为了验证所设计的滤波器具有稳定的传输响应特性,选取五阶低通滤波器做了方波测试,测试结果如图8所示。

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    与此同时,为了分析电路的总谐波失真(THD),当输入信号取50 MHz正弦输入信号时,THD仿真结果如图9所示。显然,当五阶滤波器电路电流小于30 μA时,电路的总谐波失真低于3.5%。此外,仿真结果表明该电路具有极低的功耗,测试功耗仅为6.82 mW。

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5 结论

    本文提出了一个纯电流模式连续时间高阶滤波器,它仅仅使用CCII与CDCTA两个有源器件和n个接地电容,电路具有如下优势:(1)仅含两个有源器件,结构简单;(2)不含无源电阻,易于集成;(3)电压低,功耗小;(4)频带宽,适用范围广;(5)可实现低通、高通、带通、带阻和全通5种滤波功能;(6)频带可电控调谐;(7)灵敏度低,失真度小。基于这些特点,该多功能滤波器可用于通信信号处理领域中的信源筛选、干扰信号过滤等常见场景。

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作者信息:

王春霞1,司国斌1,郭亚涛2

(1.焦作大学 机电工程学院,河南 焦作454003;2.中国国家电网河南温县供电公司,河南 焦作454003)

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