基于CCII+的电流模式二阶带通滤波器

席剑锐，杨金孝，王秉章

（西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安710129）

基于CCII+的电流模式二阶带通滤波器

席剑锐，杨金孝，王秉章

（西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安710129）

随着电流模式的推广，以电流模方法为基础的系统及应用覆盖了许多重要领域，其中一个重要的电流模模拟标准部件是电流传输器，大量应用电流传输器的新型通用滤波电路不断被提出，本文提出一种新型的二阶带通滤波器，该滤波器功耗低、抗干扰能力强、容易集成等优点，采用CCII+来实现。

电流模式电路；第二代电流传输器；带通滤波器；灵敏度

模拟电子电路历史上采用电压模式设计方法，即电路的信号用电压变量来表述，电路的功能通过处理电压信号来实现。对于电压模式的电路，通常要求它在尽可能低的功耗下提供尽可能大的电压信号摆幅。因此，要在电路中人为地设置多个高阻抗节点，去限制总的电流消耗和提高电压摆幅。这些高阻抗节点存在负面效应，严重地影响了电路对高频和高速信号的处理能力［1］。

近年来，电流模电路在速度、带宽和线性度方面相对于电压模有较为明显的优势，因而受到了广泛的关注［2-4］。1968年，加拿大学者K.C.Smith和A.Sedra提出了一个新的模拟标准部件——电流传输器（Current Conveyer，简称CC）。电流传输器是一种功能很强的标准部件，将电流传输器与其它电子原件组合可以十分简便的构成特定的电路结构，实现多种模拟信号的处理功能，在这一点上，电流传输器与通用电压模式运算放大器是相似的。但是，电流传输器是一种电流模式电路，模拟电路的设计者们发现电流传输器能提供若干优于通用运算放大器的电路性能。电流传输器电路，无论信号大小，都能比相应的基于电压运算放大器的电路提供更大带宽下的更高电压增益，即更大的增益带宽积［5-7］。

文中基于Smith和Sedra的思想，利用第二代电流传输器设计了一种二阶带通滤波器，该滤波器具有功耗低、抗干扰能力强、容易集成等优点，并用Hspice软件进行了仿真验证。

1　第二代电流传输器

第二代电流传输器 （second generation current conveyor，简称CCII），如图1所示为三端器件［8］。

图1　CCII电路符号

CCII的端口特性可用下列矩阵方程描述［9］:

该方程表明，CCII的Y端口电流为零，X端口的电压跟随Y端口电压，Z端口的电流跟随X端口的电流。由此可见，Y是电压输入端，Y端口呈现的输入阻抗为无穷大；X是电流输入端，而且X端口电压跟随加于Y端口的电压，因而X端口呈现零输入阻抗；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。（1）式中各变量均表示总瞬时量。其中，“+”号表示电流在X端和Z端都是流进传输器的，标为CCII+，而“-”号表示相反极性的情况，标为CCII-［5］。

图2所示为一种CMOS第二代电流传输器（CCII+）［6］。该电路具有温度稳定性高、容易集成、功耗低等优点。

图2　CCII+的CMOS电路

电流传输器依靠两组差分电路M1、M2和M3、M4工作。M7、M8构成的镜像电流源使得流经M1、M3的漏极电流之和等于流过M2、M4的漏极电流之和，因此 VG1-VG2=VG4-VG3，VX= VY1-VY2。由场效应管M9、M11构成的反馈电路使得端电压Vx不受X端电流降的影响。值得注意的是，式（4）只有在大信号工作下才有效。X端电流通过两组镜像电流源M9、M10和M11、M12流至Z+端，则有IZ=Ix。

由上面可以看出，如果将Y2端接地，则满足式（1），因此图2为一个第二代电流传输器。晶体管的宽长比如表1所示。

表1　MOS管的宽长比

2　电路分析

文中利用图2所示的电流传输器，来设计如图3所示的二阶带通滤波器。该滤波器由两个CCII、3个电阻和3个电容构成。

图3　二阶带通滤波器

利用CCII+端口电压及电流之间的关系，可得传递函数为：

对比标准二阶带通滤波器传递函数可得其增益A0= R1R3CV/R2（R1C1+R3C3），滤波器的特征角频率ω0和品质因数Q分别为：

从上两式可以看出，ω0、Q可以相互独立调节［7］。

在非理性条件下，CCII+端电压与端电流的关系为［8］：

其中：β与α分别为电压跟随误差和电流跟随误差对电路产生的影响。则传递函数为：

对比标准二阶带通滤波器传递函数可以看出，在非理想条件下，该二阶滤波器的特征角频率ω0和品质因数Q并没有发生变化。也就是说即使CCII++电路出现电压、电流跟随误差，ω0和Q可以保持很高的稳定性，所影响的仅仅是滤波器的增益。

灵敏度是衡量电路性能随元件变化大小的指标，灵敏度越低，电路性能偏差随元件变化就越小［9］，即对于微小变化：

根据灵敏度的定义：

若取R1=R3、C1=C3，可以求得：

3　电路仿真

通过计算机Hspice［10］软件对本文所提出的二阶带通滤波器进行了电路仿真。在仿真中，场效应管的参数如表1所示，取电容C1=0.1μF，C3=1 nF，电阻R1=R3=10 kΩ。得到的幅频特性和相频特性如图4（a）、4（b）所示

理论上，该二阶带通滤波器的中心频率为1.6 kHz，由仿真图4（a）的幅频特性曲线可看出，仿真得到的中心频率与理论值基本相同，其相频特性也与理论基本相符。

4　结　论

文中以第二代电流传输器为基础，设计了一种由6个RC元件和两个CCII+构成的二阶带通滤波器。这种滤波器具有以下特点：1）结构简单，所含元器件少，所有RC元件接地，便于集成。2）有源参数α、β对特征角频率ω0和品质因数Q不产生影响。3）有源和无源灵敏度都很低。4）功耗低且便于级联。因此，该滤波电路具有很好的应用前景。

图4　仿真结果

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【相关参考文献链接】

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Current-mode second-order bandpass filter based on CCII+

XIJian-rui，YANG Jin-xiao，WANG Bing-zhang
（School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710129，China）

With the promotion of current-mode，systems and applicationswhich based on currentmode covering a number of important areas.One important component is the standard currentmode analog current conveyor and large number of new universal filter circuitswhich apply conveyorhave been raised.This paper proposesa new type ofsecond-orderband-pass filter of low-power，strong anti-interference abilityand easy integrationwhich use CCII+to achieve.

current-mode；circuitCCII；band-pass filter；sensitivity

TN713

A

1674-6236（2016）19-0145-03

2015-10-30稿件编号：201510235

席剑锐（1990—），男，陕西西安人，硕士。研究方向：微电子与固体电子学。