【学术论文】基于CCII和CDCTA的低功耗电控调谐n阶滤波器设计
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。
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。
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。
根据图3和式(1)~式(4)，电路输出方程为：
高通滤波器：
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：
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：
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。
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。
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。
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。
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。
参考文献
[1] SEDRA S A，SMITH K C.A second generation current conveyor and its applications[J].IEEE Transactions on Circuit Theory.1970：132-134.
[2] 王春华，李仁发，何海珍，等.单MOCCII多功能电流模式二阶滤波器[J].仪器仪表学报，2006，27(11)：1493-1496.
[3] 龙英，李仲阳.电流模式高阶OTC-C高通滤波器的设计[J].微电子学与计算机，2005，22(9)：7-9.
[4] 李永安.基于MO-CDTA的电控调谐多功能电流模式二阶滤波器/振荡器[J].微电子学，2009，39(5)：670-672.
[5] 孟彦京，周鹏，王素娥.基于FFT的单相串联型有源电力滤波器设计[J].电子技术应用，2015，38(7)：10-14.
[6] Xu Jun，Wang Chunhua，Jin Jie，et al.Low-voltage high-linearity wideband current differencing transconductance amplifier and its application on current-mode active filter[J].Radioengineering.2014，23(1)：512-522.
[7] Xu Jun，Wang Chunhua，Jin Jie.Current differencing cascaded transconductance amplifier(CDCTA) and its applications on current-mode nth-order filters[J].Circuits, Systems, and Signal Processing，2013，32(5)：2047-2063.
[8] GHOSH K，RAY B N.CCII-based nth-order current-mode filter with grounded R and C[J].International Journal of Electronics Letters，2015，3(2)：105-121.
[9] 周细凤，曾荣周.基于OTA和CCCII的电流模式可调谐滤波器[J].计算机工程与应用，2013，49(7)：78-84.
[10] 曾菊员.基于OTA和MOCCCII实现的n阶多功能滤波器[J].南昌大学学报（工科版），2015，37(1)：83-86.
[11] 王春华，蔺海荣，李毅，等.基于单个CDCTA的低压电控调谐电流模式多相位正弦振荡器的设计[J].通信学报，2015，36(8)：8-12.
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)