毕业论文-全集成连续时间混合模式通用二阶滤波器.doc

本科生毕业论文（设计）本科生毕业论文（设计） 中文题目中文题目 全集成连续时间混合模式通用二阶滤波器 英文题目英文题目 The fully integrated continuous time mixed mode universal biquad filters 学生姓名学生姓名 班级班级 1801 学号学号 学学 院院 通信工程学院 专专 业业 通信工程 指导教师指导教师 职称职称 副教授 摘要 1 摘摘 要要 滤波器是一种广泛应用于信号处理子系统的选频网络，它的组成元件主要是电路元 件，其用途是通过指定频段信号，而其余频段的信号则得到抑制。目前，大规模集成电 路发展迅猛，全集成连续时间电路更是得到了广泛的关注，其最鲜明的特点就是不受采 样频率的制约。 本文绪论详细介绍了滤波器的有关理论，包括其基本概念、发展过程、设计方法等。 然后介绍了本文的另外两个重要模块，即电流反馈运算放大器（CFA）和多输入多输出电 流传送器，介绍了它们的基本概念、代表符号、发展状况、性能特点等。 在具体说明了本文所研究内容的意义和背景后，第二章开始介绍电流反馈运算放大 器。对其性能特点、拓补结构、基本概念、代表符号等方面做了详细的介绍。第三章为 详细介绍了多输入多输出电流传送器，对第一代和第二代电流传送器进行了比较，并指 出了电流传送器的优势。第四章介绍了滤波器的设计原理，并举出了分别利用 CFA 和 CCII 进行通用二阶滤波器设计的例子。第五章即用 PSPICE 对基于 CFA 和 CCII 设计的通 用二阶滤波器进行仿真并给出实验结果。 总的来说，本论文研究了全集成连续时间混合模式通用二阶滤波器的原理和设计， 并利用电流反馈运算放大器和多输入多输出电流传送器作为基本元件对二阶滤波器进行 了设计，并对设计的电路进行 PSPICE 仿真，得到了满意的结果。 关键词 电流反馈运算放大器 多输入多输出电流传送器 PSPICE ABSTRACT 2 ABSTRACT As the frequency selection network is used extensively in the signal processing subsystem, the filter is constituted by the electric circuit elements that connected with each other. By passing the signal within the specific frequency range, the signal of the other range will be suppressed. Currently, the large-scale integrated circuit has developed quickly, more and more attention is focused on the full-integrated and time-continuous circuit, the brightest feature of it is beyond the constraint of sampling frequency. In this introduction, the relevant theories of filters have been introduced in detail, including basic concepts, development procedure, designing methods and so on. In addition, another two important concepts of the CFA and MIMO current conveyors are introduced, such as their basic concepts, representative symbol, development status, performance and so on. After the significance and background of our research are described in detail, the CFA will be introduced in the second section. Its performance, basic concepts, representative symbol, development case and topological structure have been introduced. The current conveyors of the first generation and the second one are compared, in order to introduce the MIMO current conveyors, whose advantages are also indicated. The design principles of filters are examined and the filters using CFA or CCII are designed in the Chapter four. The emulation of universal second-order filters that designed by CFA and CCII have been completed by PSPICE, and the experiment results are provided. In a word, the universal biquad filters that based on the full-integrated and time-continuous mixture model are studied with the basic elements of CFA and CCII, and the relevant PSPICE emulations are completed, and the results are satisfied. Key words current feedback operational amplifier Multiple input multiple output current conveyors PSPICE 目录 1 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.1 1 1.1 滤波器发展综述 .1 1.2 全集成连续时间混合模式电路 .3 1.3 选题的背景和意义 .5 1.4 论文安排 .6 第二章第二章 电流反馈运算放大器（电流反馈运算放大器（CFACFA）.7 7 2.1 CFA 的基本概念 .7 2.2 CFA 的拓扑结构和代表符号 .7 2.3 CFA 性能特点 .8 第三章第三章 多输入多输出电流传送器多输入多输出电流传送器.1010 3.1 电流传送器的基本概念.10 3.2 第一代电流传送器 .10 3.3 第二代电流传送器 .11 3.4 电流传送器的优势.16 第四章第四章 基于基于 CFACFA 和和 CCIICCII 的混合模式滤波器设计的混合模式滤波器设计.1818 4.1 滤波器设计原理 .18 4.2 基于 CFA 的二阶通用滤波器设计.20 4.3 基于 CCII 的二阶通用滤波器设计.28 第五章第五章 PSPICEPSPICE 仿真及结果分析仿真及结果分析.3636 5.1 PSPICE 简介 .36 5.2 基于 CFA 的二阶通用模式滤波器仿真结果及分析.37 第六章第六章 总结与展望总结与展望.4444 致致 谢谢.4646 参参 考考 文文 献献.4747 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 滤波器发展综述滤波器发展综述 1.1.1 滤波器基本概念 滤波器广泛应用于信号处理子系统中，其目的是选择性地放大或衰减信号中的指定 分量，其组成元件主要是电容、电阻和电感，是电路系统中的最基本的元件。 1.1.2 滤波器发展历程 滤波器经历已经有 80 多年的发展和沉淀，如今已经成为了一门独立的学科。无源滤 波器最早出现在 1915 年，当时美国和德国率先进行了研究，1918 年第一个复路多用系 统诞生于美国。无源滤波器在 50 年代趋向了成熟。有源 RC 滤波器的钻研起步很早，第 一个有源滤波器由李闻在 1954 年研究完成，当时是由负阻抗变换器的转移阻抗实现的。 进入 60 年代，材料科学、计算机科学等得到了快速发展，滤波器发展日新月异，人们开 始把目光转移到滤波器的综合优势上，多功能、低成本、高精度、小体积的滤波器称为 人们新的追求目标。1965 年问世了单片集成运放，它的诞生具有开天辟地的意义，有源 滤波器开始得到了普及，并在以后的几十年里发展迅猛。 70 年代，RC 滤波器成功被研制出来，它得益于线性集成电路的发展，并开始大量使 用于在数字通讯设备系统中。70 年代后期，数字滤波器、开关电容滤波器成功被研制出 来，并开始广泛应用了。有源 R 滤波器和有源 C 滤波器也陆续诞生，有源滤波器普遍应 用于低频范畴，迈入了新的实用时代。80 年代人们陆续把目光转移到改善各类新型滤波 器的功能方面。90 年代至今人们主要把精力放在滤波器的应用上，各类以滤波器为基本 元件的新型产品陆续产生了。同时在对滤波器自身的钻研上人们也正在抓紧进行。 1978 年滤波器集成事业取得了可喜可贺的成绩，研制出了单片 RC 有源滤波器。但 是 RC 有源滤波器具有很大的局限性，工作频率范围有限，后来出现的有源 C 滤波器也 出现了稳定性不好的难题。1982 年 Geiger，Allen 和 Ngo 提出了 SRC 滤波器，但这种滤 波器因其采纳预置电路和不简单的相位时钟而失去了发展优势。RC 有源滤波器的研究任 重而道远。 第一章 绪论 2 1972 年美国科学家 Fried 的 SCF（开关电容滤波器）的功能与电容绝对值无关的观 点引起了人们的重视，此滤波器的功能只由电容比决定。SCF 由于其精度高、功能多等 特点已经成为了某些发达国家的商品。在信息处理、医疗仪器、通信领域等前途一片光 明。但其不足也不得不引起重视，MOS 开关与 MOS 运放的热噪声，开关电容本身的寄生 电容等都对了 SCF 的动态范围产生了限制。在灵敏度和噪声方面还不够足够成熟。 一些新型数字滤波器（DF）的诞生也令人可喜可贺，自适应 DF、复数 DF 和多维 DF 在通信工业中得到了广泛的应用，波 DF 也值得我们去深入研究，它便于大规模集成。 总之，DF 的研究和应用之路任重而道远，我们需要花费更多的心血以便于 DF 更好的应 用于在数字信号处理技术中。 电控编程 CCD 横向滤波器（FPCCDTF）、晶体滤波器和声表面波滤波器等新出现 的滤波器以其独特的优势也得到了广泛应用。 在我国滤波器得到广泛应用还是在 50 年代后，发展了半个多世纪，已经取得了明显 的进步，但是由于国情限制，集成工艺等各方面发展落后，距离西方国家还有很大的差 距。当今社会工业发展迅速，更高功能的滤波器是符合社会潮流的，滤波器集成化已成 为必然的趋势。滤波器集成化发展事业任重道远，新型滤波器的诞生和滤波器的应用工 作将是我们以后努力的重点。 1.1.3 滤波器的分类 （1）按处理信号类型分类：模拟滤波器和离散滤波器 （2）按选择物理量分类：时间选择、信息选择、幅度选择、频率选择 （3）按频率通带范围分类：低通、高通、带通、带阻、全通 1.1.4 滤波器的设计方法 滤波器的设计，顾名思义，就是我们以实现某种电路功能为目的，以一些基本的电 器元件为工具，设计出电路去实现滤波器。50 年代以来，滤波器设计一直是热门话题， 六七十年代，滤波器设计方法达到了高峰期，多种设计方法蜂拥而出，我们可以把它们 分为两大类： （1）直接法：次方法设计出的电路具有灵敏度低的特点主要包括两类方法： a.反馈设计主要有随从反馈 FLF,跳偶 LF 和改进跳偶 MLF 等； 第一章 绪论 3 b.元件模拟：电感 L 模拟和频变负阻 FDNR 模拟，OTA 技术和 SC，NIC 等技术都 能实现次方法。 （2）级联法：级联法设计方法非常流行，主要得益于其设计简单，调整方便等优势， 级联设计的实现技术很多，例如 RC,SC 滤波器。二阶基本节的设计是它的关键。 1.21.2 全集成连续时间混合模式电路全集成连续时间混合模式电路 1.2.1 全集成滤波器 滤波器的概念最早在 1915 年提出，经过一个世纪的发展和突破，现如今人们已经掌 握了比较成熟的滤波器技术，并且将之广泛应用于现代工业中，滤波器在通信工程、航 空航天、电子工业、材料科学等各方面等扮演着不可或缺的角色。 LC 滤波器是最初的，但其因为重量大成本高的缺点没法集成，随后电子工业高速发 展，通信设备也向着更小更精确发展，RC 滤波器出现了，其最高频率可达到 MHz 级别。 60 年代以来，集成工业发展可观，许多电子设备可以集中到一块芯片上，节省了空 间和成本，全集成有源器件得到了发展。有源滤波器正式走入人类实现并得到大力发展 是在集成运算放大器的发明之后。RC 滤波器从原则上讲是可以实现集成的，但是其自身 需要大电容和大电阻的缺陷也是非常明显的，此外，集成电阻电容精度差以及加工误差， 老化等问题都能引起元件值的不准确。 目前，数字滤波器（DF） ，开关电容滤波器（SCF）,SRF ,OTA-C 滤波器均可实现全 集成。 数字滤波器在频率选择性和温度稳定性等多个方面具有非常明显的优势。开关电容 滤波器的组成元件是 MOS 放大器，MOS 电容和 MOS 开关，其较容易获得准确的时间常数， 但其工作频率有限。开关电阻滤波器是有源滤波器，其主要利用了开关电阻技术。OTA-C 连续时间滤波器易于集成，不用电阻。OTA-C 滤波器可以通过编程控制或者外部调节， 通用性强。因其高频特性好而与 SC 滤波器工作频率低的缺点形成了鲜明的对比，可程控， 噪声低，电路简单等一系列优点引起了人类足够多的兴趣。 总之，RC 有源滤波器和开关电容滤波器主要应用于低频段，提高滤波器的工作频率 也是为了适应时代发展必不可少的任务，因此，如何提高滤波器的工作频率将成为未来 人们研究全集成滤波器的主要方向。 第一章 绪论 4 1.2.2 连续时间滤波器 连续时间滤波器的工作时间段是连续的，其直接对在时间和幅度上连续变化的模拟 信号进行处理，数字滤波器需要多个步骤才能完成滤波，采样数据滤波器在离散时间进 行采样的时候还需要借助开关动作。而连续时间滤波器不需要这些过程。目前连续时间 滤波器应用很广泛，其频率很高，能够达到几百 MHz，而且功耗小，结构简单，高频领 域很实用。通常情况下连续时间滤波器是唯一能在低功耗条件下对高频率信号进行处理 的选择。目前主流的高性能连续时间滤波器主要有以下几种： （1） RC 有源滤波器 电阻，电容，运算放大器等元件构成了 RC 有源滤波器，但其对 RC 元件变化非常敏 感，其应用主要在低频领域。 （2） MOSFET-C 滤波器 此滤波器提出于 1983 年，由电容 C，运放和 MOSFET 构成，其设计问题在 1986 年又 得到了系统的研究。MOSFET-C 滤波器存在的最大问题是失真，消除失真的方法是用一组 晶体管来代替单个晶体管，但是即使这样，受运算放大器带宽限制，其因其很低的工作 频率一般仅工作于音频范围。 （3） 对数域滤波器 对数域滤波器输入输出信号均为电流信号，属于电流模式滤波器，其提出于 1979 年， 并成功引入到视频工程中，其设计思想是把非线性电路加上对数转换器和反对数转换器 后变成线性系统，其主要优势为工作频率高，调谐范围宽和可以用非线性元件实现线性 系统。但是其与大规模集成电路的 CMOS 工艺不兼容以及受温度影响比较大的缺点也是不 容忽视的。 （4）CCII 电流模式滤波器 CCII 是一种电流型连续时间模拟电路，其主要处理电流信号变量，其优点突出，电 路构造简单，信号带宽大等，还有其功耗低。给传统的电压模式电路造成了巨大的压力。 电流传送器在 1968 年在加拿大提出。然后其对传统的以运算放大器为主的电压模式电路 提出挑战是在近几年，得益于 VSLI 技术的高速发展，高性能芯片得以实现。因其只有一 端输出，其不足非常明显，电路设计复杂，所需元器件多，成本高，不利于集成，不能 兼顾电流直通和反馈。 （5）OTA-C 滤波器 第一章 绪论 5 此滤波器组成元件为运算跨导放大器和电容 C，OTA 的输出电流以 Gm 的比例因子正 比于与输入电压，OTA 有两种，COOS 型和双极性，双极性晶体管构成的 OTA 与大规模集 成电路 CMOS 工艺不兼容。全 MOS 运算跨导放大器动态范围大，线性好，并与大规模集成 电路 CMOS 工艺兼容。其构成的有源滤波器特征如下，(a)易于集成（b）滤波器的技术指 标如增益等可由片外电信号加以调节，因此很容易实现可编程滤波器。 （c）跨导放大器 工作在非常高的频率，范围非常大。 显而易见，滤波器这门学科不但历史悠久，而且发展速度很快，随着集成工业的快 速发展，未来的滤波器技术也会更小，更节约成本发展，放眼未来，我们还有很多工作 要做。 1.2.3 混合模式滤波器 电压模式电路的频带宽、速度慢 。在高速、高频信号处理领域，以电流为信号变 量的信号处理方式 的诞生是在预想之中的，它的出现具有很大的意义 ，使现代模拟集 成电路进入一个新时代，近 20 年来，以电流为信号变量的电路在信号处理中优势突 出，加快了混合模式电路的发展 进度。混合模式电路相比于电压模式电路还是有很多 优势的，主要表现在带宽、动态范围、速度等方面。 此滤波器电流输入、电压输出， 在转换与滤波中可以由电流模式跨越到电压模式 ，在模拟信号处理中 很重要，广泛应 用于微电子学、电子测量、自动控制等领域。 1.31.3 选题的背景和意义选题的背景和意义 如今，通信技术发展迅猛，高频全集成有源滤波器的地位不可撼动，其动态范围大、 体积小、可靠性高，并且相比开关电容滤波器和数字滤波器，其不必收到高频应用的限 制以及引入量化噪声等，所以在通信、仪表测量、电子设备等方面应用背景非常广阔。 全集成连续时间滤波器单片集成，芯片上元件匹配性良好，会大大简化设计问题， 另外，自动调谐电路不容易受温度和工艺变化的影响，拥有很少的寄生电容。集成滤波 器生产时候成本较低，利于大规模生产。如今，虽然全集成滤波器芯片设计取得了一些 成就，但其 Q 值不能太高以及研究重点的局限性也是很突出的隐患，高 Q 值滤波器将是 我们未来研究的一个主要方向。因此，为了实现片上系统,高频全集成连续时间滤波器的 研究工作还有很长的路要走。 第一章 绪论 6 1.41.4 论文安排论文安排 本文对全集成连续时间混合模式电路进行了研究，并以 CFA 和 CCII 为基本元件， 设计出了通用二阶滤波器，且对其进行 PSPICE 仿真。 本论文共分为六章： 第一章为绪论，其中第一节简要说明了滤波器的概念，分类和设计方法等，说明滤 波器在信号处理系统中是不可或缺的；第二节对全集成连续时间混合模式电路的发展历 程，性能特点以及分类进行了概括；第三节指出了本论文的背景和意义；第四节具体讲 明了本论文的大体结构和排版安排。 第二章则对电流反馈运算放大器（CFA）进行简单介绍，第一小节指出了 CFA 的基本 概念；第二节则介绍了 CFA 的拓补结构和代表符号；第三节对 CFA 的性能特点进行了简 要说明。 第三章重点讲解多输入多输出电流传送器（CCII）基本概念及应用原理，详细讲解 了 CCII 的基本概念，讲解了第一代，然后讲了第二代电流传送器，并对二者进行了系统 的比较，简要说明了电流传送器相比于 CFA 的优势。 第四章以 CFA 和 CCII 为基本元件，在学习理解滤波器设计原理的基础上设计出全集 成连续时间混合模式通用二阶滤波器，并给出其结构图。 第五章为 PSPICE 仿真，第一小节对 PSPICE 进行简单介绍，接着第二三小节对上章 给出的全集成连续时间混合模式通用二阶滤波器分别进行了仿真，说明滤波器的性能， 证实其可行性。 第六章为本论文的最后一章。总结了本论文所研究的主要内容，并对未来滤波器学 科的发展前景进行了展望。 第二章 电流反馈运算放大器（CFA） 7 第二章第二章 电流反馈运算放大器（电流反馈运算放大器（CFACFA） 2.12.1 CFACFA 的基本概念的基本概念 电流反馈运算放大器， 1985 年诞生于美国，完成工艺为多芯片混合组装。它是一 种新型超高速运放，在 20 世纪 90 年代得到了迅速发展。相比于传统的电压反馈放大器 （VFA）它具有不同的工作原理和拓扑结构，为集成电路领域的全新运算放大器。现在市 面上流行的产品主要有 OP-160，AD844 等。 CFA 基于双极互补集成工艺，动态特性极佳，能处理高频率、大幅度的信号，这点 VFA 不能比拟。此外它能独立调节带宽，包括增益，拥有很高的转换速率。此外输出电 阻低的特点也确保了电路在级联时不需要附加缓冲器。但是其静态精度不及 VFA 的缺点 也是很明显的。所以虽然 CFA 在实现模拟信号处理电路中有很大用途，但是在选择 CFA 的适用场合时我们依然需要进行深入的分析取舍。总之关于 CFA 的性能特点、优缺点等 方面的研究我们还有很长的路要走。 2.2 CFACFA 的拓扑结构和代表符号的拓扑结构和代表符号 图 2-1 代表了 CFA 的简化拓补结构，输入缓冲级、输出缓冲级和中间的跨阻放大级 是其主要部分。输入端之间接入了输入缓冲级。其作用主要是：（a）为了方便信号电流 流出或流入，低阻抗的电流输入端代替了反相输入端。 （b）把同相输入端变成高阻抗的 电压输入端（c）强行令跟随。 xVyV 1 1 Vz Vx- Vy+ Ix ZIx + - 图 2-1 CFA 简化拓扑结构 内部增益节点内传入了进出反相输入端的电流信号 Ix，是由跨阻放大器完成度，并 第二章 电流反馈运算放大器（CFA） 8 转化为电压信号。Z：开环跨阻增益，其值一般很大。输出缓冲级实现低阻抗输出。 z V CFA 的代表符号由图 2-2 表示，其“+”表示同相输入端， “-”表示反向输入端。增 益节点 Z 单独接出，其电流电压分别表示为、。 zIzV Vo Vx Vy x y z o Ix Iy Vz Iz 图 2-2 CFA 代表符号 CFA 符号中各电压、电流量之间的关系为： 000 100 010 IV yy VI xx IV zz oz VV （2.1） 其中， “+”代表 CFA+， “-”代表 CFA-。 CFA 与传统的 VFA 相比，电流部分主导电路性能，占据主要部分，因此 CFA 是一 种电流模式电路。 2.3 CFACFA 性能特点性能特点 CFA 拓扑结构特殊，工作原理为电流模式，其优缺点表现如下： 1） 直流误差较大； 2） 传输函数精度低； 3） 电流热噪声较大； 4） 可以拥有很高的转换速率； 第二章 电流反馈运算放大器（CFA） 9 5） 闭环带宽不受增益高低的限制； 6） 频率高，处理能力强，应用于各种系统； 7）输出电阻低，电路级联时不需要附加缓冲器。 第三章 多输入多输出电流传送器 10 第三章第三章 多输入多输出电流传送器多输入多输出电流传送器 3.13.1 电流传送器的基本概念电流传送器的基本概念 电流传送器是有源器件，它于 1968 年被 Smith 和 Sedra 提出，是一种电流模式器件， 它具备多种功能，而且与运算放大器相似，是一种广泛应用于电流模式电路的标准模块。 由于而且当时运算放大器应用非常广泛，所以起初其并没有引起关注。电流传送器因此 在电子工业领域被忽略了。 从 20 世纪 40 年代末起，运算放大器终于确立了在模拟电路学中的核心地位，运算 放大器的市场被大大扩展 20 世纪 80 年代末以后，高性能可用电流传送器终于问世了它 开始被人们应用在滤波、振荡、放大等方面，开始于运算放大器抗衡。 如今，电流传送器优于运算放大器的地方已经非常明显，尤其是电流传送器电路， 无论信号大小，能提供更大的电压增益，这是运算放大器不能比拟的，取代电流传送器 而成为最重要的电路设计模块是众望所归。它已经被普遍应用于电流模式电路中了。由 其构成有源器件的电路系统，在扩展频域和降低功耗方面应用很突出，现如今移动通信、 测量领域等已经开始重用由其构成的振荡器、滤波器、放大器等电路。所以电流传送器 的地位不与并不与它短暂的寿命成正比。 3.23.2 第一代电流传送器第一代电流传送器 第一代电流传送器（CC）于 1968 年被提出，其符号表示如图 3-1 所示： Y X ZCCI 图 3-1 CCI 的电路符号 图中X、Y 为输入端，Z 为输出端，另一端是公共接地端，若有一电压作用于 Y，则 会有相等的电压呈现在 X。若有一输入电流 I 传入 X，则等量电流会流入 Y，I 会同时被 传送到 C。这样，Z 端就具有了高输入阻抗的电流源特性，同时具备了电流值为 I 的电流 源特性。X 端电压由 Y 端电压确定，与流进 X 端的电流无关，这说明 X 端口是虚短路输 第三章 多输入多输出电流传送器 11 入，Y 端口是虚开路输入。 其输入输出特性如下： = y x z i v i 0 1 0 1 0 1 0 0 0 y x z v i v （3.1） 由上述可得： yx xy zx ii vv ii （3.2） 3.3 第二代电流传送器第二代电流传送器 3.3.1 第二代电流传送器(CCII) 为了增进电流传送器使用的通用性和灵活性，电流传送器的特性在 1970 年得到了改 进，第二代电流传送器被提出，它没有电流输入 Y 端，这个标准部件的实用性已被证明 比 CCI 好。可用（3.3）式表示其特性方程： = y x z i v i 0 1 0 0 0 1 0 0 0 y x z v i v （3.3） 由上式可得： 第三章 多输入多输出电流传送器 12 0 y xy zx i vv ii （3.4） 由该方程（3.4）可得，CCII Y端口的电压始终为零，X 端口的电压由 Y 端口决定，等于 Y 端口电压。CCII 消除了 Y 端口的电流。由此可见，Y 是电压输入端，由 Y 端口呈现出 来的输入阻抗是无限大的；X 是电流输入端，Y 端口电压被 X 端口电压跟随，所以 X 端 口输入阻抗为零；电流从 X 输入端（低阻抗）传输到 Z 输出端（高阻抗）随即 Z 端口产 生了一个可控输出电流， X 端的输入电流是唯一决定此电流的因素，电流方向相反或者 相同都是可以的，区分为 CCII+和 CCII-。对于 CC-，无需受控电流源。CCII+和 CCII-的 电路符号分别如下图 3-2 和 3-3 所示： CCII+ Y X Z 图 3-2 的电路符号CCII+ CCII- Y X Z 图 3-3 的电路符号CCII- 3.3.2 改进的电流传送器 CCI 和 CCII 都只有一个电流输出端，难以同时获得高阻抗电流输出和实现电流反馈， 所以不利于级联。而且，CCI 和 CCII 都只有一个电压输入端，单输入端不能胜任处理差 动电压信号的任务。因此，近年来多种改进型电流传送器问世了。 （1）双输出端 CCII(DOCCII)和多端输出电流传送器（MOCC） 双输出端 CCI 是一个五端器件，它四端口接地。图 3-4 代表其电路符号。符号中 Y 第三章 多输入多输出电流传送器 13 是电压输入端，X 是电流输入端，Z 和是电流输出端。且二者互补。下列混合矩阵方Z 程(3.5)表示了双输出端 CCII 的输入输出端口特性。此方程表示，CCI+和 CCI-的作用 DOCCII 都是包含的。CCII+由 X,Y,Z 三端组成，X 端电流极性决定了 Z 端的电流极性。 CCII-由 X,Y, 组成，X 端电流极性的相反方是端输出电流。ZZ Iy DOCCII X Y Z Vy Vx Z Vz Vz Iz Iz Ix 图 3-4 DOCCII 的电路符号 (3.5) 0000 1000 0100 0100 YY XX ZZ ZZ IV VI IV IV 多端输出电流传送器 MOCC 是在 CCII 的基础上得到的，其工作原理等同于单 CCII+和 CCII-，多个正电流和负电流被它等比例的输出。图 3-5 代表了其电路符号，它主要 z I Z I 包括正输出端 Z 和负输出端。矩阵式(3.6)表示其端口特性：Z MOCC X Y Z Vy Vx Z IZ1 IZm IZ1 IZm 第三章 多输入多输出电流传送器 14 图 3-5 MOCC 的电路符号 (3.6) 1 1 0000 1000 0100 0100 0100 0100 y x Zy x zmz zz zn I V IV I IV IV I （2）差动电压输入 CCII（DVCCII） 差动电压输入是六端器件，它五端口接地，图 3-6 为其电路符号。符号中 Y1、Y2 和 X 是输入端，Y1，Y2 具有高输入阻抗，是差动电压输入端。Z1、Z2 都具有高输入阻 抗，是电流输出端。它们二者极性互补。DVCCII 的端口特性可如式（3.7）描述： DVCCII X Y2 Z1 Z2 Vz1 Vz2 Vx Vy1 Vy2 Iz1 Iz2 Iy1 Ix Iy2 Y1 图 3-6 DVCCII 的符号 11 22 11 22 01100 00000 00000 10000 10000 XX YY YY ZZ ZZ VI IV IV IV IV （3.7） 该方程表示，X 端输出电流的极性与输出电流相同，X 端输入电流与输出电流 1Z I 是对立的。三个输入端的输入特性为：。如此，能产生两种输出电流。 2Z I 12XYY VVV 第三章 多输入多输出电流传送器 15 （3）全差分电流传送器（FDCCII） 全差分电流传送器的发明是为了改进混合模式电路的动态范围。它的算术运算能力 强。而且输入阻抗高。图 3-7 是其电路符号，式（3.8）为其端口特性： FDCCII Y2 X X Vx Vx Vy1 Vy2 Iy1 Iy2 Y1 Y4 Y3 Z Z Iz Iz Ix Ix Vy4 Vy3 Iy3 Iy4 Vz Vz 图 3-7 FDCCII 的电路符号 1 2 3 4 001110 001101 100000 010000 X X X YX ZY YZ Y I VI VV IV IV V （3.8） （4）电流控制传送器（CCCII） 1996 年 CCCII 被 A.Fabre 提出，其克服了 CCII 中的不足，其具有电可调性，应用广 泛。如图 3-8 为其电路符号，式（3.9）为其端口特性： CCCII X Y ZVz Vy Vx Iy Ix Iz IB 图 3-8 CCCII 的电路符号 第三章 多输入多输出电流传送器 16 000 10 010 YY XXX ZZ IV VRI IV （3.9） CCCII 包括两类：CCCII+和 CCCII-，是一个三端口器件。在式中，的值为： X R 2 T X B V R I （3.10） 在式中，是热电压，在常温下约等于 26 毫伏，寄生电阻被偏置电路控制。Rx T V T V X R B I 是 X 的寄生电阻。在单输出 CCCII 基础上加一个交叉耦合的电流镜即可实现 CCCII 的正 反向输出， 3-9 是器电路符号，其端口特性表示为（3.11）： CCII X Y Z Vy Vx Iy Iz Vz Vz Iz Z Ix Ib 图 3-9 的电路符号CCII 0000 100 0100 0100 YY XX X ZZ ZZ IV VIR IV IV （3.11） 理想 CCCII 的 X 端阻抗为,通过偏执电流控制寄生电阻能够实现电调性。它的 Y X R B I X R 端和 Z 端的阻抗是无穷大的。 第三章 多输入多输出电流传送器 17 3.43.4电流传送器的优势电流传送器的优势 如今电流传送器已成为最基本的电路元件之一，相比于运算放大器它具备很多优势， 主要表现如下；（1）具有更低的工作电压（2）具有更宽的频带范围（3）具有更大的动 态范围（4）具有更好的线性度 但是由 CCII 实现的电路也是存在不足的： （1）电路设计起来比较复杂，所需元件多 （2）不能再保证电路信号直通的同时兼顾信号反馈，不利于电路级联。 第四章 基于 CFA 和 CCII 的混合模式滤波器设计 18 第四章第四章 基于基于 CFACFA 和和 CCCCII的混合模式的混合模式滤波器设计滤波器设计 4.14.1 滤波器设计原理滤波器设计原理 滤波器是一种选频装置，它通过一部分信号，并且阻止另一部分信号通过。其可以 根据对信号的选择作用而把频带分为通带、阻带和过渡带。可由通带和阻带所处的范围 的不同来区分滤波器，而将之划分为四类： 1. 低通滤波器。其阻带是从 f2 延伸到无穷大的，而通带是由 0 到某一规定 的上限频率 f1。 （f1f2） 2. 高通滤波器。其通带是从 f1 延伸到无穷大的，而阻带是位于低频范围内 的。其频率特性正好与低通相反。 3. 带通滤波器。其通带两侧是阻带，两个有限频率 f1 和 f2 之间是通带。 4. 带阻滤波器。其与带通滤波器正好相反，其阻带两侧都是通带，两个有限频率 f1 和 f2 之间是阻带。 通信技术多次用到了滤波器，比如预选滤波器，中频滤波器，时间复用，中频与变 频等。 有源滤波器主要分为无源滤波器和有源滤波器两大类，无源滤波器种类很多，代表 性的如分布参数滤波器，陶瓷滤波器等。随着近些年微电子学的快速发展，滤波器开始 朝着小型化的方向发展。RC 有源滤波器出现了，其主要组成部分为硅单片运算放大器和 薄膜或厚膜。另一类有源滤波器是数字滤波器，它的运算形式是按照数字。数字滤波器 具有稳定性高和准确性高的优点。 所谓滤波器的设计，主要是我们为了实现某种电路功能，而采用某些基本电路元件 设计出来相应的滤波器电路。滤波器理论经历过经典滤波器理论。现在流行的是现代滤 波器理论。经典滤波器理论起始于 1920 年，它设计无源滤波器的主要手段是影像参数法， 但它的精密度非常低。现代滤波器理论在 1930 年被提出了，经过半个多世纪的发展，它 已经超越经典滤波器，普遍适用在当今滤波器电路设计中，能够有效地实现滤波器电路 的设计。现代滤波器的设计问题包括近似问题和实现问题。近似问题的最终目标是网络 函数，滤波器的各种指标都用网络函数去无尽可能的接近，最后得到相应的网络函数， 而所谓的实现问题就是求出网络。 第四章 基于 CFA 和 CCII 的混合模式滤波器设计 19 滤波器可以按照通频带划分为五种。而这五种滤波器中的低通滤波器经过适当的变 换即可变换成高通、带通和带阻等滤波器，因此，低通滤波器作为其他滤波器设计的原 型，是我们设计滤波器的基础。我们要先掌握低通滤波器的设计方法和原理。 种类众多的滤波器使用在不同的场合，要求具备各种不同的带宽、增益和频率等性 能。因此各种不同的参数个电路形式对我们的生产和使用造成了极大的麻烦，一种通用 性较强的电路的出现是势不可挡的，它应该具备既能方便的调节带宽、增益和频率等参 数，又可以实现不同形式的滤波器的功能。 。在此背景下一种作为通用滤波器理想结构的 双二阶结构出现了，下面我们就简单的介绍一下它的传递函数。这是一种复频域 s 的有 理函数，可表示如下： 2 012 2 012 ( ) ss H s ss bbb aaa （4.1） 这是一个双二阶函数，因为分子分母都是二次多项式而得名。它以其既能表示实根 也可以表示复根的特点而具有很强的通用性。当为 0，为 1 时，分母等于， 0 a 1 a 2 s a 则极点变为一实数；当为 0，为 1 时，分子等于，一实数零点出现；当为 0 a 1 b 2 s b 0 a 1，为 1 时，函数化简为： 0 b （4. 2 12 2 12 ( ) s sbb H s s saa 2） 则一对复数形式的零极点出现了。分别用和来表示一对零点，一对极点分别用用 z w z Q 和来表示一对极点， （4. 2）式则变为： p w p Q （4. 22 22 ( ) z z z p p p ss Q H s ss Q 3） 上面的双二阶（4. 3）式符合以下条件： 1)函数最小值约等于； p 第四章 基于 CFA 和 CCII 的混合模式滤波器设计 20 2) 函数最大值约等于； z 3) 函数最小值陡变的度量是； z Q 4) 函数最大值陡变的度量是； p Q 5) 直流输出幅度为； 2 2 20log() z p w dB w 6) 无穷大频率的输出幅度为。20log()k dB 五种不同形式的滤波器都可以用上面的双二阶函数表示如下： 1) 低通滤波器（Low-pass） ，简称 LP，条件：，则 c 传递函 0102 0,1 bbab 数为； 2 12 1 ( ) LP s H s saa 2) 高通滤波器（High-pass） ，简称 HP，条件：，则传递函数 0012 1,0 babb 表示为； 2 2 12 ( ) HP s s H s saa 3）带通滤波器（Band-pass） ，简称 BP，条件： ，则传递函 0102 1,