（微电子学与固体电子学专业论文）电流模式滤波器的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 典型的电流模式滤波器由一个电流传输器和几个电阻电容组成。 电流传输器( c u r r e n tc o n v e y o r 简称c c ) 作为一种标准部件被广泛应用在 电流模式电路中。目前有关c c 的研究，国内外学者把大量精力投在了第二代 电流传输器( c c i i ) 以及改进c c l i 的电路结构及应用上，而在改进第三代电流 传输器( c c i i i ) 结构和应用、设计基于c c i l i 和电流模式运算放大器( c f o a ) 的电流模式滤波器的结构方面研究甚少。众所周知，c c l l 只有一个输出端口 要想基于c c i i 设计滤波器的话，存在两种劣势：一种是如果电路中有电流信号 直通的话就不能有信号反馈，反之亦然，由于电流反馈通路会使其输出阻抗较 低，使电路直接级联出现困难。二是电路结构较为复杂，达到设计指标要求需 要的有源及无源器件较多。与c c i i 相比，第三代电流传输器具有更宽的幅频响 应带宽、更低的增益误差、更高的输出阻抗及更好的线性度。而电流模式连续 时间滤波器由于其基于c c i i i 电路结构而成为最新的研究方向之一。故本文着 手研究第三代电流传输器原理及电路结构，电流模式运算放大器及其电流模式 连续时间滤波器的设计方法，基于c c i i i 的电路着手设计基于c c i i i 和电流模式 运算放大器的滤波器电路。 本文在1 5v 供电电压下，在基本c c i i i 基础上设计了一种基于改进共 源共栅电流镜的c c i i i 。由于通过改进电流镜结构使得共源共栅电流镜具有较 大的输出阻抗，故改进c c i i i 电路的z 输出端的输出阻抗大大提高。于c c i i i ， 通过在放大级与输出之间采用隔离补偿电容，以消除低频零点的方式，设计了 一种新型的低压低功耗的c f o a ，此c f o a 可以用作电压电流传输器。本文 中c f o a 作为设计的基于改进c c i i i 的电流模式滤波器的输入级。 对本文设计的电路进行仿真时，利用h s p i c e 软件，基于t s m c0 35g m c m o st 艺，对所设计的所有电路结构进行了仿真，仿真结果表明，该c c i i i 电路的口值从0 9 2 l 提高到了0 9 7 1 ，c c i i i 电路的s 值从0 9 2 4 提高到了0 9 8 2 。 而且输出电阻明显增大，从原来的kq 级增大到了mq 级。c f o a 的直流增益 9 6 3 d b ，单位增益带宽7 6 5 m ，静态功耗o 8 2 m w ，闭环工作状态下有6 4 3 m h z 的固定带宽。设计电流模式滤波器可实现低通、高通、带通功能，分析证明这 些滤波器的无源和有源灵敏度较低，带宽较宽，证明提出的电路是可行的。 关键词：电流模式；第三代电流传输器；电流反馈运算放大器；滤波器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t c u r r e n t - m o d ef i l t e r sa r et y p i c a l l yb u i l tb yc a s c a d i n gap o s i t i v ec u r r e n t c o n v e y o rw i t hs o m er e s i s t a n c e sa n dc a p a c i t a n c e s c u r r e n tc o n v e y o ra sas t a n d a r dc o m p o n e n ti su s e di nc u r r e n t - m o d ec i r c u i t s f r e q u e n t l y a tp r e s e n t ，t h es t u d yo f c u r r e n tc o n v e y o rt e c h n i q u e ，l o t so fd e s ig n e r s w o r k so nt h es e c o n dg e n e r a t i o nc u r r e n tc o n v e y o ra n dt h ei r e p r o v e dc i r c u i t i n s t r u c t u r eo f c c i ii n s i d ea n do u t s i d eo ft h ec o u n t r y ，b e s i d e s ，t h ed e s i g no f t h e i m p r o v e dc i r c u i ti n s t r u c t u r eo fc c i i i 、c u r r e n t - m o d ef i l t e rb a s e do nc ci i ia n dt h e c u r r e n tf e e d b a c ko p e r a t i o n a la m p l i f i e r ( c f o a ) i sv e r yl i t t l e e v e r y o n ek n o wt h a t ， c c i io n l yh a so n es i n g eo u t p u tp o r t ，i fd e s i g nc u r r e n t - m o d ef i l t e rb a s e do nc c i i ， t h e r ea r et w os h o r t a g e s ：o n ei sc u r r e n td i r e c ta n df e e d b a c kc a n te x i s ta tt h es a m e t i m e ，b e c a u s ec a r r y o u tc u r r e n tf e e d b a c kw i l lm a k e o u t p u t r e s i s t a n c e l o w e r a n o t h e ri st h ec i r c u i ti n s t r u c t u r ei sr a t h e rc o m p l e x ，i tn e e dl o t so fn e g a t i v e a n da c t i v ep a r t so fa p p a r a t u st of u l f i l lt h er e q u e s t c o m p a r et oc c i i ，t h et h i r dg e n e r a t i o nc u r r e n tc o n v e y o rh a ss o m ec h a r a c t e r ： s u c ha sf r e q u e n c yr e s p o n s ei sw i d e r ，p l u se r r o ri s l o w e r ，o u t p u ti m p e d a n c ei s h i g h e ra n dl i n e a rc h a r a c t e ri sb e t t e r s ot h ec u r r e n t - m o d ec o n t i n u o u s - t i m ef i l t e r b a s e do nc c i i ic i r c u i ti n s t r u c t u r eb e c o m e so n eo ft h en e wr e s e a r c hd i r e c t i o n si n t h ew o r l d s ot h i sp a p e rs t u d i e st h ed e s i g no ft h et h i r dg e n e r a t i o nc u r r e n tc o n v e y o r c i r c u i ti n s t r u c t u r e ，c f o aa n dt h ec u r r e n t - m o d ec o n t i n u o u s t i m ef i l t e r i ti sb a s e d o nt h ed e s i g ni d e ao fs o m ee x i s t i n gc c i i ic i r c u i t s ，f a l l i n gt od e s i g n i n gt h ef i l t e r w h i c hi sb a s e do nt h et h i r dg e n e r a t i o nc u r r e n tc o n v e y o ra n dc f o a i nt h i s p a p e r ，w i t ha 1 5vp o w e rs u p p l y ，i n t h es t r u c t u r eo ft h e c o n v e n t i o n a lc c i i i ，w ed e s i g na n o t h e rp r o p o s e dc c i l lw h i c hi sb a s e do nt h e p r o p o s e dc a s c a d ec u r r e n tm i r r o r s b e c a u s et h ep r o p o s e dc a s c a d ec u r r e n tm i r r o r s w h i c hp r o v i d e dh i g ho u t p u ti m p e n d e n c e ，s ot h ep r o p o s e dc c i i ip r o v i d e sh i g h o u t p u ti m p e d a n c ea tp o r tz b a s e do nt h i r d g e n e r a t i o nc u r r e n tc o n v e y o r ，t h r o u g h t h eu s eo fc o m p e n s a t i o n c a p a c i t o r is o l a t i o nb e t w e e nt h e o u t p u t a n dt h e a m p l i f i c a t i o n ，t h ew a yi st oe l i m i n a t et h el o wf r e q u e n c yz e r o ，w ed e s i g n e da n e w c u r r e n tf e e d b a c k o p e r a t i o n a la m p l i f i e r s w i t h l o w - v o l t a g e a n dl o w p o w e r c o n s u m p t i o n t h i sc f o a c a nb ea sav o l t a g e c u r r e n tc o n v e y o rw h i c ho u t p u ta st h e i n p u to ft h ec u r r e n t m o d ec o n t i n u o u s t i m ef i l t e rb a s e do nt h ep r o p o s e dc c i i i w h e ng i v es i m u l a t i o nt oa l ld e s i g n e dc i r c u i t s ，u s i n gh s p i c es o f t w a r e ，b a s e d o nt s m co 3 5 p , mt e c h n o l o g y ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：ao ft h ec c i i i m o d e li m p r o v ef r o mo 9 21t oo 9 7 2a n d i m p r o v et h ej b o ft h ec c i i im o d e l f r o m0 9 2 4t o0 9 8 7 ，a n da l s ot h eo u t p u tr e s i s t a n c ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ，f r o m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 t h eo r i g i n a lg r a d ekqi n c r e a s et ot h eg r a d emq d cg a i no ft h ec f o ai s9 6 3 d b ， u n i t yg a i nb a n d w i d t ho f7 6 5 m ，s t a t i cp o w e rc o n s u m p t i o n0 8 2 m w , t h es t a t ec l o s e d l o o pb a n d w i d t hi sf i x e du n d e rt h e6 4 3 m h z t h ef i l t e r sw h i c hh a v eb e e nd e s i g n e d c a nc a r r yo u tl o wp a s s ，h i g hp a s sa n db a n dp a s st h r e ek i n d so ff i l t e r i n g ，t h et h r e e f i l t e r i n gh a v e1 0 wp a s s i v ea n d1 0 wa c t i v es e n s i t i v i t y ，b e s i d e s ，b a n d w i d t hi sr a t h e r w i d e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dc i r c u i ti sf e a s i b l e k e yw o r d s ：c u r r e n tm o d e l ；t h i r dg e n e r a t i o nc u r r e n tc o n v e y o r ；c f o a ：f i l t e r s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1引 言 由于微电子技术日渐成熟，超大规模集成电路也在飞速发展，人们投入了 大量的精力在压控型集成电路基本模块的研究和应用上，典型的模块之一像运 算放大器，人们逐渐加深了对电压主宰的电路世界的认识，却忽略了对电流控 制元器件的研究和应用，以致认为电流控制型的跨导和跨阻放大器器件用处不 太大。仔细想想就不难发现在所有电子电路中，最基本的电路组成元器件像双 极型晶体管和m o s 场效应晶体管，它们在本质上都是电流控制输出型的器件， 就目前而言，要想实现电压控制型的信号处理，运用现有的集成电路基本模块 单元再结合电压控制技术就可以很方便地实现，但是要想设计实现电流模式放 大器和很多的电流模式的电路就没那么容易了。一般情况下，要是要求模拟电 路处理电流信号的能力很强的话，就只能把电流信号作为有源参数进行研究设 计，以电流信号作为有源参数实现的电路叫电流模式电路。许多研究证明，电 流模式电路优于传统的电压模式电路。随着对输入输出信号要求的频率要求越 来越高，电流模式电路的优势日渐明显，电压模式电路的固有缺点就明显显现 出来了，这些缺点严格限制了它在要求高频、高速、高精度的领域中的应用。 于是应社会需求一种电流模式的高频性能良好的电子元器件就应运而生了。 1 2 本论文研究背景与意义 1 9 7 0 年，加拿大学者s e d r a 和s m it h 提出了第二代电流传输器( c c ii ) 电路的基本原理和结构框架i ij 。c c ii 器件不但在功能方面能够完全取代电压模 式的运算放大器，而且它在很多方面还具有优势，比如频率范围比运算放大器 宽、而工作电压低于运算放大器、在线性度和动态范围方面要大于运算放大器， 还有适于并行运算等等，同时，由于在处理模拟信号时可以将电流信号直接进 行相加减，少了电流电压转换这一步，也就少了这一部分电路，进而简化了电 路，也就使得系统中的无用信号减少了，同时系统的信噪比也得到了提高，故 而运用c e ii 基本模块设计的模拟信号处理电路结构是电流模式的，与用传统 方法设计出来的信号处理电路结构相比，前者各方面的性能优于后者。1 9 9 5 年，a f a b r e 提出了基于c c ii 的第三代电流传输器( c c iii ) pj ，c ciii 的主 要特征是增益误差相对较低，线性度相对较高和幅频响应相对较宽；除此之外， c c iii 的输出终端具有相对较高的输出阻抗，这就使得电路可以直接级联而无 需添加额外的有源元器件。设计高精度监测仪表电路时常用到c c iii ，这是由 于c c iii 基本电路能够方便有效地提取流经无源元件中的漂移电流的缘故，而 且设计的仪表电路可以实现无电压衰耗电流检测。在2 0 0 2 年，h a k a nk u n t m a n 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 i 曼曼曼蔓量曼曼曼皇皇曼量量皇皇皇鼍奠量量皇曼量皇鼍量曼罾量量皇量皇曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇皇曼曼皇邕量量皇量量量量量曼量量量量量量量量量皇曼曼曼曼曼量量一 等人改进的基本的c c i i i 电路结构1 4 j 。 电流模式技术在以下几种电路结构中得到广泛应用：比如像采样数据链和 连续时间滤波器、运算放大器、模数数模转换器、变换器之类的电路模块中； 诸如像自校正及编程系统结构中；还有像人工神经网络和神经计算机这类的电 子仪器设备中。电流模式技术将对很多领域的发展产生重大影响，像计算机科 学领域，微信息科学与微电子学领域、机器人与控制领域等等。 电流模式技术是指电路的主要变量是以电流形式来表达的。在许多年以前 出现了一种重要的模拟电路结构即电流模式电路，纵观长期以来的科技发展， 人们处理问题似乎总是偏向于采用电压模式电路而不是电流模式电路。 然而解决实际存在的问题时，常常要求设计的模拟电路处理电流信号的能 力很强大，这就使得在设计要求带宽较大的电路时采用电流信号作为电路的有 源参量而不是电压信号。随着对课题研究的长期深入，人们慢慢发现采用电流 模式技术处理电路中的某些问题，得到的结果比采用传统的电压模式技术处理 更理想。电流模式技术的优势渐渐显现出来了。近些年来，大规模集成电路技 术发展迅猛，模数混合集成在大量的电子系统中，随着集成电路工艺尺寸的日 渐减小，电路高功耗伴着高集成度应运而生，这是由于器件内电场强度增加造 成的，高功耗严重影响m o s f e t 工作状态，为了响应绿色环保工程的发展， 同时还适应尺寸减小的趋势，设计者们尝试将电源电压从3 3 v 降到甚至低于 1 8 v ，这就给设计模拟电路带来一个很大的挑战，这是因为m o s 的阈值电压 没有改变多少【4 】i 引。电流模式技术，其信号是以电流形式工作存在的，而降 低v l s i 电源电压基本上不会影响它的信号的动态范围。除此之外，电流模式 电路模块还具有寄生电容影响小、频带宽、电路结构简单等特点，从而为属于 数模混合集成电路系统的v l s i 实现低功耗、高密度和高速度提供了一条全新 的途径【6 】。 通过采用电流模式设计的连续时间滤波器，其在带宽、速度、精度等主要 性能方面继承了电流模式电路基本单元模块的优点，同时电流模式电路又由于 在实现加、减、乘等简单运算方面易于电压模式，所以与运用电压模式设计出 来的滤波器电路结构相比，运用电流模式设计出来的滤波器电路结构相当简 单，除此之外，电流模式滤波器还具有两大优势：一是精度更高，二是可靠性 更好1 9 。采用不同电路模块可以设计实现三种电流模式连续时间滤波器：一 种是基于电流镜结构的，一种是基于电流传输器结构的，最后一种是基于跨导 运算放大器结构的滤波器。下面分别简单介绍一下这三种滤波器。 1 基于电流镜结构的滤波器 采用电流镜结构设计的滤波器是一种由m o s 管构成的电流镜模块结构和 电容构成的电流模式连续时间的滤波器，这种滤波器一般情况下不含外接电 阻，故电路结构相对而言显得比较简单，另外还经常用在大规模集成设计中， 这是由于其与数字模式的c m o s 工艺兼容的缘故1 1 1 】。这种滤波器的供电电压相 对较低，使得功耗较小，而且工作频率相对较高、电控性相对较好，引起了国 内外学者的高度重视。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 基于电流传输器结构的滤波器 电流传输器( c c ) 是一种标准的集成部件，大量地用在处理电流模式信号 的领域中1 9 】。其它无源电子元器件和c c 可以构成各种特定的电路，这些电路 结构相对比较简单，而且可以处理多种模拟信号，这一点电流传输器类似于通 用的电流模式运算放大器。 3 基于跨导运算放大器结构的滤波器 o t a - c 滤波器是用跨导运算放大器( o t a ) 作有源器件，通常只包含o t a 和 电容c 的滤波器l l0 1 。由于o t a 输入电压信号，输出电流信号，所以这是一种电 压和电流混合模式的电路。o t a 内部有两级：一级是电压到电流的转换，一级 是电流传输，但是没有电压信号摆幅减小和密勒电容倍增的问题，这是因为电 路中没有电压放大级；电路结构相对比较简单，d c 信号下的转换速率相对较 高，还可以通过降低电源电压来降低功耗，高频信号性能相对也比较好。从以 上o t a 的这些高性能可以看出：o t a 电路中的电流模式电路决定了其主要性能。 由此看来，o t a 属于电流模式电路。由此o t a 可以应用在很多电路结构中，诸 如神经网络结构、模拟阻抗模块、数模模数转换器及滤波器等电路中。 1 3本论文的主要研究内容 近些年来，很多电路设计者把目光投到了基于电流传输器的电流模式连续 时间滤波器上，虽然如此，但电路设计者把目标锁定在第二代电流传输器技术 以及对第二代电流传输器的改进技术上；由于第二代电流传输器双端输入单端 输出，因此，用在设计连续时间滤波器上存在两个不足：一是不能兼顾直通电流 信号和为增大带宽的信号反馈，要是电路中存在电流反馈，则输出阻抗不会太 高，反之亦然，从而使级联电路很困难实现；二是设计的电路结构相对比较复 杂，需用很多的有源及无源器件。在l9 9 5 年，a f a b r e 提出了基于c c ii 的第 三代电流传输器，第三代电流传输器具有低增益误差、高精度、高线性度和宽 频响应等特性：此外，要求第三代电流传输器的输出端的阻抗很高，用以简单 级联电路而不需要额外的有源器件。目前，国际上有关第三代电流传输器及其 改进电路、基于基本第三代电流传输器和改进后的第三代电流传输器的电流模 式滤波器设计还较少。由此，本文着手研究基于基本c c iii 和电流反馈模式的 运算放大器的电流模式连续时间滤波器的设计方法，基于基本c c ii 的电路设 计原理及方案和基本放大器电路结构，着手设计和改进c c iii 电路结构，可用 作电压一电流传输器的电流模式运算放大器以及基于改进第三代电流传输器和 改进电流反馈运算放大器的滤波器。 1 4本论文所做工作和内容大致安排 本文着手研究c c iii 电路原理及结构，c f o a 电路原理及结构和基于改进 c c iii 和c f o a 的滤波器设计方法，包括如下五章内容： 第一章：简要介绍有关本论文的选题背景，还有选题的意义，还分析了近 年来设计电路时大量采用电流模式技术的大致原因，以及电流模式电路优于电 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 压模式电路的地方，最后简要介绍了一点电流模式滤波器的基础知识。 第二章：简要概述c c i 和c c ii 的基本原理和电路结构，介绍简单运算放 大器，介绍电流模式滤波器原理，给三、四和五章的研究分析和仿真验证提供 理论上的指导。 第三章：详细研究第三代电流传输器的实现原理和基本实现电路，改进 c c iii 的电流镜结构，较大提高了c c iii 的性能。 第四章：简单分析基本c c i i i 的特性，功耗较低的a b 类推挽输出，在这 两者的基础上设计了一种性能较高的c f o a 。 第五章：设计了基于第三代电流传输器和运算放大器的电流模式有源滤波 器。所设计的电流模式二阶滤波器，能实现二阶低通，高通，带通滤波。之后基 于t s m c0 3 5 u m 工艺仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章电流传输器、c f o a 和滤波器原理 本章节从设计电路的需求出发， 流传输器( 包括第一代和第二代) ， 原理。 介绍c m o s 集成电路基本单元模块，电 电流反馈模式运算放大器及滤波器的基本 2 1c m o s 模拟集成电路的基本模块单元 2 1 1 有源电阻 在一般的c m o s 模拟集成电路设计中，作为有源电阻的c m o s 场效应管， 应用集中在以下三个主要方面：作为提高放大器电路的集成度和增益的放大电 路的有源负载：作为用在分压电路中的等效电阻负载；用作可变线性电阻，得 以实现控制振荡器的反馈强弱或放大器的增益控制等【l i 1 2 j 。m o s 管作为有源 电阻有下面几种体现形式。 1 栅漏连接增强型的有源负载 栅漏连接的增强型有源负载如图2 1 ( a ) 所示，它是短接漏极d 和栅极g 而成，使得增强型m o s f e t 工作在恒流区i 】，故此时满足关系式吆。虼。一k 。 所谓栅漏连接有源负载，就是所需电阻用m o s 管漏极d 和源极s 之间的动态电 阻r 来替代。一般f e t 的动态电阻r 数量级在1 0 4 欧以上。图2 1 ( b ) 为2 1 ( a ) 的小信号等效电路，其中漏源输出电导用g d 。表示，m o s 管跨导用g 。表示，m o s 管的背栅跨导用g 。表示。 g 。 鲈 dgb 一 ( a ) 电路( b ) 等效电路 图2 1 栅漏连接增强型有源负载 从图2 一l ( b ) 可得到： 如2 2 而忑意瓦万 在2 1 ( b ) 交流等效电路中，衬底b 级总是交流接地的，故： 所以等效电阻 = 瓦石1 了石 ( 2 1 ) = = v o ， ( 2 - 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 一般情况下g 。远远大于瓯与g ，。，所以 心上 ( 2 3 ) g m 2 n 沟道耗尽型有源负载 将m o s 管源极s 与栅极g 短接就可构成n 沟道耗尽型m o s 管有源负载【13 1 ， 如图2 2 ( a ) 所示，耗尽型的f e t ，当= 0 时，沟道就已经形成，此时如= i o s s 。 图2 - 2 ( b ) 为它的小信号等效电路。 g 茸二 鲈 db 一 摹 、g 帖v 4 - 一 gs o ( a ) 电路( b ) 等效电路 图2 - 2n 沟道耗尽型有源负载 由于= v o ，所以等效电阻为 如：兰：l ：一 ( 2 - 4 ) v，t ， 1o g d o + g m b ，hgd l + g 孵b 因为g 凼远远小于g 。，则 尺f ) 上 ( 2 5 ) ， g 舳 由于g 。 r 。，式( 2 3 2 ) 中的r s + 风项约等于为r ，将( 2 3 2 ) 式代 百v o u t _ ( 1 + 分丐百万1 一弘3 3 ) 尺r 、尺7 。、7。 尺 7 此时该电路的传输函数的3 d b 带宽为： 。口一3 d 8 2 ：! ! 一 2-34)rr 一3 曲2 二。1 r 。葛一 【z 。 ，c ( 1 + 兰+ ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图2 2 l 不忽略缓冲级输出电阻同相输入反馈小信号等效模型 理想情况下足，为零，这时式( 2 3 4 ) 和式( 2 2 9 ) 相等。不忽略r ，时闭环 电路的带宽与反向输入端接的电阻足也有关，即保持电阻尺，不变而改变电阻 r i ，闭环增益和电路带宽会随之改变。另外r ，足够小时足，就会影响整个电路的 幅频响应特性曲线。 要测试该反馈电路的稳定性，需要将足。右端断开，此时环路增益为： 7 ，o 、 彳，0 ) = 竺型一 ( 2 3 5 ) ”7 ( r ，+ r ) ( 1 + r ，r i ) + r ， 又因为a t ( s ) 满足下式： 钟2 石写l i ：石il , f 写 p lo - ) p 2 对比式( 2 3 5 ) 和式( 2 3 6 ) 得出： r ，i = ( r + r 。) ( 1 + r y r 1 ) + r y 可以看到当r 。，b 比r i ，r 小得多时有r ；r ，。 2 4 滤波器原理 ( 2 3 6 ) ( 2 - 3 7 ) 2 4 1 滤波器的类型 滤波器种类繁多，按照不同的角度，可以把滤波器分类划分，首先，按照 其处理的信号的模式，可以把滤波器分为数字和模拟滤波器这两种：其次，从 物理原理出发，可以分为机械式和电路式滤波器；再次，从频率选择范围方面 考虑的选频滤波器，通常分为带通、高通、全通、带阻和低通滤波器【2 】。根据 频选范围，这五种滤波器的定义分别如下： ( 1 ) 用c o 表示低通滤波器的截止频率，则0 3 ，和o 之间的区域为滤波器的通带， c o 之后的区域为阻带，如图2 2 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 p 洄) l 图2 2 2 低通滤波器的理想幅频响应 p ) i 图2 2 3 高通滤波器的理想幅频响应 ( 2 ) 设高通滤波器的截止频率为，则，和o 之间的区域为滤波器的阻 带，高于纰的区域为通带，如图2 2 3 所示： ( 3 ) 设带通滤波器的两个截止频率为，和，则q 和之间的区域为滤 波器的通带，和o 之间的区域以及高于，的区域为滤波器的阻带，如图2 2 4 所示： 旧( 国) l o c o lc o o c o 图2 2 4 带通滤波器的理想幅频响应 ( 4 ) 设带阻滤波器的两个截止频率为c o ，和，和嘶之间的区域为滤波 器的阻带，和0 之间的区域以及高于，的区域为滤波器的通带，如图2 - 2 5 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 i m p i i 图2 2 5 带阻滤波器的理想幅频响应 ( 5 ) 全通滤波器没有截止频率，对所有频率的信号它都可以完全平等地传 递过去，即增益函数l 何( ) i 为一常数，但是相位函数咖油) 却与频率有关。幅 频响应如图2 2 6 所示： p 沏) i 图2 - 2 6 全通滤波器的理想幅频响应 从实现系统函数的角度出发，零极点的个数决定滤波器的阶数不同，一 般情况下，滤波器可以分为一阶、二阶和高阶滤波器( 高阶包括三、四、五 阶) i7 1 。 1 一阶电路 一阶滤波电路的传输函数为： 日( s ) ：必( 2 38 ) s + a o 一阶滤波器只有三种形式：低通、高通和全通模式。低通电路的条件是系 数b 为零，6 b 不为零；高通是系数b l 不为零，b o 为零；全通是系数b l 为1 ，b o = 一口o 。 2 双二阶电路 式( 2 3 9 ) 所示为双二阶电路的双二阶传输函数，从式中可以看出其分子、 分母都是以变量s 的二阶形式存在的1 9 1 。 ( j ) ：鸳2 尘鱼 ( 2 3 9 ) s 。+ 口i s + q o 改变系数匆( f = o ，l ，2 ) ，传输函数h ( s ) 可以表示以下几种二阶滤波器：满足 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 条件b 2 、b 。为零，6 0 不为零的低通滤波器：b o 、6 l 为零，b ：不为零的高通滤 波器；b o 、b ，为零，b 不为零的带通滤波器；6 l 为零，b o 、b ，不为零的带阻 滤波器；b ：为1 ，b 。等于负的口l 和6 0 等于a 。的全通滤波器。通常，双二阶函数 中存在一对共轭的零点和极点。用p 表示极点频率，用qp 表示极点q 值，用 这两点表示这对极点的位置，用q 表示零点频率，用q ，表示零点q 值，用 这两点表示这对零点的位置，式( 2 - 3 9 ) 还可转换成式( 2 - 4 0 ) 的形式。 s 2 + 生s + 2 ，、 4 ( j ) ：k 羔l 一 ( 2 4 0 ) 一 券 此函数的最小值出现在零点频率附近，而最大值却出现在极点频率附近， 函数在极点频率附近隆起的陡度由极点q 值决定，即最大值陡度由极点q 值度 量，相反的，最小值陡度由零点q 值来度量： 2 0 1 0 d k m , 。w p 2 i ( 分贝表示) 表 示直流增益，频率无穷大时的增益为2 0 l o gk i 。q p 和q 。值越大，国p 与q 离得 越远，越接近上述说法。若设计的传输函数类似于式( 2 4 0 ) ，就可分别获得 低通、高通、带通和带阻这四种滤波器，只需要改变输入信号的接地点和输入 点。由于式( 2 4 0 ) 的分子、分母是s 二阶多项式，故称此滤波器为双二阶滤 波器。 下面分析一下通用电流型的二阶滤波器原理及结构 图2 - 2 7 所示的为电流型单输入输出的二阶通用滤波电路结构框图，主要 是由两个c c ii 组成的电路结构，要想实现二阶低通滤波、高通滤波和带通滤 波功能，只需要选择合适的无源元件类型和元件值，由于通用电路的输出阻抗 都很高，故很容易由二阶电路级联成高阶的电流型滤波电路1 4 j 。 一华 ( 1 ) 二阶低通滤波器 令一= 击，y 2 = s c ：+ 击，匕= 击，= 盯+ 击，图2 - 2 7 的传输函数为： l 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 二阶低通滤波器的标准传输函数满足关系式： 生：丝丝! i l s e + q o w o s + w 。2 其中，1 4 l p 为零点增益，w 。为极点角频率，q 。为极点品质因素。 ( 2 ) 二阶高通滤波器k = s c - ，匕= s c z + 去，匕= s c ，l = s c + 击 令= s c - ， 匕= s c ：+ 击，l = s c ，y 4 = s c + 击，图2 _ 2 7 的传输函数为： 旦鱼s z 生一 2 竺! ( 2 4 2 ) ，s 2 + f 上+ 上】s + 一 r 2 c 2凡c 4 。r 2 r 4 c 2 c 4 标准的二阶高通滤波器传输函数： 生： 兰： s z + 睾s + w ； 绋 。 ( 3 ) 二阶带通滤波器_ = i 1 ，e = s c ：+ 击，匕= s c ，l = s c + 击 令= 击，l = s c 2 + 击，l = s c s ，l = s c + 击，图2 - 2 7 的传输函数为： 竺3 _ s 生一 竺2 竺! 墨! ( 2 4 3 ) j ，s 2 + 【j 一+ 上】s + 一 r 2 c 2r 4 c 。r 2 r 4 c 2 c 4 标准的二阶带通滤波器传输函数： i 。一h b e s 一= 一 + 瑟“2q o ” 其中，1 4 肿为零点增益。 3 高阶电路 高阶电路的传递函数为【4 9 】： 州= 鲁答若簪鬻忙3 a ， 亿4 4 ， 低通电路满足条件：b o 0 ，玩= 以一l = = b 2 = b l = 0 ； 高通电路满足条件：以0 以i = 以一2 = = b l = b o = 0 ； 带通电路满足条件：6 。0 ，b o = b = 6 。一= 0 ，6 。= 6 。，= 既= 0 ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 带阻电路满足条件：b o = 饥0 ，饥一l = “一2 = = b 2 = b l = 0 ； 全通电路满足徘髓鬻盐竺皇竞：筹：尝 2 4 2 滤波器设计方法 目前设计滤波器的方法主要分为两大类：一种较直接的设计方法是把滤波 器的传输函数作为设计对象，而另外一种是把无源l c 梯形网络作为模拟设计 对象的间接设计。直接设计方法又可分为两种：分别是多环反馈法和级联法， 而间接设计方法也分为两种：分别是运算模拟法和元件模拟法，主要是运用有 源技术间接模拟无源l c 梯形网络实现的，运算模拟中有节点电压模拟、信号 流图模拟和回路电流模拟等方法，而元件模拟是通过采用有源技术来模拟l c 网络中的有源元件的方法【引。 下面讲述几种设计电流模式连续时间滤波器的方法和步骤。 1 信号流图法 由于电流模式滤波器的时间序列是连续的，并且隶属于线性时不变系统， 故把它归在模拟滤波器范畴内，其传输函数方程属于以算子形式表示的线性常 系数微分方程。用信号流图法可以方便、直观地把模型中的系数表达出来。 设计滤波器时，一般先用信号流图把事先模拟出来的系统传输函数表达出来， 然后运用运算规则，结合信号流图的性质对其进行转换，用几种标准的子流图 等效替代这整个流图，最后再把子流图分别用标准单元电路模拟出来。需要分 为四步进行设计： 首先，确定所设计的滤波器的传输函数； 其次，把传输函数转换成等效的信号流图； 接着，把信号流图分解为标准的子流图模块，关键是不能改变是输出节点 和输入节点之间的传输函数： 最后，用标准单元电路电流镜分别实现子流图，然后组合成完整的信号流 图。 2 级联法 7 级联法是把不相关的一阶、双二阶电路连接起来组合成高阶电路，电路设 计的关键部分是双二阶电路模块。此种设计方法的优势在于便于调整和制作相 对简单，劣势是元件的灵敏度很高，尤其是用在对选择性要求很高的滤波器时， 它严格限定元件的稳定性和精确度。需要分为五步进行设计： 首先，确定所设计的滤波器的传输函数及其阶数： 其次，分别分解传输函数的分子分母，把它们分别转换成几个二阶多项式 函数相乘的形式： 接着，分解后各二阶多项式中的二阶函数分别用二阶滤波器去设计实现； 其后，计算各二阶函数的q 值； 最后，级联已经设计出的二阶滤波器，级联时q 值小的放在前面，q 值大 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 的放在后面。 3 方块图法 系统方块图法类似于信号流图法也可很直观表达给定的传输函数的数学 模型。设计滤波器时，先画出给定的传输函数的系统方块图，再把系统方块图 用基本电路模块等效，计算参数后就完成了设计。需要分为三步进行设计： 首先，根据设计要求确定滤波器传输函数并进行等效变换； 其次，画出系统传输函数的整体方块图； 最后，用基本电路模块等效实现系统方块图。 4 多环反馈法 任意n 阶传递函数可采用多环反馈结构设计实现，多环反馈法是先把高阶 传输函数用信号流图表示出来，再把信号流图用基本电流镜结构设计实现，所 以设计方法类似于这两种。它类似于级联结构却又灵敏度很低，劣势是电路结 构复杂，不容易调整，使用时有一定的限制。 5 模拟l c 梯形电路法 无源l c 梯形滤波器的理论研究已经很成熟，而且灵敏度很低，因此设计 者设计高阶有源滤波器时经常使用无源l c 梯形滤波器。根据设计要求确定l c 梯形滤波器电路和参数：然后分析电路的状态变量，其中模拟出的积分器，微 分器状态量用电流镜实现，这样电流镜滤波器就用无源l c 梯形滤波器设计实 现了。设计步骤分为三步： 首先，根据设计要求，确定无源l c 梯形滤波器的电路和参数； 其次，画出原无源l c 梯形滤波器的状态变量方框图； 最后，用电流镜基本单元电路等效设计已经得出的状态变量框图，电流镜 基本单元电路的元件参数由原l c 梯形电路的积微分时间常数确定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第3 章第三代电流传输器设计 在信号处理应用和有源网络结合的方面，模拟设计人员大量使用电流传输 器和单位增益放大器【2 引。本文在原有c c i i i 电路的基础上，主要改进电流镜结 构，应用共源共栅电流镜和改进共源共栅电路组成的电流镜，后一种电流镜具 有较大的输出阻抗和良好的线性，基于这两种电流镜结构提出了一种新型的 c c i i i 双输出c m o s 实现电路，仿真结果显示该电路具有良好的线性、z 端口 有很高的输出阻抗和较好的输入输出电流增益。 3 1 第三代电流传输器( c c i i i ) 与c c i 、c c i i 相比，c c i i i 具有增益误差更低、线性度更好、频率响应更 宽、输出阻抗更高等特点，图3 1 是其电路符号【3 1 。 h 即 图3 1c c l l i 符号 理想情况下的c c i i i 的端口特性可用下列混合矩阵方程表示： l y i ：+ l 。一 圪 一l0 l0 一lo ol o l i x o 0 o o i i 屹+ o 北圪一 ( 3 1 ) 由上式可得： l y = 一i l l 。一= 一lx l ；+ = ix ，y 。= v y。 ( 3 - 2 、) 由式( 3 - 2 ) 可以看出，c c i i i 与c c i 和c c i i 的区别在于：x 、y 均为电流 输入端口，且电流大小相等，方向相反；x 端电压圪跟随y 端电压k ，z + 端电 流，跟随x 端电流，且方向相同，z 端也跟随但方向相反。由，确定的圪与端 口x 本身的电流不相关，与此类似，而由电流，确定的电流，。也与端口y 的本 身电压不相关。流进端口z 的电流确立正向电流传输器( c c i i i + ) ，而流出端口 z 的电流确立负向电流传输器( c c i i i ) 。 图3 2 所示的是c c i i i 的实现原理。由两个正向第二代电流传输器( c c i i + ) 串联而成，c c i i 的两个输出端( z 。和z 日) 相同。由这两个c c i i + 构成的c c i i i 具有的两个输出端口z + 和z 一，相位