（电路与系统专业论文）基于CCCⅡ的电流模式模拟有源滤波器的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 本文主要研究了基于第二代电流控制传送器( t h e s e c o n d g e n e r a t i o nc u r r e n tc o n t r o l l e dc o n v e y o r ，简称c c c i i ) 模拟电路 的原理和设计方法，尤其是高阶模拟有源滤波器的设计方法，并进行 了大量的实例仿真。论文绪言综述了i c 产业的概况和电流模式电路 在模拟集成电路中的应用，特别阐述了电流传送器在模拟集成电路中 的发展前景；接着讨论了滤波器的基本概念和发展历史，以及二阶滤 波器传输函数特征；然后研究电流传送器家族成员的外部特性及第二 代电流控制传送器c c c i i 的b j t 实现电路；接下来研究了基于c c c i i 的电路，如：有源网络受控源、运算电路模拟、无源元件模拟、乘除 法器、振荡器和滤波器，并对部分电路进行了p s p i c e 仿真；最后在 上述基础上研究高阶模拟有源滤波器的设计方法，如：基于无源r l c 网络的高阶滤波器、基于m o c c c i i 的多输入单输出n 阶电流模式滤波 器、基于信号流图的n 阶电流模式滤波器的设计方法。其中着重讨论 了基于无源r l c 网络内部运算关系的间接法来设计高阶模拟有源滤 波器，其中又分为：基于低通高通无源r l c 网络的有源滤波器和基于 带通带阻无源r l c 网络的有源滤波器的设计。同时对基于c c c i i 的实 例电路进行了p s p i c e 仿真，仿真结果与理论结果相符合，表明设计 是正确的。 关键词：电流控制传送器；电流模式；有源滤波器；无源r l c 梯 形网络；信号流图 a b s t r a c t t h i sp a p e rc h i e f l ys t u d i e st h et h e o r i e sa n dt h ed e s i g n m e t h o d so fa n a l o gc i r c u i t sb a s e do nt h es e c o n d g e n e r a t i o n c u r r e n tc o n t r o l e dc o n v e y o r s ( c c c i i s ) ，e s p e c i a l l yt h ed e s i g n m e t h o d so fh i g h o r d e ra n a l o g ya c t i v ef i l t e r s ，a n ds i m u l a t e s l o t so fe x a m p l e sw i t hp s p i c ep r o g r a m f i r s t l y ，t h ep a p e r s i n t r o d u c t i o ns u m m a r i z e st h es i t u a t i o no ft h ei n t e g r a t e d c i r c u i t ( i c ) i n d u s t r ya n d d e s c r i b e st h ea p p l i c a t i o n so f c u r r e n t - m o d ec i r c u i ti nt h ed e s i g n o ft h ea n a l o g yi c ， e s p e c i a ll yd e s c r i b i n g t h ed e v e l o p m e n tf u t u r eo fc u r r e n t c o n v e y o ri nt h ea n a l o g yi c ：t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i c c o n c e p t i o n a n d d e v e l o p m e n th i s t o r y o ft h ef i l t e r ，a n d i n t r o d u c e st h et r a n s f e rf u n c t i o nf e a t u r eo ft h es e c o n d o r d e r f i l t e r ：t h i r d l y ，i ts t u d i e st h eo u t f e a t u r eo ft h e c u r r e n t c o n v e y o rf a m i l ya n dt h er e a l i z e dc i r c u i t so fc c c l lw i t hb j t f o u r t h l y ，i ts t u d i e st h ec i r c u i t sb a s e do nc c c i i ，i n c l u d i n gt h e c o n t r o l l e ds o u r c e so fa c t i r en e t w o r k ，s i g n a l a r i t h m e t i c c i r c u i ta n a l o g y ，p a s s i v ec o m p o n e n t sa n a l o g y ，m u l t i p l y i n ga n d d e v i s i n gu n i t ，o s c i l l a t o r sa n df i i t e r s ，a n ds i m u l a t e ss o m eo f t h er e s u l t i n gc i r c u i t sb yp s p i c ep r o g r a m ；l a s t l y ， i t c o n t i n u o u s l y s t u d i e st h em e t h o d sf o rt h ed e s i g no ft h e h i g h o r d e ra c t i v ef i i t e r s ，i n c l u d i n g t h ed e s i g nm e t h o d so f i i h i g h o r d e ra c t i v ef i l t e r sd e r i v e df r o mp a s s i v er l cn e t w o r k ， n - o r d e rc u r r e n t m o d ef i i t e rb a s e do nm o c c c l lw i t hm u l t i - i n p u t a n ds i n g l e o u t p u ta n dn o r d e rc u r r e n t - m o d ef il t e rd e r i v e df r o m t h es i g n a lf l o wg r a p h ，a m o n gw h i c he m p h a t i c a ll yp r e s e n t st h e i n d i r e c tm e t h o d sf o rt h ed e s i g no fh i g h o r d e rf i l t e r sd e r i v e d f r o mo p e r a t i o n a ls i m u l a t i o no ft h ep a s s i v er l cn e t w o r k ，a n di n w h i c hi n c l u d i n g ：t h ed e s i g no fa c t i v ef i l t e r sd e r i v e df r o mt h e l o w - p a s so rh i g h p a s sp a s s i v er l cn e t w o r ka n dd e r i v e df r o mt h e b a n d p a s so rb a n d r e j e c tp a s s i v er l cn e t w o r k s i m u l a t i o n so f t h er e s u l t i n gc i r c u i t sb a s e do nc c c i ib yt h ep s p i c ep r o g r a mg i v e r e s u l t sw h i c ha g r e ew i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t s ，w h i c hs h o w s t h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r e s e n t e dm e t h o d k e yw o r d s ：c u r r e n t c o n t r o lle d c o n v e y o r ；c u r r e n tm o d e a c t i v ef ii t e r ：p a s s i v er l cl a d d e rn e t w o r k ：s i g n a lf l o wg r a p h i i i 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：曹丽乎却年 石月 舀日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允i 午论文被查闼和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印。缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书， 2 、不保密影 ( 请在以上相应方框内打“ ”) 作者签名：酱丽华日期：砷年占月 膳日 导师签名：童多胃事日期：么无殍f 月f 弓日 蹈b l 厶 一 | 基于c c c i i 的电流模式模拟有源滤波器的设计 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 1 9 5 8 年，美国德克萨斯公司试制了世界上第一块集成电路，1 9 6 0 年，小规模集成电路开始批量生产。作为微电子技术的集成电路行业， 经过四十多年的发展，集成电路技术不仅实现了产业化，而且经历了 小规模、中规模、超大规模和特大规模集成电路的发展阶段。集成电 路技术的进步以及电子系统集成的迫切需求，为模拟集成电路设计开 辟了广阔的天地。 随着l s i v l s i 技术的广泛应用，电子系统的技术装置面貌发生 了根本变化。电子设备在功能、速率、耗电、体积、成本和可靠性诸 方面都取得了。康人的成就。这是一次意义深远的技术革命。电子科学 技术的发展进入了“微电子学”时代。微电子学、计算机技术和通信 工程的研究与应用相互依赖，构成当代“信息革命”的技术基础。 在当今信息社会中，集成电路工业作为战略性的基础工业，其技 术水平和产业规模己成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实 力的重要标志。集成电路工业在整个国民经济中具有战略性的地位。 集成电路工业对一个国家的综合国力有深远影响和巨大推动作用。在 知识经济时代，这种作用将犹为突出。可以说谁把握了微电子技术， 谁就把握了未来，谁就能在未来世界的竞争中处于领先地位。正因如 此，世界各国竞相发展，均将集成电路产业的发展作为重点。 在电子电路中，尤其在模拟电子电路巾，人们长久以来习惯于采 用电压而不是电流作为信号变量，并通过处理电压信号来实现电路的 功能“1 。依此促成大量电压信号处理电路或称电压模式电路的诞生和 发展。自从1 9 6 5 年第一片商用电压模式集成运算放大器问世以来， 更加确定了以电压模式运算放大器为标准部件的模拟网络在模拟信 号处理中的主宰地位。 但是，随着被处理信号的频率要求不断提高，电压运算放大器的 同有缺点开始阻碍它在高频、高速环境中的应用。电压型运算放大器 硕士学位论文 的缺点之一是，它的一3 分贝闭环带宽与闭环增益的乘积是常数，当 带宽向高频区域扩展时，增益成比例地下降；缺点之二是，它在大信 号下输出电压的最高转换速率很低，一般只有0 2 一2 0 v 璐岫1 。 最近二十年来，以电流为信号变量的电路在信号处理中的巨大潜 力和优势逐渐被认识并被挖掘出来，促进了一种新型电子电路一电 流模式电路的发展姗。研究结果显示，在高频、高速信号处理领域， 电流模式的电路设计方法正在取代电压模式的传统设计方法，它的发 展和应用将把现代模拟集成电路推进到一个新阶段。而电流传送器已 成为现代电流模式电路的基本模块，它构成的电流模式电路能解决电 压模式电路常遇到的一些难题，在速度、带宽、动态范围等方面具有 更加优良的性能。在模拟技术中的几种基本的信号处理功能也能很方 便地用电流传送器实现。 但是，迄今为止对电流模式电路这个术语还没有形成一个统一 的、严格的定义。一般地讲，电流模式电路可以定义为：当选用电流 而不是电压作为电路中的信号变量，并通过处理电流变量来决定电路 的功能时，称为电流模式电路。 应该了解到，电路中的电压信号和电流信号总是彼此关联、相互 作用的，任何处理电流信号的电路必然会产生内部电压信号摆幅。但 是，作为电流模式电路，电路的功能取决于电流信号的处理结果，而 那些内部电压信号摆幅尽量减小，因为它们对电路的功能不起决定性 作用。相反，用电压而非电流作为电路中的信号变量，并通过处理电 压信号决定电路功能的电路称为电压模式电路。电压模式电路中同样 存在一定摆幅的电流信号，但是电路的功能取决于电压信号而不是电 流信号。 这些关于电流模式电路和电压模式电路的定义通常适用于通用 性强的基本集成单元，或称为标准集成部件，例如运算放大器、电流 传送器等。除此之外，“电流模式”和“电压模式”这两个术语还常 用来划分具有不同类型传输函数的电子系统( 或子系统) ，即把用电 流传输函数描述的系统称作电流模式系统，用电压传输函数描述的系 统称作电压模式系统。例如电流模式滤波器、电流模式运算器：电压 模式滤波器、电压模式运算器等。应该指出，电子系统( 或子系统) 基于c c ：c i i 的电流模式模拟有源滤波器的设计 是由标准集成部件适当组合而成的。电流模式系统可以用电流模式标 准部件构成，也可以用电压模式标准部件构成。同理，电压模式系统 可以用电压模式标准部件构成，也可以用电流模式标准部件构成。但 是，用不同模式的标准部件组成的同一模式的电子系统，在速度、带 宽等性能上会有一些不同特点，尽管它们具有完全相同的传输函数。 与传统的电压模式电路相比较，电流模式电路主要具有以下性能 特点脚： 1 、阻抗水平有别 电压信号与电流信号的实际区别表现在其阻抗水平的高低，实现 电压模式信号处理还是电流模式信号处理，关键要看电路的阻抗水 平。总的来说，电流信号源具有高阻抗，电压信号源具有低阻抗；电 流信号要求低阻抗的负载，电压信号要求高阻抗的负载。因此，在实 际应用中，把内阻很小的电信号源作为电压源，把内阻很大的电信号 源作为电流源。要求理想电压信号放大器具有无穷大的输入阻抗和零 输出阻抗，而理想电流信号放大器应具有零输入阻抗和无穷大输出阻 抗。要求电压模式电路的关键节点具有高阻抗、在大摆幅电压信号下 只有小摆幅的电流，电流模式电路的关键节点具有低阻抗、在大摆幅 电流信号下只有小摆幅的电压。 2 、速度快，频带宽 在电流模式电路中，影响速度和带宽的晶体管极间电容工作在阻 抗水平很低的节点上。一方面，这些低阻抗节点上的电压摆幅很小。 另方面，这些节点上的阻容时间常数很小，在大摆幅电流信号作用 下，晶体管极闯电容的充、放电过程可以很快地完成。因此，电流模 式电路在大信号下的工作速度比电压模式电路快得多。同时，由电容 和节点低电阻决定的极点频率很高，工作频率可以接近晶体管的厶。 3 、电源电压低，功耗小 为了提高集成电路的集成密度，减小功耗，降低电源电压将是一 种必然趋势，一般要求将集成电路的电源电压降低n 3 3 v ，甚至1 5 v 。 对于电压模式电路，降低电源电压将直接降低其信号电压的最大动态 范围。同时，电源电压的降低，对于设计高速度的电压模式电路也会 更加困难。电流模式电路则不然，它可以在0 7 。1 5 v 的低电源电压下 硕士学位论文 正常工作，保持电流信号在n m a ( 甚至1 0 p a 砌a ) 数量级内变化。 电流模式电路中的最大电流和最大动态范围受晶体管允许电流的限 制，而不受电流电压降低的限制。 近年来，电流模式电路的发展主要集中在模拟电路领域，同时在 电流模式接口电路( a d 、p a ) 和数字电路( 逻辑门电路、触发器、存 储器) 方面也有一些研究成果。与电压模式电路一样，电流模式模拟 电路也有两种类型。一种是连续时间的模拟信号处理电路，另一种是 离散时间采样的模拟信号处理电路。电流模式连续时间模拟电路主要 包括静态电流镜、跨导线性电路、电流传输器、电流反馈运算放大器 ( 跨阻放大器) 、跨导放大器等陆1 。电流模式离散时间模拟电路主要有 动态电流镜和开关电流电路。 上述电流模式电路都是标准集成部件，用它们可以进一步设计并 集成为电流模式子系统和电流模式系统，例如连续时间滤波器、采样 数据滤波器、a d 和d a 数据变换器以及电流模式神经网络等。 促进电流模式电路迅速发展的基本因素有两个，即电路设计思想 的革新和集成工艺技术的进步。 首先是电路设计思想的革新，用电流模式设计方法取代了传统的 电压模式设计方法，或者说用处理电流信号代替了处理电压信号。两 种设计方法相比，电流模式方法具有明显的优越性。第一，现有主要 电子器件( 双极型晶体管和场效应晶体管) 都是电流输出器件，它们的 被控制量都是电流。如果用电压变量进行信号处理，必须在电路内部 设置高阻抗节点，进行电流电压变换。相反，如果以电流作为信 息载体，则无需进行电流电压变换，不仅减少了元件数目、简化 了电路结构，而且避免了因引入高值电阻对电路工作速度和高频特性 的损害。第二，用电流变量可以便捷地完成多种信号运算功能。模拟 技术中几种最基本的信号处理，如加减、积分、倍乘等，用电流信 号实现比用电压信号简便得多。例如，多个电流信号的加减可以在 个低阻抗节点上直接并联实现，电流信号的积分可以利用一个电容 实现。因此，用电流作为信号变量来设计实现模拟电路和系统，在提 高速度、扩展频带、简化电路、减小功耗、降低电源电压等方面有巨 大的潜力。 基于c c c i i 的电流模式模拟有源滤波器的设计 其次，电流模式电路的发展还依赖于集成工艺技术的进步。很多 电流模式电路的原理性设计在多年以前已经被提出，但只是在最近十 几年随着集成工艺技术的发展，这些电路才得到集成实现。集成工艺 技术的进步主要表现在以下几方面： ，1 、真正互补双极型工艺的发展使得集成速度极快，使得良好对 称的硅双极互补电路成为可能，从而促进了电流模式电路的发展； 2 、成熟的c m o s 工艺能提供高品质的电容、性能良好的开关，且 功耗极小，在离散时间模拟集成电路的制造中是必不可少的； 。3 、先进的b i c m o s3 z 艺( 即混合硅双极和互补金属、氧化物、半 导体工艺) 将双极型工艺的优点( 高跨导，高速度) 和c m o s 工艺的优 点( 低功耗) 结合起来，提供了适合实现电流模式电路高速度和低功耗 的工艺技术。有了真正互补双极型工艺和成熟c m o s 、b i c m o s 等工艺 技术的发展，使得许多早年提出的电流模式电路得以实现，同时更多 新代电流模式电路和系统正在研制中。 1 9 6 8 年提出电流传送器原理旧，此后第二代电流传送器成为电流 模式电路设计中使用最广泛、功能最强的标准模块，它能和其它电子 元件组合成各种特定的电路结构，实现多种模拟信号的处理。同时， 由于第二代电流传送器不但有电压输入端，而且有电流输入端，因此 它既能实现电压模式电路叫圳也能实现电流模式电路”“。电流传送 器在无论信号大小的情况下，都能比相应的运算变压器提供更大带宽 下更高的电压增益，因此有些学者预言它将会取代运算放大器而成为 最重要的电路设计模块。虽然电流传送器只有2 0 多年的历史，但是 它引起了人们越来越广泛的关注。 ，在此基础上发展而来的第二代电流控制传送器订1 ( t h es e c o n d g e n e r a t i o nc u r r e n tc o n t r o l l e dc o n v e y o r ，简称：c c c ! ! ) 由于比 c c i i 具有更加精确的传输性，更是成为当前研究的热点“，无论在 线性域还是在对数域中，都有不少新型的滤波器、振荡器等运算电路 产生。本文也将以c c c i i 为基本单元进行各种研究。 硕士学位论文 1 2 本文的主要内容 本文由五大部分组成，分别用五个章节进行论述。第一章绪言部 分综述了i c 产业的概况和电流模式电路在模拟集成电路设计中的应 用，以及电流模式电路的基本概念和发展历史，包括电流模式电路相 比电压模式电路的性能特点；第二章介绍滤波器的基本理论，包括有 源滤波器的发展历史、滤波器的分类和二阶滤波器传输函数的特性； 第三章由两部分组成，阐述包括电流传送器家族成员的外部特性及第 二代电流控制传送器的各种内部实现电路。第四章基于c c c i i 的模拟 信号运算电路研究，讨论了基于c c c i i 的有源控制电源，模拟信号运 算如加法、积分、微分、除法，模拟元件如电阻、电感，二阶滤波器 的实现方案，并对部分电路进行了p s p i c e 仿真；第五章研究了常用 的设计高阶滤波器的方法，如直接设计法：基于m o c c c i i 多输入单输 出的任意阶电流模式滤波器，基于梅森公式和信号流图的任意阶电流 模式滤波器；间接设计法：重点介绍了如何由无源r l c 网络利用第二 代电流控制传送器来实现高阶有源滤波器的方法，有源等效电路直接 代替无源元件、模拟无源滤波网络的内部运算关系，同时又分为基于 低通高通滤波网络和带通滤波网络两大类型。对上述设计思路都进行 了实例p s p i c e 仿真，仿真结果与理论分析相符，并且通过调控c c c i i 的偏置电流使电路参数能够灵活地调节，理论与实例仿真都证明了设 计的正确性。 基于c c c i i 的电流模式模拟有源滤波器的设计 第二章滤波器的基本理论 2 1 有源滤波器的发展历史 滤波器的概念最早是由美国的g c a m p b e l l 和德国的k w a g n e r 于 1 9 1 5 年首先提出的。所谓的滤波器是一种选频装置，能从含有很宽 频率成分的信号中选出所需要的成分，并将不需要的成分衰减掉。从 那时至今，滤波器的理论和技术一直在不断地飞速发展，它在通信， 仪表，航天，自动控制等方面都获得了广泛的应用。很难想象，如果 没有滤波器渗入电子技术，现代的电子世界会是怎样的。 最早出现的滤波器是l c 滤波器，其主要优点是噪声低，不用电 源，q 值一般为数百，但在低频运用时，电感、电容的体积大，重量 重，价格高，而且这种滤波器也没法集成。 其后，随着半导体技术的发展，通信设备日益小型化，各种无感 滤波器相继问世，其中最有代表性的是有源r c 滤波器，它能实现低 通、高通、带通、带阻、全通等各种滤波功能，最大q 值可达1 0 0 0 ， 最高频率可达m h z 数量级。 本世纪六十年代以来，电子技术特别是集成电路工艺有了突飞猛 进的发展，人们已能将许多晶体管集成到一块很小的芯片上，极大的 促进了有源器件的发展，尤其是单片集成的有源器件。集成运算放大 器_ ( 矾) 的问世，使得有源滤波器真正得到人们的重视并迅速发展起 来。从理论上讲，上面提到的有源r c 滤波器也是可以集成的，并且 也有产品，但从单片集成的角度来看，这种滤波器存在集成方面的缺 陷。原因主要有两点：1 、需要容量较大的电容，这种电容没法集成 到芯片上，而大电阻又占用了很大的芯片面积；2 、滤波器的特性参 数与r c 时间常数有关，而集成电阻和集成电容的精度很差，准确的 时间常数很难获得。 从集成化的角度来看，现在可实现单片集成的模拟滤波器主要有 开关电容滤波器( s c f ) ，开关电阻滤波器( s r f ) ，m o s f e t - c 滤波器“”1 和近几年提出的基于第二代电流传输器( c c i i ) 的电流模式滤波器。 硕士学位论文 开关电容滤波器是由m o s 开关，m o s 电容和m o s 运算放大器构成 的一种大规模集成滤波器，是近年来随着m o s 大规模集成技术的进步 而发展起来的模拟采样数据处理系统。它的时间常数由电容和时钟频 率决定，所以容易获得准确的时间常数，而且用很小的芯片面积就可 获得很大的等效电阻。但由于其工作频率受到时钟频率的限制，一般 在数百k h z 以下，且开关工作将引入一定的噪声，m o s 运放的有限带 宽也会带来一定影响。开关电阻滤波器是利用开关电阻技术，即用偏 置在欧姆区的场效应管作为电阻组成的一种有源滤波器。连续时间 m o s f e t - c 滤波器的最初设计思想来自有源r c 滤波器，因为在单片集 成工艺中，无源电阻r 不仅占有较大的面积，而且精度、温度特性都 很差，所以设计者们用m o s f e t 管作为压控电阻，这就形成了由m o s f e t 管、电容c 和有源元件组成的滤波器。由于作为有源电阻的m o s f e t 管必须工作在欧姆区，因而这种滤波器的动态范围将受到限制。 另外一种便于集成的滤波器就是近十几年发展起来的基于第二 代电流传送器的有源滤波器啪1 。它是由有源器件c c i i 或、m o c c i i 和电 阻r 及电容c 组成。在这种滤波器中，通常用电流作为信号处理的变 量，省去了传统滤波器中要进行电压电流相互转换的过程，使得 系统简单。由于构成电流模式滤波器的基本单元c c i i 具有动态范围 宽、转换频率快和频率特性好等优点，使得电流模式滤波器的滤波特 性更为理想。而且，这种滤波器的设计方法相当灵活，可以将滤波器 的基本部分集成芯片或其他的标准部件，而根据滤波器对q 和眈的具 体要求来选取引脚所需要外接电阻的阻值，从而使之更接近信号处理 的理想情况。同时，还可以通过对芯片引脚的不同组合来完成一些具 体的信号处理功能。这样，一个滤波器就可以完成多种信号处理功能， 增强了芯片的通用性。 总之，基于第二代电流传送器的电流模式滤波器具有电路简单、 通用性强、高频特性好、易于集成、噪声低等一系列突出的优点。当 然，由于目前的c c i i 器件还存在一些缺点，如电流、电压的跟随还 不是准确的相等关系，8 0 m h z 的高频部分还有较大的下降，这些因素 也直接影响到电流模式滤波器的特性。但随着集成工艺和微电子技术 的不断成熟，这些问题将逐一得到解决。 基于c c c i i 的电流模式模拟有源滤波器的设计 有源滤波器一般由下列一些有源元件组成：运算放大器、负电阻、 负电容、负电感、频率变阻器( f d n r ) 、广义阻抗变换器( g i c ) 、负阻 抗变换器( n i c ) 、正阻抗变换器( p i c ) 、负阻抗倒置器( n h ) ，正阻抗倒 置器( p h ) 、四种受控源，另外，在理论上研究常用到还有病态元件极 子和零子。经典有源滤波器的发展经过以下几个阶段陋。 1 9 6 5 年单片集成运算放大器问世，为有源滤波器开辟了广阔的 前景。而到了7 0 年代初期，有源滤波器发展最为注目，1 9 7 8 年单片 r c 有源滤波器问世，为滤波器集成迈进了可喜的一步。 1 9 7 4 年产生了有源r 滤波器，使工作频率可达g b 4 ( g b 为运敖 增益与带宽之积) 。但是r ( 电阻) 的存在，给集成工艺造成困难，于 是又出现了有源c ( 电容) 滤波器，就是说，滤波器由c 和运放组成。 这样容易实现集成化： 1 9 8 2 年由g e i g e r ，a l l e n 和n g o 提出用连续的开关电阻( s r ) 去 替代有源r c 滤波器中的电阻r ，就构成了s r c 滤波器，但它仍属于 模拟滤波器。总之，以r c 有源滤波器为原型的各类变种有源滤波器 去掉了电感器，体积小，q 值可达1 0 0 0 ，克服了r l c 无源滤波器体积 大、q 值小的缺点。 5 0 年代有人提出s c f ( 开关电容滤波器) 的概念，由于当时集成工 艺不过关，并没有引起人们的重视，直到1 9 7 2 年，美国科学家f 打e d 用开关和电容模拟电阻r ，证明s c f 的性能只取决于电容之比，与电 容绝对值无关，这样才引起人们的重视。1 9 7 9 年一些发达国家单片 s c f 己成为商品( 属于高度保密技术) ，现在s c 技术己趋向成熟。 1 9 6 8 年自s m i t h 和s e d r a 提出了电流传输器c c ( c u r r e n t c o n v e y o r ) 以来，其独特的电流传输特性受到学者广泛关注。由电流 传输器构成有源器件的电路系统，在简化结构、降低功耗、扩宽领域 等方面有很好的作用，其构成的滤波、放大等电路开始在移动通讯、 测量领域受到重用，它成为了电流模式v l s i 电路中最基本的积木块。 现在己经发展了三代口“，其中第二代的研究和应用最广。 硕士学位论文 2 2 滤波器的分类和功能 滤波器可以按不同方式进行分类嘲。模拟滤波器用于处理模拟信 号，数字滤波器用于处理数字信号。采用有源器件的模拟滤波器统称 为有源滤波器。根据信号的连续性，模拟滤波器也可分为连续时间滤 波器和取样数据滤波器。本文之后要讨论的滤波器是连续时间模拟有 源滤波器。 电流模式滤波器的一般结构如图2 - 1 所示。图中的l 表示输入 的电流信号，l o ( t ) 表示输出电流信号。 图2 - 1 电流模式滤波器的一般结构 由图可得： l ( f ) = 曰( r ) 五( f ) ( 2 一1 ) 假设滤波器是一个线性时不变网络，则在复频域内有： l ( s ) = ( s ) t ( s ) ( 2 2 ) 式中日( s ) 是复数域中滤波器的传递函数，因为对于实际频率来说有 s = j c o ，所以有胃( j ) = 日( j 卯) 。 描述滤波函数的参数主要有：截止频率吐，阻带频率q ，直流增 益兄，通带波纹占，阻带衰减，相位角由，相位矿( 国) ，时延 f ( m ) = 一掣，传输函数日( s ) = 粥，其中( s ) 和。为s 的多项式， 且d ( s ) 的次数等于或高于( s ) 。 通常按照通带与阻带所处的相对位置，滤波器分为低通( l p ) 、高 通( l p ) 、带通( b p ) 、带阻( b r ) 和全通( a p ) 滤波器。 在幅频响应中，把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受 阻或衰减的信号频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止 频率。 低通滤波器其幅频响应如图2 - 2 ( a ) 所示，图中玩表示直流增益。 l o 基于c c c h 的电流模式模拟有源滤波器的设计 由图可知，。它的功能是通过从零到某一截止角频率q 的低频信号，而 对太于q 的所有频率则完全衰减，即其通带、阻带和过渡带的频率范 围分别为o 缈s 纹、o s 珊q 和纹 毋 o j 。、o 缈 嚷和q 国 哝，从 理论上来说，它的带宽b w = m ，但实际上受到有源器件带宽的限制， 高通滤波器的带宽也是有限的。当然，随着电子技术的进一步发展， 带宽将会朝着无限的方向不断扩大。高通传输函数的一般形式为： 日( s ) ；笨 2 - 4 ) 带通滤波器其幅频响应如图2 - 2 ( c ) 所示。图中哆。为低频截止角 频率，q ：为高频截止角频率，q 为中心角频率。由图可知，其功能 是让处于眈， 口 吐：频率范围的信号通过，而处于其外的频率则完全 衰减，它具有两个阻带o o d c o ：，和一个通带q 。 m ， 带宽b w = 现。一。带通传输函数的一般形式为( 式中d ( s ) 的次数为刀， 拧总为偶数) ： 日( s ) = 雨h o s 2 ( 2 - 5 ) 带阻滤波器其幅频响应如图2 - 2