（电气工程专业论文）基于电流传送器的滤波器设计.pdf

at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r v i c ep r o f e s s o rc h e nh o n g y u n ， p r o f e s s o rc h e nl u o s h e n g n o v e m b e r , 2 0 10 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名：纠装 日期：幽，哞- 饵，口日 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，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南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，在一 年解密后适用本授权书。 2 不保密口。 、_ ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：印o 年i1 月1 0e 1 日期：办i o 年ff 月i o e l 基于电流传送器的滤波器设计 摘要 压模式电路相比，具有频率特性好、动态范围大、功耗低 c u r r e n tc o n v e y o r ，简称c c ) 是目前电流模式电路中使用 准模块，它已成为电流模式电路设计的单元电路。目前， 器( c c i ) 、第2 代电流传送器( c c i i ) 为研究对象的较多， 而以第3 代电流传送器( c c i i i ) 为研究对象的较少，特别是用第三代电流传送器 ( c c i i i ) 实现滤波器的更少。 本文研究了电流传送器的原理及基于电流传送器的各种滤波器设计方法。首 先概述了近年来电流模式电路的发展情况。然后从c c i 的工作原理出发，引出 c c i i ，并分析了电路的输入输出特性。由于c c l l 只有单端输出，电流信号直通和 信号反馈不能兼顾，实现电流反馈将破坏其高输出阻抗特性，从而不利于电路级 联，由此导出c c i i i 。在传统滤波器的设计基础上，阐述了电流传送器滤波器设 计的一般方法。针对c c i i 提出了一种仅用第二代正相电流传送器( c c i i + ) 实现 的高阶电压模式低通滤波器，推导了系统的设计公式，并用p s p i c e 对设计的六阶 b u t t e r w o r t h 低通滤波器进行仿真。提出了一种基于c c i i + 的n 阶电压模式多环反 馈低通滤波器的系统设计方法，利用该方法可产生出n 阶不同结构的低通滤波器。 针对c c i i i 的特点，应用二端口网络模型，设计了一种有源滤波网络。提出了一 种基于c c i i i 的电流模式二阶滤波器的系统设计方法，该滤波电路由2 个c c i i i + 、 4 个无源元件构成；利用该方法可实现二阶低通、高通、带通滤波功能，所有无 源元件接地，易集成，而且易级联成高阶滤波器，各滤波电路的无源灵敏度和有 源灵敏度都很低。提出了一种基于c c i i i 的电流模式n 阶通用滤波器的系统设计 方法，导出了系统的设计公式，利用该方法可生成n 阶高通、低通、带通滤波器， 所产生的n 阶滤波电路由n 个c c i i i + 、2 n 个无源元件构成；以二阶滤波器为例 分析了高通、低通、带通滤波电路的无源灵敏度和有源灵敏度，结果显示各滤波 电路的无源灵敏度和有源灵敏度都很低。 关键字：电流传送器；滤波器；电流模电路；电压模电路 工程硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t hv o l t a g e - m o d ec i r c u i t ，c u r r e n t m o d ec i r c u i t sh a v ea d v a n t a g e so f h i g h - f r e q u e n c yp r o p e r t y ，w i d e rd y n a m i cr a n g ea n dl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n c u r r e n t c o n v e y o r ( c c ) w a st h e m o s t p o w e r f u l a n d w i d e l yu s e d s t a n d a r dm o d u l ei n c u r r e n t - m o d ec i r c u i t ，w h i c hb e c o m e st h ec e l li nc u r r e n t - m o d ec i r c u i t d e s i g n a t p r e s e n t ，m o s tr e s e a r c h e sa r ea b o u tt h ef i r s tg e n e r a t i o nc u r r e n tc o n v e y o r ( c c i ) a n dt h e s e c o n d g e n e r a t i o n c u r r e n t c o n v e y o r ( c c i i ) ，w h i l e t h et h i r d g e n e r a t i o n c u r r e n t c o n v e y o r ( c c i i i ) l i t t l e w h a t sm o r e ，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 rf i l t e rw a s r a r e r i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l eo fc u r r e n tc o n v e y o ra n dt h em e t h o d so fd e s i g nf i l t e r a r es t u d i e d f i r s t l y ，t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fc u r r e n t m o d ec i r c u i ti nr e c e n ty e a r s w a si n t r o d u c e d t h e n ，s t a r t i n gf r o mt h ep r i n c i p l eo fc c i ，c c l lw a sd r a w so u ta n di t s i n p u t - o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e di nt h e o r y b e c a u s eo ft h ec c i io n l yh a sa s i n g eo u t p u ta n di t sc u r r e n td i r e c ta n df e e d b a c kc a n n o tb er e a l i z e dm e a n w h i l e ，i fc a r r y o u tc u r r e n tf e e d b a c kw i l lb r e a c ht h eh i g ho u t p u tr e s i s t a n c e ，s oc c i l lw a sd r a w no u t o nt h eb a s i so ft r a d i t i o n a lf i l t e rd e s i g n ，c o m m e n t sw e r em a d ef o rd e s i g n i n gm e t h o do f f i l t e rb a s e do nc u r r e n t c o n v e y o r an e wm e t h o df o r t h ed e s i g no fh i g h - o r d e r v o l t a g e - m o d el o w - p a s sf i l t e rb a s e do nc c i i + i sp r e s e n t e d t h es y s t e m a t i cd e s i g n f o r m u l ai sd e r i v a t i v e as i x t h o r d e rb u t t e r w o r t hl o w p a s sf i l t e ri sd e s i g n e db a s e do n t h ep r o p o s e dm e t h o da n ds i m u l a t e di np s p i c e as y s t e m a t i cm e t h o do fd e s i g n i n gf o r n t h o r d e rv o l t a g e - m o d em u l t i p l e - l o o pf e e d b a c kl o w - p a s sf i l t e rb a s e do nc c i i + i s p r e s e n t e d d i f f e r e n tf i n d so fn t h o r d e rl o w p a s sf i l t e rs t r u c t u r ea r eo b t a i n e db yt h i s m e t h o d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fc c i i i ，af i l t e rn e t w o r kw a sd e s i g n e du s i n g t h em o d e lo ft w o - p a r tn e t w o r k s ac u r r e n t - m o d es e c o n d o r d e ru n i v e r s a lf i l t e rb a s e d o nc c i i ii sp r e s e n t e d t h ec i r c u i tc o n s i s t so ft w oc c i i i sa n df o u rp a s s i v ee l e m e n t s ，i t c a np e r f o r mt h ef u n c t i o n so fs e c o n d o r d e rl o w p a s s ，b a n d p a s sa n dh i g h p a s s ，a l lo f p a s s i v ec o m p o n e n t sa r eg r o u n d e da n dc a nb ee a s i l yc a s c a d e dt op r o d u c eh i g h e r o r d e r f i l t e r ，a n di th a sv e r yl o wp a s s i v ea n da c t i v es e n s i t i v i t i e s as y s t e m a t i cd e s i g nm e t h o d f o rc u r r e n t - m o d en t h o r d e ru n i v e r s a lf i l t e rb a s e do nc c i i ii s p r e s e n t e d t h e s y s t e m a t i cd e s i g nf o r m u l ad e r i v a t i o ni sp e r f o r m e d t h en t h o r d e rh i g h p a s s ，l o w p a s s a n db a n d p a s sf i l t e r sa r eo b t a i n e db yt h i sm e t h o d t h ec i r c u i tc o n s i s t so fnc c i i i + s a n d2 np a s s i v ec o m p o n e n t s a sa ne x a m p l e ，as e c o n d o r d e ru n i v e r s a lf i l t e ri s d e s i g n e db yt h es y s t e m a t i cd e s i g nm e t h o d ，a n dp a s s i v ea n da c t i v es e n s i t i v i t i e so ft h e i l l 1 。1 一 基于电流传送器的滤波器设计 c i r c u i ta r e a n a l y z e d r e s u l ts h o w st h a t t h ec i r c u i th a sl o wp a s s i v ea n da c t i v e s e n s i t i v i t i e s k e y w o r d s ：c u r r e n tc o n v e y o r ；f i l t e r ；c u r r e n t m o d e lc i r c u i t ；v o l t a g e - m o d e lc i r c u i t i v t 程硕上学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授书权i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论l 1 1 引言1 1 2 电流模电路特点2 1 3 电流传送器的发展历程3 1 4 电流传送器滤波器3 1 5 本文的内容安排一4 第2 章电流传送器原理及其滤波器设计方法5 2 1 电流传送器原理5 2 1 1c c i 基本原理5 2 1 2c c i i 基本原理。6 2 1 3c c i i i 基本原理一7 2 2 电流传送器滤波器实现方法9 2 2 1 电流传送器滤波器电路实现1 2 2 2 2 灵敏度分析1 3 第3 章基于c c i i 的电压模式滤波器设计1 5 3 1 电压模式n 阶c c i i + 低通滤波器设计1 5 3 1 1c c i i + 电路及原理1 5 3 1 2 全极点高阶c c i i 低通滤波器设计1 5 3 1 3 设计实例与分析1 6 3 2 一种新颖的电压模式n 阶c c i i + 氐通滤波器系统设计1 8 3 2 1n 阶滤波器的系统设计方法1 8 3 2 2n 阶滤波器的生成2 0 3 2 3 电路仿真2 1 第4 章基于c c i i i 的电流模式滤波器设计2 3 4 1 基于c c i i i + 电流模式二阶通用滤波器设计2 3 4 1 1 二阶通用滤波器电路描述2 3 4 1 2 灵敏度及非理想性分析2 6 v 基于电流传送器的滤波器设计 4 2 基于c c i i i 电流模式二阶通用滤波器设计一2 8 4 2 1 二阶滤波器的系统生成方法2 8 4 2 2 灵敏度及非理想性能分析3 4 第5 章基于c c i i i + 的电流模式n 阶滤波器系统设计3 7 5 1 基于c c i i i + 的电流模式n 阶滤波器系统设计一3 7 5 1 1n 阶通用滤波器的导出3 7 5 1 2 灵敏度及非理想性分析4 2 结论4 5 参考文献4 7 致 射5 0 附录a 攻读硕士学位其问发表论文目录5 1 附录b 攻读硕士学位其间获得的发明专利目录5 2 v i 工程硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 1 9 5 8 年美国德克萨斯仪器公司发明了全球第一块集成电路，使得日益复杂的系统 集成于一片单片集成电路成为可能。1 9 5 9 年，德克萨斯仪器公司首先宣布建成世界上 第一条集成电路生产线。1 9 6 2 年，世界上出现了第一块集成电路正式产品。随着硅平面 技术的发展，2 0 世纪6 0 年代发明了双极型和m o s 型两种重要器件，有力的促进了集 成电路的发展。与此同时，集成电路工艺技术的发展也有了前所未有的机遇。6 0 年代初， 国际上出现的集成电路产品，每个硅片上的元件数在1 0 0 个左右；1 9 6 7 年已达到1 0 0 0 个晶体管，这标志着大规模集成阶段的开端；到1 9 7 6 年，发展到一个芯片上可集成l 万多个晶体管；进入8 0 年代以来，一块硅片上有几万个晶体管的大规模集成电路已经 很普遍了，并且正在向超大规模集成电路方向发展。如今，已出现属于第五代的产品， 在不到5 0 平方毫米的硅芯片上集成的晶体管数激增到2 0 0 万只以上。在集成电路设计 中，硅技术是主流技术，硅集成电路产品是主流产品，占集成电路设计的9 0 以上。正 因为硅集成电路设计的重要性，各国都很重视，竞争激烈。产业链的上游被美国、日本 和欧洲等国家和地区占据，设计、生产和装备等核心技术由其掌握。 世界集成电路大生产目前已经进入纳米时代，全球多条9 0 纳米1 2 英寸生产线用于 规模化生产，基于7 0 与6 5 纳米之间水平线宽的生产技术已经基本成形，i n t e l 公司的 c p u 芯片已经采用4 5 纳米的生产工艺。在世界最高水平的单片集成电路芯片上，所容 纳的元器件数量已经达到8 0 多亿个。以集成电路为核心的电子信息产业目前超过了以 汽车、石油和钢铁为代表的传统的工业成为第1 大产业，成为改造和拉动传统产业迈向 数字时代的强大引擎和雄厚基石。发达的国家国民经济总产值增长部分的6 5 目前与集 成电路相关。预计在今后的1 0 年内世界集成电路销售额将以年均1 5 的速度增长，于 2 0 1 0 年将达到6 0 0 0 8 0 0 0 亿美元。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主版权的集成 电路日益成为经济发展的关键、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。 在集成电路中，从信号的输入输出角度可以将其分为模拟集成电路和数字集成电 路。数字集成电路的发展技术已相当成熟。从目前的应用来说，复杂的数字集成电路的 出现已不断取代模拟电路。不可否认，数字电路在可编程性、灵活性、设计周期、抗干 扰性等方面都具有绝对的优势。但对于数字系统固有模拟接口来说，模拟信号调节和数 据转换电路还是很有必要的。大多数复杂系统以数字信号处理和计算电路为核心。对于 接1 2 1 电路来说固有数模接口存在还是必不可少，所以开展对模拟集成电路的研究还是很 有必要的。另一方面，模拟集成电路在工作频率较高的场合依然能够发挥很好的作用， 基于电流传送器的滤波器设计 对于复杂程序较低的系统实现来说，运用数字系统并不经济。在功耗方面，模拟电路比 数字电路具有很大的优越性。 模拟集成电路的发展促使了许多新技术的出现，如电流模电路，抽样数据电路和使 用浮栅器件等。抽样数据电路主要有3 种：电荷耦合器件、开关电容电路和开关电流电 路。由于开关电容电路和开关电流电路中含有有源器件，使其所完成的功能和性能均优 于电荷耦合器件。所以在抽样数据电路中，前两者得到了广泛的应用。抽样数据电路主 要分为电压抽样和电流抽样两种，较为经典的主要有以开关电容电路为代表的电压模电 路和以开关电流电路为代表的电流模电路。开关电流电路是以电流取样表示信号的模拟 取样数据电路，这与以电压取样表示信号的开关电容电路相反。开关电流电路具有电流 模电路速度快、适于低压工作、电流求和简单等特有优点，且不需要线性浮置电容，易 于c m o sv l s i 工艺实现。 随着集成电路的集成度越来越高，集成电路整个系统的动态范围和速度极限将取决 于模拟接口电路的性能。传统电压模拟接口电路受可用电压摆幅及驱动负载电容的限 制，在低电源电压环境下，采用电流模电路技术是十分有利的。目前电流模标准部件包 括有跨导线性电路、电流传送器、电流模放大器、跨导器、动态电流镜、开关电流滤波 器等。随着超大规模集成电路的发展，低压低功耗电路设计受到了业界极大的关注，便 携式产品的发展需要进一步降低电源的功耗。与此同时，面向深亚微米工艺的发展也促 使了电源电压的降低n 刊。 1 2 电流模电路特点 很久以来，电压模电路一直处于主导地位，而对电流模电路关注相对较少，一方面 由于集成电路的工艺的限制，另一方面是受电路的发展局限。随着信号的工作频率越来 越高，信号处理的速度越来越快，电压模电路所固有的缺陷自然显示出来，无论是从功 耗还是从动态范围方面来说，电流模电路具有无可比拟的优越性。特别是在许多电路中， 其信号取样不以电压信号为取样信号而以电流信号为取样信号的电路中。随着v l s i 工 艺尺寸进入深亚微米，集成电路工艺的突飞猛进，c m o s 工艺的不断进步，使得电流模 电路的优越性日益突现出来，并最终成为可能。电流模电路具有以下特点： 1 动态范围大，适合低电源电压工作。 电路的动态范围受电路所能处理的最大信号与最小信号电平之比，最大信号的限制 对电压模电路和电流电路不同，电压模电路受电源电压限制，而电流模电路只受器件极 限参数的限制，而最小信号受电路本身噪声的限制，与信号的取样模式无关。 2 频带宽、非线性失真小。 在电压模放大器中，输入电压控制漏极电流经过电阻转换成输出电压，m o s f e t 的转移特性成为影响放大器失真特性的关键。而m o s f e t 的转移特性是非线性的，采 2 的高频产品，因为传统设计的增益带宽积有限。理论上讲，电流传送器只受设计中晶体 管的限制。目前采用电流传送器的应用主要包括：r f 混频器、高频精密整流器以及医 疗产品，比如电阻抗断层成像系统。由c c i i 设计的各种滤波器也备受青睐。1 9 8 9 年 r o b e r t s 和s e d r a 首次将c c i 应用于电流模式滤波器，在电压模式的滤波器的基础上拓 展了滤波器设计的新领域。此后，电流模式电流传送器滤波器设计越来越引起学术界的 重视。与基本运算放大器相比，c c i i 具有频率范围宽、动态范围大等优点，在性能方面 远远超过了基本运算放大器。由c c i i 所构成的各种电路因而也成为了当前电路与系统 学科研究的热点，大量有关c c i i 设计的滤波器文献不断报道。1 9 9 5 年f b a r e 学者提出 了第3 代电流传送器( c c i i i ) ，电流传送器已进入第3 代电流传送器的研究领域，但研 究成果较少，而且以第3 代电流传送器实现一阶、二阶滤波器的报道较少，特别是用第 三代电流传送器实现高阶滤波器更少【2 2 83 4 , 4 6 1 。 1 4 电流传送器滤波器 滤波器作为信号处理的一种重要手段，是集成电路必不可少的基本电路单元之一。 滤波器主要分两种一模拟滤波器和数字滤波器。经典模拟滤波器设计主要实现方法有： 无源r l c 滤波器、运算放大器r c 滤波器、开关电容滤波器、运算跨导放大器滤波器、 电流传送器滤波器、微波滤波器、机电滤波器、晶体滤波器。以电流模式为主的滤波器 主要有电流传送器滤波器、跨导运算放大器滤波器和电流镜滤波器【1 3 2 脚心】。无源r l c 滤波器由无源宏观器件组成，包括电阻、电容和电感，它们不需要电源。无源滤波器的 主要缺点有： 1 通带损耗比较明显； 2 电感不利于电路和集成，不能达到应用所要求的小型化。 无源滤波器的设计最重要的一点就是为推导有源滤波器打下了基础。有源r c 滤波 器以及s c 滤波器在减少电路尺寸及重量方面具有很大的优势，且成品率高，特别是在 现代大规模集成电路中。但有源r c 滤波器和s c 滤波器也有自身的缺点： 1 需要电源； 2 如果输入信号过大，输出信号会引起失真； 3 有源器件会产生额外的噪声。 随着电路技术的发展，低压低功耗电路的设计逐渐成为电路与系统学科重要的前沿 性问题，基于电流传送器的滤波器设计也应运而生。基于电流传送器所设计的滤波器除 有电流模电路的优良性能外，而且具有低灵敏度，抗干扰性能好，电路中所用的元器件 较少，易于电路的集成等优点。 目前，在滤波器设计方面，研究较多的基于电流传送器的滤波器设计主要有两种， 一种是基于电流模模式的滤波器设计，另外一种是基于电压模模式的滤波器设计。其中， 基于c c i i 的滤波器设计研究成果较多【5 - 1 1 1 7 彩2 9 。1 。3 3 4 8 1 ，而基于c c i i i 的滤波器设计 相对较少，电流模式的滤波器更少【4 ，1 4 t2 7 ，4 6 1 。因而，开展对基于c c i i i 的电流模试滤波 器的研究很有必要。 1 5 本文的内容安排 本文从集成电路的发展历程出发，介绍了电流模电路及电流传送器的发展历程，阐 述了传统滤波器设计的原理和具体实现方法。第二章分别介绍第一代电流传送器( c c i ) 、 第二代电流传送器( c c i i ) 、第三代电流传送器( c c i i i ) 的工作原理，并对电流传送器 的输入输出特性进行了具体分析，给出了电路传输特性矩阵表达式。结合电流传送器的 输入特性，给出了电流传送器滤波器转移函数的一般表达式和通用电路结构。第三章主 要针对电压模式c c i i + 提出了一种仅用一种c c i i + 实现高阶低通滤波器，推导出了系统 的设计公式，并以六阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器为例进行了具体实现，运用p s p i c e 对电 路进行了仿真分析，给出了具体的仿真结果。在第三章第二节中，介绍了一种新颖的电 压模式n 阶c c i i + 低通滤波器的系统设计，并采用多环反馈法来实现。利用该方法产生 n 阶不同结构的低通滤波器，并以3 阶低通滤波器为例阐述具体的设计过程，给出具体 电路结构和仿真结果。第四章分别以c c i i i + 和c c i i i 设计两种不同的电流模式二阶滤波 器。针对c c i i i 的特点，结合二端口网络，提出了一种基于第三代电流传送器c c i i i 的 电流模式二阶滤波器的系统设计方法，推导了该系统的设计公式，并对滤波器电路中的 各无源灵敏度和有源灵敏度进行分析。第五章提出了一种基于c c i i i 的电流模式n 阶通 用滤波器的系统设计方法。导出了系统的设计公式，利用该方法可生成n 阶高通、低通、 带通滤波器。并以二阶滤波器为例分析了高通、低通、带通滤波电路的灵敏度。 4 工程硕士学位论文 第2 章电流传送器原理及其滤波器设计方法 2 1 电流传送器原理 2 1 1c c i 基本原理 电流传送器( c c ) 的发展经历了三个阶段，1 9 6 8 年s m i t h 和s e d r a 提出了第一代电 流传送器。第一代电流传送器的符号如图2 1 所示。它是一个一端接一f 的四端口网络。 假设输入端y 端的电压为v ，在输入端x 就会出现一个相等电压v 。同样的情况，如果 在输入端x 有输入电流i ，哪么在y 端也会出现同样大小的电流i ，且在输出端z 端也会 出现同样大小的电流i 。其电路传输特性可用矩阵表示为： i t x v g n d 嘲纠 由式2 1 可知，2l ，圪= 0 ，j ：= l 。 x y 5 z z ( 2 1 ) 基于电流传送器的滤波器设计 q 1 与q 2 具有相同结构和性能。q 3 、0 4 与q 5 也具有相同的结构和性能。所有的 晶体管都具有较高的共基极电流增益晗1 。 2 1 2c c i i 基本原理 电流传送器作为电流模式电路的一种标准部件。为了增加电流传送器的通用性， 1 9 7 0 年，s m i t h 和s e d r a 对c c i 加以改进。目前，国内外对电流传输器的研究主要还 是集中在第二代电流传送器以及对c c i i 的改进技术上。c c l l 是在国内外研究最广泛， 时间最长的器件，有许多各种类型的c c i i 出现。如：双极型传输器，c m o s 源极跟随 器，电流传输器源极跟随器，采用非缓冲放大器的电流传输器( c c i i + ) ，采用非缓冲放大 器的电流传输器( c c i i 一) 等。c c i i 的符号图如图2 3 所示 x v g n d z 图2 3c c i i 符号图 c c i i 与c c i 不同点主要在于输入端y 端的输入电流为零，用矩阵方程描述如式2 2 所示： 嘲纠 由矩阵方程可知，y = 0 ，= 巧，：= l 。即输入端电压相等， 6 ( 2 2 ) 输出端电流跟 工程硕士学位论文 0 立 2 5 v d c 占v 2 - - - 一 2 与讹工v 1 动 图2 4c c i i 内部电路结构图 尽管c c i i 具有良好的电流传送特性和较好的电路综合性能，但由于只有单端输出， 电流信号反馈和信号直通不能兼得。在实现电流反馈时，电路的高输出阻抗特性将被破 坏，不利于电路之间的级联。且在电路的设计过程中所需的有源及无源器件较多，因而 导致电路的设计较为复杂。为了解决c c i i 的上述缺点，各种基于c c i i 的衍生设计涌现 出来，比较具有代表性的器件有：c c c i i ，m o c c c i i 。 现在对第三代电流传输器( c c i i i ) 及其改进电路的研究及基于c c i i i 的电流模式滤波 器设计这方面的研究才起步。c c i i i 相对c c i i 具有增益误差低、线性特性好、宽频率响 应及高输出阻抗的特点，而基于c c i i i 的电流模式连续时间滤波器也因此成为最新的研 究方向跚嘲。 2 1 3c c i i i 基本原理 c c i i i 最基本的实现如图2 5 所示，普通的c c i i i 电路结构由两个c c i i + 基本电路构 成。其中第一个c c i i + 的x 端与第二c c i i + 的y 端相连。设两个c c i i + 的电流传送系数 为仅1 ，a 2 ，则有 ， 等= a l ，等= - a l a 2 ( 2 3 ) r l r i、一， jj 其中，：+ 与，具有1 8 0 度的相位差。z l 与z 2 为c c i i i 的输出端。 7 基于电流传送器的滤波器设计 yx jz + j ：一 z 1z 2 图2 5c c i i i 实现原理图 c c i i i 的电路符号如图2 6 所示，其中x ，y 为电路电流信号的输入端，z + ，z 一为 电路的输出端。x 端的电压跟随y 端的电压变化，x 端的电流与y 端的电流大小相等， 方向相反，即u 种= o ，i ，= - i ，输出端z + 的电流跟随x 端电流变化，z 一端输出的电流 与z + 大小相等，方向相反。即i ：+ = 一t 一= l 。用电路矩阵方程描述为： x y ，z + 啼 _ 一 c c i * , 1 1 - - 巨 图2 6 c c i i i 电路符号 j0 10 0 i i1 000 = l 10 1 00 i 10 100 在非理想情况下，c c i i i 其端口特性矩阵为： 曼卜 0一口 p 0 0 y 06 其中a = 1 - 8 l ，卢= 1 - e 2 ，y = 1 - s 3 ，6 = 1 一9 3 ， 误差。c c i i i 内部结构如图2 7 所示们。 8 巧 i x 屹+ 圪一 罐j z + ( 2 4 ) ( 2 5 ) 岛为电压电流跟踪 工程硕上学位论文 图2 7c c i i i 基本实现电路 2 2 电流传送器滤波器实现方法 实际信号除有用信号外，往往带有干扰，这些干扰有的是与有用信号同时产生的， 有的是在信号传输与处理过程中由于不同系统间的相互作用引起的。在信号处理中从带 有干扰的信号中分离出有用信号的装置称为滤波器。在电子测量、通信、电视等领域， 滤波器的使用极为广泛。根据处理的是模拟信号还是数字信号，滤波器可分为模拟和数 字两大类。模拟滤波器用电路实现，数字滤波器用计算机、数字信号处理芯片等完成有 关数字处理，通过一定运算关系改变输入信号的频谱分布。数字滤波器和模拟滤波器都 起改变频谱分布的作用，只是信号的形式和实现滤波的方法不同。一般来说，模拟滤波 器成本低、功耗小，目前频率可达几十兆。数字滤波器则精度高，稳定、灵活，便于实 现模拟滤波器难以实现的特殊滤波功能。 在滤波器的设计过程中，一般是由设计指标寻找函数逼近，得出转移函数。根据转 移函数，利用具体的电路来实现转移函数的功能。在具体电路实现后，对滤波器的各项 性能指标进行分析，如噪声、动态范围、增益、灵敏度等。目前，模拟滤波器的理论和 设计方法已相当成熟，比较典型的模拟滤波器设计主要有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤 波器、椭圆滤波器、贝赛尔滤波器等。这些滤波器设计都有严格的设计公式、现成的曲 线和图表可以查询。上述几种滤波器都具有各自的特点，巴特沃斯滤波器具有单调下降 的幅频特性；切比雪夫滤波器的幅频特性在通带或阻带有波动，可以提高选择性；椭圆 滤波器的选择性相对前两种来说是最好的；贝赛尔滤波器通带内有较好的线性相位特 9 基于电流传送器的滤波器设计 性。模拟滤波器按幅频特性可分为低通、高通、带通和带阻滤波器。一般来说总是先设 计低通滤波器，再通过频率变换将低通滤波器转换成希望类型的滤波器。 设低通滤波器的设计指标有口p ，q p ，口，q ，。其中q p 和q 。为通带截止频率和 阻带截止频率，a p 和a ，为通带中的最大衰减系数和阻带最小衰减系数。 旷川g 焉 僻6 ， 铲川g 而h o 研( j 0 ) 2 ( 2 7 ) 当j 日。( 皿。) i = 夕乞时，即一2 0 l g l h , , ( j n c ) j = 3 d b ，此时q c 为3 d b 截止频率。当滤波器 的设计指标给定后，需要设计一个传输函数来满足给定的技术指标。因此，一般都有采 用函数逼近来实现。 设基本滤波器的转移函数为： 耶篙s p 嫠l 制2 亿8 ， l s 一 八s s pj l s s 胛j 其中k 为常数，s 小，s ，是转移函数h ( s ) 的零点，s p l ，一，s 刀为转移函数日( s ) 的极点。 由基本转移函数可得二阶低通滤波器转移函数的表达式为： 日加) = _ ( 2 9 ) r + 芴s + ( d p 其中q ，为品质因子，p 为中心频率。滤波器的转移函数可通过函数逼近来实现。 目前，典型的模拟滤波器设计主要有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波 器、贝赛尔滤波器等。由于理论和设计方法都比较成熟，这些滤波器都有各自的设计公 式和现成的曲线及图表。以巴特沃斯滤波器为例，其归一化分母多项式表示为： 玩。卜再石瓦d 丽而 仨1o ) 其对应的巴特沃斯归一化低通滤波器参数如表1 所示。 l o f r e q u e n c y ( r a d s ) f r e q u e n c y ( r a d s ) 图2 84 阶b u t t c r w o r t h 模拟低通滤波器的频率响应 根据设计指标中的参数及转移函数的参数，可得低q 值运放双二阶低通电路如图 2 9 所示， v i 图2 9 低q 值运放双二阶低通电路 v o u t 一丞巴69p)o瓣芒m 基于电流传送器的滤波器设计 2 2 1 电流传送器滤波器电路实现 集成电路技术的发展趋势是在单个芯片上集成模拟和数字功能于一体，然而，大容 量的电感在集成电路中并不易于集成。与r l c 滤波器相比，电流传送器滤波器可以将 传送器、电容和电阻模拟二端1 ：3r l c 滤波器中的电感，而在元件的灵敏度方面，两者 具有相同的特点。 假设滤波器的转移函数已确定，且已经分解为二阶转移函数，那么该滤波器就可以 用二阶滤波器的级联来实现。设二阶转移函数为： 蹦垆等“志2 亿 q p 。 常数k 称为二阶转移函数的增益常数。 设二端口无源网络为m 、2 ，用短路导纳矩阵来描述m 、2 ，可得电路矩阵为： 厶 1 2 厶 l 、 k 2 e 2 e 。 匕 k k v | ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 由电流传送器的端口特性矩阵和二端口网络矩阵关系可得电流传送器滤波器的转移函 数。其具体电路结构可用如图2 1 0 所示的电路结构表示。 j 1 v l 一+ 1 2v 2 + l 一 c c 一1 3 v 3 +4 - 1 4v 4 图2 1 0 电流传送器滤波器结构图 根据图2 1 0 所示的电路结构即可确定滤波器的传递函数，与转移函数对比，即可 确定电路中各元器件的具体参数。图2 1 1 为c c l l 所构成的单输入多输出滤波器的具体 结构，从图2 1 2 - - f 以看出，c 1 端输出响应为高通滤波器，r 1 端输出响应为低通波器3 。 1 2 石 图2 1 l 由c c i i 构成的单输入多输出滤波器 一 、i i 。 、 、， 、l 。 aic 姒：1 ： 口一 f 一 。 1 一 j r t f u m e y 图2 1 2c c i i 所构成的单输入多输出滤波器响应曲线 2 2 2 灵敏度分析 在滤波器的制造过程中，由于元件参数的差异，外界环境的影响，导致元器件的实 际值与标称值之间存在一定的偏差，而不同元件对输出的影响不同。为了研究网络中某 些参数改变对网络影响的敏感程度，引入灵敏度的概念。 基于电流传送器日刁滤汲器坟计 设与电路有关的元件参数为x ix ：，t ，x 。，输出为f ，则有： f = f ( x l ，x 2 ，t ，矗) ( 2 1 4 ) 参数x ，的变化引起的单参数相对灵敏度为： s f = x f , 苏o f 。 ( 2 1 5 ) 当x ，变化较小时，函数f 的相对变化量为： 一a f ：s f 堡 ( 2 1 6 ) 如果网络函数中存在多个元件参数同时发生变化，则总相对变化量为： 等：兰s ：孚 ( 2 1 7 ) f乞 x i 如果s = 1 ，则参量变化与函数变化相同，如果s f = o ，即t 变化对输出f 没有任何影 设二阶滤波器的转移函数为： 肌加v o u _ _ l “志 亿1 8 ) 砌咖净i 蟊 亿1 9 ) 一毳 耻葶2 葛2 1 4 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 系统的稳定性 式 报 本 传 低 自从加拿大教授s e d r a 于1 9 7 0 年发明第二代电流传送器以来，由于其具有极强的电 流综合功能，可用于多种电路的综合与设计，是一个很通用的电压积木块。c c i i 包括 c c i i + 和c c i i 两类，它是一个三端口器件，其中c c i i + 的电路符号如图3 1 所示，电路 传输特性为： i x x v g n d z 三嘲 t ， 娥d 2 铮2 再石再云i 丽而 2 ) 1 5 基于电流传送器的滤波器设计 - “学a n 。v a q os - _ 口2 a ls