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文档简介
1、通用有源电流模式滤波器何怡刚, 江金光, 吴杰, 蔡国昌(湖南大学电气系, 长沙410082摘要:提出了两种通用有源电流模式滤波器:11用两个电流传送器(CCII 实现的电流模式三输入单输出二阶滤波器新电路, 选择不同的输入信号组合即能获得低通、高通、带通、陷波和全通五种二阶滤波函数; 21由CCII 和多输出端跨导运算放大器(O TA 实现的单输入多输出滤波器新电路. 所提电路结构简单、中心频率0和品质因数Q 独立可调、无源元件全部接地, 滤波器特性参数对无源元件灵敏度低. 理论分析和计算机仿真表明所提电路方案正确.关键词:电流模式电路; 电流传送器; 跨导运算放大器; 有源滤波器Unive
2、rsal Active Current 2Mode FilterHE Y i 2gang ,J IAN G Jin 2guang ,WU Jie ,CA I Guo 2chang(Depart ment of Elect rical Engi neeri ng , Hunan U niversity , Changsha 410082, Chi na Abstract :Two new universal active current 2mode filters are presented. One is with three in puts and one output by us 2ing
3、 two current conveyors (CCII ,at which various filtering functions such as second 2order low 2pass , high 2pass , band 2pass , notch and all 2pass filtering are obtained by selecting different input signal combinations. The other is with single input and three outputs by using two current conveyors
4、and multiple outputs Operational 2Transconductance 2Amplifier (O TA . The pro 2posed circuits are with sim ple structure ,seperately adjustable centre frequency 0and the quality factor Q ,all grounded pas 2sive components and low passive sensitivities. Theoretical analysis and computer simulation in
5、dicate that the proposed circuits are effective.K ey words :current 2mode circuit ;current conveyor (CCII ;operational 2transconductance 2amplifier (O TA ;active filter一、引言最近, 模拟电流模式信号处理电路引起了学术界的高度重视, 其主要原因是电流模式电路适于超大规模集成技术实现, 较之电压模式电路能获得更好的性能16. 电流传送器(CC 和跨导运算放大器(O TA 作为电流模式信号处理中的基本有源器件, 在连续时间滤波器中得
6、到了广泛应用. 大量有关电流传送器的文献不断见诸报道, 其中以单输入多输出电流模式或电压模式多功能滤波器居多35, 在所报导的三输入单输出多功能滤波器中, 要么所用电流传送器过多且过于复杂4, 要么仍为电压模式电路5. 而由CC 和O TA 结合起来实现电流模式滤波器的电路则不多见6.本文提出的一种通用有源电流模式三输入单输出滤波器新电路, 仅采用两个电流传送器, 即能在输出端得到所有的二阶滤波函数, 比文献4中的电路省一半以上的有源器件; 提出的另一种单输入多输出滤波器, 其有源元件则为CC 和O TA. 所提出的这两种电路, 无源元件少且均接地, 有利于全集成. 理论分析及Spice 仿真
7、结果表明所提电路正确.二、电路分析11CCII +/-和OT A 基本积木块K. Pal 在文献4中提出的改进的四端口CCII +/-器件(由CCII +和CCII -构成 电路符号如图1所示, 它的理想特性为:V x =V y ; i z =i x , i z =-i x . (1 图1中仅具有 z 端输出, 相应的有源元件则为CCII -. 图2示出了多输入多输出端O TA , 且输入、输出满足以下关系i 0=-g m V i , i 02=-g m 2V i 2, i 01=-g m 1V i 1, i 03=-g m 3V i 3(2 图1CCII +/-符号图2多端O TA21通用有
8、源电流模式二阶滤波器分析本文所提出的二种通用有源电流模式滤波器分别如图3、图4所示. 图3中由两个CC 、两个接地电阻和接地电容构第11期1999年11月电子学报ACTA EL ECTRONICA SINICA Vol. 27No. 11Nov. 1999收稿日期:1998203224; 修订日期:1998206230. 国家自然科学青年基金(No. 59707002 资助项目成. 采用电流镜复制技术在第个电流传送器的z 端再引出一个输出端, 即可得到具有较强电流驱动能力的输出端口 .图3通用电流模式三输入、单输出二阶滤波器根据式(1 分析可得图3电流传输函数:I 0=S 2I S I /C
9、R I /C C R R S 2+S /C 1R 1+1/C 1C 2R 1R 2(3由等式(3 可知, 图3电路能分别实现二阶低通、高通、带通, 陷波和全通滤波功能, 其实现条件如下:(1 I in1=I in2=0, I in3为输入信号:二阶低通滤波器; (2 I in2=I in3=0, I in1为输入信号; 二阶高通滤波器; (3 I in1=I in3=0, I in2为输入信号; 二阶带通滤波器; (4 I in2=0, I in1=I in3, I in1, I in3为输入信号; 二阶陷波滤波器; (5 I in1=I in2=I in3, I in1, I in2, I
10、in3为输入信号; 二阶全通滤波器.由等式(3 可知, 图3电路所有二阶滤波器的中心频率0及品质因数Q 为0=1/(C 1C 2R 1R 2 1/2, Q =(C 1R 1/C 2R 21/2. 显见0和Q 独立可调 .图4通用电流模式单输入三输出二阶滤波器图4由两个CC 、一个多端O TA 、两个接地电容构成. I HP为采用电流镜复制技术从第个电流传送器拉出的一个输出端口, 输入信号I in 由第个电流传送器的x 端输入.根据式(1 、(2 分析可得图4电流传输函数I HP /I in =-S 2/A (s (4 I BP /I in =(g m 2S /C i A (s (5 I L P
11、 /I in =(g m g m 2 /C 1C 2A (s (6式中A (s =S 2+(S g m 3/C 1 +(g m 1g m 2/C 1C 2显见式(4 、(5 、(6 分别实现高通、带通、低通滤波功能.由于电流传送器CCII +/-和O TA 均具有输出阻抗高的特点, 可以将各输出端口连接起来, 而继续得到二阶陷波和二阶全通函数, 若将I HP 和I L P 输出端口连接起来, 且满足g m =g m 1, 则可得到二阶陷波函数, 若将I HP 、I BP 和I L P 输出端口全部连接起来且满足g m 1=g m 2=g m 3=g m , 则可得到二阶全通函数.根据式(4 (
12、6 可知, 图4所示电路所有二阶滤波器的中心频率0及品质因数Q 为0=(C 1C 2 1/2Q =g m 3C 2g m 1g m 231灵敏度分析根据灵敏度计算公式S y x =y 5x分析计算可得图3、图4所示电路滤波器特性参数0和Q 对无源元件灵敏度|s y x |1. 显见, 图3、图4所示电路具有灵敏度低的特点.三、有源元件非理想性对滤波器性能的影响在非理想情况下, 第二代电流传送器CCII +/-的端口电压与端口电流的关系为4V x =V y ; i z =i x , i z =-i x (7 式中:=1-i i 表示电流传送器的电流跟踪误差.=1-v v 表示电流传送器的电压跟踪
13、误差; 且|i |1, |v |1.经电路分析, 可得电流传送器的非理想性对图3电路的影响. 若该电路中的二个CCII +/-器件集成在同一芯片中,则可假定每个CCII 器件的跟踪误差均相同, 即:(1 i =(2i=i , (1 v =(2v =v , 分析时忽略的高次项, 则有:I 0S 2I in1-S I in2+20I in3S 2+Q S +2(8式中0=121201i V 0, Q =11Q =Q 由上式可见, 图3电路的中心频率0受影响较小, 品质因素Q 不受的影响. 下面分析图4电路受有源元件非理想性的影响. 在非理想情况下, O TA 的特性可表示为6:Y i =g i +
14、S C i , Y 0=g 0+S C 0. 其中Y i , g i , C i , Y 0, g 0, C o 分别表示O TA 的输入输出导纳、电导和电容. 在分析图4电路受有源元件电流传送器CCII +/-和O TA 的非理想因素影响时, 由于两个电流传送器和O TA 在同一芯片中集成, 因此有1=2=; 1=2=; C i 1=C i 2=C i 3=C i ; g i 1=g i 2=g i 3=g i ; C 01=C 02=C 03=C 0; g 01=g 02=g 03=g 0. 考虑这些因素分析得I HP /I in =N HP (s /D n (s (9 I BP /I i
15、n =N BP (s /D n (s (10 I L P /I in =N L P (s /D n (s (11式中:D n (s =d 1S 2+d 2s +d 3; N HP (s =-s c 1g i+S (C 2+C i N BP (s =22g m 2+g 0+g i +S (C 0+C i g i +S (C 2+C i N L P (s =-22g m g m 2+g 0+g i +S (C 0+C i W 0=(d 3/d 12Q =(0d 1 /d 2d 1=(C 2+C i C 1+(2C 0+C i d 2=(C 0+C i (g i +g m 1 +(C 2+C i (
16、g m 3+2g o +g i +g i (C 1+C 0d 3=g i (g m 3+2g o +g i +g m 1(g m 2+g 0+g i 可见, 图4所示滤波器工作在高频状态时, O TA 的非理想因素对其影响大一些, 而工作在低频段时, 非理想因素的影响可以忽略.四、计算机仿真本文对图3所示电路(0=105弧度/秒, Q =1, R 1=R 222电子学报1999年=10k , C 1=C 2=01001F 、图4所示电路(0=3133×104弧度/秒, Q =1, g m =g m 1=g m 2=g m 3=013333×10-3s , C 1=C 2=0
17、1001F , 图5非理想情况时C i =216p F , C 0=316p F , g i =1010s , g 0=1010s 分别在理想及考虑非理想因素情况时进行了Spice 仿真, 仿真结果与理论分析吻合(因限于篇幅, 计算机仿真图略 .五、结论本文提出的两种通用有源电流模式滤波器电路具有以下主要优点:结构简单, 功能齐全; 所有无源元件均接地, 易于集成; 0, Q 值可调, 且0, Q 对无源元件灵敏度低; z 端或 z 端输出, 具有较强的驱动能力.参考文献1A. sedra and K. C. Smith. A second generation current conveyo
18、rand its application. IEEE. trans , circuit , theory , Feb , 1970, CT 217:1321342K. Pal. Modified current conveyors and their applications. Micro 2electronics Journal ,1989,20(14 :37403J. Wu and E. El 2masry. Current 2mode ladder filters using multipleoutput current conveyors. IEEE. proc. circuits ,
19、 devices , syst , 1996,143(4 :2182224C. M. Chang and P. C. Chen. Universal active current filter withthree inputs and one output using current conveyors. IN T. J. Elec 2tronic ,1991,71(5 :8178195C. M. Chang and M. S. Lee. Universal voltage 2mode filter withthree inputs and one output using three cur
20、rent conveyors and one voltage follower. Electron. lett ,1994,30(25 :211021136J. W. Horng , M. H. Lee , H. C. Cheng et al. Universal active cur 2rent filter using two multiple current output O TAs and one CC . IN T. J. Electronics ,1997,82(3 :241 247何怡刚1996年6月在西安交通大学获理论电工博士学位, 现为湖南大学教授, 跨世纪学术带头人. 先后
21、主持和主研国家自然科学基金等11项纵向项目研究, 发表学术论文80余篇. 目前主要研究方向有神经网络理论及其应用与实现、模拟电路故障诊断、现代滤波器理论与设计等 .江金光1969年生,1992年获湖南大学工学学士学位,1998年6月在湖南大学获理论电工硕士学位. 目前感兴趣的研究方向有信号处理、滤波器理论与设计、音视频信号处理及无线电通信.(上接第49页 参考文献1Emil S. Ochotta ,Rob A. Rutenbar and L. Richard Carley. Synthe 2sis of high 2performance analog circuits in ASTRX/OBL X. IEEE Trans. Computer 2Aided Design of Integrated Circuits and Sys 2tems. March 1996,15(3 :2732942William Nye ,David C. Riley. Alberto Sangiovanni 2Vincentelli ,andAndre L. Tits. DEL IGHT. SPICE :AnOptimization 2based Sys
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