电流传送器自1968年问世以来,在模拟电路设计中应用十分广泛,也在人们的关注下持续不断的发展,基于第二代电流传送器CCⅡ(The Second Generation Current Conveyor)的电路方案层出不穷。然而,由于CCⅡ的X端存在寄生电阻,从而造成CCII的X端与Y端电压跟踪无法达到理想程度,导致了电路的传输函数产生误差。1996年A.Fabre等人利用双极型晶体管的线性互导(Translinear Loop)特性实现了电流控制传送器CCCⅡ(Current Controlled Conveyor),克服了CCⅡ的不足。CCCⅡ利用X端的寄生电阻受内部直流偏压控制的特性,使CCCⅡ的应用延伸到电调节的领域。这样使得CCCⅡ和(Operational Transconductance Ampli-fier)一样,元件本身能够产生电阻效应,设计过程中减少了无源元件的使用,使电路结构变得简单,而且提高了频响降低了功耗。
运算跨导放大器OTA,输入电压控制输出电流,开环增益是以S为量纲的跨导,可通过偏置电流对开环增益连续调节,频带宽、高频性能好。这些性能优点远超于了常规电压型运算放大器。
随着CCCⅡ以及OTA的提出,二者的优点慢慢的受到重视,由CCCⅡ构成的滤波器,以及OTA-C滤波器也有一些报道,然而,由CCCⅡ与OTA联合构成的滤波器的报道尚不多见。本文提出了一种基于MOC-CCⅡ和OTA的电流模式滤波器,只需两个MOCCCⅡ和一个OTA以及两个接地电容元件,无须任何电阻元件,由于MOCCCⅡ和OTA均可通过偏置电流调节,采用二者联合构成的电路,的范围更广,电路具有设计简单,灵敏度低和多功能滤波等优点,并且经过理论分析和模拟仿真,验证了本文所提出的电路结构是正确的。
理想MOCCCⅡ的Y端和Z端阻抗为无穷大,其电路符号如图1所示,端口特性如下:
式中:RX是X端的寄生电阻,其值为:RX=VT/(2IB);VT为热电压,在常温(T=300 K)下,VT△26 mV;IB为偏置电流,控制寄生电阻RX实现电可调性。
OTA因其跨导增益便于调节,线性控制范围宽,电路结构简单便于集成的优点,颇受重视,应用场景范围很广。
OTA的符号如图2所示,在理想情况下,输入输出阻抗趋于无穷大,图3为其理想模型。Vi+为同相输入端,Vi-为反相输入端,Io是输出电流,IB是偏置电流。
式中:Vid是差模输入电压;Gm是跨导增益。在常温小信号下有:Gm=19.2IB。
多功能电流模式滤波器根据各MOCCCⅡ的理想端口特性,以及电路结构,能得出电路各输出端口的传输函数:
选取不同的输入端,在不同的输出端能够得到不同的滤波功能,而且将不同的输出端进行组合也能够获得不同的滤波功能,真正地实现了多功能。具体实现如下:
(2)当选取Ii1=Ii3=Ii,Ii2=0时,输出端Io2能轻松实现低通功能,Io1实现带通功能,组合Io3与Io1实现带阻功能:
(3)当选取Ii3=-Ii1=Ii,Ii2=0时,组合3个输出端能轻松实现高通功能:
SXY=X/Y・eY/eX,可以求出特征频率ωo和品质因数Q相对电阻RX1,RX2和电容C1,C2的灵敏度,如表1所示。显然,该电路具有很低的灵敏度。
经PSpice仿真,理论与实际电路的幅频特性(Gain),相频特性(Phase)如图8所示。
此外,赋予接地电容不同的值,并保持其他参数值不变,可以使Q=1不变,独立地调节ωo。如图9所示,以带通波形为例,分别取C1=C2=600 pF;60 pF,6 pF。有fo=0.027 MHz,O.27 MHz,2.7 MHz。可见,当fo=ωo/2π增大时,波形不变,只是整体向右平移。
可调谐多功能电流模式滤波器,由两个MOCCCⅡ,1个OTA和2个接地电容组成,通过选不一样的输入和输出端口,可以在一定程度上完成二阶低通、高通、带通、带阻、全通五个滤波功能。调整MOCCCⅡ以及OTA的偏置电流和电容值,能够对特征参数进行正交调节,并且特征频率fo能够最终靠接地电容C实现独立调节,频率可调谐的范围很广。此外,设计的电路具有很低的灵敏度,所使用的无源元件很少并且均接地,易于用CMOS技术集成。最后,面向实际电路,经过PSpice仿真验证,在很宽的频率范围内都表现良好,根据结果得出所提出的电路方案正确有效。
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