基于第三代电流传输器的滤波器设计

王丽娜，陈向东，李沁莲

(四川成都西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都610031)

由于电流模式电路比电压模式有明显的优势，如宽带宽、更好的线性度、更大的动态摆幅和低功耗[1-3]等，所以，电流模式电路在信号处理等高性能电路领域中发挥着越来越重要的作用。此外，电流模式有源器件已被证实比常规的运算放大器更简单，操作更方便。近年来，有源技术发展逐渐成熟，出现了各种卓有成效的设计思路和方法。

二阶有源滤波器已经成为一个标准的研究课题，第三代电流传输器 (CCIII)[4]作为一个新的有源元件被引入，然而基于CCIII的二阶有源滤波器研究成果较少。本文提出了3种滤波结构，每个结构采用单一有源元件(CCIII)和几个无源元件，不需要匹配条件，所有电路都有很好的灵敏度特性，元件数目较少，适合用CMOS实现，仿真结果证明了电路的可行性。

1 电路设计

1.1 第三代电流传输器基本电路

理想双输出第三代电流传输器的电路符号如图1所示[5]，式(1)为其理想端口特性矩阵[5]，其中矩阵中的正号和负号分别表示电流是流进z端口还是流出z端口，用此来区分CCIII+和 CCIII-。

1.2 低通、高通、带通滤波器的电路

本文提出的二阶电流模式低通、高通、带通3种滤波器电路分别如图2、图3、图4所示。每个构造只使用单一CCIII-和几个电阻、电容。

二阶有源滤波器的设计是多阶有源滤波器设计的基础，二阶实现的转移函数如式(2)所示：

选 择 适 当 的 系 数 ak(k=0，1，2)，bk(k=0，1)即 可 实 现以上3种滤波器。高阶滤波器可以用二阶节级联或多路负反馈级联来实现。

对于图2，3，4的电路图，电流传输函数分别为：

式(3)、(4)、(5)分别是二阶的低通、高通、带通滤波器的传递函数。其极点角频率分别为极点角频率与极点品质因数之比分别为：

所以，图2、图3、图4的电路方案从理论上可以实现低通、高通、带通功能。

2 电路仿真

为了验证提出的电路结构可以实现低Q(0＜Q＜5)值的3种滤波器，应用单一CCIII和几个不同的RC构成的滤波电路，使用HSPICE LEVEL49的MOS模型参数，在TMSC 0.35 μm CMOS 工艺、电源电压 VDD=2.5 V、VSS＝-2.5 V条件下，设定Q=1，MOS管的尺寸为PMOS的W/L=210 μm/0.7 μm 和 NMOS 的 W/L=70 μm/0.7 μm，图2、图3、图4中 ，I1=1 mA，R1=10 kΩ，R2=10 kΩ，R3=1 kΩ，R4=1 kΩ，C1=1 nF，C2=1 nF。

对3种电路进行仿真。图2、图3、图4的滤波器的幅频响应分别如图5、图6、图7所示。

从图中可以看出，幅频在很宽的范围内都有效。适当选取 R1、R2、R3、C1、C2的值，可以 设计出不同低 Q(0＜Q＜5)值的滤波器。

3 灵敏度分析

设一个滤波器的灵敏度为S，网络性能参数ω和Q为y，电路元件电阻R或电容C为x，则网络性能参数y对电路元件参数x的灵敏度函数定义为：

将低通滤波器的 ωp代入式(3)和式(6)，可得低通滤波器的电阻和电容灵敏度为：

将高通滤波器的 ωp代入式(4)和式(6)，可得高通滤波器的电阻和电容灵敏度为：

将带通滤波器的极点角频率 ωp代入式(5)和式(6)，可得低通滤波器的电阻和电容灵敏度为：

从上式分析可知，提出的低通、高通、带通滤波器都具有较低的无源灵敏度。

滤波器对有源元件的灵敏度即求解滤波器对有源元件CCIII的灵敏度[7]。考虑 CCIII的非理想特性，假定非理想电流传输器描述为：

式中 hi=1+εi，|εi|＜＜1，i=1，…，4 为电压电流跟踪误差[8]。

考虑式(7)中的跟踪误差，低通、高通、带通滤波器的传输函数分别为：

从上面3个传输函数不难看出：CCIII的电压电流的跟踪误差对滤波器的极点角频率没有影响，对极点角频率与极点品质因数的影响也较小，故有源灵敏度相对较低。

[1]ELWAN H，IMAN A.A novel CMOS current conveyor realization with an electronically tunable current-mode filter suitable for VLSI.IEEE Trans Circuits Syst II.，1996(43).

[2]KHAN I A，ZAIDI M H.Multifunctional translinear-C Current-mode filter.Electronics.，2000(87).

[3]SOLIMAN A M.New current-mode filter using currentconveyors，Eletron.Commun.，1997.

[4]FABRE A.Third-generation current conveyor Electronics Letters，1995，31(5)：338-339.

[5]OZOGUZ S，KUNTMAN H，CICEKOGLU O.First-order allpass filter realisation using a modified third generation current conveyor.IEEE Circuits and Systems for Communications.2002，2(1)：66-69.

[6]塞而吉欧 佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计.陕西：西安交通大学出版社.2004.

[7]MINA EI S，YTLD TZ M.High performance CMOS realization of the third generation current conveyor[J].IEEE Elec Lett，2002，1(10)：307-310.

[8]何怡刚，陈洪云，谢宏.用第三代电流传送器设计电流模式有源滤波器.湖南大学学报，2001，28(6)：59-63.