参数可线性重构的电流模式二阶带通滤波器

宋树祥,王小华,解鸿国

(广西师范大学电子工程学院,广西桂林 541004)

参数可线性重构的电流模式二阶带通滤波器

宋树祥,王小华,解鸿国

(广西师范大学电子工程学院,广西桂林 541004)

针对二阶通用带通滤波器存在特征参数不能线性重构的缺点,提出一种全新的特征参数可线性重构的电流模式二阶带通滤波器设计理论。该调谐滤波器通过调节反馈电流放大器的放大系数可线性重构二阶带通滤波器的截止频率、品质因素等参数,而滤波器的幅频特性保持不变。Spectre仿真结果表明,±1.5 V电源电压下,滤波器的中心频率和品质因素在2 GHz内可线性重构。

带通滤波器;线性可重构;电流控制的电流传输器;电流放大器

1 引 言

随着全集成有源滤波器的发展,参数可重构的连续时间集成滤波器的研究和开发已成为主流趋势,特别是在低中频架构接收机、ADSL(Asymmetrical Digital Subscriber Loop)和CDMA(Code Division Multiple Access)无线接收技术中,参数可重构滤波器由于有着非常吸引人的优点而被广泛采用[1-5]。因为接收机中的滤波器是镜像抑制和信道选择的关键模块,其性能直接影响接收机的多项指标,滤波器的参数可重构设计,可以较好地解决因受工艺、环境(温度、工作电压)以及老化等因素的影响而导致滤波器性能发生变化无法恢复接收机性能这一问题。另一方面,滤波器的参数可重构设计,对于设计可重构系统也具有重要意义。基于CCCⅡ的电流模式滤波器因比电压模式滤波器具有更宽的信号频带、更好的线形度和更大的动态范围而备受关注,各种不同类型的滤波器也被大量提出[6-9]。本文鉴于二阶通用带通滤波器的滤波参数重构范围窄且不能线性重构等缺点,提出一种全新的特征参数可线性重构的电流模式二阶带通滤波器设计理论。该调谐滤波器通过调节反馈电流放大器的放大系数A可线性重构二阶带通滤波器的截止频率、品质因素等参数。整个设计在保证滤波器精确的幅频特性基础上使得带通滤波器的截止频率、品质因素等参数具有线性可调谐性。

2 参数可线性重构的二阶带通滤波器设计原理

1996年,Fabre等人提出了电流控制传输器(CCCⅡ)[10]。该电流控制传输器由于具有较好的电流控制功能而广泛应用,其实现电路及符号如图1所示。

图1 电流控制传输器CCCⅡ的电路和符号Fig.1 Circuit and symbol of CCCⅡ

在理想情况下,端口电流、电压的关系可用式(1)表示:

式中,Rx=VT/2IB,VT≈26 mV。电阻Rx的值可被偏置电流IB调谐。z+表示同相输出,z-表示反相输出,iz+=ix,iz-=-ix。在本设计中将用电流控制传输器作为设计参数可线性重构的二阶带通滤波器的基本设计模块。

本文在基本二阶滤波器的基础上提出一种特征参数可线性重构的电流模式带通滤波器的设计理论,其工作原理如下所述。

图2 基本二阶滤波器原理图Fig.2 Principle diagram of basic second-order filter

图2为带通输出和加有电流放大电路的低通输出的基本二阶滤波器原理图,根据滤波器低通和带通的系统函数理论,图2的二阶低通和带通系统函数如下:

从式(2)可以计算出基本二阶滤波器的特征频率f0=1/2π。如果在图2的基础上,从低通输出端引出一个反馈电流,该经电流放大器放大A倍后和输入电流叠加,作为二阶滤波器的输入信号,那么将构成一种新的二阶滤波器,如图3所示。该电路具有参数可重构功能,下面对该电路的滤波参数可重构性进行分析。

图3 参数可重构的二阶带通滤波器原理图Fig.3 Principle diagram of second-order bandpass filter with reconfigurable parameters

为了达到二阶滤波器电路参数可线性重构的目的,将图3进行改进,在原有电路的基础上再加上一个电流反馈回路,如图4所示。

图4 参数可线性重构的带通二阶滤波器原理框图Fig.4 Principle diagram of second-order bandpass filter with linear reconfigurable parameters

通过计算得出,图4中二阶滤波电路的带通系统函数如式(5)所示:

为了更好地说明图4所示电路参数可线性重构的性质,根据式(2)、式(3)和式(5),将图2、图3和图4滤波器的特征参数计算出来,如表1所示。

表1 基本二阶、可重构二阶和可线性重构的二阶带通滤波器特征参数Table 1 Characteristic parameters of basic,parameters reconfigurable and parameters linear reconfigurable second-order bandpass filters

从表1可以看出,如果基本二阶滤波器的参数设定,图3结构中二阶带通滤波器电路的中心频率和品质因素可以通过放大系数A来重构,重构系数为 1-A,具有非线性重构特性。图4结构中二阶带通滤波器的电路参数也可以通过重构电流放大倍数A来重构,重构系数为(1-A),具有线性重构特性,而且只要满足(1-A)>0即可,重构范围宽。从表1还可以看出,图3和图4电路的二阶带通增益和-3 dB带宽与基本二阶滤波器严格保持一样,这在无线接收技术设计中十分重要。

为了验证所提出的参数可线性重构的带通二阶滤波器设计理论是否正确,本文提出基于图1(a)所示的CCCⅡ的参数可线性重构的二阶带通滤波器如图5所示。1、2、3号CCC Ⅱ模块和电容 c1、c2构成图 2的基本二阶带通滤波器,控制(control)CCCⅡ模块和3号CCCⅡ模块构成电流放大器A。图5中电压Vy2通过电容c1构成低通输出。通过对控制(control)CCCⅡ模块的两个输出电流进行设计,使Iz1=2Ix,Iz2=-AIx,那么参数可线性重构的二阶带通滤波器总的反馈电流为 Iz=(2-A)Ix,其中 A=-IBC/IB。

图5 基于CCCⅡ的参数可线性重构的带通滤波器电路Fig.5 Circuit of bandpass filter with linear reconfigurable parameters based on CCCⅡ

在图 5电路中,设 IB1=IB2=IB3=IB,则 1、2、3号CCCⅡ模块X端的输入电阻可计算为Rx1=Rx2=Rx3=VT/2IB。令c1=c2=C,则图5虚线框内基本二阶低通和带通滤波器的系统函数可计算如下:

从式(6)得出基本二阶滤波器的中心频率为f0=1/2πRxC。通过对比式(6)和式(5),可计算出参数a′=a=RxC,b=(RxC)2。这样,参数可线性重构的带通滤波器的系统函数如下:

根据文献[10],计算得到放大系数 A=-IBC/IB,且A≤0。二阶带通滤波器的电路参数可以通过改变CCCⅡ模块中的外接电流源的直流电流比IBC/IB来线性重构,重构范围宽(只要满足 A≤0即可)且重构十分方便。

3 灵敏度分析

4 Spectre仿真

为了验证参数可线性重构二阶带通滤波器的设计理论证的正确性,在0.18 μ m SMIC BiCMOS工艺条件下对图5所示电路进行Spectre仿真。取电路的参数为:电源电压为±1.5V,电容取值C1=C2=C=5 pF,偏置电流 IB1=IB2=IB3=50 μ A,则可计算出基本二阶带通滤波器的理论中心频率为122 MHz。取电流放大器的放大系数A等于-1、-2和-5,即偏置电流 IBC分别为50 μ A 、100 μ A和250 μ A时对滤波器进行Spectre仿真,仿真结果如图6所示。分析图6可得出 f0T=239 MHz(A=-1)、f0T=368MHz(A=-2)和 f0T=736 MHz(A=-5),与理论计算值f0T=244 MHz(A=-1)、f0T=366 MHz(A=-2)和f0T=732 MHz(A=-5)基本一致,由此可得出,本文所提出的参数可线性重构的电流模式二阶带通滤波器理论是正确的。本文提出的可线性重构二阶带通滤波器是对文献[6]提出的二阶带通滤波器的改进,但和文献[6]相比具有更宽的频率可调谐范围,而且中心频率和品质因数等参数可以通过放大系数 A线性重构,准确性更好。

图6 Spectre仿真结果(电流放大系数A=-1,-2,-5)Fig.6 Spectre simulation results(current amplification coefficient A=-1,-2,-5)

5 结束语

本文提出了一种参数可线性重构的二阶带通滤波器设计理论,该滤波器通过调节反馈电流放大器的放大系数A可线性重构二阶带通滤波器的截止频率、品质因素等参数。采用0.18 μ m SMIC BiCMOS工艺,±1.5 V电源电压下,设计了基于CCCⅡ的参数可线性重构的带通滤波器电路。Spectre仿真结果表明,该滤波器电路的中心频率和品质因素在2 GHz内可线性重构,偏差小于2%。该理论同样适用于高通可线性重构滤波器设计。

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SONG Shu-xiang was born inShuangfeng,Hunan Province,in 1970.He received the Ph.D.degree from Huazhong University of Science and Technology in 2009.He is now an associate professor.His research concerns analog integrated circuit design.

Email:songshuxiang@mailbox.gxnu.edu.cn

王小华(1980—),男,湖南邵阳人,讲师,主要研究方向为模拟集成电路设计;

W ANG Xiao-hua was born inShaoyang,Hunan Province,in 1980.He is now a lecturer.His research concerns analog circuit design.

解鸿国(1983—),男,山西大同人,硕士研究生,主要研究方向为模拟集成电路设计及其应用。

XIE Hong-guowasborn in Datong,Shanxi Province,in 1983.He is now a graduate student.His research concerns analog integrated circuits and their applications.

The National Natural Science Foundation of China(No.61061006)

A Current-mode Second-order Bandpass Filter with Linear Reconfigurable Parameters

SONG Shu-xiang,WANG Xiao-hua,XIE Hong-guo
(College of Electronic Engineering,Guangxi Normal University,Guilin 541004,China)

In view of the shortcoming that the filter characteristic parameters of the second-order universal bandpass filters can not be linearly modified,a novel design theory for the second-order current-mode bandpass filter with linear reconfigurable characteristic parameters is presented.The parameters of the filter such as cut-off frequency and Q-factor can be linearly reconfigured by adjusting the value of the gain of the current feedback amplifiers,without any change of the filter amplitude-frequency characteristics.Spectre simulation results confirm that the filter cut-off frequency and Q-factor can be linearly reconstructed in 2 GHz with±1.5 V power supply voltage.

bandpass filter;linear reconfigurable;current controlled current conveyor;current amplifier

TN713

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.029

1001-893X(2012)06-0974-05

2012-01-20;

2012-03-12

国家自然科学基金资助项目(61061006)

宋树祥(1970—),男,湖南双峰人,2009年于华中科技大学获电路与系统专业博士学位,现为副教授,主要研究方向为模拟集成电路设计;