基于新型CCCII电流模式二阶带通滤波器设计

李 妍，于海勋

（西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710129）

近几十年来，随着被处理信号的频率不断提高，电压型运算放大器的固有缺点开始阻碍其在电路中应用。由此以电流为信号变量的电路在信号处理中的潜在优势逐渐被认识并被挖掘出来，促成了电流模式电路的发展[1]。电流模式电路就是能够有效地传送、放大和处理电流信号的电路。在电流模式电路中，以电流作为变量分析和标定的电路。随着信息技术的不断发展，信号处理在生活中的地位也不断提高。而滤波器是信号处理系统设计中最基础、最重要的环节之一，然而传统的模拟信号处理基本上都基于运算放大器，由于运算放大器固有的缺点，即的-3 dB闭环带宽与闭环增益的乘积为常数。因而电流模式信号处理电路技术成为当今国际上的前沿课题。电流传输器是电流模模拟信号处理领域中很重要的部件之一。第二代电流传输器（CCII）于1970年被提出，其独特的电流传输特性使它成为电流模电路中的基本积木块，在电流模式信号处理电路中获得了广泛的应用。但由于自身电路设计的不足，使电流传输特性无法达到理想程度，由此新型第二代电流传输器被提出。

1 新型第二代电流控制电流传输器CCCII

第二代电流传输器（CCII）由互补电流镜，跨导线性部分和混合环路组成。可运用于频率为兆赫范围内的电路中。但其内部电路的输入端X端和Y端存在一个寄生电阻，当偏置电流很低时，该寄生电阻不能被忽略。因而造成X端与Y端电压跟踪无法达到理想的程度[2]。由此1996年，Alain Fabre等人基于跨导线性环特性推出了新型电流传输器（CCCII）[3]，随后的新型电流传输器都是基于此特性实现的。

1.1 跨导线性（TL）原理

跨导线性原理是由B.Gilbert提出的，这个原理简化了非线性电路的计算，即适用于小信号，又适用于大信号。尤其在较大规模的电路中，只要存在“跨导线性环”，就会使电路计算大大简化。在电流模电路中，几乎到处都可以找到“跨导线性环”。

跨导线性环是由正偏的发射结或二级管组成的闭合环路，其中顺时针方向的正偏结数等于反时针方向的正偏结数。图1是由双极型管组成的跨导线性环。TL回路必须满足在回路中必须有偶数个（至少两个）正偏发射结和顺时针方向排列的正偏结数与反时针方向排列的正偏结数目必须相等。

图1 跨导线性环Fig.1 Translinear loop

因为跨导线性环中各BJT管均处于正偏放大区，所以环中第j个晶体管的电流传输方程可表示为：

其中VT=kT/q，VT是热电压，在常温下其值约为26 mV。此式为环中第j个晶体管正偏发射结的电压表达式，沿环一周各正偏结的电压之和应等于零，即：

1.2 CCCII设计电路及端口特性

CCCII利用内部直流偏置控制X端的寄生电阻的特性以达到电压可调的特性。新型电流传输器不仅保留了CCII的所有特性（输入、输出端口的矩阵关系），还通过改变直流偏置电源增加了新的特性[4]。其电路符号如图2所示。

图2 CCCII电路符号Fig.2 Circuit symbol of CCCII

图3 为CCCII+电路，X端口与Y端口间电路为混合跨导线性电路，其中I0为电路直流偏置。Z端口由两个互补电流镜组成，电流跟随X端口。双极性晶体管Q1－Q4组成输入跨导线性混合环路，电流关系I1I3＝I2I4。X端寄生电阻Rx＝VT/2I0，其中VT是温度的电压当量，在T＝3000K的常温下，VT＝26 mV。由此公式可以看出，Rx的值可由I0控制。端口特性方程为：

图3 新型电流传输器CCCII+电路原理图Fig.3 Circuit diagram of new current conveyor CCCII

2 二阶带通滤波器的电路设计与仿真

2.1 带通滤波器设计

图4为二阶带通滤波器设计由2个CCCII和2个电容组成。通过增加偏置电流改进CCII得到CCCII电路。该设计不需要任何额外电阻，电路设计简单。尽管电路设计简单，但其能完成相应功能并应用于高频电路中[5]。如果Iin是输入电流，流过C1的输出电流Iout可以通过输入端虚拟接地的CCI+来计算。此外，输出电流Iout在高阻抗情况下，可以通过对第二个CCCII+简单增加一个互补的输出端Z直接获得[6]。本设计通过偏置电流I0的较低值实现较高的频率。电路的传输函数为：

图4 基于CCCII+的二阶带通滤波器Fig.4 Second-order bandpass filter based on novel CCCII

由公式（8）、（9）知当I01和I02有相同的值时，Rx的值也一样。带通滤波器的中心频率可通过I0控制Rx的值实现，并且不影响品质因数。

2.2 带通滤波器仿真

用HSpice通过电路软件对图4电路进行仿真分析，设计参数为CCCII+电压±5 V，C1＝50 pF，C2＝1 pF。图5（a），（b）分别为I01＝I02＝20μA，I01＝I02＝100μA时输出的仿真结果。

图5 仿真结果Fig.5 Simulation results

3 结 论

本设计提出了电流模式CCCII+做为基本积木块，讨论了采用最少的有源器件，仅需要两块CCCII+及无源器件电容构成了电流模式二阶滤波器。所有电容都接地，从集成电路实现的观点看，用接地电容是非常有利的。滤波器随着I0的增大，中心频率也变大，实现了电流传输器的偏置电流对中心频率的控制。通过HSpice仿真分析证明设计电路的正确性和可行性。

[1]赵玉山，周跃庆，王萍.电流模式电子电路[M].天津：天津大学出版社，2001.

[2]Minaei S，Kaymak D，Ibrahim M，et a1.New CMOS configuration for current controlled conveyor（CCCIIs）[C]//In：1st IEEE International Conference Circuits and Systems for Communieations，ICCSC，2002：62－65.

[3]Fabre A，Saaid O，Wiest F，et al.Current controlled bandpass filter based on translinear conveyors[J].Electronics Letters，1995，31（20）：1727－1728.

[4]Fabre A.Dual translinear voltage/current convertor[J].Electron Lett，1983（19）：1030－1031.

[5]Fabre A，Saaid O，Wiest F，et al.Low power current-mode second-order bandpass IF filter[J].Circuits and System，1997，44（6）：436－446.

[6]Pabrl A，Alami M.A versatile translinear cell-library to implement high performance analog ASICS[C]//IEEE Proc，1990：89－94.