基于MOCCC II和OTA的频率可调谐 多功能电流模式滤波器

0 引 言
    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，也在人们的关注下不断发展，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OTA(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。这些性能优点远远超过了常规电压型运算放大器。
    随着CCCⅡ以及OTA的提出，二者的优点越来越受到重视，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，频率可调谐的范围更广，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。

1 频率可调谐多功能电流模式滤波器的设计
1．1 MOCCCⅡ器件的简介
    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。

1．2 OTA器件的简介
    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。

    OTA的传输特性为：

   
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。

2 提出的电路
2．1 电路原理
    新的二阶多功能滤波器如图4所示。

    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，可以得出电路各输出端口的传输函数：

   
2．2 电路功能分析
    选取不同的输入端，在不同的输出端可以获得不同的滤波功能，而且将不同的输出端进行组合也可以得到不同的滤波功能，真正地实现了多功能。具体实现如下：
    (1)当选取Ii3=Ii，Ii1=0时，输出端Io3可以实现全通功能：

   
    (2)当选取Ii1=Ii3=Ii，Ii2=0时，输出端Io2可以实现低通功能，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个输出端可以实现高通功能：

   
    可见，滤波器的特征频率ωo可以通过电容C进行独立调节。
2．3 灵敏度的分析
    由ωo以及Q的式子，根据对数灵敏度的定义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。

3 仿真模拟
    为了验证图5电路所示的正确性，本文采用了PSpice仿真。
3．1 实际电路
    MOCCCII以及OTA分别采用如图5～图7所示的实际电路实现。

    CCCⅡ±实现电路的MOS管采用0．5 μm工艺，如表2所示。

    为了实现上述二阶特性，选取直流电压VDD=4 V，VSS=-2．4 V，偏置电流IB1=IB2=1．3μA，C1=C2=6 pF，NMOS管的尺寸L=2μm，W=10μm，PMOS管的尺寸L=1／μm，W=10μm。OTA实现电路的MOS管采用0．35μm工艺的NMOS_3p3和PMOS_3p3。取直流电压VD33=3．3 V，IB3=0．1μA。输入电流取Ii=1μA。特征频率和品质因数分别为fo=ωo／(2π)=2．7 MHz，Q=1。
3．2 多功能滤波器的幅频、相频响应
    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。

    由图可见，所得结果与理论分析十分吻合，在相当宽的频率范围内都有效，从而证实了本文提出的电路方案是正确的。
    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。

4 结 语
    本文设计的基于MOCCCⅡ和OTA的频率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，通过选择不同的输入和输出端口，能够实现二阶低通、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可以通过接地电容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，结果表明所提出的电路方案正确有效。