文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182483
中文引用格式： 羅佳，孫亮，吳志光. 基于單片MO-CDCTA的高集成低功耗高階有源低通濾波器的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(6)：61-64，69.
英文引用格式： Luo Jia，Sun Liang，Wu Zhiguang. A high integrated and low power high-order active low-pass filter using single MO-CDCTA[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(6)：61-64，69.
0 引言
近年來，有源濾波器因其結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越以及應(yīng)用靈活而被廣泛應(yīng)用于許多信號處理領(lǐng)域[1]。電流差分跨導(dǎo)放大器(Current Differencing Transconductance Amplifier，CDTA)是一種功耗低、寬頻帶、線性度好的電流模式有源器件[2]。基于CDTA的電流模式濾波器已經(jīng)被大量提出[3-6]。然而，它們都有一個致命的缺陷：需要多個有源器件，電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，集成度非常低。最近，有學(xué)者在CDTA的基礎(chǔ)上提出了電流差分級聯(lián)跨導(dǎo)放大器(Current Differencing Cascaded Transconductance Amplifier，CDCTA)[7]，它不僅繼承了CDTA的所有電路性能，而且彌補(bǔ)了CDTA端口少且固定的缺陷，是一種功能強(qiáng)大和端口靈活的電流模式有源器件。CDCTA的提出極大地改善了高階電路在有源器件數(shù)目、芯片面積和功耗等方面的性能[8-10]。然而，受限于器件的芯片體積、性能等因素，高集成、低功耗高階濾波器在國內(nèi)外卻鮮有報道。本文在CDCTA的基礎(chǔ)上提出了一種多輸出電流差分級聯(lián)跨導(dǎo)放大器(Multiple Output Current Differencing Cascaded Transconductance Amplifier，MO-CDCTA)，并使用它設(shè)計了一種高階低通濾波器電路。
1 MO-CDCTA描述
多輸出電流差分級聯(lián)跨導(dǎo)放大器是一種結(jié)合了跨導(dǎo)放大器(Operation Transconductance Amplifier，OTA)和CDTA優(yōu)點的新型電流模器件，由MO-CDCTA構(gòu)成的電路，其性能優(yōu)于OTA、第二代電流傳輸器(Second Generation Current Conveyor，CCII)和CDTA組成的相應(yīng)電路。MO-CDCTA的元件符號和等效電路分別如圖1和圖2所示，理想情況下的輸入輸出端口特性可表示如下：
式中，p端口和n端口為MO-CDCTA的低阻抗電流輸入端，z端口和Xi端口為它的高阻抗電流輸出端，gmi為它的第i級跨導(dǎo)增益，可由偏置電流IBi線性調(diào)諧，VT為熱電壓。當(dāng)在z端口和Xi端口分別存在一個外部阻抗Rz和Rx時，z端口和Xi端口上的電壓Vz和Vxi能夠通過跨導(dǎo)轉(zhuǎn)變成下一級的輸出電流Ixi。顯然，這種高靈活度的端口特性非常適合于高階電路的設(shè)計。
2 n階低通濾波器的設(shè)計
圖3給出了基于多輸出電流差分級聯(lián)跨導(dǎo)放大器的低通模擬集成電路設(shè)計圖，它僅需一個MO-CDCTA和n個接地電容，就可以簡便地實現(xiàn)n階低通濾波函數(shù)功能。因此，這種結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)n階濾波器電路被大大簡化，非常適合于高度集成。如圖所示，Iin是濾波器的輸入信號，Iout是它的輸出信號。
根據(jù)圖3和式(1)~式(3)，電路輸出方程有：
3 靈敏度分析
在真實環(huán)境中，MO-CDCTA由于存在寄生電流和寄生阻抗，其端口特性改變?yōu)椋?/p>
4 CADENCE設(shè)計與調(diào)試
為了研究電路的集成度、功耗以及頻率等性能，使用CADENCE軟件設(shè)計并仿真了所提出的n階低通濾波器。MO-CDCTA內(nèi)部電路使用了文獻(xiàn)[9]的電路參數(shù)，采用TSMC 0.18 μm CMOS工藝進(jìn)行版圖設(shè)計，芯片版圖面積僅0.04 mm2，如圖4所示。此外,通過測試得到仿真功耗僅為4.18 mW。
為驗證上述分析，設(shè)計并仿真了一個截止頻率為10 MHz 的三階巴特沃斯濾波器，其電路圖如圖5所示，理論輸出函數(shù)為：
為方便計算，取MO-CDCTA跨導(dǎo)增益gm=1 S，從而設(shè)置到內(nèi)部電路參數(shù)VDD=-VSS=1.25 V，IO=30 μA，IB=528.14 μA。根據(jù)三階巴特沃斯濾波器函數(shù)理論，當(dāng)3 dB截止頻率為10 MHz時，電容分別取值C1=73.92 pF，C2=30.12 pF，C3=2.65 pF。理論與仿真結(jié)果如圖6所示，仿真頻率為9.98 MHz，頻率偏差率為0.02%，仿真結(jié)果與理論分析完全一致。
為測試三階低通濾波器瞬態(tài)響應(yīng)，取振幅為15 μA，震蕩頻率為100 kHz的正弦信號為輸入信號，輸出結(jié)果如圖7所示。由測試結(jié)果可知，濾波器輸出信號與輸入信號相位偏移僅為0.03°。此外，為了證明所提出的電路具有極低的靈敏度和較好的穩(wěn)定性，做了電路總諧波失真測試。當(dāng)輸入信號取500 kHz正弦輸入信號時，THD仿真結(jié)果如圖8所示。顯然當(dāng)濾波器輸入電流低于40 μA時，電路的總諧波失真度小于3.5%。
5 結(jié)論
本文提出了一種新穎的MO-CDCTA，并用它作為有源器件，實現(xiàn)了n階電流模式低通濾波器電路。該電路僅包含1個MO-CDCTA有源器件且具有以下鮮明特點：(1)電路所含器件最少，結(jié)構(gòu)簡單；(2)無浮點無源元件，易于集成；(3)電源電壓低，功耗小；(4)靈敏度低，穩(wěn)定性好。基于這些特點，該電路可以應(yīng)用在電子設(shè)備和控制測量等多種信號處理系統(tǒng)中。
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作者信息：
羅 佳，孫 亮，吳志光
(池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)系，安徽 池州247000)