《電子技術(shù)應(yīng)用》
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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
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
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
摘要： 針對高階濾波器體積大和功耗高的問題,提出了一種基于多輸出電流差分級聯(lián)跨導(dǎo)放大器的電流模式n階低通濾波電路。該電路不含任何電阻，僅使用1個新的多輸出電流差分級聯(lián)跨導(dǎo)放大器和若干接地電容，能實(shí)現(xiàn)任意階低通濾波器功能。使用CADENCE進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試，電路芯片面積僅0.04 mm2，仿真功耗僅4.18 mW，最大3 dB截止頻率500 MHz。三階巴特沃斯低通濾波器仿真與瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)證明了理論的正確性。
中圖分類號： TN43
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.
A high integrated and low power high-order active low-pass filter using single MO-CDCTA
Luo Jia，Sun Liang，Wu Zhiguang
Department of Mechanical and Electrical Technology，Chizhou Vocational and Technical College，Chizhou 247000，China
Abstract： In order to solve problems of low integrated and high power consumption in high-order filter, a novel nth-order low pass filter employing multiple-output current differencing cascaded transconductance amplifier(MO-CDCTA) was proposed. The designed circuit does not contain any resistors. With only one multiple-output current differencing cascaded transconductance amplifier and some grounded capacitors, this circuit could achieve current transfer functions of low pass. In CADENCE software, the circuit chip was only 0.04 mm2，the largest power consumption was only 4.18 mW, and the maximum 3 dB cutoff frequency was up 500 MHz. Moreover, third-order Butterworth filter simulation and transient response experiment results validated the theoretical analysis.
Key words : nth-order low pass filter；CDCTA；current-mode；low power；high integrated

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(diǎn)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：

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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。

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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(shí)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。

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    根據(jù)圖3和式(1)~式(3)，電路輸出方程有：

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3 靈敏度分析

    在真實(shí)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>

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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。

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    為驗(yàn)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：

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    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。

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    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%。

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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(shí)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(diǎn)：(1)電路所含器件最少，結(jié)構(gòu)簡單；(2)無浮點(diǎn)無源元件，易于集成；(3)電源電壓低，功耗?。?4)靈敏度低，穩(wěn)定性好。基于這些特點(diǎn)，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)

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