用CCCCTA设计跳频滤波器*

2018-05-25 03:09马一山曾以成
通信技术 2018年5期
关键词:偏置滤波器电阻

马一山,曾以成

(湘潭大学 微电子科学与工程系,湖南 湘潭 411105)

0 引 言

无线通信业务的迅速发展,要求模拟前端能适应不同制式信息的处理。因此,需要设计适应多种标准的收发电路,而可重构滤波器是其中不可或缺的部件。Fabre等人提出了称之为跳频滤波器(Frequency Agile Filter,FAF)的一种特殊类型可重构滤波器[1],可在信号传输时在两个相邻频率之间快速切换,现已广泛应用于各种定位系统[2]。因而,跳频滤波器(FAF)的设计研究受到了广泛关注[3-6]。文献[3]给出了采用电流差分跨导放大器(CDTA)设计的一种0类和1类FAF结构;文献[4]给出了由3个CDTA、2个电容和1个电阻组成的1类FAF电路;文献[5]提出了以CDTA和电压差分跨导放大器(VDTA)为有源器件构成的0类、1类和2类FAF电路。这些滤波结构的缺点是使用了电阻元件[3,5],或者电流输出端接有电容,不便于使用。电流控制电流传输跨导放大器(CCCCTA)实际上是电流控制电流传输器与跨导运放组合的有源器件[7-8]。由于它的x端内部有一受偏置电流控制的寄生电阻,因而基于CCCCTA的滤波器可以不包含电阻元件[9-13]。现有文献还没有找到由CCCCTA构成跳频滤波器的报道,本文将给出以CCCCTA为有源器件设计0类、1类和2类FAF的电路。它的滤波结构只包含CCCCTA和2个接地电容无源元件,且高阻抗输出,克服了上述文献的不足。最后,PSPICE仿真结果也证实了提出电路的正确性。

1 FAF的实现框图

1.1 第0类FAF

第0类FAF功能框图如图1所示[3,5]。它是有1个输入和2个输出的二阶滤波器,其中一个输出为带通(IBP),另一个输出为低通(ILP)。

图1 第0类FAF

对应的传输函数分别为:

中心频率与品质因数依次为:

1.2 第1类FAF

第1类FAF框图如图2所示[3,5]。

图2 第1类FAF

它是将第0类FAF的低通输出放大后(具有可变增益A)反馈到输入端,传输函数为:

因而,中心频率与品质因数为:

式中,f0是第0类FAF的中心频率,Q为第0类FAF的Q因子,A是放大器的增益。

1.3 第n类FAF

可以扩展第1类FAF采用的方法来实现第n类FAF,特征参数分别为:

2 基于CCCCTA的跳频滤波器设计

2.1 CCCCTA的特性

CCCCTA的电路符号和功能等效电路分别如图3(a)和图3(b)所示。

图3 MO-CCCCTA的符号与等效电路

它的理想端口特性为[7-8]:

式中,Rx是x输入端的内部寄生电阻,gm为跨导增益。对于场效应管实现的电路,其Rx和gm的计算公式分别是:

其中kRX和kgm的具体表达式见文献[8]。

2.2 第0类FAF

提出的第0类FAF电路如图4所示。实质上,它是能直接提供低通和带通滤波器功能的二阶滤波器。

图4 基于CCCCTA的第0类FAF

可以推导出图4中2个输出端口的带通滤波器和低通滤波器的传输函数依次为:

其中Rx和gm是电路中CCCCTA的x端寄生电阻和+z到输出端±o的跨导。

由式(18)或式(19)可以求得中心频率和品质因数为:

2.3 第1类FAF

设计的第1类FAF电路如图5所示。

图5 基于CCCCTA的第1类FAF

其中,第一个CCCCTA与2个接地电容组成第0类FAF,第2个CCCCTA组成电流放大器。可以推导其带通传输函数为:

相应地,极点频率与品质因数分别为:

其中Rxi和gmi中的下标i表示参数是第i个CCCCTA的,下同。

2.4 第2类FAF

设计的第2类FAF电路如图6所示。其中,有3个CCCCTA的控制偏置电流是相同的,也就是它们的x端内部寄生电阻Rx与±o的跨导gm是一样的。

图6 基于CCCCTA的第2类FAF

它的带通传输函数为:

极点频率与品质因数为:

3 PSPICE仿真结果

采用MOS管构成CCCCTA[14],其中MOS管采用TSMC 0.25 μm工艺参数[15],电源电压为±1.5 V,所要求的-z端和-o端可由交叉耦合电流镜实现[11]。由式(16)、式(17)和式(20)、式(21)、式(24)、式(24)、式(26)、式(27)可推出的上述0类、1类和2类FAF的中心频率与品质因数与偏置电流的函数关系如表1所示。可以根据实际需要选定一些偏置电流可变、另一些偏置电流不变来调整中心频率与品质因数。在下面的PSPICE仿真中,对于0类FAF,选定IB=IS同时改变来调整特征参数;对于1类和2类FAF,选择IB1=IS1同时变,而IB2与IS2不变来改变特征参数。电路中的电容都取为1 nF。

表1 特征参数与偏置电流的关系表

3.1 第0类FAF仿真结果

设定IB=IS分别为5 μA、10 μA、15 μA、20 μA和25 μA,对图4的0类FAF进行PSPICE仿真。图7是其幅频特性曲线,表2列出了各种情况下的中心频率、带宽、Q值、最大输出噪声电压和功耗,其调谐比n=fomax/fomin=5.370 3/1.659 6=3.235 9,Q值的仿真值与理论值1存在偏差。

3.2 第1类FAF仿真结果

设定IB1=IS1分别为 5 μA、10 μA、15 μA、20 μA和25 μA,而IB2=1μ A、IS2=10μA保持不变,对图5的1类FAF进行PSPICE仿真。图8是其幅频特性曲线,表3给出了各种情况下的中心频率、带宽、Q值、最大输出噪声电压和功耗,其调谐比n=8.128 3/2.570 4=3.162 3。由式(23)和式(24)可知,1类FAF的中心频率和Q值比0类FAF的对应值大倍。由于IB2与IS2不变,故此倍数值几乎不变,因而调谐比与0类FAF接近。

图7 基于CCCCTA的0类FAF频率响应

表2 基于CCCCTA的0类FAF参数

图8 基于CCCCTA的1类FAF频率响应

图9 基于CCCCTA的1类FAF频率响应

3.3 第2类FAF仿真结果

与1类FAF仿真时偏置电流选择一样,取IB1=IS1分 别 为 5 μA、10 μA、15 μA、20 μA 和25 μA,而 IB2=1μA、IS2=10μ A 不变,对图 6的2类FAF电路进行PSPICE仿真。图9是其幅频特性曲线,表4给出了各种情况下的中心频率、带宽、Q值、最大输出噪声电压和功耗。它的调谐比n=11.482 0/3.630 8=3.162 4。由式(26)和式(27)可知,2类FAF的中心频率和Q值比0类的FAF的对应值大1+Rm2gm2/2倍,比1类FAF大倍。同样,由于IB2与IS2不变,故其中心频率与Q值比0类或1类FAF对应的值大上述倍数,而调谐比与0类或1类FAF接近。

4 结 语

本文提出了一种采用CCCCTA构成的电流模式0类、1类和2类跳频滤波器,给出了相应的极点频率和品质因数计算公式。与文献[3-5]的相应结构比较,提出的FAF的优点主要有:电路不需要电阻,所用的2个电容是接地的,使电路易于单片集成,电路功耗更小,输出噪声电压低;电流高阻输出,便于驱动负载;调谐比较大。最后,PSPICE仿真结果证实了电路的可行性。

表3 基于CCCCTA的1类FAF参数

表4 基于CCCCTA的2类FAF参数

参考文献:

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