馬一山,曾以成
(湘潭大學 微電子科學與工程系,湖南 湘潭 411105)
無線通信業務的迅速發展,要求模擬前端能適應不同制式信息的處理。因此,需要設計適應多種標準的收發電路,而可重構濾波器是其中不可或缺的部件。Fabre等人提出了稱之為跳頻濾波器(Frequency Agile Filter,FAF)的一種特殊類型可重構濾波器[1],可在信號傳輸時在兩個相鄰頻率之間快速切換,現已廣泛應用于各種定位系統[2]。因而,跳頻濾波器(FAF)的設計研究受到了廣泛關注[3-6]。文獻[3]給出了采用電流差分跨導放大器(CDTA)設計的一種0類和1類FAF結構;文獻[4]給出了由3個CDTA、2個電容和1個電阻組成的1類FAF電路;文獻[5]提出了以CDTA和電壓差分跨導放大器(VDTA)為有源器件構成的0類、1類和2類FAF電路。這些濾波結構的缺點是使用了電阻元件[3,5],或者電流輸出端接有電容,不便于使用。電流控制電流傳輸跨導放大器(CCCCTA)實際上是電流控制電流傳輸器與跨導運放組合的有源器件[7-8]。由于它的x端內部有一受偏置電流控制的寄生電阻,因而基于CCCCTA的濾波器可以不包含電阻元件[9-13]?,F有文獻還沒有找到由CCCCTA構成跳頻濾波器的報道,本文將給出以CCCCTA為有源器件設計0類、1類和2類FAF的電路。它的濾波結構只包含CCCCTA和2個接地電容無源元件,且高阻抗輸出,克服了上述文獻的不足。最后,PSPICE仿真結果也證實了提出電路的正確性。
第0類FAF功能框圖如圖1所示[3,5]。它是有1個輸入和2個輸出的二階濾波器,其中一個輸出為帶通(IBP),另一個輸出為低通(ILP)。
圖1 第0類FAF
對應的傳輸函數分別為:
中心頻率與品質因數依次為:
第1類FAF框圖如圖2所示[3,5]。
圖2 第1類FAF
它是將第0類FAF的低通輸出放大后(具有可變增益A)反饋到輸入端,傳輸函數為:
因而,中心頻率與品質因數為:
式中,f0是第0類FAF的中心頻率,Q為第0類FAF的Q因子,A是放大器的增益。
可以擴展第1類FAF采用的方法來實現第n類FAF,特征參數分別為:
CCCCTA的電路符號和功能等效電路分別如圖3(a)和圖3(b)所示。
圖3 MO-CCCCTA的符號與等效電路
它的理想端口特性為[7-8]:
式中,Rx是x輸入端的內部寄生電阻,gm為跨導增益。對于場效應管實現的電路,其Rx和gm的計算公式分別是:
其中kRX和kgm的具體表達式見文獻[8]。
提出的第0類FAF電路如圖4所示。實質上,它是能直接提供低通和帶通濾波器功能的二階濾波器。
圖4 基于CCCCTA的第0類FAF
可以推導出圖4中2個輸出端口的帶通濾波器和低通濾波器的傳輸函數依次為:
其中Rx和gm是電路中CCCCTA的x端寄生電阻和+z到輸出端±o的跨導。
由式(18)或式(19)可以求得中心頻率和品質因數為:
設計的第1類FAF電路如圖5所示。
圖5 基于CCCCTA的第1類FAF
其中,第一個CCCCTA與2個接地電容組成第0類FAF,第2個CCCCTA組成電流放大器??梢酝茖鋷▊鬏敽瘮禐椋?/p>
相應地,極點頻率與品質因數分別為:
其中Rxi和gmi中的下標i表示參數是第i個CCCCTA的,下同。
設計的第2類FAF電路如圖6所示。其中,有3個CCCCTA的控制偏置電流是相同的,也就是它們的x端內部寄生電阻Rx與±o的跨導gm是一樣的。
圖6 基于CCCCTA的第2類FAF
它的帶通傳輸函數為:
極點頻率與品質因數為:
采用MOS管構成CCCCTA[14],其中MOS管采用TSMC 0.25 μm工藝參數[15],電源電壓為±1.5 V,所要求的-z端和-o端可由交叉耦合電流鏡實現[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類、1類和2類FAF的中心頻率與品質因數與偏置電流的函數關系如表1所示??梢愿鶕嶋H需要選定一些偏置電流可變、另一些偏置電流不變來調整中心頻率與品質因數。在下面的PSPICE仿真中,對于0類FAF,選定IB=IS同時改變來調整特征參數;對于1類和2類FAF,選擇IB1=IS1同時變,而IB2與IS2不變來改變特征參數。電路中的電容都取為1 nF。
表1 特征參數與偏置電流的關系表
設定IB=IS分別為5 μA、10 μA、15 μA、20 μA和25 μA,對圖4的0類FAF進行PSPICE仿真。圖7是其幅頻特性曲線,表2列出了各種情況下的中心頻率、帶寬、Q值、最大輸出噪聲電壓和功耗,其調諧比n=fomax/fomin=5.370 3/1.659 6=3.235 9,Q值的仿真值與理論值1存在偏差。
設定IB1=IS1分別為 5 μA、10 μA、15 μA、20 μA和25 μA,而IB2=1μ A、IS2=10μA保持不變,對圖5的1類FAF進行PSPICE仿真。圖8是其幅頻特性曲線,表3給出了各種情況下的中心頻率、帶寬、Q值、最大輸出噪聲電壓和功耗,其調諧比n=8.128 3/2.570 4=3.162 3。由式(23)和式(24)可知,1類FAF的中心頻率和Q值比0類FAF的對應值大倍。由于IB2與IS2不變,故此倍數值幾乎不變,因而調諧比與0類FAF接近。
圖7 基于CCCCTA的0類FAF頻率響應
表2 基于CCCCTA的0類FAF參數
圖8 基于CCCCTA的1類FAF頻率響應
圖9 基于CCCCTA的1類FAF頻率響應
與1類FAF仿真時偏置電流選擇一樣,取IB1=IS1分 別 為 5 μA、10 μA、15 μA、20 μA 和25 μA,而 IB2=1μA、IS2=10μ A 不變,對圖 6的2類FAF電路進行PSPICE仿真。圖9是其幅頻特性曲線,表4給出了各種情況下的中心頻率、帶寬、Q值、最大輸出噪聲電壓和功耗。它的調諧比n=11.482 0/3.630 8=3.162 4。由式(26)和式(27)可知,2類FAF的中心頻率和Q值比0類的FAF的對應值大1+Rm2gm2/2倍,比1類FAF大倍。同樣,由于IB2與IS2不變,故其中心頻率與Q值比0類或1類FAF對應的值大上述倍數,而調諧比與0類或1類FAF接近。
本文提出了一種采用CCCCTA構成的電流模式0類、1類和2類跳頻濾波器,給出了相應的極點頻率和品質因數計算公式。與文獻[3-5]的相應結構比較,提出的FAF的優點主要有:電路不需要電阻,所用的2個電容是接地的,使電路易于單片集成,電路功耗更小,輸出噪聲電壓低;電流高阻輸出,便于驅動負載;調諧比較大。最后,PSPICE仿真結果證實了電路的可行性。
表3 基于CCCCTA的1類FAF參數
表4 基于CCCCTA的2類FAF參數
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