基于改进型第二代CMOS电流传输器的滤波器研究与设计

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近年来,以其在速度、精度、带宽、动态范围等方面的优势,电流模式的电路设计方法正在取代电压模式的传统设计方法,电流模式电路的发展和应用将把现代模拟集成电路推进到一个新的阶段。而作为电流模式电路中最通用的积木模块----第二代电流传输器(Second generation current conveyor,简称CCⅡ)也越来越收到人们重视。第二代电流传输器作为电流模式电路中最重要和最通用的有源积木块,在诸如有源滤波器、模拟信号处理、A/D和D/A转换器等方面已逐渐取代了传统的电压运放。CCⅡ的性能优劣既取决于作为两输入端口间电压跟随电路的能力、也取决于阻抗相差悬殊的两个端口间传输电流的能力,因此,实现CCⅡ的高精度与高驱动能力就必须采用合适的电路结构。模拟滤波器是滤波器的重要发展方向,而电流模式信号处理方式是当前模拟集成滤波器实现的主要方式。作为电流模式电路中最为通用模块,基于CCⅡ的连续时间滤波器的研究就显得尤为重要。由于传统的CCⅡ因其只有一输出端,由其及RC元件构成的滤波器具有以下两点不足:不能兼顾电流信号直通和反馈,电路设计较为复杂。为了解决传统CCⅡ在滤波器应用中所存在的两点不足,因此提出了一种改进型双端输出的改进型CCⅡ。本文在±1V供电电压下,设计了一种跟随精度好、频带宽的双输出的改进型第二代电流传输器。并在此基础上通过CCⅡ的级联和外加电阻、电容设计了基于改进型CCⅡ的多输出单输入和单输出多输入两种多功能滤波器电路。在CCⅡ的设计中,通过电路内部的电路结构提供偏置,达到了减少芯片面积和降低功耗的目的;采用轨对轨的输入结构,有效地提高了信号的输入输出摆幅,并做了分析。本文设计的电路采用TSMC 0.35um CMOS工艺,利用HSPICE软件对整个电路进行了仿真,仿真结果表明,该改进型CCⅡ的电压输入输出摆幅为-0.94V-0.91V,跟随误差仅0.08dB,-3dB带宽达到451.2 MHz,Z+端电流驱动能力为-2mA~1.7mA,传输误差为0.04dB,-3dB带宽达到334.3 MHz;Z-端电流驱动能力为-1.7mA-2mA,传输误差为0.02dB,-3dB带宽达到905.6 MHz,X端输入电阻仅为0.02Ω。基于改进型CCⅡ设计的多输入单输出和单输入多输出两种滤波器都实现了低通、高通、带通以及带阻的滤波特性,中心频率和品质因子可独立调节的特性,HSPICE仿真得出,滤波器理论值和仿真值基本相吻合,所提出滤波器方案正确。
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