（信息与通信工程专业论文）电流模式全平衡高阶低通滤波器设计.pdf

硕十学位论文 摘要 电流模式电路因其具有高速、低功耗及结构简单等特点成为当前国内外微电 子电路与系统学界研究的前沿课题。电流模式滤波器在通信、电子测量、仪器仪 表、自动控制等方面有着广泛的应用背景。本文主要研究了基于全平衡电流控制 电流传输器( c f b c c i i ) 的高阶滤波器的设计理论、设计方法和实现电路。首先介 绍了电流模式电路的发展现状及其特点，并与传统电压模式电路做了简单的比较； 然后简单回顾了滤波器的发展历史，总结了高阶有源滤波器的设计方法；最后结 合国家自然科学基金项目( 新型差分式电流传输器及其构成的电流模式连续时间 滤波器n o 6 0 6 7 6 0 2 1 ) ，提出了三种基于c f b c c i i 的高阶滤波器电路。本文的主 要工作如下： ( 1 ) 提出了一个基于c f b c c i i 的高阶电流模式跳耦结构滤波器电路。该滤波 器电路具有全平衡的结构，即电路的所有输入输出端都采用差分形式，能最大限 度的抑制偶次谐波和共模干扰；电路采用跳耦法实现，具有极低的灵敏度；该滤 波器具有电流可调特性，当改变c f b c c i i 模块的偏置电流时，它的截止频率会随 之有规律变化；电路中只含少量接地电容，不含电阻，有利于集成；采用 o 3 5 m c m o s 工艺对所设计的跳耦结构滤波器进行了p s p i c e 仿真，仿真结果正 确，并且低通效果优良。 ( 2 ) 提出了基于c f b c c i i 的电流模式高阶多环反馈滤波器系统电路。该滤波 器系统可以通过仅改变电路的反馈网络得到多种不同结构的滤波器；滤波器同样 采用全平衡的结构，很好的抑制了偶次谐波和共模干扰；该滤波器系统不受阶数 限制，能实现任意阶的低通滤波器；n 阶滤波器仅需要n 个c f b c c i i 模块和2 n 个接地电容，不含无源电阻；仿真结果和电流可调性分析显示所提出的滤波器系 统是正确的；对滤波器的灵敏度进行分析，并用m a t l a b 画出了灵敏度曲线， 所设计的滤波器系统灵敏度很低。 ( 3 ) 提出了基于c f b c c i i 的电流模式椭圆滤波器电路。该滤波器首先用信号 流图模拟无源低通椭圆滤波器梯形网络，然后用c f b c c i i 积分器和c f b c c i i 比 例器代替信号流图中的各个模块单元；所设计的椭圆滤波器的截止频率可通过电 流控制；电路采用全平衡的结构，具有极强的抗共模干扰和偶次谐波的能力；所 有的r c 无源元件均接地，便于集成；最后进行了p s p i c e 仿真和共模增益分析。 关键词：模拟集成电路；电流模式；高阶滤波器；全平衡电流控制电流传输 器； n 电流模式全平衡高阶低通滤波器设计 a b s t r a c t c u r r e n t m o d ec i r c u i ti saf r o n ts u b je c ti nm i c r o e l e c t r o n i c s ，c i r c u i t sa n ds y s t e m s b e c a u s eo fi t sh i g hs p e e d ，l o wp o w e ra n ds i m p l es t r u c t u r e s c u r r e n t - m o d ef i l t e r a p p l i e sw i d e l yi nc o m m u n i c a t i o n ，e l e c t r o n i cm e a s u r e m e n t ，i n s t r u m e n t a p p e a r a n c e a n dc y b e r n a t i o n t h ep 印e rm a i n l ys t l l d i e sm eh i g h - o r d e rf i l t e r sd e s i g nm e t h o da n d c i r c u i tr e a l i z a t i o n sb a s e do nc u r r e n tc o n t r o lf u l l yb a l a n c e dc u r r e n tc o n v e y o ri l ( c f b c c i i ) f i r s to fa l l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dc h a f a c t e ro ft h e c u r r e n t m o d ec i r c u i t ，a n dc o m p a r e sc u r r e n t m o d ec i r c u i tw i t hv o l t a g e - m o d ec i r c u i t s i m p ly a f t e r w a r d s ， i t g i v e s as h o ni n t r o d u c t i o ni nt h eh i s t o r ) ，o ff i l t e r ，a n d s u m m a r i z e sh i g h o r d e ra c t i v ef i l t e r sd e s i g nm e t h o d s f i n a l l y ，i tp r o p o s e st h r e ek i n d s o fh i g h - o r d e rf i l t e r sc o m b i n i n gw i t ht h ep r o je c t s u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 6 0 6 7 6 0 2 1 ) t h em a i na c h i e v e m e n t sc o n s i s i to f f o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： ( 1 ) ac u r r e n t m o d eh i g h o r d e r1 e a p f r o gf i l t e rw h i c hb a s e do nc f b c c i ii sp r e s e n t e d t h ef i l t e rh a sa 向1 1 yb a l a n c e ds t r u c t u r e ，t h a ta l lo ft h ei n p u t sa n do u t p u t sa d o p t d i f - f e r e n t i a ls t r u c t u r ew h i c hc a nr e s t r a i ne v e no r d e rh a m o n i cd i s t o r t i o na n dc o n l m o n m o d ed i s t u r b i n gs i g n a l t h ef i l t e ra d o p t i n g1 e a p f r o gs t r u c t u r eh a sl o ws e n s i t i v i t y i t h a st h ep r o p e r t yo fc u r r e n tc o n t r 0 1 1 a b i l i t y ，a n dt h ec u t o f ff r e q u e n c yw i l lb ec h a n g e d w i t ht h ec h a n g e so ft h ec f b c c i i sb i a sc u r r e n t t h ep r e s e n t e dc i r c u i tc o n t a i n so n l ya f e wg r o u n d e dc a p a c i t o r sa n dn or e s i s t a n c e ，s oi t i se a s i l yt ob ei n t e g r a t e d p s p i c e s i m u l a t i o nf o rt h i sf ；i l t e ru s e s0 3 5 斗mc m o sc r a f t w o r k ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h e p r o p o s e dc i r c u i ti sv a l i da n de f 传c t i v e ( 2 ) t h ep a p e rp r e s e n t sas y s t e m a t i cm e t h o do fd e s i g n i n gd i f f b r e n t i a ln t h o r d e r f i l t e r sw i t hm u l t i p l e - l o o pf e e d b a c k d i f f e r e n tf e e d b a c kc o n s t r u c t sd i f - f e r e n tl o w p a s s f i l t e rb yt h i sm e t h o d t h i ss y s t e mh a sam l l yb a l a n c e ds t 九l c t u r ew h i c hc a nr e s t r a i n e v e no r d e rh a m o n i cd i s t o r t i o na n dc o m m o nm o d ed i s t u r b i n gs i g n a l t h ef i l t e r sh a v e n o1 i m i t a t i o no ft h eo r d e r s t h ep r o d u c e dn t h - o r d e rf i l t e r sa r ec o n s t r u c t e db yn c f b c c i i sa n d2 ng r o u n d e dc a p a c i t o r sa n dh a v en or e s i s t a n c e s i m u l a t i o nr e s u l ta n d t h ea n a l y s i so ft h ep r o p e r t yo fc u r r e n tc o n t r o l l a b i l i t ys h o wt h a tt h ep r o p o s e ds y s t e mi s c o r r e c t f r o mt h es e n s i t i v i t yc u r v eo fm a t l a b ，i tc a nb es e e nt h a tt h es y s t e mh a s l o ws e n s i t i v i t y ( 3 ) am e t h o do fd e s i g n i n gc u r r e n t m o d eh i g h o r d e re l l i p t i cf i l t e rb a s e do n m 硕士学位论文 c f b c c i ii sp r o p o s e d t h er e a l i z a t i o no ft h ep r o p o s e df i l t e ri su s i n gt h es i g n a lf l o w g r a p ht os i m u l a t et h ep a s s i v e1 0 w - p a s s1 a d d e rn e t w o r k ，a n dt h e nu s i n gi n t e g r a t o ra n d p r o p o r t i o n e rw h i c hb a s e do nc f b c c i it or e p l a c et h em o d u l ei nt h es i g n a ln o wg r a p h t h ed e s i g n e de l l i p t i cf i l t e r sc u t o f ff r e q u e n c yi sc o n t r o l l e db yt h eb i a sc u l l r e n t ，a n di t a d o p tt h e 向l l yb a l a n c e ds t l l l c t u r ew h i c hc a nr e s t r a i ne v e no r d e rh a n n o n i cd i s t o r t i o n a n dc o m m o nm o d ed i s t u r b i n gs i g n a l a 1 lt h er cc o m p o n e n t sa r eg r o u n d e d p s p i c e s i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h ea v cs h o wt h ee l l i p t i cf i l t e ri sc o r r e c t k e yw o r d s ：a n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t ；c u r r e n t m o d e ；h i g h o r d e rf i l t e r ；c u r r e n t c o n t r o u e df h i l yb a l a n c e dc u r r e n tc o n v e y o r 硕l 学位论文 插图索引 图2 1 电流模式滤波器的一般结构1 0 图2 2 理想滤波器的频率响应1 2 图2 3 巴特沃斯滤波器幅频特性曲线1 2 图2 4 切比雪夫滤波器幅频特性曲线1 3 图2 5 椭圆滤波器幅频特性曲线1 3 图3 1c f b c c i i 的电路符号1 9 图3 2c f b c c i i 的逻辑框图1 9 图3 3c f b c c i i 电路实现2 0 图3 4 基于c f b c c i i 的积分器电路2 1 图3 5 巴特沃斯滤波器四阶低通无源梯形网络2 l 图3 6 四阶跳耦滤波器的信号流图2 2 图3 7c f b c c i i 四阶跳耦结构滤波器2 2 图3 8 跳耦结构滤波器的仿真结果2 4 图3 9 跳耦滤波器的共模增益2 5 图4 1 基于c f b c c i i 的差分多环反馈滤波器系统结构电路2 8 图4 2 四种c f b c c i i 多环反馈滤波器结构3 1 图4 3 图4 2 ( a ) 的p s p i c e 仿真结果3 2 图4 4 结构二的p s p i c e 仿真结果3 2 图4 5 结构三的p s p i c e 仿真结果3 3 图4 6 结构四的p s p i c e 仿真结果3 3 图4 7 结构一中f l 、f 2 、吩r 4 的灵敏度曲线3 6 图5 1c f b c c i i 构成的比例电路3 9 图5 2 椭圆滤波器低通无源梯形网络4 0 图5 3 三阶的椭圆无源梯形网络信号流图4 1 图5 4 椭圆函数滤波器电路4 1 图5 5 基于c f b c c i i 的低通椭圆滤波器仿真结果4 3 图5 4 椭圆滤波器的共模增益4 4 v i 电流模式全平衡高阶低通滤波器设计 附表索引 表2 1r l c c r d 阻抗变换1 6 表2 2r l c l r e 阻抗变换1 7 表3 1o 3 5 p mc m o sp s p i c e 参数2 4 表3 2 跳耦滤波器的m o s 晶体管尺寸2 5 表3 2 跳耦滤波器性能比较2 6 表4 1 滤波器系统的m o s 晶体管尺寸3 2 表4 2 滤波器系统性能比较3 7 表5 1 椭圆滤波器的m o s 晶体管尺寸4 2 表5 2 椭圆滤波器性能比较4 4 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：王? 、艮日期：2 册7 年乡月歹j 日 学位论文版权使用授权书7 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 专考勃 、， 1 日期：z 口口7 年 f 月歹1 日 日期2 别年厂月1 日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在当今的信息社会中，信息经济在国民经济中占据主导地位，并构成社会信 息化的物质基础。以计算机、微电子和通信技术为主的信息技术革命是社会信息 化的动力源泉。信息技术在资料生产、科研教育、医疗保健、企业和政府管理以 及家庭中的广泛应用，正在对经济和社会发展产生着巨大而深远的影响，从根本 上改变着人们的生活方式、行为方式和价值观念。从某种意义上来说，一个民族 的经济发展程度、一个国家的兴衰成败，在很大程度上取决于它的信息处理能力。 信息技术的基础是微电子技术，而集成电路又是微电子技术的核心，是整个信息 产业和信息社会最根本的技术基础，所以对于集成电路的研究显得尤为重要。集 成电路芯片在航天、科研、医疗卫生及人们日常生活等领域也扮演着越来越重要 的角色。 ， 1 9 4 7 年，贝尔实验室肖克莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展的第一 个里程碑；1 9 5 0 年和1 9 5 1 年，结型晶体管和场效应晶体管相继诞生；1 9 5 8 年， 美国德克萨斯公司试制了世界上第一块集成电路，开创了世界微电子学的历史； 1 9 6 0 年，小规模集成电路开始批量生产；1 9 6 3 年，f m w a n l a s s 和c t s a h 首次 提出c m o s 技术；今天，9 5 以上的集成电路芯片都是基于c m o s 工艺；1 9 8 8 年，16 md r a m 问世，1 平方厘米大小的硅片上集成有3 5 0 0 万个晶体管， 标志着进入超大规模集成电路阶段。 近二十年来，以电流为信号变量的电流模式电路的巨大潜在优势逐渐被认识 并被挖掘出来，促进了模拟集成电路在低电压、低功耗等方面的发展。电流传输 器是目前电流模式电路中使用最广泛、功能最强的标准模块。 滤波器是由电路元件相互连接构成的一种选频网络，它是信号处理电路中重 要的组成部分。从1 9 1 5 年瓦格纳和坎贝尔提出滤波器的概念以来，滤波器的研究 与发展经历了无源分立r l c 元件、集成线性元件混合集成电路和单片全集成电 路的发展历程，取得了长足的进步，滤波器在信号系统中起着十分重要的作用。 1 2 电流模式电路及电流模式二阶滤波器的概述 1 2 1 电流模式电路 在电子电路中，尤其是在模拟电子电路中，人们长久以来习惯于采用电压而 不是电流作为信号变量，并通过处理电压信号来实现电路的功能。依此促成了大 电流模式全平衡高阶低通滤波器设计 量电压信号处理电路或称电压模式电路的诞生和发展。自从1 9 6 5 年第一片商用电 压模式集成运算放大器问世以来，更加确定了以电压模式运算放大器为标准部件 的模拟网络在模拟信号处理中的主宰地位。 但是，随着被处理信号的频率要求不断提高，电压运算放大器的固有缺点开 始阻碍它在高频、高速环境中的应用。电压型运算放大器的缺点之一是，它的3 分贝闭环带宽与闭环增益的乘积是常数，当带宽向高频区域扩展时，增益成比例 地下降；缺点之二是，它在大信号下输出电压的最高转换速率很低，一般只有 o 2 v s 2 0 v p s 。 近二十年来，以电流为信号变量的电路在信号处理中的巨大潜在优点逐渐被 认识并被挖掘出来，促进了一种新型电子电路：电流模式电路【1 】的发展。人们发 现，电流模式电路可以解决电压模式电路所遇到的一些难题，在速度、带宽、动 态范围等方面获得更加优良的性能。研究结果表明，在高频、高速信号处理领域 中，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向到一个新阶段。 电流模式电路的发展最早追溯到1 9 6 8 年由k c s m i t h 和a s s e d r a 提出的 电流传输器原理【2 l ，由于电流模式电路设计思想的革新而使其得以迅速发展，尤 其是近几十年以来得到了越来越广泛的研究与应用。 与传统的电压模式电路相比较，电流模式电路主要具有以下性能特点： ( 1 ) 输入阻抗低，输出阻抗高 ( 2 ) 速度快，频带宽 ( 3 ) 电源电压低，功耗小 ( 4 ) 非线性失真小 ( 5 ) 采用跨导线性原理简化电路运算 ( 6 ) 动态范围大 电流模式电路的发展主要集中在模拟电路领域，同时在电流模式接口电路 ( a d 、d a ) 和数字电路( 逻辑门电路、触发器、存储器) 方面也有一些研究成果。 与电压模式电路一样，电流模式模拟电路也有两种类型。一种是连续时间的模拟 信号处理电路，另一种是离散时间采样的模拟信号处理电路。电流模式连续时间 模拟电路主要包括静态电流镜、跨导线性电路、电流传输器、电流反馈运算放大 器( 跨阻放大器) 、跨导放大器等。电流模式离散时间模拟电路主要有动态电流镜 和开关电流电路。上述电流模式电路都是标准集成部件，用它们可以进一步设计 并集成为电流模式子系统和电流模式系统，例如连续时间滤波器、采样数据滤波 器、a d 和d a 数据变换器以及电流模式神经网络等。 1 2 2 电流模式二阶滤波器的概述 l 、单输入单输出二阶滤波器：该类滤波器一般通过改变电路中的r c 无源元 2 硕上学位论文 件的数目及性质来实现低通、带通、高通、带阻及全通等5 种滤波器，其结构较 为简单，但其存在两种不足：( 1 ) 改变滤波器功能时需要改变电路内部的无源元件 数目及性质，所以不便于集成；( 2 ) 不能同时产生多种滤波器输出。如1 9 9 0 年， sil i u 等人提出了由5 个元件及一个c c i i 构成的电流模式滤波器，改变无源元件 的性质能实现5 种滤波功能，且品质因数与固有频率能独立可调【3 】；1 9 9 8 年，王 春华等人提出了结构简单的单c c i i 电流模式滤波器【4 】，该电路的接地无源元件较 多，浮地元件较少，除了能实现二阶低、带、高通滤波器外，还能实现一阶低、 高通滤波器；2 0 0 3 年，s u n 与h e 提出了一种新型单c c i i 电流模式滤波器电路， 能产生6 组低通、带通及高通滤波器【5 】；同年，梁荣新、丘水生提出了由2 个c c i i + 及5 个接地元件构成的多功能滤波器【6 】，能产生一系列二阶低通、带通、高通滤 波器输出。 2 、单输入多输出电流模式二阶滤波器：该类滤波器的特点是可以产生同时性 多输出，但一般来说该类滤波器结构比较复杂。1 9 9 8 年，o z o g u zs 等人仅用3 个c c i i + 及5 个r c 元件构成三输出电流模式滤波器，该滤波器能同时实现低通、 带通及高通滤波输出【j ”。该电路的特点是：电路结构简单，输出阻抗高。其不足 之处：存在两个浮端r c 元件，且品质因数与固有频率不能独立调节；1 9 9 7 年， cap a p a z o g l o u 应用状态变量法提出了基于可调谐c c i i 的多输出电流模式滤波 器，通过调节c c i i 电流传输系数能独立调节滤波器参数【8 1 ；刘海文与李征帆提出 了单输入六输出电流模式滤波器【9 】，该电路除了能产生二阶低、带、高、带阻及 全通滤波器输出外，还能产生一阶低通滤波器输出；1 9 9 7 年，k i r a n o n 与k e s o m 等提出了单输入、三输出的c c c i i c 多功能电流模式滤波器，能同时实现低通、 带通及高通滤波器输出【1 0 】；2 0 0 1 年，m i n a e i 等人提出了一种新的单输入三输出电 流模式滤波器【1 1 1 ，该电路的固有频率、通频带及品质因数三者独立可调。 3 、多输入单输出电流模式二阶滤波器：该类滤波器一般是依靠改变不同的外 接输入信号来实现多种滤波功能，具有电路结构简单的优点，但却不能产生同时 性多输出。1 9 9 4 年c h a n g 等人提出了结构较为简单的仅由4 个c c i i 及4 个接地 r c 元件构成的三输入单输出电流模式滤波器【l2 1 ，能实现低通、带通、高通、带 阻、全通等五种滤波功能；2 0 0 3 年，o z c a n 等人报道了一种结构简单的三输入单 输出电流模式滤波器【”】，该电路仅由一个c c i i 和4 个r c 元件构成；2 0 0 5 年， 王等人报道了固有频率和品质因数独立可调的三输入单输出电流模式滤波器【1 4 】； 2 0 0 8 年，林鑫和江金光提出了一种基于c c i i 的三输入单输出电流模式多功能滤 波器【”】，该电路含有2 个有源器件、2 个电容和2 个电阻，可以实现高通、带通、 低通、全通和带阻滤波器；同年，黄巍和江金光提出了一种单m d d c c 的三输入 单输出多功能电流模式二阶滤波器，该电路仅包含5 个r c 无源元件，能产生二 阶高通、低通及带通滤波器【l6 1 ，电路具有结构简单、灵敏度低的特点，并且滤波 3 电流模式伞甲衡高阶低通滤波器设计 器的固有频率和品质因数相互独立可调。 1 3 电流模式高阶滤波器的研究进展 理想滤波器的幅频特性曲线从通带到阻带的过渡是阶跃式的，即不存在过渡 区。这种滤波器在工程上是不可能实现的，是一种物理不可实现的系统，然而滤 波器的阶数越高，幅频特性曲线的过渡区越窄。理论上，当滤波器的阶数接近于 无穷大时，它的幅频特性曲线将无限接近理想滤波器。因此，高阶滤波器的研究 受到了国内外学者的广泛重视，也形成了一系列高阶滤波器的设计方法。目前构成 电流模式高阶滤波器的主要积木块有跨导运算放大器( o t a ) 、第二代电流传输器 ( c c i i ) 及其改进电路( m o c c i i 、d v c c i i 等) 和电流控制电流传输器( c c c i i ) 。 l 、基于o t a 的电流模式高阶滤波器。19 9 5 年，s u n 和f i d l e r 提出了一个高 阶电流模式多输出o t a c 滤波器系统设计，滤波器采用多环反馈的结构能够实现 多种低通滤波器，n 阶滤波器需n 个o t a 和n 个接地电容【1 7 】；1 9 9 7 年，王春华 提出了一种设计电流模式n 阶o t a c 滤波器的新方法：使用单端输入双端输出的 电流放大器和单端输入三端输出的电流积分器对n 阶电流传递函数的信号流图进 行综合，可实现n 阶低通、高通、带通等类型的o t a c 电流模式滤波器【1 8 】；2 0 0 5 年，龙英和李仲阳提出了一种新的电流模式高阶o t a c 高通滤波器的设计方法 【”】，由该方法导出的滤波器具有最少的元件，n 阶滤波器仅需n 个0 t a 和n 个电 容，且所有电容均接地；2 0 0 6 年，彭良玉等人提出了用信号流图法设计n 阶基于 o t a 和c c i i 的电流模式低通滤波器的方法【2 0 1 ，该滤波器由具有双端输出的o t a 和第二代电流传输器及接地电容构成，n 阶滤波器需要n 个o t a 和1 个c c i i ，所 有的无源电阻和电容接地。 2 、基于c c i i 及改进c c i i 的电流模式高阶滤波器。1 9 9 5 年，g u n e s 等人用 信号流图法实现了c c i i 电流模式滤波器【2 1 1 ，该滤波器中所有r c 元件均接地，但 灵敏度比基于梯形结构的滤波器高；1 9 9 4 年及1 9 9 6 年韩庆全、郭静波及肖高标 等人分别用跳耦法实现c c i i 电流模式高阶低通滤波器【2 2 。2 3 1 ，用该方法实现出的 滤波器不仅能保持梯形结构灵敏度低的特点，而且所有r c 元件均接地；1 9 9 9 年， 何怡刚提出了一种基于m o c c i i 的实现n 阶高通传输函数的电流模式滤波器【2 4 1 ， 该滤波器采用了f l f 结构，含有的元件个数较少，且所有的无源元件均接地，文 中还给出了一个四阶b u t t e n ) l r o n h 高通滤波器举例；2 0 0 0 年，郭继昌和滕建辅等人 用级联法实现了高阶电流模式滤波器【2 5 1 ，并解决了零极点配对、级联顺序和增 益分配问题；同年，石文孝和韩庆全提出了基于m d d c c 的跳耦结构四阶巴特沃 斯低通滤波器【2 6 1 ，对其应用1 2 u mc m o s 参数进行了计算机仿真，结果表明所提 出的电路方案正确有效；2 0 0 1 年，王春华等人报道了用回转器法实现无源梯形结 构电流模式滤波器【2 7 1 ，并对c c i i 的非理想特性进行了分析，提出了补偿方法； 4 硕上学位论文 2 0 0 2 年，t o m a s 等人提出了基于d v c c i i 的带阻滤波器和高通滤波器，并在此基 础上提出了基于d v c c i i 的四阶低通椭圆滤波器电路【2 引，该结构的滤波器灵敏度 较低并且结构比较简单；2 0 0 4 年，王春华、沈光地提出了一种多输入单输出的n 阶电流模式滤波器电路【2 引，该滤波器电路仅依靠改变外部输入电流信号的接入数 目和方式来实现不同功能的滤波器，而电路内部结构及器件数目不变，它包含，l + 1 个有源器件、刀个电容及刀+ 2 个电阻，该电路能产生n 阶低通、带通、高通及带 阻电流模式滤波器；2 0 0 8 年，y a n h u i 和x u e 通过对滤波器的无源梯形网络中各 个节点电压电流关系的分析提出了基于d v c c i i 的五阶b u t t e r w o r t h 的跳耦结构滤 波器，电路包含了5 个d v c c i i 、8 个接地电阻和5 接地个电容，文章还提出了一 个基于d v c c i i 的六阶c h e b y s h e v 带通滤波器，该电路结构包含了6 个d v c c i i 、 1 1 个接地电阻和5 接地个电容，两种滤波器都具有较低的灵敏度和较好的线性度 【3 0 】 a 4 、基于c c c i i 的电流模式高阶滤波器。2 0 0 3 年，彭良玉、何怡刚等人提出了 电流模式n 阶c c c i i c 低通滤波器的系统设计方法【3 1 】，用该方法可以产生多种形式 的n 阶c c c i i c 滤波器；2 0 0 4 年，m a h e s h w a r i 等人提出了新的可级联的c c c i i 电流 模式滤波器，并且具有很小的失真度【3 2 】；2 0 0 5 年，彭良玉等人通过对系统函数进 行直接模拟提出了一个基于c c c i i 的高阶的全极点带通滤波器电路【3 3 l ，n 阶滤波器 仅需要刀+ 1 或以个c c c i i ，一个m o c c i i ，1 个或0 个接地电阻和以个接地电容；2 0 0 6 年，李志军、王春华和鲁光德提出了一种基于m o c c c i i c 的n 阶通用模式滤波器 【3 4 1 ，该电路采用单输入多输出的形式，通过对不同输出信号的选择得到不同功能 的滤波器，n 阶滤波器仅由n + 1 个有源滤波器和n 个接地电容组成；2 0 0 7 年，王春 华、李仁发、何海珍等人利用信号流图理论构造出n 阶多输入单输出电流模式滤波 器的信号流图，再根据信号流图综合出了基于c c c i i 的滤波器电路【3 5 】，用该方法 可以实现出n 阶低通、带通、高通及带阻电流模式滤波器，n 阶滤波器电路仅由n 个c c c i i ，n 个电容及一个多端输出的电流镜构成。基于c c c i i 和m o c c c i i 的滤波 器全都具有可调特性，可以通过改变电流传输器的偏置电流来达到调节截止频率 和品质因数的目的。 基于o t a 的高阶滤波器其工作频率很高，可以达到1 0 0 m h z ，甚至更高，具 有电控能力，其跨导参数可以通过外部电压或者电流控制，但是o t a 高阶滤波器 的动态范围较小，线性度也较差；基于c c i i 的高阶滤波器的线性度较好，动态范 围较大，但是不能对截止频率进行电流控制；基于c c c i i 的高阶滤波器线性度 较好，动态范围较大，也具备截止频率电流可调的特性，但难以构成差分式电流 模式滤波器，以至难以抑制偶次谐波和共模干扰。 1 4 本文研究的目的和意义 5 电流模式伞甲衡高阶低通滤波器设计 本文将致力于基于全平衡电流控制电流传输器( c f b c c i i ) 的电流模式高阶有 源滤波器设计的研究。 近年来，电流模式电路因速度快，频带宽，功耗低，线性度好等性能，取得 了迅速的发展，开创了电压、电流模式滤波器共同发展，相互补充，相互兼容的新 格局。特别是电流模式滤波器可以低电压供电而不影响其信号处理能力，从而为 系统进一步微型化、系统的集成度和降低功耗水平再上一个新的台阶打下基础。 有源滤波器在通带内能量损耗小，负载效应不明显，多级相连时相互影响很 小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、 功耗低。因此有源滤波器在通信、控制、计算机以及其他领域扮演着重要的角色。 电流传输器是一种功能很强的标准部件，将电流传输器与其他电子元件组合 可以十分简单地构成各种特定的电路结构，实现多种模拟信号的处理功能。电流 传输器作为一种电流模式电路可以方便地实现模拟电子技术中的几种最基本的信 号处理功能( 加减、积分等) 。而且，电流传输器具有电压输入端和电流输入端， 因此，利用电流传输器可以方便地实现电压模式信号处理电路，也可以方便地实 现电流模式信号处理电路。带有差分结构的电流传输器在继承了单端电流传输器 优点的基础上，能够抑制偶次谐波和共模信号干扰，为高性能的电流模式滤波器 设计提供了模块基础。 因此，本文结合国家自然科学基金项目( 新型差分式电流传输器及其构成的 电流模式连续时间滤波器n o 6 0 6 7 6 0 2 1 ) ，提出了三种基于c f b c c i i 的高阶滤波器 电路，对基于差分式电流传输器的高阶电流模式有源滤波器设计的研究具有重要 价值。 1 5 本论文的主要研究内容 1 5 1 基于c f b c c i i 的高阶跳耦结构滤波器设计 跳耦滤波器是通过直接模拟无源l c 梯形网络的电流电压关系实现的，它保 留了无源l c 网络灵敏度低的优点，所以研究跳耦结构的高阶电流模式滤波器具 有重要意义。本文将通过对巴特沃斯无源梯形网络各支路电流电压关系的分析， 用信号流图的方法设计出一个基于c f b c c i i 的四阶全极点低通跳耦结构滤波器， 并对所设计的滤波器进行p s p i c e 仿真及各性能分析。 1 5 2 基于c f b c c i i 的高阶多环反馈滤波器的系统设计 文章还提出了一种基于c f b c c i i 的差分式全极点n 阶多环反馈电流模式滤波 器的系统设计方法。该系统可以通过不同反馈实现不同结构的低通滤波器。所设 计的滤波器的截止频率具有电流可调性，滤波器不受阶数限制。电路采用全平衡 结构，能有效地抑制偶次谐波及共模信号，扩宽了差分信号的动态范围。所有的 n 阶滤波器均由n 个c f b c c i i 及2 n 个电容元件构成，所有的电容元件都接地， 6 硕十学位论文 便于集成。最后还对所设计的滤波器进行仿真和灵敏度分析。 1 5 3 基于c f b c c i i 的高阶椭圆滤波器设计 椭圆滤波器与其它常用种类的滤波器( 巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器) 相 比，在阶数相同时具有更窄的过渡带宽，因此在通信系统中具有广泛的应用。本 文将提出一个基于c f b c c i i 的低通椭圆滤波器，首先用信号流图模拟低通无源椭 圆滤波器无源梯形网络，用基于c f b c c i i 的积分器和比例器代替信号流图中的各 个模块，然后确定参数并对所设计电路进行p s p i c e 仿真和截止频率电流可调性 能分析以及共模增益分析。 1 6 本文的结构安排 本论文内容总体上分为五章： 第1 章引言。简要的介绍本课题目前的研究现状、电流模式电路及其性能特 点；对电流模式二阶滤波器以及高阶滤波器进行了详细的综述；最后阐明了本论 文的研究目的以及研究的主要内容。 第2 章滤波器的基本理论。本章首先简要的回顾了滤波器发展的历史；然后 简要介绍了滤波器的基础知识；最后比较系统的介绍了高阶滤波器的设计方法。 第3 章基于c f b c c i i 的高阶跳耦结构滤波器的设计。本章先通过文献综述的 形式简要介绍和比较过去文献中所出现的跳耦结构滤波器的性能和优缺点，提出 设计基于c f b c c i i 的跳耦结构滤波器的设想；然后详尽的介绍了基本的电流传输 器模块c f b c c i i 的电路结构和端口特性，并提出了基于c f b c c i i 的无损积分器 和有损积分器电路；接着提出了跳耦结构的低通滤波器电路，并对此电路进行 p s p i c e 仿真、截止频率电流可调性能分析和共模增益分析。 第4 章基于c f b c c i i 的高阶多环反馈滤波器的系统设计。本章首先比较了以 往文献中所出现的多环反馈滤波器系统，明确了以往各系统的缺点和不足，在此 基础上提出具有全平衡结构并且具有电流可调性能的多环反馈滤波器的系统设计 构想；接着提出了具有两个反馈网络的滤波器系统结构，并对此结构进行公式模 拟，推导出它的传输函数矩阵；通过选择滤波器不同的反馈矩阵得到了四种四阶 低通滤波器电路，对所得到的电路一一进行p s p i c e 仿真，并对部分电路进行截 止频率电流可调性能分析；最后对所设计的滤波器系统进行灵敏度分析。 第5 章基于c f b c c i i 的高阶椭圆滤波器设计。本章同样先对近期有关高阶椭 圆滤波器的文献进行简单综述，系统的比较了不同方法以及基于不同有源模块的 椭圆滤波器的优缺点；接着提出了用信号流图方法设计的三阶椭圆滤波器电路， 并对所设计的电路进行p s p i c e 仿真；对截止频率电流可调性能和抗共模反馈性 能进行分析； 7 电流模式伞甲衡高阶低通滤波器设计 最后对本论文所做的工作进行总结，并对以后高阶滤波器的设计进行展望， 并提出进一步构想。 硕十学位论文 第2 章滤波器的基本理论 2 1 滤波器的历史回顾 滤波器理论作为一门学科发展至今已有近八十年历史【3 们。最早有关滤波器的 概念源于瓦格纳( w a g n e r ) 和坎贝尔( c a m p e l l ) 于1 9 1 5 年发明的无源滤波器。早期 的滤波器基本上是用无源分立的r l c 元件实现的无源滤波器。本世纪二十年代， 以影象参数法为代表的经典滤波器理论形成。这种设计方法的特点是数学计算简 单，但实际衰减特性和理论相差较大，难以估计和计算，使用的元件也较多。近 代滤波器的理论基础是以达林顿发明的插入损耗综合法，这种方法比经典法更具 有普遍性和有效性。 2 0 世纪5 0 年代以后，随着集成电路技术的发生和发展，有源滤波器开始形成 并取得了迅速的发展，成为当今滤波器的发展主流。最早的有源滤波器可追溯到 1 9 3 8 年s c o t t 的选择性放大器；1 9 5 4 年，l i n v l l 用负阻抗变换器实现了第一个有源 滤波器；1 9 5 5 年，s a l l e n 和k e y 应用单放大器实现了有源r c 滤波器，开辟了设计有 源r c 滤波器的新的技术途径；1 9 6 5 年，单片集成运算放大器研制成功，使人们用 有源技术模拟电感进而完全取代电感成为可能，为有源r c 滤波器实现奠定了理论 基础和物质基础；七十年代发展起来的混台集成电路技术把有源r c 滤波器推向成 熟，成为滤波器学科发展史上的重要里程碑。 现代滤波器学科的发展是集成电路技术发展