基于电流传输器的有源滤波电路和设计

2012届毕业设计说明书基于电流传输器的有源滤波电路的设计系、部学生姓名指导教师职称专业班级完成时间摘要近年来，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SECONDGENERATIONCURRENTCONVEYOR,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，在如有源滤波器、模拟信号处理、A/D和D/A转换器等方面己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IC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的有源滤波器的研究就显得尤为重要。由于传统的CCII因其只有输出端，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，因此提出了一种单端输出的CCII。本文在士1V供电电压下，设计了一种跟随精度好、频带宽的单输出的第二代电流传输器。并在此基础上通过CCII的级联和外加电阻、电容设计基于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TSMC035UMCMOS工艺，利用MULTISIM软件对整个电路进行了仿真。基于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，中心频率和品质因素可独立调节的特性,MULTISIM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。关键词电流模式第二代电流传输器轨对轨滤波器ABSTRACTINRECENTYEARS,THEDESIGNMETHODOFTHECURRENTMODELCIRCUITISINSTEADINGOFTHEDESIGNMETHODOFTHEVOLTAGEMODELCIRCUITFORTHEIRSPEED、PRECISION,BANDWIDTHANDDYNAMICRANGEETCTHEDEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFTHECURRENTMODELCIRCUITWILLPUSHTHEMODERNANALOGCIRCUITSTOANEWSTAGETHESECONDGENERATIONCURRENTCONVEYORCCIIASTHEMOSTCOMMONBUILDINGBLOCKSMODULEINTHECURRENTMODELCIRCUITHASGAINEDTHEATTENTIONOFRESEARCHTHESECONDGENERATIONCURRENTCONVEYORHASBEENUSEDASTHEMOSTIMPORTANTANDVERSATILEACTIVEBUILDINGBLOCKSINCURRENTMODELCIRCUITTODAYTHEREPLACETHECONVENTIONALOPAMPINSOMANYAPPLICATIONSSUCHASACTIVEFILTERS,ANALOGSIGNALPROCESSIONANDAID,D/ACONVERTERSTHEFUNCTIONOFCCIIISMAINLYDECIDEBYTHEACCURACYOFCURRENTANDVOLTAGETRANSFER,SOWEMUSTADOPTTHEFITCIRCUITSTRUCTURETOACHIEVEANACCURATEVOLTAGECONTROLANDHIGHCURRENTDRIVINGCAPABILITYTHEANALOGFILTERISANIMPORTANTDEVELOPINGDIRECTIONINFILTERCURRENTSIGNALPROCESSINGISONEOFTHEMOSTIMPORTANTMETHODSINANALOGINTEGRATEDFILTERSTHERESEARCHOFTHECONTINUOUSTIMEFILTERBASEDONCCIIASTHEMOSTCOMMONBUILDINGBLOCKSMODULEISMOREIMPORTANTFILTERCONSTITUTEDBYONEINPUTCONVENTIONALCCIIANDRCHAVETWOFAULTSADIRECTINGANDFEEDBACKOFCURRENTCANTCOEXISTBFILTERCIRCUITISTOOCOMPLEXTHEMODIFIEDMUFTIOUTPUTCCIIISPRESENTEDTOSOLVETWOFAULTSINTHISPAPER,ANOVELCMOSRAILTORAILSELFBIASEDMUFTIOUTPUTSECONDGENERATIONCURRENTCONVEYORWITH士1VPOWERSUPPLYISPRESENTEDWHICHACHIEVEANACCURATECURRENTANDVOLTAGETRANSFERANDWIDEBANDWIDTHWEALSODESIGNAMUFTIINPUTSINGLEOUTPUTVOLTAGEMODELSECONDORDERFILTERANDASINGLEINPUTMUFTIOUTPUTCURRENTMODELSECONDORDERACTIVEFILTERBASEDONCCIIANDRESISTANCE,CAPACITANCEINTHEDESIGNOFCCII,ITADOPTSTHERAILTORAILINPUTSTRUCTURETOIMPROVETHESIGNALSWINGTHANKSTOITSSELFBIASCIRCUIT,THEPROPOSEDCCIIIREDUCECHIPAREASANDLOWPOWERCONSUMPTIONINADDITION,THEIMPACTOFTHERAILTORAILINPUTSTRUCTUREISANALYZEDSIMULATIONRESULTUSINGHSPICEWITHTSMC035UMTECHNOLOGYAREALSOPRESENTED,SIMULATIONRESULTSHOWTHATTHECCIIHASACHIEVEA094V091VVOLTAGEDYNAMICRANGEANDVOLTAGETRANSFERERROREQUALTO008DBWITH3DBFREQUENCYOFABOUT4512MHZTHECURRENTDRIVINGRANGEIS2MA17MAANDCURRENTTRANSFERERRORBETWEENTERMINALZANDXIS002DBWITH3DBFREQUENCYBANDWIDTHOFABOUT3341MHZTHECURRENTDRIVINGRANGEIS17MA2MAANDCURRENTTRANSFERERRORBETWEENTERMINALZANDXIS005DBWITH3DBFREQUENCYBANDWIDTHOFABOUT6658MHZTHERESISTANCEOFTERMINALXONLYIS002S2WITHAPOWERCONSUMPTIONOMUFTIINPUTSINGLEOUTPUTVOLTAGEMODELSECONDORDERFILTERANDSINGLEINPUTMUFTIOUTPUTCURRENTMODELSECONDORDERACTIVEFILTERBASEDONSECONDGENERATIONCURRENTCONVEYORISPRESENTED,WHICHREALIZETHECHARACTERISTICOFLOWPASS、HIGHPASS、BANDPASSANDBANDELIMINATION,SEPARATELYADJUSTABLECENTREFREQUENCYANDTHEQUALITYFACTORQTHEORETICALANALYSISANDCOMPUTERSIMULATIONINDICATETHATTHEPROPOSEDCIRCUITSAREEFFECTIVEKEYWORDCURRENTMODELSECONDGENERATIONCURRENTCONVEYORRAILTORAILFILTER目录1绪论111序言112本论文研究的背景与意义113电流传输器及其滤波器的国内外研究现状4131电流传输器的国内外发展和研究现状4132基于CCII滤波器的国内外发展和研究现状614研究方法7141基本模块CCII的研究方法715本文内容安排72第一代、第二代电流传输器的原理及其应用821NULLATOR和NORATOR模型822第一代电流传输器CCI9221第一代电流传输器定义9222第一代电流传输器的电路实现1023第二代电流传输器（CCII）11231第二代电流传输器定义11232第二代电流传输器的实现基础12233第二代电流传输器的实现15234第二代电流传输器的应用1524本章小结173滤波器基本理论1831滤波器发展回顾1832滤波器的基础知识1933滤波器的种类和基本参数20331滤波器的种类20332滤波器主要参数2134二阶滤波器传递函数的分析2235本章小结234基于第二代电流传输器的滤波器设计2441基于CCII的有源滤波器24411低通LOWPASS滤波器24412高通HIGHPASS）滤波器25413带通BANDPASS）滤波器26414带阻NOTCHPASS滤波器2643元件灵敏度分析2744本章小结285版图的设计2951器件版图匹配的设计考虑29511元器件匹配的基本规则29512CMOS晶体管的匹配29513电阻的匹配3052版图设计的其他考虑3053电路版图及验证30531CCII的版图30532版图的验证32总结33参考文献34附录361绪论11序言近年来，电流模式CURRENTMODEL集成电路在模拟集成电路信号处理方面以其低功耗、高速度、低压、高精度、带宽和动态范围等方面优良的性能而广泛应用于高频、高速信号处理领域。作为电流模式信号处理电路中最灵活和最通用的有源积木块的第二代电流传输器SECONDGENERATIONCURRENTCONVEYOR也受到了广泛的研究和应用，如图11，所以基于第二代电流传输器的连续时间滤波器CONTINUOUSTIMEFILTERS也越来越受到人们的重视。图11电流传输器的应用图12本论文研究的背景与意义随着社会的高速发展，信息、对人们越来越重要。“信息”高度概括了我们这个社会的现代化特点，在社会的信息化程度快速提高的过程中，集成电路IC芯片不可替代的作用也越来越明显。集成电路IC被誉为信息、时代的稻米，电子产业的心脏。经过40多年的不断发展，IC产业已演变成新经济时代的基础产业，并在全球经济体系中扮演着至关重要的角色。集成电路包含模拟集成电路和数字集成电路。20世纪80年代初期，许多专家预言模拟集成电路即将消失。当时，数字信号处理算法的功能日益增强，而集成电路技术的进步又使这些算法可以在硅片上紧凑而有效的实现。许多传统上用模拟集成电路实现的功能很容易在数字领域内完成，这使人们可以假定如果集成电路制造有足够的能力，那么信号的处理最终都可以用数字方式来实现。模拟电路前途黯然。尽管许多类型的信号处理确实己经转移到数字领域，但是，在现代许多复杂高性能系统中模拟电路从根本上已被证明是必需的。因为在很多领域，如大自然信号处理、数字通信传输、磁盘驱动电子学、无线接收器、光接收器、传感器、微处理器和存储器中都要用到模拟信号处理电路，所以模拟集成电路会随着数字集成电路一起的到蓬勃发展。在电压模式集成运算放大器问世以前，电子电路设计工程师们就习惯于采用电压而不是电流作为信号变量，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处理信号处理中的主宰地位。尽管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一直处于主宰地位，但它存在着缺点其3分贝闭环带宽与闭环增益的乘积是常数在大信号下输出电压的最高转换速率很低。这些固有缺点严重阻碍了电压型运算放大器在高频、高速环境中的应用。在电子电路中，需要处理的信号是以电压或电流形式反映出来的，其中以电压作为参量进行处理的电路称为电压模式电压型电路，而以电流作为参量进行处理的电路称为电流模式电流型电路。在电路中，电流与电压并不是彼此独立的变量，它们相互作用、相互转换实现所需功能，因此电流模电路并没有十分严格的定义。通常将输入信号和输出信号均是电流，整个电路中除了含有晶体管结电压外再没有其它电压参量的电路称为“严格的”电流模式电路。因此，电流模式电路输入输出信号都是电流，主要功能是对电流信号进行放大、传输、运算、变换等。电流模式信号处理的方法和电路设计原理早在四十多年前就已提出，但是由于集成电路工艺的局限性，没有得以发展。80年代初期到90年代，随着模拟集成电路工艺的日渐成熟，以及人们认识到电压模式在很多方面的局限性，以电流信号为处理信号的电路的优势逐渐被认识并被挖掘出来。在研究中人们发现，电流模式电路可以解决电压模式电路所遇到的一些难题，如工作速度、精度、带冤、动态范围等。研究结果显示，在高频、高速信号处理领域，电流模式的电路设计方法比电压模式的传统设计方法有很大的优势。近年来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变换器和数字电路逻辑门电路、触发器、存储器方面也有一定的发展。随着电流为信号变量的电流模式电路在信号处理中的巨大优势逐渐被认识。电流模式设计方法取代传统的电压模式设计方法，或是说处理电流信号代替了处理电压信号，是一种电路思想的革新。两种设计思想相比较，电流模式设计方法有以下几点优越性第一，现有电子器件双极性晶体管和场效应晶体管都是电流输出器件，他们的被控制量都是电流。如果用电压变量进行信号处理，则必须在电路内部设置高阻抗节点，进行电流到电压的转换。相反，如果采用电流变量进行信号处理，则无需进行电流到电压的变换，不仅减少了元件数目、简化了电路结构，而且避免因引入了高阻抗节点对电路工作速度和高频特性的影响。第二，电流模式电路可以便捷的实现多种信号运算的功能，模拟技术中凡种最基本的信号处理，如加/减、积分、倍乘等，有电流模式电路比用电压模式电路要简便得多。第三，由于采用电流进行信号处理，没有高阻抗节点进行电流电压变换，所以所需的工作电压及功耗较低。作为高性能模拟IC设计的新方法电流模式信号处理电路一中最灵活和最通用的有源积木块的第二代电流传输器SECONDGENERATIONCURRENTCONVEYOR，简称CCII已被广泛的研究和应用。CCII是一种功能很强的标准部件，将CCII和其他电子元件组合可以十分简便的构成各种特定的电路结构，实现很多模拟信号处理功能，这一点上CCII与通用电压模式运算放大器是相似的。但是电流传输器是一种电流模式电路，能够提供若干优于通用运算放大器的电路性能，它能很方便的实现模拟技术中几种最基本的信号处理功能加/减、比例、积分等。而且，由于电流传输器具有电压输入端和电流输入端，因此，利用电流传输器既可以方便的实现电压模式信号处理电路，也可以方便的实现电流模式信号处理电路。电流传输器电路，无论信号大小，都能比相应的基于电压运算放大器的电路提供更大带宽下的更高电压增益，即更大的增益带宽积。电流传输器为性能较高的复杂电路设计提供了另一种方法，有助于开发一些新的电路。电流传输器刚刚被提出来时，人们还不清楚它能提供优于通用运算放大器的那些性能，而且当时正是在大力发展通用运算放大器，因此，缺乏推动实现单片集成电流传输器的积极性。由于没有实用的集成器件，电流传输器的应用受到了很大的阻碍。时至今日，随着集成电路工艺的发展和设计者们的多年的努力，这种现状得到了很大的改善。随着很多单片集成电流传输器的出现，如PA630和PA630A，电流传输器的应用开发也在一些领域取得了很大的成功，特别是在基于电流传输器的滤波器电流设计方面。尽管近年来数字滤波器和数字信号处理技术得到了高速发展，但模拟滤波器仍然是一个重要主题。这是因为在采样数字信号滤波器的前后总是需要抗混叠和平滑滤波器，它们均为模拟滤波器，并且需要与数字系统集成在同一芯片上，构成混合信号电路系统。因此，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。采用电流模式设计连续时间滤波器，滤波器的主要性能如带宽、速度、精度等继承了电流模式基本单元电路的优点，同时又由于电流模式的加、减、乘等常规运算的实现比电压模式更容易，所以设计出来的电流模式滤波器比电压模式滤波器电路的拓扑结构简单，可靠性和精度等许多方面均优于电压模式滤波器。作为电流模式电路中最为通用模块，基于第二代电流传输器的有源滤波器的研究就显得尤为重要。综上所述，CCII以及基于CCII的滤波器近十几年来得到了重视，并取得了长足的进步。它已成为速度快、频带宽、线性好、电压低的新兴模拟集成电路的分支，具有广阔的发展前景。有理由相信，电流模式连续时间滤波器的进一步深入研究与应用将大大丰富现代滤波器理论，将把现代模拟集成电流模式连续时间滤波器推进到一个新阶段。13电流传输器及其滤波器的国内外研究现状131电流传输器的国内外发展和研究现状电流模式电路的发展很大程度上得益于集成电路工艺的发展，因为很多电流模式电路的原理性设计在许多年前就已被提出，如1968和1970年提出的第一代、第二代电流传输器理论，以及1975年提出的跨导线性理论，到近二十几年随着集成电路工艺的发展，这些电路得以集成实现。集成电路工艺技术进步的主要体现在以下三个方面第一，真正互补双极性工艺的发展使得集成速度快、良好对称性的硅双极互补电路成为可能，促进了电流模式电路的发展，如跨导线性电路第二，成熟的CMOS工艺能提供高品质的电容、良好的开关，且功耗小，在离散时间电流模式集成电路的制造中是必不可少的，如动态电流镜和动态电流电路。第三，先进的BICMOS工艺将双极工艺特点高跨导、高速和CMOS工艺点低功耗结合起来，提供了适合电流模式电路高速和低功耗的工艺技术。有了真正的双极性工艺和成熟的CMOS,BICMOS等工艺的发展，进一步促进了电流模式电路的实现，同时有很多新的电流模式电路和系统正在研制中。1968年，加拿大学者KCSMITH和ASEDRA提出了一个新的模拟标准器件电流传输器CURRENTCONVEYOR，简称CC，进而提出了第一代电流传输器CCI,CCI是一个接地的三端器件。为了增加电流传输器的通用性，SMITH和SEDRA在1970年对CCI的端口特性改进，提出了具有新端口特性的第二代电流传输器CCII网，其Y端口输入电流为0给出了CCII在电压控制电压源VCVS、电压控制电流源（CCVS,电流控制电流源CCCS、电流控制电压源（CCVS、负阻抗变换器INIC以及回转器GII等有源网络系统中的应用同时还给出了CCII在电流放大器、电流积分器、电流微分器和电流加法器等模拟运算电路中的应用。随着集成电路及其工艺的发展，人们又提出了很多改进型的电流传输器电路。1980年HUERTAS提出了用两个运放和几个电阻构成的CCII。1984年WILSON提出了由一个运放和两个电流镜构成的高性能的CCII1984年KPAL提出的双端输出的CCIIDOCCI。进入上世纪90年代，电流传输器由最初的CCI发展到现在的以CCII为主、CCI和CCII混合使用。为了实现各种基于CCII的滤波器，人们研究出了各种改进型的CCII,1991年SURAKAMPONTORN等提出了适用于大规模集成的高精度CMOSCCII，该电路在1MHZ左右能提供很好的CCII端口特性，电路简单、便于扩展成多输出端CCII,1993年CHENG提出了适于低电压工作的CMOSCCII，该电路在13MHZ内实现了很好的CCII端口特性，但电路过于复杂。1995年由AFABRE提出的第三代电流传输器CCIII，它是在基于CCII的基础上改进得来的，其端口特性与CCII的区别是Y端口有电流，且与X端电流方同相反。1996年WCHIU等人提出了一种CMOS差动差分CCI，1997年HOELWAN等人提出了一种新型的CMOS电压差分输入的CCII。在2000年AHMEDAELAHMED等人提出了全差分的CCI。上面所提到的CCII都是在传统CCII的基础上改进得来的。CCI与CCII相比，CCII己被证明更有用，对于所有已知的有源网络组件几乎都可以有CCII来实现。在CCII的研究和应用上，国外领先于国内，早在1990年，已有相应的电流传输器成品芯片，主要有PA630和PA630A，后来出现了应用在耳机放大器上的PA631。在国内，对CCII还处于研究阶段，仅限于理论分析和研究。2001年，天津大学赵玉山、周跃庆和王萍编撰了电流模式电子电路，系统地介绍了电流模法及CCII原理湖南大学、湖南师范大学、湘潭大学和吉林大学等高校在基于CCII的有源网络元件和模拟信号运算电路方面展开了深入研究与探讨，取得了一些可喜的成绩。随着我国与国外在模拟集成电路设计方面的差距越来越小，以及在集成电路设计和集成电路工艺方面的快速发展，我国在电流模式集成电路设计将更为快速的发展。虽然在电流模式电路理论的探索和提出方面，国内比国外晚，但是电流模式电路的实现是随着集成电路的工艺的发展而得以实现的，CCII在电路系统中的应用也是随着集成电路工艺的发展而发展的，随着我国大力发展集成电路设计及其工艺，取得了很好的成绩，在CCII的应用的研究方面与国外处于同一水平，特别是在基于CCII的连续时间滤波器方面的研究方面，湖南大学、湖南师范大学、湘潭大学和吉林大学等高校都取得了很好的成果。在电路和系统学术界引起巨大兴趣的是CCII采用的电流模式电路设计方法以及产生的良好动态范围，突破了一些传统难题对常规电压模式电路的困扰，具有明显的使用和理论价值。与此同时，CCII也存在公认的缺点，如电流、电压的跟随还不是很准确，这些因素也直接影响到CCII在模拟信号处理电路方面的应用。随着集成工艺和微电子技术的不断成熟，这些问题将有待解决。132基于CCII滤波器的国内外发展和研究现状CCII由于它的端口之间的特性，特别适合用于滤波器的设计。早在1985年RSENANI使用CCII模拟电感和模拟频变负电阻FDNR实现LC无源梯形结构电流模式滤波器，19981999年GWROBERTS和ASSDEAR提出了一种全电流模式选频电路,1990年SLIU等人提出了有5个元件和一个CCII构成的滤波器。1991年CMCHANG提出了三种滤波器，分别能实现带通、带阻及全通的单CCII滤波5个CCII及8个接地RC元件构成的三输入、单输出的能实现双二阶低通、高通、带通、带阻以及全通滤波器一个CCII与8个RC元件构成的低通、高通以及带通滤波器。同年，CLHOU等人提出了由4个无缘元件及单CCII构成的滤波器，它能实现一阶低通、高通以及二阶低通、带通、高通滤波器，其主要特点是电路中的有源器件可以采用CCII也可以采用CCII,1992年RSENANI提出了由7个CCII和6个接地电阻电容构成的多功能滤波器1993年CMCHANG提出了由7个CCII和10个RC元件实现的5中滤波功能。该电路的特点是仅需要两个接地电容。同年，他还使用5个CCII和5个RC接地元件实现了单输入三输出滤波器，电路结构简单。1994年CMCHANG等人提出了结构较为简单的仅由4个CCII和4个接地元件构成的三输入单输出滤波器，能实现低通、高通、带通、带阻以及全通的滤波功能。1995年AFABRE等人提出了由两个CCII和4个RC元件构成的单输入三输出滤波器，该电路的特点是电路结构简单，直流增益为1，不足之处是输出阻抗太低。由于CCII具有通用性强、功能灵活、动态范围较大等优点，成为实现连续时间滤波器的重要有源元件。但因其只有一端输出，所以CCII及RC元件构成的电流模式滤波器具有以下两点不足1不能兼顾电流直通和反馈2电路设计较为复杂，所需有源及无源元件较多。为了解决CCII在滤波器应用中所存在的两点不足，因此提出了双端输出的CCII，用它们在设计电路时存在两个优点1能兼顾电流直通和反馈，实现电流反馈不破坏其高输出阻抗特性，从而有利于电路的级联2电路设计较为简单，所需有源和无源元件少。所以在19961997年吴杰等人用MOCCII实现了梯形滤波器郭静等人提出了基于MCCII的差分式连续时间司滤波器。19992000年GUNES等人使用MOCCII提出了最少元件的多输入单输出滤波器何怡刚等人提出了基于MOCCII的三输入单输出滤波器。20012002年HYWANG等人提出了基于MOCCII的三输入三输出通用连续时间滤波器及单输入三输出连续时间滤波器王春华等人提出了基于MOCCII的滤波器。14研究方法本文研究的主要内容为第二代电流传送器的有源滤波器的实现及相关问题。141基本模块CCII的研究方法1分析CCII电路结构与特性，根据电路理论构建CCIICMOS电路方案。2CMOSCCII电路特性理论分析。3对提出的电路进行计算机仿真研究，调整电路参数或电路结构，并最终验证提出的电路方案的正确性和有效性。15本文内容安排第一章主要介绍了本论文的选题背景和意义，简单介绍了电流传输器以及基于第二代电流传输器的滤波器国内外的发展和研究现状。第二章介绍了电流传输器的相关理论和概念，在建立了零极子的基础上对电流传输的端口特性进行了详细的分析。接着引出了第二代电流传输器，并使它与第一代电流传输器做了比较，得出了第二代电流传输器在滤波器设计方面的优点。第三章主要介绍了滤波器的发展史以及二阶滤波器的传递函数。第四章主要内容是基于第二章中所设计的CCII提出了两种滤波器多电压信号输入单电压信号输出的滤波器和单电流信号输入一多电流信号输出的滤波器，计算机仿真结果表明了理论分析值和计算机仿真值相吻合，并分析了滤波器对无源元件和有源元件的灵敏度。第五章主要内容是电路版图的设计，介绍了在画版图时候要注意的元器件的匹配问题，并在版图设计规则下给出了本论文中CCII的版图。2第一代、第二代电流传输器的原理及其应用电流传输器CC是一个四端可能五端集成器件，它是最早提出的电流模式功能模块，是被确认为具有多种功能且与运算放大器相似一种基本电路器件。电流传输器能提供若干优于通用运算放大器的电路性能。它具有电压输入端和电流输入端，因此，利用电流传输器既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。21NULLATOR和NORATOR模型零子NULLATOR和极子NORATOR属于单端对理想有源器件，或称病态网络元件。它们单独存在时不能物理实现，只有把它们组合在一起成为零极子，它们才可以用以近似的描述某些有源器件。它们的符号分别如图21A,B,C所示。图21A零子B极子C零极子零子，如图21A，它的端对电压和电流都为0，则它的端口之间的表达式为V0，I021极子，如图21B，它的段对电压和电流为任意值，则它的端口之间的表达式为VK,IK,K为任意值22单个零子和极子，是不能物理实现的，不能作为电路器件的模型，也不能等效表示电路模型中的任何元件。因此把它们按照一定的方式组合在一起，则可构成常用有源器件的模型。在这些模型中，零子和极子总是成对出现的，成为零极子NULLOR，如图21C为零极子组成的一种二端网络，端口之间的关系可用矩阵23表示23零极器有5种有用的恒等关系，这些关系用文字表达为1零子和极子的串联组合等同于一个开路2零子和极子的并联组合等同于一个短路3零子与若干个阻抗的任意串并联组合等同于一个零子4极子与若干个阻抗的任意串并联组合等同与一个极子5两对零极子的星形连接等同于一对四端零极子。零极子模型在有源网络的分析和综合中是很有用的。在以下的分析中，将给出每一个积木块的零极子等效模型，以便我们更好的分析电路端口特性。22第一代电流传输器CCI第一代电流传输器CCI在1968年由学者SIMTH和SEDRA提出，是一个接地的三端口网络。221第一代电流传输器定义如图22所示，为CCI的方框图，符号中的X,Y是输入端，Z是输出端，另一端为公共接地端。图22第一代电流传输器方框图CCI的输入输出理想端口特性可用如下矩阵方程24表示24为了更为直观的了解上述矩阵方程所描述的端口电压和电流之间的相互关系，我们采用21节中所介绍的零子NULLATOR和极子NORATOR来表示CCI。由零子、极子以及CCI的端口特性矩阵可得，如图23，为CCII的零子一极子表示方法。其中，在Z端，受控源的箭头向下表示CCII箭头向上表示CCI。显然，零子极子元件是用来表示在X端和Y端之间所呈现的虚短路。在这种表示法中，还包含了两个受控电流源，它们用来表明把X端电流换到Y端口和Z端口。图23第一代电流传输器极零图由CCI的矩阵方程式以及CCI的零子一极子表示方法可得，CCI的功能描述为若有电压作用于输入端Y，则在输入端X呈现相等的电位。同样，若有输入电流I流进X端，则有等量的电流流进Y端，同时，由电流将被传送到输出端Z。这样使得Z端具有高输出阻抗和电流值为I的电流源特性。可以看到，由Y端的电压设定的X端电压与流进X端的电流无关。同理，由X端的电流确定的流经Y端的电流也与Y端的电压无关。因此CCI在X端口具有虚短路的输入特性，同理，在Y端口具有虚开路的输入特性。222第一代电流传输器的电路实现早期的CCI电路是分立元件实现的，如图24A所示。假设图中所有晶体管和电阻均相互匹配且所有晶体管都具有高的电流增益，则可以证明，流过晶体管Q3Q5的电流相等这就迫使晶体管Q1和Q2的电流相等，电压降相BEV等。因此X端口和Y端口的电流和电压相互跟踪，只要保证晶体管在整个工作范围内都是线性工作，则电路的工作与各电阻值和电源电压的绝对值均无关。图24第一代电流传输器的管级实现图在60年代，没有高质量的PNP器件来实现互补是阻碍用集成形式制造CCI的主要原因。随着集成电路工艺的发展，CMOS工艺技术可以实现互补器件，因而可以很容易地制成CMOS工艺的电流传输器，如图24B所示。CCI早期的一种应用是代替基于HALL效应的示波器电流探针，作为宽带电流测量器件另一种应用是作为负阻抗变换器NIC。23第二代电流传输器（CCII）为了增加电流传输器的通用性，在1970年，学者SIMTH和SEDRA传输器CCII。如CCI相比，Y端没有电流。CCII已被证明比CCI流模式电路中最为通用的模块。提出第二代电流传输更为有用，是电流模式电路中最为通用的模块。231第二代电流传输器定义如图25所示，为CCII的方框图，是一个三端口的网络。图25第二代电流传输器方框图CCII的输入输出理想端口特性可用如下矩阵方程表示25如图26所示，为CCII的零子一极子表示方法，它能更为直观的解释上述矩阵方程所描述的端口电压和电流之间的相互关系。图26第二代电流传输器极零图CCIIY端口的电流为零，X端口的电压跟随Y端口的电压，Z端口的电流跟随X端口的电流。Y端口是电压输入端，Y端口呈现的输入阻抗为无穷大X端口是电流输入端，而且X端口电压跟随加于Y端口的电压，因而X端口呈现零输入阻抗低阻抗X输入端的电流传输到高阻抗的Z输出端，即在Z端口产生一个可控输出电流，该电流仅取决于X端的输入输出电流，电流方向与X端电流可相同也可相反，并以CCII或CCII区分。232第二代电流传输器的实现基础从第二代电流传输器的原理分析可以得出，CCII可以被看作为一个理想的MOS晶体管。可以用如图27所示的MOS晶体管来说明。假设晶体管为理想的，它的VAS值就趋近零，在这种情况下，作用在栅极上的电压将导致在源级上有一个与之相等的电压。而栅极可近似视为开路与传输器的Y端相似，源级具有零输入阻抗正如传输器的X端。注入源级的电流将传输到漏极，而漏级的阻抗为无穷大正如传输器的Z端。这就说明一只理想的晶体管可以看做为反相电流传输器CCIIZ端电流和X端电流方向不一样这种等效性还可以由晶体管的零子一极子等效图来说明，如图28所示图27第二代负向电流传输器CCII的晶体管模型图图28CCII的极零图如图29所示，为了获得理想的晶体管，我们可以在运算放大器的负反馈环路中放一只NMOS管来模拟，结果就可以实现具有较好性能的CCII电路。然而，在这种CCII电路实现中，电流只可以从X端流出。如果在运算放大器的反馈环路中放一只PMOS管，则可实现另一种CCII电路，在这种电路中，电流只可以从X端流入。由此可以得，如果将一对互补的MOS管放置在运算放大器的反馈环路中，就可以实现在X端有双相电流流动的CCII电路，如图210所示。接着这个电流经由互补对电流镜传输到输出接点。显然这是一个正向CCII（CII,Z端电流和X端电流方向一致。如果如图2T1所示那样再加两个互补电流镜，就可以得到CCII电路。图29CCII的理想晶体管模型图图210第二代正向电流传输器CCII十的示意图图211CCII的示意图如图210和211所示，分别为CCII和CCII，晶体管M1和M2以及集成运算放大器A组成一个电压跟随器，实现了X端电压跟随Y端电压。其余的晶体管组成电流镜，其中M3M4与M5M6,M7M8与M9M10为极性互补的级联电流镜，将ML,M2的漏极电流传输到Z输出端，并取其差值电流作为单端输出电流。233第二代电流传输器的实现由以上分析可以得出，CCII的性能既取决于两个输入端之间电压跟随能力，也取决于阻抗相差悬殊的输入输出端口之间的电流传输能力。所以，CCII的这两种性能可以在采用互不相干的方式实现后，再通过组合来形成CCII。如图212为CCII的CMOS实现原理图。他是采用常见两级CMOS运算放大器和简单电流镜来实现的，两级CMOS运算放大器通过负反馈的方式来实现CCII两个输入端之间的电压跟随，简单电流镜用来实现CCII输入输出端之间的电流跟随。图212CMOSCCII的实现原理图234第二代电流传输器的应用第二代电流传送器作为电流模式电路中最通用的积木木块，它的最大优越性在于它的设计灵活性。首先它既有电流输入端，也有电压输入端，因此，可以方便地实现电压模式信号处理电路，也方便地实现电流模式信号处理电路。其次，它可以在外接很少的无源元器件或者多个CCII级联的下，可以方便地实现模拟技术中的几种最基本的信号处理功能加/减、比例、积分等。在文献中，SEDRA和SMITH对CCII在受控源、阻抗变换器、阻抗逆变器、回转器以及在各种模拟计算元件中的应用做了详细的例证。表21概括了各种基于CCII电路的有源网络元件表22中给出了基于CCII电路的模拟信号处理元件。表21第二代电流传输器在有源网络综合方面的应用表22第二代电流传输器在模拟计算方面的应用24本章小结本章介绍了电流传输器的原理以及发展过程，给出了不同电流传输器的端口特性方程以及实现电路，通过构建的NU11ATO和NORATOR模型，更好的熟悉和理解了不同电流传输器电路端口之间的关系，最后给出了不同电流传输器在不同信号处理领域的应用。3滤波器基本理论31滤波器发展回顾滤波器的概念最早是由WSGNER和CAMPBELL在1915年提出，它是由分离无源元器件电阻、电容、电感等构成。随着人们在滤波器方面的深入研究和应用，无源滤波器的缺点逐渐显现出来，如体积大、损耗多、非线性、抗干扰能力差等等，严重制约了其发展。在上个世纪50年代以后，随着模拟集成电路设计及工艺的发展，出现了许多有缘器件，基于有源器件的滤波器设计开始形成,并取得了迅速的发展，有源滤波器已成为当今滤波器的发展主流。最早的有源滤波器可追溯到1938年SCOTT选择放大器，1954年LINUILL用负阻抗变换器实现了第一个有源放大器，1955年SALLEN和KEY应用单放大器实现了有源RC滤波器,开辟了设计有源RC滤波器新的技术途径,1965年单片集成运算放大器研制成功，为有源RC滤波器实现奠定了物质基础，七十年代发展起来的混台集成电路技术把有源RC滤波器推向成熟，成为滤波器学科发展史上的重要里程碑。集成电路技术发展的同时很多信号处理电路也一起在发展，现代滤波器电路的发展就是其中的一员，它经历了从分立集成器件、混合集成和单片全集成的发展道路。从分立集成器件到单片混合集成，系统朝着小型化、微型化迈出了一大步。随着航天航空技术、现代通讯技术和控制技术的发展，对系统的集成化提出了更高的要求，由于有源RC滤波器中的电阻集成需要占用较大的芯片面积，七十年代末期，人们开始研究取代电阻的方法。1977年，用MOS晶体管和MOS电容组成的开关来模拟电阻，构成单片全集成开关电容滤波器SCF获得成功，解决了MOS单片处理中很难得到精确且稳定的RC乘积时间常数、电阻集成需要占用较大的芯片面积等问题，使滤波器从分立走向全集成实现了重大突破。随着电路全集成系统的发展，八十年代以来,人们开始把注意力转向全集成连续时间滤波器。1983年，用MOS晶体管的线性区实现压控电阻，建立了MOSFETC全集成滤波器1984年，用MOSVLSI技术实现了跨导电容滤波器,使OTAC滤波器也焕发了新的活力同年，用MOS管本身的分布参数实现阻容时间常数，提出了全MOS管滤波器的新概念1989年用MOS晶体管和模拟开关构成了开关电流滤波器。当代有源滤波器发展的重要特点是系统高度集成化、元件单一性和全MOS集成化。随着模拟集成电路工艺的发展，传统的处理和传输电压信号的电压模式电路设计弊端逐渐显露1作为处理模拟信号的非线性器件，信号载体的电压受温度影响非常大，在集成度很高的情况下，很难保证其工作的准确性，温度几乎成了电压模式集成电路设计的瓶颈。2电压模式的信号处理技术很难满足高频信号对其性能的要求。3由于模拟集成工艺发展的限制，使得电压模式的信号处理速度很难有所提高。近年来，以电流模式电流技术为代表的电流型滤波器，因其优良的带宽、高精度的选频特性等性能，取得了迅速地发展，开创了电压、电流滤波器共同发展，互相补充，互相兼容的新格局。特别是电流模式滤波器可以采用低电源标准而不影响其信号处理的能力，从而为全集成系统进一步微型化、系统的集成度和功耗水平再上一个新的台阶打下了基础。32滤波器的基础知识滤波器，又称选频网络，它是对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。在现代通讯设备、电子测量及仪器仪表中，为了使其更好的应用于各种有干扰的环境，几乎每个电路都要滤波器来提高性能。电流模式滤波器的一般结构如图31所示。图中的表0TI示输入的电流信号，表示0TI输出的电流信号图31滤波器原理方框图由图可得31假设滤波器是一个线性时不变网络，则在复频域内有001HJ001HJ32式中HS是复数域中滤波器的传递函数，因为对于实际频率来说所SJ以有。HSJ描述滤波器传输函数的主要参数有截止频率，阻带频率，直流增益CS通带波纹,阻带衰减,相位角相位。033滤波器的种类和基本参数滤波器的通频带简称通带是指信号中的频率分量可以顺利通过的频率范围。滤波器的截止频率是指信号的频率分量被有效的扼止或衰减的频率范围。对一个实际的滤波器来说，这两个频率之何的变化不是突然发生的，而是渐变的，我们称之为过渡带。过渡带越窄，止带内的衰减越大，滤波器的选通特性越好，滤波器效果越好。331滤波器的种类在本文种所研究的是模拟连续时间滤波器，它处理的是连续时间的模拟信号,根据通带的频率范围，滤波器可以分为一下几个种类A低通滤波器LP,LOWPASS，顾名思义,在低通滤波器中，它只允是容许低于截至频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过，理想的低通滤波器的传输曲线如图32A，传输函数的幅频特性如下式所示33为截止频率，是通带，是阻带00B高通滤波器HP,HIGHPASS，它只允许较高频率范围内的信号通过，滤掉范围以外的信号，理想的高通滤波器的传输曲线如图32B，传输函数的幅频特性如下式所示34为截止频率，是阻带，是通带00C带通滤波器BP,BANDPASS，它允许特定频段的信号通过，同时限制所有通带外频率的信号通过。在频带较低的截止频率WL和较高的截止频率WH之间是共振频率，这里滤波器的增益最大，01LLHHJ10LLHHJ滤波器的带宽就是WH和WL之间的差值。理想的带通滤波器的传输曲线如图32C，传输函数的幅频特性如下式所示35为截止频率，为通带LH和LHD带阻滤波器BE,BANDELIMINATION是指能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低水平，与带通滤波器的概念相对。理想的带阻滤波器的传输曲线如图32D，传输函数的幅频特性如下式所示36为阻带，其余的频率范围为通带LH和E全通滤波器AP,ALLPASS具有平坦的频率响应，它的主要用途是改变信号频谱的相位。其传输函数的幅值与频率无关，而相移是频率的函数，如图32（E所示。图32理想滤波器频率响应图332滤波器主要参数滤波器是一个通用的模块，对于起性能参数的了解，显得至关重要，只有了解起参数，才能够更好的设计和应用。本文中己低通滤波器为列，来介绍滤0Q0A3DBSYXDS波器的重要参数。1谐振频率谐振频率是滤波器自身固有频率。02转折频率转折频率又称截止频率，它指频率特性下降3DB点上的频C率。3通带增益和对于理想特性，通带内的增益实际上不是固定的，K0而是口的函数。4带宽对于LPF和BPF,指通带宽度对于HPF和NOTCH，是指带阻宽度。5品质因数Q和阻尼系数A这是一对衡量对频率选择性的指标，Q是指谐振频率和带宽之比37阻尼系数386矩阵系数S这是衡量滤波器的选频特性的另一个指标，比Q更讲究对滤波器幅频特性形状的描述及控制，39显然越接近1,滤波器的选择性越好，即在保证一定带宽的条件下，S3DB过渡带越窄，带外信号收到的衰减越大。7通带内增益波动,和带外波动带内和带外的波动和可1K2K1K2能出现多次,给系统的传递函数造成误差,恶化了带外的衰减特2性。8滤波器参数的元件变化灵敏度滤波器由多个元件构成，每一个元件YXS的值都会因电压、温度、时间的变化而改变，从而改变了滤波器的设计参数。由不同的电路、元件构成的滤波器，这种参数的改变是不同的，通常用灵敏度来衡量其影响程度。灵敏度用符号S表示，设网络性能参数为Y，电路元件参数为X，则网络性能参数Y对电路元件参数X变化的灵敏度为31034二阶滤波器传递函数的分析22010KSKQH20KSSQ20KSHS01220KSQHS202KSQ22010KSKHQ根据线性网络理论