文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182483
中文引用格式： 羅佳，孫亮，吳志光. 基于單片MO-CDCTA的高集成低功耗高階有源低通濾波器的設計[J].電子技術應用，2019，45(6)：61-64，69.
英文引用格式： Luo Jia，Sun Liang，Wu Zhiguang. A high integrated and low power high-order active low-pass filter using single MO-CDCTA[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(6)：61-64，69.
0 引言
近年來，有源濾波器因其結構簡單、性能優越以及應用靈活而被廣泛應用于許多信號處理領域[1]。電流差分跨導放大器(Current Differencing Transconductance Amplifier，CDTA)是一種功耗低、寬頻帶、線性度好的電流模式有源器件[2]?；贑DTA的電流模式濾波器已經被大量提出[3-6]。然而，它們都有一個致命的缺陷：需要多個有源器件，電路結構非常復雜，集成度非常低。最近，有學者在CDTA的基礎上提出了電流差分級聯跨導放大器(Current Differencing Cascaded Transconductance Amplifier，CDCTA)[7]，它不僅繼承了CDTA的所有電路性能，而且彌補了CDTA端口少且固定的缺陷，是一種功能強大和端口靈活的電流模式有源器件。CDCTA的提出極大地改善了高階電路在有源器件數目、芯片面積和功耗等方面的性能[8-10]。然而，受限于器件的芯片體積、性能等因素，高集成、低功耗高階濾波器在國內外卻鮮有報道。本文在CDCTA的基礎上提出了一種多輸出電流差分級聯跨導放大器(Multiple Output Current Differencing Cascaded Transconductance Amplifier，MO-CDCTA)，并使用它設計了一種高階低通濾波器電路。
1 MO-CDCTA描述
多輸出電流差分級聯跨導放大器是一種結合了跨導放大器(Operation Transconductance Amplifier，OTA)和CDTA優點的新型電流模器件，由MO-CDCTA構成的電路，其性能優于OTA、第二代電流傳輸器(Second Generation Current Conveyor，CCII)和CDTA組成的相應電路。MO-CDCTA的元件符號和等效電路分別如圖1和圖2所示，理想情況下的輸入輸出端口特性可表示如下：
式中，p端口和n端口為MO-CDCTA的低阻抗電流輸入端，z端口和Xi端口為它的高阻抗電流輸出端，gmi為它的第i級跨導增益，可由偏置電流IBi線性調諧，VT為熱電壓。當在z端口和Xi端口分別存在一個外部阻抗Rz和Rx時，z端口和Xi端口上的電壓Vz和Vxi能夠通過跨導轉變成下一級的輸出電流Ixi。顯然，這種高靈活度的端口特性非常適合于高階電路的設計。
2 n階低通濾波器的設計
圖3給出了基于多輸出電流差分級聯跨導放大器的低通模擬集成電路設計圖，它僅需一個MO-CDCTA和n個接地電容，就可以簡便地實現n階低通濾波函數功能。因此，這種結構相對于傳統n階濾波器電路被大大簡化，非常適合于高度集成。如圖所示，Iin是濾波器的輸入信號，Iout是它的輸出信號。
根據圖3和式(1)~式(3)，電路輸出方程有：
3 靈敏度分析
在真實環境中，MO-CDCTA由于存在寄生電流和寄生阻抗，其端口特性改變為：
4 CADENCE設計與調試
為了研究電路的集成度、功耗以及頻率等性能，使用CADENCE軟件設計并仿真了所提出的n階低通濾波器。MO-CDCTA內部電路使用了文獻[9]的電路參數，采用TSMC 0.18 μm CMOS工藝進行版圖設計，芯片版圖面積僅0.04 mm2，如圖4所示。此外,通過測試得到仿真功耗僅為4.18 mW。
為驗證上述分析，設計并仿真了一個截止頻率為10 MHz 的三階巴特沃斯濾波器，其電路圖如圖5所示，理論輸出函數為：
為方便計算，取MO-CDCTA跨導增益gm=1 S，從而設置到內部電路參數VDD=-VSS=1.25 V，IO=30 μA，IB=528.14 μA。根據三階巴特沃斯濾波器函數理論，當3 dB截止頻率為10 MHz時，電容分別取值C1=73.92 pF，C2=30.12 pF，C3=2.65 pF。理論與仿真結果如圖6所示，仿真頻率為9.98 MHz，頻率偏差率為0.02%，仿真結果與理論分析完全一致。
為測試三階低通濾波器瞬態響應，取振幅為15 μA，震蕩頻率為100 kHz的正弦信號為輸入信號，輸出結果如圖7所示。由測試結果可知，濾波器輸出信號與輸入信號相位偏移僅為0.03°。此外，為了證明所提出的電路具有極低的靈敏度和較好的穩定性，做了電路總諧波失真測試。當輸入信號取500 kHz正弦輸入信號時，THD仿真結果如圖8所示。顯然當濾波器輸入電流低于40 μA時，電路的總諧波失真度小于3.5%。
5 結論
本文提出了一種新穎的MO-CDCTA，并用它作為有源器件，實現了n階電流模式低通濾波器電路。該電路僅包含1個MO-CDCTA有源器件且具有以下鮮明特點：(1)電路所含器件最少，結構簡單；(2)無浮點無源元件，易于集成；(3)電源電壓低，功耗?。?4)靈敏度低，穩定性好?；谶@些特點，該電路可以應用在電子設備和控制測量等多種信號處理系統中。
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作者信息：
羅 佳，孫 亮，吳志光
(池州職業技術學院 機電技術系，安徽 池州247000)