电流模式滤波器的研究与设计

论文摘要

典型的电流模式滤波器由一个电流传输器和几个电阻电容组成。电流传输器（current conveyor简称CC）作为一种标准部件被广泛应用在电流模式电路中。目前有关CC的研究,国内外学者把大量精力投在了第二代电流传输器（CCⅡ）以及改进CCⅡ的电路结构及应用上,而在改进第三代电流传输器（CCⅢ）结构和应用、设计基于CCⅢ和电流模式运算放大器（CFOA）的电流模式滤波器的结构方面研究甚少。众所周知,CCⅢ只有一个输出端口,要想基于CCⅡ设计滤波器的话,存在两种劣势：一种是如果电路中有电流信号直通的话就不能有信号反馈,反之亦然,由于电流反馈通路会使其输出阻抗较低,使电路直接级联出现困难。二是电路结构较为复杂,达到设计指标要求需要的有源及无源器件较多。与CCⅡ相比,第三代电流传输器具有更宽的幅频响应带宽、更低的增益误差、更高的输出阻抗及更好的线性度。而电流模式连续时间滤波器由于其基于CCⅢ电路结构而成为最新的研究方向之一。故本文着手研究第三代电流传输器原理及电路结构,电流模式运算放大器及其电流模式连续时间滤波器的设计方法,基于CCⅢ的电路着手设计基于CCⅢ和电流模式运算放大器的滤波器电路。本文在±1.5 V供电电压下,在基本CCⅢ基础上设计了一种基于改进共源共栅电流镜的CCⅢ。由于通过改进电流镜结构使得共源共栅电流镜具有较大的输出阻抗,故改进CCⅢ电路的Z输出端的输出阻抗大大提高。于CCⅢ,通过在放大级与输出之间采用隔离补偿电容,以消除低频零点的方式,设计了一种新型的低压低功耗的CFOA,此CFOA可以用作电压-电流传输器。本文中CFOA作为设计的基于改进CCⅢ的电流模式滤波器的输入级。对本文设计的电路进行仿真时,利用HSPICE软件,基于TSMC 0.35μm CMOS工艺,对所设计的所有电路结构进行了仿真,仿真结果表明,该CCⅢ电路的a值从0.921提高到了0.971,CCⅢ电路的ε值从0.924提高到了0.982,而且输出电阻明显增大,从原来的KΩ级增大到了MΩ级。CFOA的直流增益96.3dB,单位增益带宽765M,静态功耗0.82mW,闭环工作状态下有64.3MHz的固定带宽。设计电流模式滤波器可实现低通、高通、带通功能,分析证明这些滤波器的无源和有源灵敏度较低,带宽较宽,证明提出的电路是可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本论文研究背景与意义
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 1.4 本论文所做工作和内容大致安排
• 第2章 电流传输器、CFOA和滤波器原理
• 2.1 CMOS模拟集成电路的基本模块单元
• 2.1.1 有源电阻
• 2.1.2 恒流源的等效负载
• 2.2 电流传输器原理
• 2.2.1 第一代电流传输器（CCⅠ）
• 2.2.2 第二代电流传输器（CCⅡ）
• 2.3 电流反馈运算放大器（CFOA）特性
• 2.3.1 CFOA同相输入闭环特性
• 2.3.2 CFOA反相输入闭环特性
• 2.3.3 非理想情况下受控电流源特性分析
• 2.3.4 CFOA输入输出端口非理想特性分析
• 2.4 滤波器原理
• 2.4.1 滤波器的类型
• 2.4.2 滤波器设计方法
• 第3章 第三代电流传输器设计
• 3.1 第三代电流传输器（CCⅢ）
• 3.2 仿真工具简介
• 3.3 CCⅢ的基本实现电路及特性仿真
• 3.3.1 CCⅢ的基本电路
• 3.3.2 CCⅢ基本电路特性仿真
• 3.4 改进CCⅢ的设计及仿真
• 3.4.1 高输出阻抗电流镜
• 3.4.2 提出的基于改进共源共栅电流镜的CCⅢ
• 第4章 电流反馈放大器设计与仿真
• 4.1 本文CFOA电路设计闭环结构
• 4.2 CFOA电路设计及仿真
• 4.2.1 CFOA设计方案
• 4.2.2 CFOA电路仿真
• 第五章 二阶电流模式滤波器设计与仿真
• 5.1 把电压模式滤波器变为电流模式滤波器的方法
• 5.2 电流模式滤波器设计
• 5.2.1 电流模式二阶低通滤波器
• 5.2.2 电流模式二阶高通滤波器
• 5.2.3 电流模式二阶带通滤波器
• 5.3 灵敏度与非理想性分析
• 5.3.1 无源元件灵敏度
• 5.3.2 有源元件的灵敏度
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录1