無(wú)源梯形高階高通濾波器的模擬設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)正文 電子信息0602班 18號(hào) 楊志

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題 目： 無(wú)源梯形高階高通濾波器的模擬設(shè)計(jì) 院： 電 氣 信 息 學(xué) 院 專業(yè)： 電子信息 班級(jí)：0602 學(xué)號(hào)：200601030218學(xué)生姓名： 楊 志 導(dǎo)師姓名： 周 細(xì) 鳳 完成日期： 2010年6月 2誠(chéng) 信 聲 明本人聲明：1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果；2、據(jù)查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表過(guò)的研究成果，也不包含為獲得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過(guò)的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中的所有內(nèi)容均真實(shí)、可信。 作者簽名： 日期： 年 月 日湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（

2、論文）任務(wù)書 設(shè)計(jì)（論文）題目： 無(wú)源梯形高階高通濾波器的模擬設(shè)計(jì) 姓名 楊志 系別 電氣與信息工程系專業(yè) 電子信息 班級(jí) 0602 學(xué)號(hào) 18 指導(dǎo)老師 周細(xì)鳳 教研室主任 劉望軍 一、 基本任務(wù)及要求：1. 掌握無(wú)源濾波電路和有源濾波電路的區(qū)別； 2. 掌握無(wú)源梯形濾波器的模擬設(shè)計(jì)方法； 3. 查資料，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)pspice/orcad等仿真軟件； 4. 設(shè)計(jì)無(wú)源梯形高階高通濾波器、確定電路參數(shù)； 5. 用pspice/orcad對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真分析； 6. 編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書； 二、 進(jìn)度安排及完成時(shí)間： （1）第1周：明確課題任務(wù)及要求，搜集課題所需資料，掌握資料查閱方法，了

3、解本課題研究現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及研究的實(shí)際意義； （2）第23周：查閱相關(guān)資料，了解本課題的發(fā)展歷史和研究應(yīng)用現(xiàn)狀，確定課題總體方案，明確課題任務(wù)、撰寫文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告； （3）第45周：據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，查規(guī)范化表格、圖冊(cè)、得到歸一化無(wú)源lc梯形濾波器的電路和參數(shù)，并歸一化，換算成實(shí)際頻率下的電路參數(shù)； （4）第68周：原型無(wú)源lc梯形濾波器作出相應(yīng)的狀態(tài)變量方框圖；利用電流傳送器設(shè)計(jì)出相應(yīng)的電路圖,根據(jù)原型lc梯形電路的積分時(shí)間常數(shù)確定相應(yīng)電流傳送器電路的元件參數(shù)； （5）第910周：上機(jī)仿真分析;驗(yàn)證理論分析的正確性 （6）第1113周：撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書，整理資料，準(zhǔn)備答辯； （7）第14周：

4、畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。 目 錄摘要. iabstract. ii第1章 概述. 11.1濾波器的概述.1 1.2 模擬濾波器.21.21離散時(shí)間濾波器. . .21.22連續(xù)時(shí)間濾波器. . .2 1.3模擬集成濾波器的現(xiàn)狀及前景. .3 第2章 跨導(dǎo)集成運(yùn)算放大器 (ota)42.1 跨導(dǎo)集成運(yùn)算放大器概述42.2跨導(dǎo)運(yùn)放ota的應(yīng)用6小結(jié)11第3章 ota-c濾波器的設(shè)計(jì)123.1 ota-c濾波器設(shè)計(jì)方法123.2 ota-c連續(xù)時(shí)間濾波器123.21 mason法則與網(wǎng)絡(luò)綜合133.22ota-c連續(xù)時(shí)間濾波器143.3 二階濾波器的仿真163. 4 仿真結(jié)果分析19小 結(jié)20第4章 結(jié)束語(yǔ).

5、21參考文獻(xiàn).22致謝.,.23無(wú)源梯形高階高通濾波器的模擬設(shè)計(jì) 摘要：無(wú)源梯形高階高通濾波器在各種通信和信號(hào)處理領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，可以使整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定和可靠地工作。本畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)源梯形高階高通濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，給出了幾種無(wú)源梯形高階高通濾波器的設(shè)計(jì)方法。 對(duì)于應(yīng)用頻率較高的濾波器，介紹了新型元件運(yùn)算跨導(dǎo)放大器ota，給出了它的模型以及應(yīng)用原理，并且提出了一種ota電路的設(shè)計(jì)，給出了電路參數(shù)，并且在此基礎(chǔ)上，介紹了如何將無(wú)源rlc梯形濾波器轉(zhuǎn)換成有源ota-c濾波器。在給出的設(shè)計(jì)例子中，采用實(shí)際的ota，且對(duì)該實(shí)際的ota的跨導(dǎo)進(jìn)行了測(cè)試，最后的仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的ota-

6、c濾波器滿足設(shè)計(jì)要求，而且通過(guò)改變偏置電流可以使濾波器的截止頻率連續(xù)地變化。 對(duì)濾波器的調(diào)諧問(wèn)題進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)多環(huán)反饋結(jié)構(gòu)的詳細(xì)討論，介紹了 ota-c濾波器，并且設(shè)計(jì)了一個(gè)二階的 ota-c濾波器。最后的仿真結(jié)果表明ota-c濾波器滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：跨導(dǎo)運(yùn)算放大器；濾波器； 仿真the high-order and high-pass filter design of trapezoidal with none sourceabstract：continuous-time filters are widely used in telecommunication and signal

7、processing systems. the system can be made to work more stable and reliable by using fully-integrated continuous-time filters. this dissertation is concerned with the design of fully integrated continuous-time filters. three design methods are given.for the high frequency application, a late-model d

8、evice of operational tran-conductance amplifier is introduced. the design strategy of ota is proposed and the ota parameters are given. based on this design, the procedure of how to convert a passive rlc filter to active ota-c filter is described. in the presented example, the designed ota is used a

9、nd the oats tran conductance is tested. simulation result haws that the ota-c filter has same performance with rlc ladder filter. the cut-off frequency of the filter is tuned by tuning its bias current.for the tuning of the filter is studied and the multiple loop feedback topology is discussed in de

10、tail. after the introduction of ota-c filter, a twice-order ota-c filter is designed. the simulation result shows that ota-c filter meets the requirements of the design.key words: operational transconductance amplifiers (ota); filters；simulationii無(wú)源梯形高階高通濾波器的模擬設(shè)計(jì)第1章 概 述1.1濾波器的概述 許多現(xiàn)代通信系統(tǒng)如電視、電話等都包括各種

11、各樣的濾波器。一般來(lái)說(shuō)，濾波器可以分成兩大類即無(wú)源濾波器和有源濾波器。從20世紀(jì)20年代到20世紀(jì)60年代末，許多濾波器是由無(wú)源元件如電阻、電容和電感組成。而其中的無(wú)源lc梯形網(wǎng)絡(luò)是一種非常有用的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼘?duì)元件的變化不太敏感。20世紀(jì)50年代人們發(fā)現(xiàn)，用有源電路來(lái)代替體積大而且價(jià)格昂貴的電感可以大大地減小電路的尺寸和降低電路的成本。20世紀(jì)60年代中期高質(zhì)量的有源器件如運(yùn)算放大器開(kāi)始出現(xiàn)。20世紀(jì)70年代中期有源rc濾波器開(kāi)始流行，人們開(kāi)始考慮將濾波器進(jìn)行集成。在最近二十年，有源集成濾波器在信號(hào)處理應(yīng)用中開(kāi)始變得越來(lái)越重要。在這樣的電路中，有源器件是單片集成的。與由分立有源元件構(gòu)成的濾波器

12、相比，這些單片集成電路有著許多優(yōu)點(diǎn)，減少了系統(tǒng)中元件的數(shù)目，由于芯片上元件的良好匹配性使得濾波器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了不少。此外，自動(dòng)調(diào)諧電路能夠減少工藝和溫度變化所帶來(lái)的誤差，與分立無(wú)源濾波器相比，集成濾波器大大地減少了寄生電容。當(dāng)集成濾波器進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，其成本也極大地降低了，對(duì)于生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，集成濾波器相對(duì)便宜。另外，可使印刷電路板上的元件更少，這樣會(huì)使成本更低，可靠性更高，尺寸更小，功耗更低。因此，將濾波器盡可能地進(jìn)行集成是非常重要的。所以，有很多人研究集成濾波器，以便取代無(wú)源rlc濾波器。由于在ic設(shè)計(jì)中，大的電容和電阻會(huì)占用非常大的芯片面積，這是非常昂貴的，應(yīng)該盡量避免。從某種意義上說(shuō)，集成電

13、感只限于某些特殊的應(yīng)用以及高頻情況下，這是由于集成電感的q值比較差，另外電感值也不大，并且常常不能與標(biāo)準(zhǔn)的ic制造工藝相兼容。 單片集成有源濾波器的分類如圖1-1所示。一般的來(lái)說(shuō)，將濾波器做成集成的技術(shù)有cmos(complementary-metal-oxide-semiconductor)，雙極晶體管(bipolar)，becomes(bipolar-cmos)，gas(gallium-arsenide)和聲表面波saw(surface acoustic wave)。每一種技術(shù)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，例如，聲表面波可以有很高的q值(從2000到20000)和高頻率(從30mhz到幾ghz)。

14、它們的主要缺點(diǎn)是尺寸太大，1ghz的濾波器的芯片面積大概是0.25平方厘米，而50mhz左右的濾波器其芯片面積大約為1.0平方厘米。在這幾種技術(shù)中，由于cmos技術(shù)的高集成度，低成本以及易制造等特點(diǎn)，從而使cmos技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。 圖1.1 單片集成有源濾波器的分支圖1.2 cmos模擬濾波器 cmos模擬濾波器可以分為離散時(shí)間濾波器和連續(xù)時(shí)間濾波器。連續(xù)時(shí)間濾波器是處理在時(shí)間上和幅度上都是連續(xù)變化的信號(hào)；而離散時(shí)間濾波器則是處理在時(shí)間上離散而在幅度上連續(xù)的信號(hào)。開(kāi)關(guān)電容和開(kāi)關(guān)電流濾波器屬于離散時(shí)間濾波器，而rc有源濾波器，mosfet-c濾波器和gm-c濾波器則屬于連續(xù)時(shí)間濾波器。連續(xù)

15、時(shí)間濾波器的優(yōu)點(diǎn)主要有：沒(méi)有時(shí)鐘通道，沒(méi)有采樣要求，比數(shù)字濾波器的功耗更低，比開(kāi)關(guān)電容濾波器能夠處理更高的頻率，不需要外加抗混疊濾波器。其缺點(diǎn)主要有：精確的時(shí)間常數(shù)必須通過(guò)調(diào)諧才能獲得，其次就是電阻和跨導(dǎo)的線性性較差。離散時(shí)間濾波器的優(yōu)點(diǎn)主要是：時(shí)間常數(shù)非常精確，無(wú)需調(diào)諧。缺點(diǎn)：需要時(shí)鐘通道，采樣率限制了其應(yīng)用頻率，需要加抗混疊濾波器。 1.2.1離散時(shí)間濾波器 離散時(shí)間濾波器自然是處理離散時(shí)間信號(hào)的濾波器，實(shí)現(xiàn)這種濾波器的技術(shù)有開(kāi)關(guān)電流濾波器，開(kāi)關(guān)電容濾波器。其中，開(kāi)關(guān)電容濾波器是使用最廣泛的一種。開(kāi)關(guān)電容濾波器的應(yīng)用范圍比較廣，從音頻到視頻中都有它的應(yīng)用。開(kāi)關(guān)電容濾波器的主要特性由時(shí)鐘頻率

16、和電容的比值決定。由于這兩個(gè)參數(shù)與工藝和溫度的變化無(wú)關(guān)，因此，這種濾波器的積分時(shí)間常數(shù)比較精確，能夠達(dá)到0.1%，所以該濾波器不需要調(diào)諧電路。然而，到了高頻段的應(yīng)用后，這種特性不能很好的保持，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電容濾波器要求在時(shí)域中采樣時(shí)，時(shí)鐘頻率至少是要處理的信號(hào)的最高頻率的兩倍，這樣才能消除混疊效應(yīng)，因而所需要的時(shí)鐘頻率較高，一般不適合用于高頻應(yīng)用中。 1.2.2連續(xù)時(shí)間濾波器 現(xiàn)在，連續(xù)時(shí)間濾波器實(shí)現(xiàn)的方法有多種，如有源rc濾波器，mosfet-c濾波器，gm-c濾波器，gm-c-opamp濾波器等。連續(xù)時(shí)間濾波器能夠直接處理模擬信號(hào)，它不需要經(jīng)過(guò)a/d、d/a轉(zhuǎn)換、采樣和保持以及抗混疊濾波器。目

17、前連續(xù)時(shí)間濾波器的頻率能夠達(dá)到幾百mhz，因而廣泛地用于高頻應(yīng)用中。對(duì)于高性能的連續(xù)時(shí)間濾波器，主要類型有三種：有源rc濾波器，mosfet-c濾波器，跨導(dǎo)電容(gm-c)濾波器。它們一般都用mos或becomes技術(shù)以及雙極型晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)。 rc有源濾波器是由運(yùn)算放大器、電阻、電容這些基本元件構(gòu)成的。在集成電路中，這些電阻由普通的電阻或多晶硅來(lái)實(shí)現(xiàn)9。但是，這類濾波器對(duì)rc元件的變化比較敏感。一般來(lái)說(shuō)，這類濾波器一般適用于低頻應(yīng)用中。因而這類濾波器的應(yīng)用受到了很大的限制。mosfet-c濾波器是基于有源rc濾波器得來(lái)的，它的電阻用工作在線性區(qū)mos管來(lái)實(shí)現(xiàn)。它的一個(gè)主要問(wèn)題是失真問(wèn)題。我們可

18、用一組晶體管來(lái)代替單個(gè)的晶體管來(lái)消除失真。然而，即使采用了這樣的措施，其工作頻率也不會(huì)太高，主要是運(yùn)算放大器限制了其工作頻率。跨導(dǎo)電容(gm-c)濾波器比前面討論過(guò)的濾波器有許多優(yōu)點(diǎn)，最主要的是它有較低的功耗和較高的應(yīng)用頻率?？鐚?dǎo)電容(gm-c)濾波器由跨導(dǎo)gm和電容c組成?？鐚?dǎo)電容(gm-c)濾波器被普遍應(yīng)用于高頻領(lǐng)域，例如在通信系統(tǒng)中，濾波器是非常重要的組成部分。在射頻(rf)接收系統(tǒng)中，天線的輸出緊跟一個(gè)射頻預(yù)選擇濾波器(pre-select filter)，混頻器前需要鏡像反射濾波器(image-rejection filter)，a/d轉(zhuǎn)換前需要經(jīng)過(guò)信道選擇濾波器(channel s

19、election filter)和抗混疊濾波器(anti-aliasing filter)。另一個(gè)典型的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)中的硬盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在從硬盤中讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，必須要有一個(gè)均衡濾波器(equalization filter)，以提供延遲補(bǔ)償，減小信號(hào)間的干擾。上述這些濾波器的共同點(diǎn)是它們都工作在非常高的頻率上，范圍可能從幾兆赫茲到幾百兆赫茲，甚至達(dá)到幾十吉赫茲。1.3集成濾波器面臨的問(wèn)題在將濾波器進(jìn)行集成時(shí)，面臨著許多困難和挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)中，首要的問(wèn)題是集成連續(xù)時(shí)間濾波器的動(dòng)態(tài)范圍，特別是在高q值和低電壓的設(shè)計(jì)中。一般在設(shè)計(jì)中通過(guò)平衡結(jié)構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。第二個(gè)問(wèn)題是怎樣保證精確的和穩(wěn)定的元件值。

20、由于加工誤差、溫度變化以及老化等引起元件值的不精確。另外，濾波器的截止頻率需要不斷地變化，該問(wèn)題可以通過(guò)調(diào)整偏置電壓或電流的方法來(lái)解決。 總之，在全集成濾波器的低頻應(yīng)用中，主要是使用rc有源濾波器和開(kāi)關(guān)電容濾波器；而隨著越來(lái)越多的高頻應(yīng)用，需要提高濾波器的工作頻率。因此，進(jìn)一步提高濾波器的工作頻率是全集成濾波器設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。 第2章 跨導(dǎo)集成運(yùn)算放大器 (ota) 運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(operational transconductance amplifier，簡(jiǎn)稱ota)是一種電壓輸入、電流輸出的電子放大器，其本質(zhì)是線性電壓控制電流源，它在自動(dòng)增益控制、連續(xù)時(shí)間濾波器和模擬信號(hào)處理系統(tǒng)中應(yīng)用非

21、常廣泛。2.1 跨導(dǎo)集成運(yùn)算放大器概述我們已知差分放大器的跨導(dǎo)gm的表達(dá)式為 （2.1）式中差分對(duì)管的總電流?？鐚?dǎo)集成運(yùn)算放大器ota (operational transconductanceamplifier 以下簡(jiǎn)稱跨導(dǎo)運(yùn)放)就是通過(guò)控制工作電流的變化，使放大器的跨導(dǎo)發(fā)生變化，從而使電路的增益發(fā)生變化。其功能是將輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流輸出，并通過(guò)外加偏壓控制運(yùn)放的工作電流，從而使它的輸出電流在較大范圍內(nèi)變化。若將外加偏壓進(jìn)行編程，則構(gòu)成ota的程控方式。跨導(dǎo)集成運(yùn)算放大器ota的原理:ota的電路符號(hào)如圖3.1所示。“-”號(hào)代表反相輸入端，“+”代表同相輸入端，iabc是用于調(diào)變ota跨導(dǎo)的

22、外部控制電流。 圖2.1 ota的符號(hào)理想ota的傳輸特性是 （2.2）其中，vd是差模電壓，vp 、vn分別是同相端與反相端電壓。gm是跨導(dǎo)，它是外部控制電流iabc的函數(shù)。理想ota的輸入和輸出阻抗都是無(wú)窮大。圖2.2 ota的結(jié)構(gòu)圖圖2.2是ota的框圖結(jié)構(gòu)。t1和t2組成差動(dòng)跨導(dǎo)放大器，其輸入是電壓，輸出是電流，尾電流一般都由直流電流源提供，即采用衡流偏置。與此不同，自適應(yīng)偏置的偏置電流不是恒定的直流電流，而是由一個(gè)或一個(gè)以上的信號(hào)控制的。自適應(yīng)偏置的應(yīng)用很多，例如，npn晶體管射隨器的負(fù)向輸出幅度與其靜態(tài)偏置電流有關(guān)，要提高負(fù)向輸出幅度必須增大靜態(tài)偏置電流，而增大靜態(tài)偏置電流意味著增

23、大電路的功耗。如果采用自適應(yīng)偏置，使射極跟隨器的偏置電流受負(fù)向輸出幅度控制，負(fù)向輸出幅度越大，偏置電流也越大，就能很好地解決這個(gè)矛盾。t1的電流經(jīng)電流鏡cm2和cm3轉(zhuǎn)換成i3，t2的電流經(jīng)電流鏡cm4轉(zhuǎn)換成i4。當(dāng)vd=vp-vn0時(shí)，i2i1，i4i3，io為正（向外流）；反之，當(dāng)vd0時(shí)，io為負(fù)（向里流）。如果三個(gè)電流鏡的電流傳輸比都等于1，則ota的跨導(dǎo)等于差分對(duì)的跨導(dǎo)，它由iabc控制。寄生影響和較大的參數(shù)容差是ota濾波器的缺點(diǎn)，因此，有必要在芯片上加入調(diào)節(jié)系統(tǒng)以補(bǔ)償技術(shù)上的缺陷，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移函數(shù)的參數(shù)，使芯片上的調(diào)節(jié)系統(tǒng)成功地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移函數(shù)的極點(diǎn)幅度，這樣就可以使ota濾波器達(dá)到

24、更好的性能。ota濾波器一般在同一芯片上都具有自調(diào)節(jié)系統(tǒng)。跨導(dǎo)運(yùn)算放大器分為雙極型和mos型兩種，市售的商品ota都是雙極型的，如lm3080等，而在集成系統(tǒng)中用于模擬信號(hào)處理的ota則主要是mos型的。相對(duì)于雙極型跨導(dǎo)運(yùn)算放大器而言，cmos跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的增益值較低，增益可調(diào)范圍較小，但它的輸入阻抗高、功耗低，容易與其它電路結(jié)合實(shí)現(xiàn)全cmos集成系統(tǒng)。 在大多數(shù)文獻(xiàn)中，ota 器件都被作為電壓模式元器件使用，實(shí)現(xiàn)的各種濾波電路的性能優(yōu)于由傳統(tǒng)的電壓模式器件所構(gòu)成的電壓模式濾波器，其傳遞函數(shù)都是按傳送電壓比給出的，即濾波電路輸入信號(hào)和輸出信號(hào)均為電壓信號(hào)。實(shí)際上，根據(jù) ota性能和電路結(jié)構(gòu)可

25、以知道，ota是電流輸出器件，將它作為電流模式器件處理更為適宜。在本課題中，ota將作為電流模式器件來(lái)進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)。跨導(dǎo)運(yùn)算放大器是一種電壓輸入、電流輸出的電子放大器。由跨導(dǎo)運(yùn)算放大器和電容所構(gòu)成的ota-c有源濾波器電路的研究是現(xiàn)代化濾波器領(lǐng)域一個(gè)極為活躍的課題。這是因?yàn)榭鐚?dǎo)-電容濾波器具有容易設(shè)計(jì)、電路簡(jiǎn)單、便于集成、參數(shù)可調(diào)等突出優(yōu)點(diǎn)。ota-c濾波器有著如下優(yōu)點(diǎn)：良好的高頻性能：ota可以工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，濾波器頻率可以擴(kuò)展到高頻，其工作頻段可以達(dá)到1000mhz甚至更高，而典型的電壓運(yùn)算放大器的帶寬僅為1mhz。具有電控能力：ota的跨導(dǎo)增益本身作為設(shè)計(jì)參數(shù)出現(xiàn)在濾波器的設(shè)計(jì)中，而跨

26、導(dǎo)參數(shù)經(jīng)外部電壓或電流控制，因而ota-c濾波器可實(shí)現(xiàn)電子控制。電路簡(jiǎn)單、適于集成：研究表明，ota功能強(qiáng)大，可以它來(lái)設(shè)計(jì)幾乎所有的線性和非線性電路，且電路相對(duì)簡(jiǎn)單。與mosvlsi工藝兼容：ota-c濾波器可以完全用mos工藝制造。2.2跨導(dǎo)運(yùn)放ota的應(yīng)用跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的應(yīng)用非常廣泛，主要用途可以分為兩方面。一方面，在多種線性和非線性模擬電路和系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)運(yùn)算和處理，其中一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是連續(xù)時(shí)間模擬濾波器；另一方面，在電壓信號(hào)變量和電流模式信號(hào)處理系統(tǒng)之間作為接口電路，將待處理的電壓信號(hào)變換為電流信號(hào)，再送入電流模式系統(tǒng)進(jìn)行處理。其應(yīng)用電路名目繁多，但是從原理上看，主要有以下幾種類型：

27、(1) 輸出量是電流，這使得它特別適合構(gòu)成積分器、回轉(zhuǎn)器和有源濾波器。因?yàn)樵谶@些電路中，用電流進(jìn)行必要的信號(hào)處理和運(yùn)算比用電壓信號(hào)簡(jiǎn)便得多。(2) 輸出電阻很高，當(dāng)輸出端開(kāi)路或接高阻負(fù)載時(shí)，具有與電壓型運(yùn)算放大器類似的高電壓增益特性。這時(shí)，若加入負(fù)反饋形成閉環(huán)電路，可構(gòu)成類似電壓型運(yùn)算放大器的應(yīng)用電路，如電壓跟隨器、電壓比例器等。(3) 增益與外偏置電流成線性關(guān)系，若將控制電壓變換成外偏置電流，則可設(shè)計(jì)各種壓控電路，如壓控放大器、壓控振蕩器、壓控濾波器等。(4) 若將跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的外偏置控制端作為另一個(gè)信號(hào)輸入端，則可用來(lái)設(shè)計(jì)兩個(gè)輸入信號(hào)聯(lián)合作用的電路，如模擬乘法器、幅度調(diào)制器等。(5) 外

28、偏置控制端加入數(shù)字信號(hào)對(duì)主信號(hào)具有選通作用，使其處于開(kāi)、關(guān)狀態(tài)?？鐚?dǎo)運(yùn)算放大器的這一性能可用來(lái)設(shè)計(jì)采樣保持器、數(shù)據(jù)選擇器、脈沖發(fā)生器等。總之，ota像運(yùn)算放大器一樣，也是一種通用器件。(1) 增益可控放大器 用ota作電壓放大的電路如圖2.5 a）所示。ota的輸出電流 （2.3）所以 （2.4）電壓增益為，它可由外電流iabc控制。a） b）圖2.5 增益可控的電壓放大器圖2.5 a）所示的電壓增益與負(fù)載有關(guān)。這是因?yàn)槔硐雘ta具有無(wú)窮大的輸出電阻，屬于理想的恒流源輸出。要克服這個(gè)缺點(diǎn)，可在圖2.5 a）的后面接一個(gè)由運(yùn)算放大器組成的電流電壓變換器，如圖2.5 b）所示。運(yùn)算放大器的閉環(huán)輸出

29、電阻近似等于零，是很理想的電壓源輸出，所以電壓增益與負(fù)載rl無(wú)關(guān)。由圖2.5 b）可知 （2.5）電壓增益等于。 (2) 積分器積分器電路如圖3.6所示，它由一個(gè)ota和一個(gè)電容組成。圖2.6 積分器由圖可知 （2.6）所以s域的傳輸函數(shù) （2.7）其時(shí)域的特性為 （2.8）即輸出電壓與輸入電壓的積分成正比，積分時(shí)間常數(shù)等于 。 (3) 可變電阻器由ota組成的可變模擬電阻器如圖3.7所示。因?yàn)槔硐雘ta的輸入電阻無(wú)窮大，輸入電流為零，所以 （2.9）因而從輸入端口視入的電阻為 (2.10）等效電阻與跨導(dǎo)成反比，因而阻值可由iabc控制。 圖2.7所示模擬電阻器有一端是接地的，而圖3.8所示模

30、擬電阻器則是浮地的，即等效電阻兩端都可以不接地。圖2.7 可變電阻器 圖2.8 浮置式可變電阻設(shè)兩個(gè)ota的跨導(dǎo)相同，即，且它們的輸入電流為零，則 （2.11） （2.12）所以從輸入端視如的等效電阻為： （2.13） (4) 一階低通濾波器 一階低通濾波器如圖2.9 a）所示。r和c的并聯(lián)阻抗為 （2.14）所以， （2.15）傳輸函數(shù)為 （2.16） 該一階低通濾波器有一個(gè)負(fù)實(shí)極點(diǎn)，。圖2.9 b）是其傳輸特性曲線，低頻增益為，-3db帶寬。低頻增益與有關(guān)，因而可由iabc調(diào)節(jié)。-3db帶寬由電阻r和電容c來(lái)調(diào)節(jié)，而且增益和帶寬是獨(dú)立的，即用iabc調(diào)節(jié)低頻增益時(shí)-3db帶寬不受影響。a）

31、 一階低通濾波器 b） 幅頻特性圖2.9 一階低通濾波器用圖2.7所示模擬電阻代替圖3.9中的無(wú)源電阻，能得到更適于集成的一階低通濾波器，如圖2.10 a）所示。 由式（2.9）知，從電容c向右看的電阻為，代入式子（2.16），得 （2.17）該一階低通濾波器也有一個(gè)負(fù)實(shí)極點(diǎn)，幅頻特性曲線如圖2.10 b）所示。a）電路圖 b）幅頻特性圖2.10 不用電阻的一階低通濾波器在實(shí)際工作中，可以先通過(guò)調(diào)iabc2，來(lái)改變，使-3db帶寬等于設(shè)計(jì)值，再通過(guò)調(diào)iabc1來(lái)改變，以得到所需要的低頻電壓增益。圖2.11所示是更為簡(jiǎn)單的一階低通濾波器，它只有一個(gè)ota和一個(gè)電容。圖2.11 固定增益的低通濾波

32、器由圖可得 （2.18） （2.19） 從而可得 （2.20） 令s=0，得到低頻增益為1，而-3db帶寬。顯然，該電路只適合于固定增益的場(chǎng)合。(5) 一階高通濾波器 一階高通濾波器如圖2.12所示。由圖可知，ota的同相輸入端接地，而反相輸入端接輸出端，即，所以 （2.21）因?yàn)槔硐雘ta的輸入電流為零，全部流向電容c，所以 （2.22）得到傳輸函數(shù) （2.23）圖2.12 一階高通濾波器該一階高通濾波器有一個(gè)零值零點(diǎn)和一個(gè)負(fù)實(shí)極點(diǎn)，幅頻特性如圖2.12所示。當(dāng)時(shí)，；時(shí)，。小 結(jié)理想的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器差模輸入電阻無(wú)窮大：輸出端是一個(gè)受差輸入電壓控制的電流源，輸出電阻也為無(wú)窮大。本章介紹了跨導(dǎo)運(yùn)

33、算放大器的結(jié)構(gòu)，歸納和總結(jié)了跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的性能特點(diǎn)，并且介紹了由ota構(gòu)成模擬電阻和模擬電感以及其他一些模擬元件的電路。詳細(xì)介紹了跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的應(yīng)用，分析和演算了一些濾波器傳遞函數(shù),為后續(xù)章節(jié)中濾波器的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。第3章 ota-c濾波器的設(shè)計(jì) 以常規(guī)電壓運(yùn)算放大器作為有源器件的有源rc濾波器存在以下缺點(diǎn)：工作頻率不高；包含大量的無(wú)源rc網(wǎng)絡(luò)，難以彈片形成；性能參數(shù)一旦確定，不能在利用外部電信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用跨導(dǎo)運(yùn)算放大器作有源器件的濾波器則電路簡(jiǎn)單，可以不含電阻，只包含跨導(dǎo)運(yùn)算放大器和電容，便于單片集成；高頻性能好，可以工作在數(shù)十兆赫級(jí)至百兆赫級(jí)領(lǐng)域；濾波器參數(shù)與跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的增益值成

34、線性關(guān)系，可以通過(guò)外部電信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)3.1 ota-c濾波器設(shè)計(jì)方法 濾波器設(shè)計(jì)方法是實(shí)現(xiàn)濾波器的重要手段，電壓模式 ota-c濾波器的迅速發(fā)展為電流模式 ota-c濾波器的實(shí)現(xiàn)提供了許多可以借鑒和參考的地方，而且通過(guò)研究，我們發(fā)現(xiàn)許多方面具有共同性。目前，ota-c濾波器設(shè)計(jì)方法概括起來(lái)有兩大類:一是以濾波器的傳遞函數(shù)為對(duì)象的直接設(shè)計(jì)方法，具有代表性的是級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)和多環(huán)反饋法 (mf);二是以無(wú)源網(wǎng)絡(luò) lc梯形電路為對(duì)象的間接模擬設(shè)計(jì)，其代表是信號(hào)模擬法。由于ota-c濾波器的實(shí)現(xiàn)是電路與系統(tǒng)學(xué)術(shù)界當(dāng)前比較熱門的課題，人們從不同的方向努力追求ota-c濾波器的實(shí)現(xiàn)，大量設(shè)計(jì)ota-c濾波器的新

35、方法相繼出現(xiàn)，對(duì)其中具有代表性的方法歸納如下: 1)采用節(jié)點(diǎn)電壓模擬方法，從有源 rc濾波器產(chǎn)生 ota-c濾波器。 2)信號(hào)流圖sfg法 (signal flow graph)，根據(jù)狀態(tài)空間方程，應(yīng)用信號(hào)流圖得出傳遞函數(shù)，再用放大器、加法器、積分器這些基本積木塊來(lái)實(shí)現(xiàn) ota-c濾波器。這種方法通用性強(qiáng)，但在設(shè)計(jì)復(fù)雜濾波電路或高階濾波電路時(shí)比較繁雜，電路結(jié)構(gòu)不清晰。 3)首先建立起加法器、無(wú)損積分器、有損積分器，然后建立起死網(wǎng)絡(luò) (dead network)，再采用加權(quán)的信號(hào)注入獲得各種ota-c濾波器。4)建立一系列基本模塊后，借助鏈狀 (chain like)反饋手段，設(shè)計(jì)出各種ota-

36、c濾波器。3.2 ota-c連續(xù)時(shí)間濾波器ota-c連續(xù)時(shí)間濾波器是由運(yùn)算跨導(dǎo)放大器和電容組成的模擬濾波器，這種濾波器所用的電容很小，沒(méi)有電阻，因此很適合于集成。連續(xù)時(shí)間濾波器具有處理速度快、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小等突出特點(diǎn)。3. 2.1 mason法則與網(wǎng)絡(luò)綜合(1) mason法則任何一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)都可用按一定方式聯(lián)結(jié)的子系統(tǒng)來(lái)表示。如果用方框代表子系統(tǒng)，就得到系統(tǒng)的方框圖或方塊圖。例如，圖4.1就是一個(gè)系統(tǒng)的方框圖，它由四個(gè)子系統(tǒng)組成，它們的傳輸函數(shù)分別是g1、g2、g3和g4，箭頭方向指示信號(hào)的流通方向。g1 g2 g3 在x1，x2之間形成一個(gè)通路，而g2 g3 g4構(gòu)成環(huán)路。g1的輸出

37、信號(hào)與g4的輸出信號(hào)在相加點(diǎn)相加，負(fù)號(hào)代表環(huán)路反饋回來(lái)的信號(hào)是負(fù)極性的。 圖4.1 系統(tǒng)框圖在闡述mason法則之前，應(yīng)該先知道什么是系統(tǒng)框圖中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)和相關(guān)節(jié)點(diǎn)。凡是有一個(gè)或多個(gè)支路從該點(diǎn)出發(fā)，但沒(méi)有支路進(jìn)入該節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)叫獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，而其他節(jié)點(diǎn)都是相關(guān)節(jié)點(diǎn)。圖3.1中的x1是獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，而x2、x3、x4、x5等都是相關(guān)節(jié)點(diǎn)。mason法則：獨(dú)立節(jié)點(diǎn)x和相關(guān)節(jié)點(diǎn)y之間的傳輸函數(shù)h可由下式表示： （3.1）其中 （3.2） 是第i個(gè)環(huán)路的傳輸函數(shù)； 是任意兩個(gè)互不接觸環(huán)路的傳輸函數(shù)之積；是任意三個(gè)互不接觸環(huán)路的傳輸函數(shù)之積；是x，y之間第k個(gè)通路的傳輸函數(shù)； 是與第k個(gè)通路不接觸環(huán)路的值。(2)

38、 網(wǎng)絡(luò)綜合mason法則可以對(duì)已知網(wǎng)絡(luò)求傳輸函數(shù)，而網(wǎng)絡(luò)綜合則是綜合或設(shè)計(jì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，使之具有所希望的傳輸函數(shù)。所以網(wǎng)絡(luò)綜合是實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，即用某一網(wǎng)絡(luò)去實(shí)現(xiàn)給定的傳輸函數(shù)。3.22 ota-c連續(xù)時(shí)間濾波器 ota-c連續(xù)時(shí)間濾波器是有運(yùn)算跨導(dǎo)放大器和電容組成的模擬濾波器，這種濾波器所用的電容很小，沒(méi)有電阻，因此很適合于集成。本節(jié)重點(diǎn)介紹雙二次連續(xù)ota-c濾波器16。這種濾波器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4.2所示。它由三個(gè)通路（分別加輸入信號(hào)、）和兩個(gè)環(huán)路構(gòu)成。 圖3.2 雙二次ota-c濾波器的結(jié)構(gòu)之一利用mason法則，可以寫出 （3.3）這是一個(gè)雙二次濾波器的特性公式。改變輸入節(jié)點(diǎn)和接地點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)不

39、同的濾波功能：令，信號(hào)由a點(diǎn)輸入，是二階低通濾波器；令，信號(hào)自b點(diǎn)輸入，是二階帶通濾波器；令，信號(hào)自c點(diǎn)輸入，得到二階高通濾波器；令，將a、c兩端相連作輸入端，則得到陷波器。圖3.3是圖3.2所示結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)電路圖。它由兩個(gè)ota和兩個(gè)電容組成。ota1和組成積分器。由圖可知 （3.4）即它完成的積分再與相加的功能，這與圖3.2一致。而 （3.5）實(shí)現(xiàn)圖4.2后半部的特性要求。 圖3.3 圖3.2所示結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)電路圖兩個(gè)積分器的傳輸函數(shù)分別為和，與圖3.2相比便知 （3.6） （3.7）代入（3.8）式，得到 （3.8）整個(gè)電路功能與參數(shù)如表4.1所示，其中假設(shè)。 該濾波器的特點(diǎn)是：q值取決于電

40、容與之比，因而q值精度較高，但不能外調(diào)，即只適用于q值固定的場(chǎng)合；在、固定之后，決定于，。即 （3.9）可通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)。 圖3.3所示的電路總的特性列于表3.1中。由表可知，在特性頻率下，傳輸函數(shù)的幅值分別為： 低通濾波器： ， 高通濾波器： ， 帶通濾波器： ， 帶阻濾波器： ， 表3.1 圖3.3所示電路的特性功 能接 法傳輸函數(shù)q低通濾波帶通濾波高通濾波帶阻濾波 通過(guò)設(shè)計(jì)二階濾波器電路，對(duì)該電路進(jìn)行了電路分析，得到了電壓傳輸函數(shù)、品質(zhì)因素q，頻率，實(shí)現(xiàn)了低通、高通、帶阻、帶通濾波器。最后通過(guò)pspice仿真來(lái)驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性。3.3二階濾波器的仿真根據(jù)自己設(shè)計(jì)的電路圖，算出仿真所需

41、要的參數(shù)。首先我們算出實(shí)現(xiàn)各個(gè)濾波器的q值和頻率。q值取決于電容與之比，因而q值精度較高，但不能外調(diào)，即只適用于q值固定的場(chǎng)合；在、固定之后，決定于，。即可通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)。其次，我們算出它們實(shí)現(xiàn)在不同濾波器中傳輸函數(shù)分別為：低通濾波: （3.10）帶通濾波: （3.11）高通濾波: （3.12）帶阻濾波: （3.13）圖3.4低通濾波器仿真電路圖圖3.5低通濾波器幅頻特性圖3.6帶通濾波器仿真電路圖圖3.7帶通濾波器幅頻特性圖3.8高通濾波器仿真電路圖圖3.9高通濾波器幅頻特性圖3.10帶阻濾波器仿真電路圖圖3.11帶阻濾波器幅頻特性3. 4 仿真結(jié)果分析通過(guò)pspice仿真波形可以看出，在電路的設(shè)計(jì)中，其濾波器的特性與理論分析相符合，表明設(shè)計(jì)的成功。但由于軟件本身的顯示效果的局限性，沒(méi)能達(dá)到最好的波形效果。但仿真基本是成功的，達(dá)到了預(yù)期的效果，結(jié)果令人滿意。小 結(jié)本章設(shè)計(jì)了用二個(gè)ota和電容構(gòu)成的電流模式二階濾波器。沒(méi)有使用電阻，便于實(shí)現(xiàn)集成。對(duì)該電路進(jìn)行了分析，得到了電壓傳輸函數(shù)。最后用pspice對(duì)該濾波器電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，該濾波器設(shè)計(jì)正確，理論分析與仿真結(jié)果相吻合。電路具有如下特點(diǎn)：（1）能實(shí)現(xiàn)二階低通、帶通、高通、帶阻濾波函數(shù)；（2）電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；（3）具有的元器件較少；（4）q，可調(diào)。第4章 結(jié)束語(yǔ) 本設(shè)計(jì)主要研究了梯形無(wú)源高通模擬