無源梯形高階高通濾波器的模擬設(shè)計(jì)

1、20062006 屆屆 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)（論計(jì)（論 文）文） 題目： 無源梯形高階高通 濾波器的模擬設(shè)計(jì) 班班 級(jí)：級(jí)： 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 姓姓 名：名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 20062006 年年 6 6 月月 無源梯形高階高通 濾波器的模擬設(shè)計(jì) 學(xué)學(xué)生生姓姓名名 ： 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 2 2 所所在在院院 ( (系系) )：電氣與信息工程：電氣與信息工程 班班 級(jí)級(jí): : 指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師 ： 完完成成日日期期 : :2 20 00 06 6 年年 6 6 月月 5 5 日日 無源梯形高階高通濾波器的模擬設(shè)計(jì) 摘要 運(yùn)算放大器作為有源器件的濾波電路，人們已經(jīng)十分熟悉。但是電流傳送器的使

2、用還不被人們了解，電流傳送器構(gòu)成的濾波器就更為陌生。可電流傳送器的電流傳輸 特性使它成了電流模式 VLSI 電路中最基本的積木塊。 該文介紹了電流傳送器的特性和實(shí)現(xiàn)。文章歸納了以電流傳送器為有源器件的有 源網(wǎng)絡(luò)元件模擬電感電路，并對(duì)模擬電感進(jìn)行了分析.接著介紹 LC 梯形高通濾波器的原 理和設(shè)計(jì)方法。然后用模擬電感電路來代替 LC 梯形高通濾波器中的電感，并用五階高 通濾波器來做例子說明。通過用 PSPICE 軟件仿真，仿真結(jié)果與理論分析完全吻合。文 章最后簡(jiǎn)單介紹了 PSPICE 軟件。 關(guān)鍵詞： 電流傳送器，梯形濾波器，電流模式，有源濾波器 SIMULATION DESIGN OF THE

3、 PASSIVE TRAPEZOIDAL HIGHER ORDER HIGHPASS FILTERS ABSTRACT The operational amplifier took active device filter circuit is well knowed by people, but how to use the electric current conveyer is still a complex problem. The filter using the electric current conveyer is more stranger. But electric cur

4、rent transmission characteristic of the electric current conveyer has caused it to be the most basic product log in the electric current pattern VLSI electric circuit. Electric current conveyer characteristic and the realization is explained in this article, The article has induced take the electric

5、 current conveyer as the active device active network part simulation inductance electric circuit, and has carried on the analysis to the simulation inductance. Then the principle and design method of LC trapezoid high-pass filter is introduced. After that the LC trapezoid high-pass filters inductan

6、ce is replaced with the analogous circuit and we take high-pass filter (five steps) for example here. The simulation based on PSPICE is also introduced in this paper, and resulting result and theory are analyzed to be totally identical. The active circuit realizes this kind of passive electric circu

7、it design to have very many merits; For example the sensitivity is extremely low, easy to realize, stable and so on. The article finally has given the brief explanation to the simulation software, is advantageous for the reader to be familiar with the software. Key Words: current conveyor; ladder-ty

8、pe filter; current mode; active filter 目 錄 第一章 緒論-1 1.1 引言-1 1.2 濾波器的介紹-2 1.3 本文的重要意義與發(fā)展?fàn)顩r-2 1.4 本文的內(nèi)容安排-3 第二章 電流傳輸器-5 2.1 電流傳輸器的概念-5 2.2 電流傳輸器的結(jié)構(gòu)與特性-6 第三章 模擬電感-9 3.1 基于 AD844 模擬電感的實(shí)現(xiàn)電路-9 3.1.1 接地電感的實(shí)現(xiàn)與模擬-9 3.1.2 浮地電感的實(shí)現(xiàn)與模擬-11 3.2 常用模擬電感電路的分析-15 第四章 無源五階梯形濾波器的設(shè)計(jì)-19 4.1 高階濾波器的實(shí)現(xiàn)方法-19 4.2 CCII濾波器設(shè)計(jì)方法-

9、19 4.3 設(shè)計(jì)濾波器需考慮的因數(shù)-21 4.4 電流模式梯形濾波器的設(shè)計(jì)-22 4.4.1 n 階梯形濾波器的設(shè)計(jì)-22 4.4.2 舉例說明CCII 五階梯形濾波器-24 第五章 仿真軟件簡(jiǎn)介-28 5.1 OrCAD軟件包的基本構(gòu)成及功能-28 5.2 OrCAD/Capture CIS軟件的構(gòu)成-29 5.3 OrCAD/Capture CIS軟件的功能特點(diǎn)-30 5.4 OrCAD/Capture CIS軟件的運(yùn)行要求-32 第六章 結(jié)論- 34 參考文獻(xiàn)-35 致謝-36 附錄-37 附錄 A CCII+模擬電感的仿真程序-37 附錄 B CCII+和 CCII-模擬電感的仿真程

10、序-38 附件： 論文開題報(bào)告 英文譯文 英文原文 第一章 緒論 1.1 引言 在現(xiàn)代社會(huì)中，信息是我們這個(gè)社會(huì)的特點(diǎn)，在社會(huì)的信息化程度快速提高的過 程中，集成電路（IC）芯片的應(yīng)用也越來越廣泛。從家用電器到透視儀、雷達(dá)、互聯(lián) 網(wǎng)和人造衛(wèi)星等，芯片都被應(yīng)用到了，甚至植入人體的芯片也進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)階段。集成 電路的設(shè)計(jì)規(guī)模已從數(shù)萬門上升到數(shù)十萬門至上千萬門。從 1959 年設(shè)計(jì)出來的第一個(gè) 集成電路只有 4 個(gè)晶體管，到現(xiàn)在，一個(gè)如芝麻般大小的集成電路芯片上不僅集成了 成千上萬個(gè)甚至上億個(gè)晶體管，而且有著十分強(qiáng)大的功能，是現(xiàn)代高科技的結(jié)晶。40 多年來集成電路技術(shù)經(jīng)歷了小規(guī)模階段（SSI） 、中規(guī)

11、模階段（MSI） 、大規(guī)模階段 （LSI） 、超大規(guī)模階段，目前已進(jìn)入特大規(guī)模階段（ULSI） 。集成電路產(chǎn)業(yè)將是世界未 來經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，目前我國(guó)的芯片產(chǎn)業(yè)還不是十分的發(fā)達(dá)，國(guó)內(nèi)芯片的年需求 量的百分之八十依靠進(jìn)口，芯片的設(shè)計(jì)也僅占整個(gè)行業(yè)的百分之一。因此，為了振興 我國(guó)的芯片產(chǎn)業(yè)，必須開發(fā)一批擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的各種應(yīng)用集成電路。為我們國(guó)家 在將來不在依靠進(jìn)口來維持整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。 現(xiàn)在一個(gè)芯片上集成的元件數(shù)可多達(dá)數(shù)億個(gè)，在超大規(guī)?；蛱卮笠?guī)模集成電路中， 模擬電路和數(shù)字電路共存于一塊芯片上很普通。出于集成了大量的門電路，因此減少 電路的功耗就成為一個(gè)重要的課題。對(duì)于數(shù)字電路部分，降低電源

12、電壓就意味著降低 功耗，而對(duì)于模擬電路，并沒有那么簡(jiǎn)單，這樣就給模擬電路的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。 在模擬電路中，人們一直習(xí)慣于采用電壓而不是電流作為信號(hào)變量，并通過處理 電壓信號(hào)來決定電路的功能。依次促成了大量電壓信號(hào)處理電路或稱電壓模式電路的 誕生和發(fā)展。自從第一片商用電壓模式集成運(yùn)算放大器問世以來，確定了電壓模式運(yùn) 算放大器標(biāo)準(zhǔn)部件的模擬網(wǎng)絡(luò)在模擬信號(hào)處理中的地位。 但是，隨著被處理信號(hào)的頻率越來越高，電壓型運(yùn)算放大器的缺點(diǎn)開始妨礙它在 高頻、高速環(huán)境中的應(yīng)用。電壓型運(yùn)算放大器的缺點(diǎn)一是，它的-3 分貝閉環(huán)帶寬與閉 環(huán)增益的乘積是常數(shù)，當(dāng)帶寬向高頻區(qū)域擴(kuò)展時(shí)，增益成比例下降；缺點(diǎn)二是，它在

13、大信號(hào)下輸出電壓的最高轉(zhuǎn)換速率很低。 近年來，以電流為信號(hào)變量的電路在信號(hào)處理中的巨大潛在優(yōu)勢(shì)逐漸被認(rèn)識(shí)并被 挖掘出來，促進(jìn)了一種新型電子電路-電流模式電路的發(fā)展。人們發(fā)現(xiàn)，電流模式電路 可以解決電壓模式電路所遇到的一些難題，在深度、帶寬、動(dòng)態(tài)范圍等方面獲得更加 優(yōu)良的性能。研究結(jié)果顯示，在高頻、低壓、高速信號(hào)處理領(lǐng)域，電流模式電路設(shè)計(jì) 方法正在取代電壓模式的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，電流模式電路的發(fā)展應(yīng)用將把現(xiàn)代模擬集成 電路推進(jìn)到一個(gè)新階段。引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，并迅速成為國(guó)際電路與系統(tǒng)、微 電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息科學(xué)等領(lǐng)域的前沿課題和研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)在電流模式電路已 經(jīng)發(fā)展到第三代了，其發(fā)展勢(shì)頭快不

14、可當(dāng)。 1.2 濾波器的介紹 濾波器理論的起源，濾波器的歷史及發(fā)展現(xiàn)狀最早可追溯到1915年瓦格(Wagner) 和坎貝爾(Campell)，提出無源濾波器的概念。之后，濾波器理論和技術(shù)不斷地發(fā)展， 己經(jīng)出現(xiàn)了各種各樣的新濾波方法。理論上，濾波器的定義為:對(duì)己知激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行選 擇，并具有規(guī)定響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。所要求的響應(yīng)可以在時(shí)間域和頻率域中給定，在頻率域 中通常意味著選擇性。而在實(shí)際電路結(jié)構(gòu)中，只要含有電感、電容等電抗元件的電路， 都具有濾波的功能。從這方面來看，如果沒有濾波理論滲入電子技術(shù)，很難想象，能 有現(xiàn)代的電子世界。濾波器理論發(fā)展至今己有八十多年的歷史。根據(jù)實(shí)際的不同需要， 創(chuàng)造出各種不同

15、的濾波器種類：集總無源LC濾波器、晶體和陶瓷濾波器、機(jī)械濾波器、 微波濾波器、集總和分布有源濾波器、開關(guān)濾波器、N通道濾波器和數(shù)字濾波器。這些 電路本質(zhì)上具有相同的目的，但又各具特點(diǎn)。無源濾波器理論，就是通常所說的經(jīng)典 濾波器理論，在五十年代以前受到極大的關(guān)注，得到廣泛的研究。最初是影象參數(shù)理 論，后來，考爾(Cauer).達(dá)林頓(Darlington)和皮洛蒂(Piloty)提出的插入衰減理論，更具 普遍性，更有效。無源濾波器理論不僅具有靈敏度低、容易實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)得到廣 泛的應(yīng)用，更重要的是它是發(fā)展其它濾波器理論的基礎(chǔ)。隨著集成電路的發(fā)生和發(fā)展， 濾波器設(shè)計(jì)和理論取得長(zhǎng)足進(jìn)步。無電感有源

16、濾波器、N通道濾波器和數(shù)字濾波器得到 迅速發(fā)展。濾波器設(shè)計(jì)的新理論層出不窮不出，特別是電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，為濾波器 的設(shè)計(jì)開辟了新的途徑。 1.3 本文的重要意義與發(fā)展?fàn)顩r 多年來，電子工程師似乎總是認(rèn)為世界是由電壓所支配的，安培總是從屬于伏特. 微電子技術(shù)和VLSI的飛速發(fā)展，使得像算放大器這樣的壓控IC基本積木塊及其電路得 到廣泛的研究和使用，從而加強(qiáng)了人們電壓主宰世界的認(rèn)識(shí)，以致認(rèn)為像跨導(dǎo)放大器 這樣的電流控器件用處不大。然而，令人們驚異的是在電子電路中，雙極型晶體管和 MOS場(chǎng)效應(yīng)管本質(zhì)上都是控制電流輸出器件?，F(xiàn)有的IC基本積木塊和壓控技術(shù)可很方 便地實(shí)現(xiàn)電壓控制信號(hào)處理，如VCVS和C

17、CVS電路，但并不容易構(gòu)成電流放大器及其 有關(guān)電路實(shí)現(xiàn)，如VCCS和CCCS。 電流模式電路的發(fā)展近年來主要集中在模擬電路領(lǐng)域，同時(shí)在電流式接口電路 （A/D，D/A 變換器）和數(shù)字電路（邏輯門電路、觸發(fā)器、存儲(chǔ)器）方面也有一些研究 成果，如電壓模式電路一樣，電流模式標(biāo)準(zhǔn)集成部件主要有兩種類型，一種是連續(xù)時(shí) 間的模擬信號(hào)處理電路，另一種是離散時(shí)間采樣的模擬信號(hào)處理電路。電流模式連續(xù) 時(shí)間模擬電路主要包括靜態(tài)電流鏡、跨導(dǎo)線性電路、電流傳送器、電流反饋運(yùn)算放大 器（跨阻運(yùn)算放大器） 、跨導(dǎo)放大器等。電流模式離散時(shí)間模擬電路主要有動(dòng)態(tài)電流鏡 和開關(guān)電路。其中電流傳送器、電流反饋運(yùn)算放大器和跨導(dǎo)放大器

18、，嚴(yán)格地講應(yīng)該屬 于電流模式/電壓模式混合電路，但是，其中的電流模式部分是主要的，對(duì)電流性能起 主要作用，故把它們歸入電流模式電路。 電流傳送器是目前電流模式電路中使用最廣泛、功能最強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)模塊，它能和其 它電子元件組合成各種特定的電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種模擬信號(hào)的處理。同時(shí)，由于電流 傳送器不但有電壓輸入端，而且有電流輸入端，因此它能實(shí)現(xiàn)電壓模式電路也能實(shí)現(xiàn) 電流模式電路。電流傳送器無論在信號(hào)大小的情況下，都能比相應(yīng)的運(yùn)算放大器提供 更大帶寬下更高的電壓增益，因此有些學(xué)者預(yù)言它將會(huì)取代運(yùn)算放大器而成為最重要 的電路設(shè)計(jì)模塊。CMOS 工藝由于具有輸入阻抗高、功耗低、集成度高、占有芯片面 積小、抗輻

19、射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，正日益成為最廣泛應(yīng)用的集成電路設(shè)計(jì)工藝。目前，應(yīng) 用 CMOS 工藝設(shè)計(jì)電流傳送器引起了越來越多研究者的關(guān)注，現(xiàn)在已經(jīng)有許多性能優(yōu) 越的電流傳送器用于濾波器、振蕩器、測(cè)量?jī)x器等設(shè)計(jì)中。 在對(duì)電流模式電路不斷學(xué)習(xí)和廣泛收集資料的基礎(chǔ)上。目的在于：闡明電流傳送 器的基本概念、性能和應(yīng)用原理，揭示其廣泛的應(yīng)用潛力和巨大發(fā)展前景。 1.4 本文內(nèi)容安排 該文研究電流傳送器的特性和實(shí)現(xiàn)。文章歸納了以電流傳送器為有源器件的有源 網(wǎng)絡(luò)元件模擬電感電路，并對(duì)模擬電感進(jìn)行了分析.接著介紹 LC 梯形高通濾波器的原理 和設(shè)計(jì)方法。然后用模擬電感電路來代替 LC 梯形高通濾波器中的電感，并用五階高通

20、 濾波器來做例子說明。通過用 PSPICE 軟件仿真，仿真結(jié)果與理論分析完全吻合。文章 最后簡(jiǎn)單介紹了 PSPICE 軟件。 本文分為五個(gè)部分，分別用五個(gè)章節(jié)進(jìn)行介紹。第一章緒論部分介紹了電流傳送 器發(fā)展概況和在電子行業(yè)中的重要意義；第二章從電流傳送器的發(fā)展和結(jié)構(gòu)入手，給 出了其電路模型電路，介紹了電流傳送器電路的工作原理，并對(duì)其端口特性進(jìn)行了介 紹，然后對(duì) CMOS 電流傳送器電流進(jìn)行了分析；第三章歸納了以電流傳送器為有源器 件的有源網(wǎng)絡(luò)元件模擬電感電路，并對(duì)模擬電感進(jìn)行了分析，然后得出了電感參數(shù)； 第四章依照據(jù)高階濾波器的設(shè)計(jì)步驟和方法，在借鑒國(guó)內(nèi)外的研究成果的基礎(chǔ)上，利 用已經(jīng)有的經(jīng)典五

21、階模擬濾波器模型，然后利用自己設(shè)計(jì)的模擬電感來代替原來電路 中的電感，隨后利用 PSPICE 軟件來模擬其結(jié)果。看是否滿足設(shè)計(jì)的要求。如果不太理 想的話，可以通過調(diào)整電路中的電阻電容來調(diào)節(jié)性能，所有的設(shè)計(jì)實(shí)例都經(jīng)過了 PSPICE 仿真，仿真結(jié)果與理論分析完全吻合。 第二章 電流傳輸器 電流模式濾波器與電壓模式濾波器相比，電流模式濾波器在信號(hào)處理方面具有獨(dú) 特的優(yōu)點(diǎn)，如具有頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、電源電壓低和良好的線性等優(yōu)點(diǎn)。因而最近 幾年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在致力于該領(lǐng)域的研究。該領(lǐng)域的研究一般與傳統(tǒng)的方法相結(jié) 合，如由阻抗、電容和晶體管構(gòu)成的有源RC濾波器：由MOS管代替阻抗的MOSFET-C 集

22、成的濾波器；和由第二代電流傳輸器(CCII)和跨導(dǎo)運(yùn)算放大(OTA)構(gòu)成的濾波器電路 等。目前二階電流模式濾波器的設(shè)計(jì)已取得了很大的進(jìn)展，而高階電流模式濾波器的 設(shè)計(jì)有待深入。高階電流模式濾波器的實(shí)現(xiàn)方法有：(1) 傳遞函數(shù)直接綜合法；(2) 無 源梯形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)法，用無源梯形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的有源濾波器保持了無源梯形濾波器的靈敏 度低的優(yōu)點(diǎn)而更值得研究。用信號(hào)流圖實(shí)現(xiàn)的梯形結(jié)構(gòu)的電流模式(CCII)濾波器，Wu 與Masry用MOCCII(多輸出的第二代電流傳輸器)實(shí)現(xiàn)的梯形結(jié)構(gòu)的電流模式濾波器， MOCCII的電路結(jié)構(gòu)一般比CCII復(fù)雜,隨著現(xiàn)代集成電路制造工藝的不斷進(jìn)步，在集成 濾波器中已不再使用

23、電感，在最近幾年的文獻(xiàn)中己有文獻(xiàn)報(bào)道，在濾波器中也可不使 用電容。這種即不使用電感又不使用電容的濾波器的研究顯得越來越有意義。顯然、 這種方法具有很多的優(yōu)越性，本論文作者在使用MOs場(chǎng)效應(yīng)晶體管和多輸出電流傳輸 器(MOCCII+)的條件下設(shè)計(jì)了一種通用有源電流模式濾波器，這種濾波器能實(shí)現(xiàn)不同 的濾波的功能，且便于集成，最重要的是這種濾波器的電路結(jié)構(gòu)參數(shù)便于調(diào)整，易于 實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)的濾波。 2.1 電流傳輸器的概念 電流傳輸器是一種四端(可能五端)器件，將它與其它電子元件組合構(gòu)成各種特定的 電路結(jié)構(gòu)，就能實(shí)現(xiàn)許多有用的模擬信號(hào)處理功能。在大多數(shù)情況下，電流傳輸器與 通用運(yùn)算放大器(op-amp

24、)十分相似，可以簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)。這主要由于電流傳輸器為復(fù) 雜電路功能的抽象化提供了另一種方法，從而有助于開發(fā)一些新的和有用的電路。與 此相關(guān)，還由于電流傳輸器的實(shí)際端口特性象運(yùn)算放大器一樣，與其理想端口特性十 分接近。正如許多集成運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)者所熟悉的那樣，意味著人們可以設(shè)計(jì)出工作 在非常接近預(yù)計(jì)的理論性能水平的電流傳輸器電路。因此，只要了解電流傳輸器的功 能，就能很容易的利用電流傳輸器來設(shè)計(jì)復(fù)雜的模擬電路。 直到 1968 年,電流傳輸器才被提出，當(dāng)時(shí)人們還不十分清楚它能提供優(yōu)于通用運(yùn)算 放大器的那些性能。加之當(dāng)時(shí)的電子工業(yè)剛開始致力于第一代單片運(yùn)算放大器的開發(fā) 和應(yīng)用。由于沒有明顯的指出

25、其優(yōu)越性，電子工業(yè)界缺乏推動(dòng)實(shí)現(xiàn)單片電流傳輸器的 積極性。自從 20 世紀(jì) 40 年代末起，運(yùn)算放大器的概念終于牢固地樹立在許多模擬電 路設(shè)計(jì)者的思想中，同時(shí)集成電路制造商已經(jīng)開辟且正在擴(kuò)展運(yùn)算放大器市場(chǎng)。直至 現(xiàn)在，模擬電路的設(shè)計(jì)者才發(fā)現(xiàn)電流傳輸器能提供優(yōu)于通用運(yùn)算放大器的優(yōu)點(diǎn)；特別 是電流傳輸器電路，在無論信號(hào)大小的情況下，都能比相應(yīng)的通用運(yùn)算放大器提供更 大帶寬下更高的電壓增益，也即更大的增益帶寬積。另外，電流傳輸器在開發(fā)儀用放 大器方面也取得了很大的成功，這種儀用放大器可與外部的匹配截然無關(guān)，僅與某一 元件的絕對(duì)值有關(guān)。 2.2 電流傳輸器結(jié)構(gòu)與特性 流傳輸器在剛開始出現(xiàn)時(shí)是一種三端口

26、器件，稱之為第一代電流傳輸器(CCI)。由 于 CCI 電流傳輸器的使用范圍受到了限制，為了使這種器件的使用范圍更大，科研工 作者提出了沒有電流流入 Y 端的第二代電流傳輸器。第二代電流傳輸器(the second generation current conveyor，簡(jiǎn)稱 CCII，如 2-6 圖所示)因具有很寬的頻率范圍、良好的 高頻性能和動(dòng)態(tài)范圍，很強(qiáng)的通用性和靈活性、且可工作在電壓模式或電流模式，以 及較大的線性度而受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的高度重視，使其成了電流模式 VLSI 電路中最 基本的積木塊。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器件己被證明比 CCI 更為有用。CCII 可以矩陣描述為： (2-1) X X

27、 Y X Y V I V 010 001 000 I V I Z 因此，Y端口呈現(xiàn)的輸入阻抗為無窮大，X端口的電壓跟隨加于Y端口的電壓，因而X 端口呈現(xiàn)零輸入阻抗。供至X端口的電流被傳輸?shù)礁咦杩沟妮敵龆薢，Z端的極性非正 (在CCII+中)即負(fù)(在CCII-中)。用零任偶表示，第二代電流傳輸器(正或負(fù))的端口特性 可用圖2-1(a)表示。在CCII-的情況下無須受控電流源，因?yàn)榱魅隭端的電流必然流出Z 端。因此，CCII-的等效電路可單由零任偶表示，如圖2-1(b)表示。 圖圖 2-12-1（a a）CCIICCII 的零子一任意子表示法，的零子一任意子表示法，Z Z 端受控電流源中的箭頭向下

28、表示端受控電流源中的箭頭向下表示 CCII+CCII+，箭頭向上表，箭頭向上表 示示 CCII-CCII-；（；（b b）CCII-CCII-的簡(jiǎn)化表示法的簡(jiǎn)化表示法 在大量的文獻(xiàn)中己廣泛的運(yùn)用 CCII 實(shí)現(xiàn)受控源、阻抗變換器、阻抗逆變器以及回 轉(zhuǎn)器以及各種模擬計(jì)算元件。實(shí)踐證明在兩種類型的電流傳輸器中 CCII 更為有用。在 己發(fā)表文獻(xiàn)中表明，對(duì)于所有的已知的有源網(wǎng)絡(luò)組件幾乎都可以用 CCII 實(shí)現(xiàn)。用 CCII 設(shè)計(jì)有源 RC 濾波器的大量工作己見諸報(bào)導(dǎo)。電流傳輸器的發(fā)明者深知，雖然他 們擁有了一種功能很強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)器件，但是如果不把它制成實(shí)用的集成電路，它就無法 具有競(jìng)爭(zhēng)力。在當(dāng)時(shí)他們一度

29、期望由加拿大唯一的一家半導(dǎo)體制造廠商生產(chǎn)電流傳輸 器，但未獲成功。他們就從另一方面著手，把注意力集中于直接利用當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的集成 運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn) CCII 方法的報(bào)導(dǎo)。然而他們有一個(gè)觀點(diǎn)，認(rèn)為集成運(yùn)算放大器并非 實(shí)現(xiàn) CCII 最合適的組件，因而從根本上說，運(yùn)算放大器是電壓摸器件，而電流傳輸器 是電流模器件。從好些年以后所提出的一些具有獨(dú)創(chuàng)性的方案來看，這種看法并非完 全正確。直到 90 年代初，還只見到為數(shù)不多的 CCII 電路實(shí)現(xiàn)的報(bào)導(dǎo)。可是，隨著許 多優(yōu)良電路實(shí)現(xiàn)的出現(xiàn)，這種狀態(tài)己發(fā)生了戲劇性的變化。在這些實(shí)現(xiàn)中，有些僅利 用集成運(yùn)算放大器，有些利用集成運(yùn)算放大器和集成 BJT 集成陣列，

30、還有一些是利用 CMOS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)全集成的電流傳輸器。CCII 可被看作為一個(gè)理想的雙極型或 MOS 晶 體管這可由圖 2-2 所示的 NMOS 晶體管來說明。假如晶體管是理想的，它值趨近于零， 在這種情況下，作用在柵極上的電壓將導(dǎo)致在源極上有一個(gè)與之相等的電壓。而柵極 可近似視為開路(與傳輸器的 Y 端相似)，源極端具有零輸入阻抗(正如傳輸器的 X 端那 樣)。注入源極的電流將傳輸?shù)铰O，而漏極端的阻抗為無窮大(正如傳輸器的 Z 端那樣)。 這就說明了一只理想的課題感可以作為負(fù)電流傳輸器(CCII-)。這種等效性還可以由晶 體管的零子一任意子等效電路就是圖 2-1(b)所示的等效電路所說明的

31、1。 圖圖 2-22-2 CCIICCII和和 NMOSNMOS 晶體管的比較晶體管的比較 圖圖 2-32-3 采用采用“超晶體管超晶體管”的負(fù)電流輸器的負(fù)電流輸器 圖2-3所示，在運(yùn)算放大器的負(fù)反饋環(huán)路中放一只NMOS晶體管就構(gòu)成了一只較為 理想的晶體管，結(jié)果便可以實(shí)現(xiàn)具有較好性能的CCII-電路。然而，在這種CCII-電路實(shí) 現(xiàn)中，電流只限于從X端流出。如果在運(yùn)算放大器的反饋環(huán)路中放一只PMOS晶體管， 則可以實(shí)現(xiàn)另一種CCII-，在這種電路實(shí)現(xiàn)中，電流只限于從X端流入。由此可知，若 將一對(duì)互補(bǔ)的MOS晶體管置于運(yùn)算放大器的反饋環(huán)路中，就可以實(shí)現(xiàn)X端有雙向電流 流動(dòng)的CCII電路，如圖2-

32、4(a)所示.接著這個(gè)電流經(jīng)由互補(bǔ)對(duì)電流鏡傳輸?shù)捷敵龉?jié)點(diǎn)。顯 然這是一個(gè)CCII+實(shí)現(xiàn)。如圖2-4(b)所示那樣再加上兩個(gè)互補(bǔ)的電流鏡，就可以得到 CCII-電路。 在圖2-8兩個(gè)電路中，對(duì)管M1和M2可被視為集成運(yùn)算放大器的一個(gè)B類輸出級(jí)。因 此，這個(gè)電路與圖2-5所示電路并無多大的差別，不同的僅是讀出商用運(yùn)算放大器總電 源電流，因?yàn)樗麤]有利用運(yùn)算放大器的輸出級(jí)，而這在全集成的傳輸器的實(shí)現(xiàn)中正是 可行的。 圖圖 2-42-4（a a）正電流傳輸器）正電流傳輸器 （b b）負(fù)電流傳輸器）負(fù)電流傳輸器 圖圖2-5 正電流傳輸器正電流傳輸器 圖圖2-6 CCII符號(hào)符號(hào) 第三章 模擬電感 在集成電

33、路中，由于工藝的原因，不允許有電感的出現(xiàn)，因此，以有源電路來模 擬電感的功能一直是電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn).電流傳送器這種新器件被提出后，很多人就 一直在研究怎么用電流傳送器為有源器件模擬電感，現(xiàn)在還不斷有新型的模擬電感問 世。它們從不同的角度，如元器件的最少化、可集成性、可調(diào)節(jié)性和靈敏度，來優(yōu)化 電路性能。另外，還有的電流傳送器有源電路通過模擬阻抗或?qū)Ъ{函數(shù)來實(shí)現(xiàn)電感的 功能。本章將來討論一些模擬電感的性能。 3.1 基于 AD844 模擬電感的實(shí)現(xiàn)電路 3.1.1 接地電感的實(shí)現(xiàn)與模擬 對(duì)于接地電感的模擬，我們根據(jù) AD844 端口特性，可以構(gòu)造如圖 3-1 電路實(shí)現(xiàn)： 圖圖 3-13-1 模擬

34、接地電感模擬接地電感 其傳輸阻抗 Z=，當(dāng) Z1、Z3為電阻，Z2為電容時(shí)，Z 表現(xiàn)為感性阻抗。 2 31 Z ZZ 接下來用 AD844 模型來具體推導(dǎo)并模擬起阻抗特性。 在通常情況下，Z1Rin、Z2C0，起等效電路為： 圖圖 3-23-2 模擬等效電路模擬等效電路 在圖 3-2 中 （3-1 1 1 I Z Vin ） （3-2） 211 ZIVc （3-3） 31 2 3 1 2 ZZ ZV Z V I inc （3-4） 2 IIin 因此 （3-5） 2 31 2 Z ZZ I V I V in in in 在上面的推導(dǎo)中，我們?cè)O(shè)定了 R0為無窮大。但是當(dāng)頻率且 0 時(shí)，我們不能忽

35、略 R0因此該模擬電感的適用頻率，下面 2020 0 11 CCj R 20 1 CR 我們用 PSPICE 模擬的方法驗(yàn)證其電感特性，設(shè)濾波電路如下圖所示： 圖圖 3-33-3 RLCRLC 濾波電路濾波電路 其中 R1=1k，R2=1k，C1=0.541nF，C2=1.3065nF，L11.3065mH，L2=0.541mH 電壓輸出特性為： Frequency 100H z1. 0KH z10KH z100KH z1. 0M H z10M H z V1(R 2) 0V 200m V 400m V 600m V 圖圖 3-43-4 電壓輸出曲線電壓輸出曲線 采用 AD844 模擬接地電感，

36、電路圖 3-5 如下所示： 圖圖 3-53-5 模擬接地電感模擬接地電感 其中，R1=l k ，R2=1 k ，C1=0.541nF，C2=1.3065nF， R3=l k ，R4=l k ，C3=1nF R5=1.3kQ，R6=0.54ko，C4=1nF 電壓輸出特性為： 圖圖 3-63-6 電壓輸出曲線電壓輸出曲線 由圖 3-4 與圖 3-6 所示，此模擬電感在特性上接近實(shí)際電感。 說明：此設(shè)計(jì)雖然可以很接近實(shí)際的電感，但是其結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，在我們實(shí)際的應(yīng) 用當(dāng)中還時(shí)不容易實(shí)現(xiàn)。 3.1.2 浮地電感的實(shí)現(xiàn)與模擬 對(duì)于浮地電感的模擬，我們可借助基于運(yùn)算放大器的模擬接地電感電路實(shí)現(xiàn).下面 是基于

37、運(yùn)算放大器的模擬電感電路4： 圖圖 3-73-7 運(yùn)放模擬電感電路運(yùn)放模擬電感電路 其實(shí)現(xiàn)阻抗為： （3-6） )()( )()()( )( 42 531 ZZ ZZZ Z 利用增加冗余法，我們得到基于 CCII的電路如下所示： 圖圖 3-83-8 CCII-CCII-模擬電感電路模擬電感電路 其阻抗不變。我們可以從理論上推導(dǎo)其阻抗公式： 圖圖 3-93-9 等效電路等效電路 由圖 3-9 可以看出： (3-7) 53 VV (3-8) 11Z III (3-9) 11 1 1 z II V I V (3-10) 311 III z 由方程（3-8） 、 （3-10）我們得到 (3-11) 3

38、 II (3-12) 54 24 5 23 4 34 4 ZZ VV Z VV Z VV I 由此得 (3-13) 235 4 34 VVZ Z VV (3-14)( 12 1 2 23 1 21 21 31 VV Z Z VV Z VV VV VV 因?yàn)?，所以找?（a 為系數(shù)） 3 3 43 I Z VV 1 3 43 aV Z VV 從方程（3-13） 、 （3-14）的得到 (3-15)( 12 1 2 5 4 34 VV Z Z Z Z VV 所以 (3-16)( 21 531 42 3 43 3 VV ZZZ ZZ Z VV II 又因 ，最后得到 (3-17) 03 VV 42

39、53101 ZZ ZZZ I VV 由前面的模型，可以推導(dǎo)出實(shí)際模擬電感 L 及 D 元件值。 假設(shè) Z1=Z3=Z4=Z5=R cjZ1 2 其中 R或者因此與 可視為開路。對(duì)于中頻阻抗很小，因此可以視為 y R z R y R z R z C 開路。 由此我們得出： (3-18) ) 1)(1 (2 )1 (2)4( )( 2 2 S R R R R R RCSRRRR SZ X X X XXX L 其中 S= 當(dāng)時(shí)j CR C R R R X X X 2 1 )1 (2 1 (3-19)1 (2)4()( 2 2 R R RCSRRRRSZ X X X XL 又因?yàn)樗?(3-20) X

40、 RR XL RCSRSZ2)( 2 模擬電感如下圖示： 圖圖 3-103-10 模擬電感模擬電感 同理，當(dāng) Z2=Z3=Z4= R 且時(shí)， cj ZZ 1 51 得到模擬 D 元件下圖所示： 圖圖 3-113-11 模擬模擬 D D 元件元件 我們采用 PSPICE 的方法驗(yàn)證其電感特性。 設(shè)一串聯(lián)諧振回路如下圖所示： 圖圖 3-123-12 諧振回路諧振回路 其中 R1k,，L=1mH，C1nF 電流輸出曲線如下圖所示。 Frequency 10H z100H z1. 0KH z10KH z100KH z1. 0M H z10M H z I (C 1) 0A 0. 5m A 1. 0m A

41、 圖圖 3-133-13 理論電流曲線理論電流曲線 采用基于 AD844 的電感模擬電路代替實(shí)際電感。 其電流輸出曲線如下所示： 圖圖 3-143-14 模擬電流輸出曲線模擬電流輸出曲線 圖 3-14 由圖 3-13 與圖 3-14 所示，此模擬浮地電感在特性上接近實(shí)際電感。 說明：此電路在特性上時(shí)可以很接近實(shí)際的電感，但是它的電路很復(fù)雜，理論推 導(dǎo)也很復(fù)雜，不適合在實(shí)際當(dāng)中來操作。 3.2 常用模擬電感電路的分析 下面介紹幾種實(shí)際當(dāng)中常用的模擬電感電路； 第一種：其結(jié)構(gòu)仿造放大器的結(jié)構(gòu)。 圖圖 3-153-15 模擬電感模擬電感 (3-21) )( )( 231 3 1 1 1 YYY Y

42、I V SZ 其導(dǎo)納分別為 ，若， 1 1 1 R Y 22 SCY 3 33 1 R SCY 23 CC 則可實(shí)現(xiàn) RL 阻抗 (3-22) 31311 RRSCRZ 若導(dǎo)納為 ， 11 SCY 3 2 1 R Y 3 33 1 R SCY 則可實(shí)現(xiàn) CD 阻抗 (3-23) 331 2 1 1 11 )( RCCSSC SZ 此電路可用于實(shí)現(xiàn)接地電感及接地 D 元件。 第二種： 如圖3-16所示它以第二代正電流傳送器(CCII+)為有源器件，用三個(gè)正電流傳送器 設(shè)計(jì)模擬電感，它模擬電感的優(yōu)點(diǎn)有：a、所有的無源元件都接地；b、電感值可獨(dú)立 調(diào)節(jié)；且不用大電容就可容易實(shí)現(xiàn)大電感；c、無須特別的

43、元件匹配條件。 圖圖3-163-16 CCII+CCII+模擬電感模擬電感 各端電壓的設(shè)置如圖 3-16 所示：由圖可以知道第三個(gè)傳輸器的 Z 端的電流為 Ii， 第一個(gè)傳輸器的 X 端電壓為 Vi，那么電流 IY3=ViY3。由此流進(jìn)第一個(gè)傳輸器 Z 端的電 流也是 ViY3。由于電流傳輸器性質(zhì)得到：流進(jìn)第三個(gè)傳輸器 Z 端的電流為Ii，那么 流進(jìn)第三個(gè)傳輸器 X 端的電流為 Ii，則,所以，. 4 4 Y I V i 4 2 Y I V i 4 1 Y I V i 那么流進(jìn)第二個(gè)傳輸器 Z 端的電流為 V1Y1，所以流進(jìn) X 端的電流也是 V1Y1。 所以，代入得： （3- 22311 Y

44、VYVYV i 2 4 31 4 Y Y I YVY Y I i i i 24） 經(jīng)過移項(xiàng)處理： 43 21 YY YY I V i i 故此得到該電路得輸入阻抗： （3- 43 21 YY YY I V Z i i i 25） 如果選擇，則 11 SCY 0 2 Y 33 GY 44 GY （3-SLeq GG SC Zi 43 1 26） 另外，當(dāng)取不同的值，可以獲得電感，負(fù)電感和電阻的串并聯(lián)組合。 4321 ,YYYY 說明：該設(shè)計(jì)能滿足我們的實(shí)際要求，并且滿足接地的要求，只用了電阻和電容 就實(shí)現(xiàn)了，但是我門可以看到的是這個(gè)電路太復(fù)雜了，不夠簡(jiǎn)單，功耗大，經(jīng)濟(jì)不合 算，制作要難一些，尺寸

45、大，只是在理論上可行，但在實(shí)際的制作當(dāng)中是不值得推廣 的。 第三種： 由于第二中方法復(fù)雜了，改進(jìn)后得到圖 3-17 所示電路，它用兩個(gè)正電流傳輸器實(shí) 現(xiàn)模擬電感，它模擬電感的優(yōu)點(diǎn)：a、無源元件都接地：b、電感值可獨(dú)立調(diào)節(jié)；c、無 須特別的元件匹配條件、d、這個(gè)比圖 3-16 的電路更加簡(jiǎn)單，而且實(shí)現(xiàn)的功能是一樣 的。 圖圖 3-173-17 CCII+CCII+和和 CCII-CCII-模擬電感模擬電感 對(duì)該電路進(jìn)行分析其特性： 首先設(shè)輸入電壓是 Vin，電流為 Iin，那么 CCII的 X 端電流也為 Iin ，電壓為 IinR21，由電流傳輸器的性質(zhì)得到 CCII+的 Y 端電壓為IinR

46、21，由電路圖得到 CCII 的 Z 端的電壓為IinR21，則 CCII的 Z 端的電流： （3-CSRII inz )(0 21 27） 由 CCII的 X 端的電流是： IX= （3- 12 RVin 28） 根據(jù)傳輸器的特性得到： （3-IxIz 29）于是 IinR21CS= 12 RVin (3-30) 由此可推導(dǎo)出： (3-31)于CSRR I V in in 2112 是得到了 L=R12R21C (3-32) 可見該電路可實(shí)現(xiàn)接地電感，并且沒有附加電阻。 其實(shí)現(xiàn)的電感如圖所示： 圖圖 3-183-18 等效電感等效電感 經(jīng)測(cè)量 L=CR12R21 說明：這個(gè)電路比較簡(jiǎn)單，功耗

47、低，體積小，容易調(diào)節(jié)，制作較容易，推導(dǎo)很容 易看懂，便于在實(shí)際當(dāng)中操作調(diào)節(jié)，滿足我們的設(shè)計(jì)要求，即要求可實(shí)現(xiàn)接地電感13。 第四章 無源梯形濾波器的設(shè)計(jì) 在前面我們討論了電感模擬的是實(shí)現(xiàn)方法，這一章我們將討論高階濾波器的實(shí)現(xiàn) 方法及設(shè)計(jì)電路。 4.1 高階濾波器的實(shí)現(xiàn)方法 所謂的高階濾波器是指階次大于或者等于4的濾波器。其實(shí)現(xiàn)的方法有五種。 1、直接綜合法：它用一個(gè)或者多個(gè)有源元件和一些無援RC網(wǎng)絡(luò)所組成的特定結(jié)構(gòu) 來實(shí)現(xiàn)高階濾波器。 2、級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)法：它用兩個(gè)或者多個(gè)有源雙二次節(jié)的級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高階濾波器。因?yàn)?級(jí)聯(lián)濾波器便于設(shè)計(jì)和調(diào)整，這種方法在工業(yè)上被廣泛采用。 3、電感模擬法：它用一個(gè)像電容

48、負(fù)載回轉(zhuǎn)器那樣的有源RC網(wǎng)絡(luò)模擬一個(gè)電感；這 樣經(jīng)典的無源梯形濾波器可直接轉(zhuǎn)換成有源濾波器實(shí)現(xiàn)，這種轉(zhuǎn)換后的有源濾波器保 留了無源實(shí)現(xiàn)的許多優(yōu)點(diǎn)。 4、廣義導(dǎo)抗法：它和電感模擬法十分類似，即經(jīng)典的RLC綜合再加上頻變阻抗轉(zhuǎn) 換。這個(gè)轉(zhuǎn)換給每個(gè)阻抗乘上一個(gè)不影響轉(zhuǎn)移函數(shù)的比例因子，該比例因子引入一個(gè) 新的有源元件，即頻變阻抗器。它很容易用有源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，廣義導(dǎo)抗法的主要優(yōu)點(diǎn)是， 它所用的運(yùn)放的數(shù)目比相應(yīng)的電感模擬法所需的運(yùn)放的數(shù)目少。 5、多環(huán)反饋法：它通過把一階或者二階濾波節(jié)連接成一個(gè)給定的多環(huán)反饋拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高階濾波器。這種方法既能保持級(jí)聯(lián)法所具有的積木化性質(zhì)，而實(shí)現(xiàn)的濾波 器又能達(dá)到由電

49、感模擬法和廣義導(dǎo)抗法實(shí)現(xiàn)的濾波器所具有的多有的特性5。 4.2 CCII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。目前，濾波器設(shè)計(jì)方法概括起來有兩 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)路反饋法:二是以無源網(wǎng)絡(luò)LC梯形為對(duì)象的間接模擬設(shè)計(jì)，其代表是信號(hào)模擬法等。 至于這些方法的具體內(nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn)，可參閱文中所附的參考文獻(xiàn)，此處恕不一一列舉。 由于電流傳輸器在濾波器設(shè)計(jì)中具有功能靈活、通用性強(qiáng)、高頻性能好、速度快等的 優(yōu)勢(shì)，使CC11濾波器設(shè)計(jì)成為目前流行的課題，在上述兩種設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，又提 出了許多CC11濾波器設(shè)計(jì)?，F(xiàn)分述如下: （1）

50、等效實(shí)現(xiàn) 由于SAB電路的設(shè)計(jì)發(fā)展己較成熟，因此人們自然想到通過等效變換來獲得CC11濾 波器電路。而且實(shí)驗(yàn)證明，通過等效變換獲得的CC11濾波器電路的性能確比原型電路 的性能好得多。一種變換是，電壓運(yùn)放和CC11的等價(jià)關(guān)系可以通過與零泛器的變換而 得到。另一種變換是共軛網(wǎng)絡(luò)變換，元件間的變換如圖4-1。 圖4-1電子元件和相應(yīng)的共扼元件 圖圖 4-14-1 電子元件和相應(yīng)的共扼元件電子元件和相應(yīng)的共扼元件 通過等效變換即可完成電壓模式電路向電流模式電路變換的過程，其傳遞函數(shù)和靈敏 度不發(fā)生變化，此設(shè)計(jì)方法與原型電路息息相關(guān)。 （2）系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的核心是電容濾波單元和電壓變換單元，如圖4-2

51、然后根據(jù)所總結(jié)的兩個(gè)設(shè)計(jì) 步驟可設(shè)計(jì)出任意階的濾波器。此設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)化，方式為電壓模式。 圖圖 4-2(a)4-2(a)電容濾波單元電容濾波單元 圖圖 4-2(b)4-2(b)電壓變換單元電壓變換單元 （3）電流模式梯形濾波器 以無源RLC梯形電路為原型，以電流作為變量，得到無源電路的電流模式信號(hào)流圖， 然后將由多輸出電流傳輸器所構(gòu)成的電流模式一階積木塊，如理想積分器、理想微分 器、一階低通、一階高通、減法器等，代入信號(hào)流圖中，即可得到電流傳輸器梯形濾 波器。幾階濾波器就需要幾個(gè)多輸出電流傳輸器。 （4）輸入電壓加權(quán)法 提出了一種基于CCII，以電壓為變量設(shè)計(jì)連續(xù)時(shí)間波器的方法，該方法的核心是

52、 將加權(quán)輸入電壓信號(hào)Vin。引入靜網(wǎng)絡(luò)，則可獲得各種濾波器結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)步驟是:首先 用基本積木塊(放大器、無損積分器、加法器)建立起靜網(wǎng)絡(luò)，它決定CCII濾波器的極 點(diǎn)，然后對(duì)靜網(wǎng)絡(luò)注入加權(quán)輸入信號(hào)Vin，由此產(chǎn)生CCII濾波器的零點(diǎn).在此基礎(chǔ)上，進(jìn) 一步選擇參數(shù)及元件，就完成了CC11濾波器的設(shè)計(jì)。此方法在設(shè)計(jì)靜網(wǎng)絡(luò)時(shí)，沒有指 出設(shè)計(jì)原則，因此技巧性很強(qiáng)，且為電壓模式設(shè)計(jì)方法。 （5）指數(shù)狀態(tài)空間濾波器 這種濾波器不要求有源增益積木塊是線性的，而得到的整個(gè)傳遞函數(shù)卻是線性的， 它克服了有源器件的頻率限制，因?yàn)樗械挠性雌骷际欠蔷€形的，因此可獲得更高 的頻率特性、速度和精確度等。因?yàn)闉V波器狀

53、態(tài)空間的映射是指數(shù)形式，因此這類濾 波器稱為指數(shù)狀態(tài)空間濾波器(ESS).這種設(shè)計(jì)方法理論性強(qiáng)，所獲得的濾波器性能好。 （6）信號(hào)流圖法 這種方法是線形系統(tǒng)分析中常用的方法，圖法(SFG)來設(shè)計(jì)CCII電流模式濾波器， 首先是假設(shè)出傳輸函數(shù)，然后根據(jù)階數(shù)畫信號(hào)流程圖，此法簡(jiǎn)捷、直觀、易于了解與 掌握，電路的意義和參數(shù)一目了然，只要掌握傳遞函數(shù)的SFG，就能得心應(yīng)手地設(shè)計(jì)所 需的各種濾波器7。 4.3 設(shè)計(jì)濾波器需考慮的因數(shù) （1）頻率限制 在亞音頻頻率范圍，LC濾波器的設(shè)計(jì)需要大電容和大電感，連同它們的輔助部分， 體積很大。此時(shí)有源濾波器很實(shí)用，因?yàn)橛性礊V波器可設(shè)計(jì)較高的阻抗，致使電容的 數(shù)值

54、較小。在50kHz以上，大多數(shù)集成運(yùn)算放大器的開環(huán)增益不夠,不能滿足一般有源 濾波器的需要。然而，增加成本可擴(kuò)展放大器的頻帶，使得有源濾波器的工作頻率達(dá) 到500 kHz。另一方面，LC濾波器可用到幾百兆赫頻率范圍。超過此頻率范圍，濾波器 制作成集中參數(shù)形式無法應(yīng)用，而要采用分布參數(shù)形式。 （2）尺寸考慮 由于不需要電感，有源濾波器與相同性能的LC濾波器比較，尺寸一般較小。采用 微電子技術(shù)后，進(jìn)一步減小尺寸是可能的。采用淀積RC網(wǎng)絡(luò)和單片集成運(yùn)算放大器或 混合工藝，有源濾波器可以作得很小。 （3）制造的經(jīng)濟(jì)性和制作的難易 由于使用電感，LC濾波器的成本通常比有源濾波器高，高質(zhì)量的線圈要求高質(zhì)量

55、 的磁芯，有時(shí)還需要高質(zhì)量的繞制方法，這些因數(shù)導(dǎo)致了LC濾波器成本的增加。有源 濾波器具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，即采用流行的標(biāo)準(zhǔn)器件容易安裝有源濾波器。而LC濾波器需 要繞制線圈和安裝線圈工藝。 （4）調(diào)整的難易 在要求嚴(yán) 格的LC濾波器中，例如，調(diào)諧電路要求調(diào)到規(guī)定的諧振點(diǎn)。除非電容量 低于幾百個(gè)微微法，否則不能作到可變。由于大多數(shù)線圈有可調(diào)的磁芯，調(diào)整電感方 便。許多有源濾波器的電路不易調(diào)整，它們包括一些RC節(jié)，每節(jié)要有兩個(gè)或更多的電 阻可變，才能調(diào)諧。這樣的電路通過一定的設(shè)計(jì)方法是可以避免的。 （5）功率耗散 濾波器的功耗不僅是決定能量消耗的一個(gè)重要因數(shù)，而且也是影響濾波器版圖布 局的重要因數(shù)。因

56、為在版圖布局時(shí)必須考慮溫度的分布，如果溫度分布不均可能導(dǎo)致 整個(gè)芯片局部溫度過高，從而使芯片燒毀，嚴(yán)重的將會(huì)使芯片完全喪失其功能。因而 在濾波器的設(shè)計(jì)過程中盡可能的降低功耗，并在版圖布局時(shí)盡可能的使溫度分布均勻。 通常采用的是使用盡可能低的電源電壓。 （6）抗干擾能力 濾波器的最主要的功能就是使有用信號(hào)通過并放大，而使無用信號(hào)得到有效的抑 制和衰減。如果在濾波器本身的濾波過程中受到干擾，那么濾波器就失去了存在的意 義，所以在濾波器的設(shè)計(jì)過程中盡可能的提高其抗干擾能力，以免受到濾波器本身的 噪聲和外界信號(hào)干擾。一般可在濾波器的結(jié)構(gòu)和外圍封裝、以及實(shí)現(xiàn)器件的材料上進(jìn) 行著重考慮1011。 4.4

57、電流模式梯形濾波器的設(shè)計(jì) 4.4.1 n 階梯形濾波器的設(shè)計(jì) 我們根據(jù)經(jīng)典的模擬濾波器的設(shè)計(jì)，得到 n 階高通歸一化 Butterworth 濾波器傳 輸函數(shù)為)(SH （4-1） 1 )( 1 2 2 1 1 SaSaSaS S I I SH n n n n n n in out 把分母進(jìn)行分解，然后查表得到 n 階梯形濾波器的電路圖如下： 圖圖 4-34-3 n n 階梯形濾波器電路階梯形濾波器電路 1.第一種模擬電感的辦法： 我們從前面一章的分析結(jié)果來看，我們用常用電感的第二種模擬電感來代替圖 4-3 中的電感。得到圖 4-4 雙端接的電流模式 n 階高通有源濾波電路： 圖圖 4-44-

58、4 CCII+CCII+模擬電感的模擬電感的 n n 階梯形濾波電路階梯形濾波電路 2.第二種模擬電感的辦法 我從前面一章的分析結(jié)果來說，現(xiàn)用常用電感的第三種模擬電感來代替 4-3 圖中的電 感，得到圖 4-5 雙端接地的電流模式 n 階高通有源濾波電路。 圖圖 4-54-5 CCII+CCII+和和 CCIICCII模擬電感的模擬電感的 n n 階梯形濾波電路階梯形濾波電路 4.4.2 舉例說明CCII 五階梯形濾波器89 我們首先選擇好自己的設(shè)計(jì)參數(shù)，即設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，然后查詢模擬濾波器的數(shù) 據(jù)表，在本文當(dāng)中我選擇五階Butterworth 濾波器作為設(shè)計(jì)對(duì)象，那么其歸一化的傳 輸函數(shù)為：

59、)(SH (4-2) 1236 . 3 236 . 5 236 . 5 236 . 3 )( 2345 5 SSSSS S Iin Iout SH 把上式分解得到得到如下電路圖6： 圖圖 4-64-6 梯形濾波器梯形濾波器 從前一章我們討論了模擬電感的設(shè)計(jì)，在這里將具體用他們分別來代替上圖中的 電感，然后用軟件來仿真其效果，看是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。 第一種方案： 我們從前面一章的結(jié)果來看，我們用常用電感的第二種模擬電感來代替圖 4-6 中 的電感。得到圖 4-8 雙端接的電流模式五階高通有源濾波電路。設(shè)計(jì)的梯形濾波器的 截止頻率為 10 kHz ,接地電阻為 800。 圖圖 4-84-8 基于基

60、于 CCII+CCII+仿真電感的電流模式五階高通濾波電路仿真電感的電流模式五階高通濾波電路 從前面的分析，設(shè)圖 4-8 的參數(shù)為： 8001, 0, 8543627711 YYYYYYSCYSCY nFCC21.32 800*10*14 . 3 *2 618 . 1 4 31 nFC95 . 9 800*10*14 . 3 *2 5 . 0 4 2 nFCC30.12 800*10*14 . 3 *2 618 . 0 4 71 把上面的參數(shù)確當(dāng)后，我們對(duì)圖 4-8 進(jìn)行仿真分析，首先寫出程序，見附錄 A 程 序。 把程序放在 PSPICE 中運(yùn)行得到仿真結(jié)果圖，如下所示： Frequency