《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新穎的電壓模式通用二階CFA濾波器設(shè)計(jì)
摘要: 本文提出了一種僅用2個(gè)電流反饋放大器(CFA)、2個(gè)電容和3個(gè)電阻構(gòu)成的電壓模式通用二階濾波器電路,能實(shí)現(xiàn)二階低通、帶通、高通、帶阻、全通濾波函數(shù)。對(duì)該電路進(jìn)行了電路分析,得到了電壓傳輸函數(shù)及電路參數(shù)。并用PSpice對(duì)該濾波器電路進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明,該濾波器電路設(shè)計(jì)正確,理論分析與仿真結(jié)果相吻合。
Abstract:
Key words :

1 引言

  電壓運(yùn)算放大器是模擬電路設(shè)計(jì)中的基本有源器件,由普通電壓運(yùn)算放大器組成的電路,其工作頻率較低。電流反饋放大器" title="反饋放大器">反饋放大器(Current Feedback Amplifier,CFA)是一種結(jié)構(gòu)全新的運(yùn)算放大器,他不但能提供近乎常值的帶寬,而且還具有高的轉(zhuǎn)換速率。由他組成的電路,在頻率特性、動(dòng)態(tài)范圍等方面具有比由OTA組成的電路更加優(yōu)良的性能[1-30]。近年來(lái),電流反饋放大器在二階濾波器電路中得到了一些應(yīng)用[6-10],而采用電流反饋放大器(CFA)構(gòu)成的電壓模式" title="電壓模式">電壓模式或電流模式雙二次濾波器的文獻(xiàn)不斷見(jiàn)諸報(bào)道,其中主要的形式有兩種:一種為單輸入多輸出型濾波器;另一種為三輸入單輸出型濾波器。但從文獻(xiàn)看,多數(shù)電路使用的CFA器件數(shù)目較多。本文提出了一種三輸入單輸出電壓模式通用二階濾波器電路,該電路僅用2個(gè)電流反饋放大器(CFA)、2個(gè)電容、3個(gè)電阻來(lái)構(gòu)成,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能實(shí)現(xiàn)二階低通" title="低通">低通、帶通" title="帶通">帶通、高通" title="高通">高通、陷波、全通濾波函數(shù)。并用PSpice對(duì)該電路進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明,該電路設(shè)計(jì)正確,理論分析與仿真結(jié)果相吻合。

  2 CFA電路結(jié)構(gòu)及原理

  電流反饋放大器(CFA)是一種四端口器件如圖1所示,他的電路傳輸特性為:

電流反饋放大器

  即Iy=0,Vx=Vy,Ix=±Iz,Vo=Vz,公式(1)中"+"對(duì)應(yīng)CFA+,"-"對(duì)應(yīng)CFA-,由此可知x端電壓跟隨y端電壓,z端電流跟隨x端電流,y端是高阻輸入,Iy=O,z端電壓跟隨o端電壓[6-9]變化。

  3 二階濾波器原理

  本文采用如圖2所示濾波器電路,該電路是由2個(gè)CFA2個(gè)電容和3個(gè)電阻來(lái)構(gòu)成。對(duì)圖2電路進(jìn)行電路分析得:

濾波器電路

  由上述方程,可得電路電流傳輸函數(shù):

電路電流傳輸函數(shù)

  有式(6)可知,改變輸入信號(hào)V1,V2,V3,可以分別實(shí)現(xiàn)低通、帶通、高通、陷波、全通濾波函數(shù)。實(shí)現(xiàn)條件與濾波器類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

實(shí)現(xiàn)條件與濾波器類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

  電路極點(diǎn)參數(shù)為:

電路極點(diǎn)參數(shù)

  由式(7),式(9)可知,極點(diǎn)角頻率和極點(diǎn)品質(zhì)因素能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)節(jié)。

  根據(jù)靈敏度的定義靈敏度的定義得到特征頻率ωP,QP相對(duì)電阻元件和電容元件的變化靈敏度,ωp,QP,的無(wú)源" title="無(wú)源">無(wú)源靈敏度為:

無(wú)源靈敏度

  由式(10),式(11)可知,ωp,QP的無(wú)源靈敏度是較小的。

  考慮CFA的非理想特性,其端口特性為:

端口特性

  其中:a=1-ε1,︱ε1︱<<《1,ε1表示電流反饋放大器的電流跟蹤誤差,β=1-ε2,︱ε2︱<<1,ε2表示電流反饋放大器的輸入電壓跟蹤誤差,γ1=1-ε3,︱ε3 ︱<<1,ε3表示電流反饋放大器的輸出電壓跟蹤誤差,通過(guò)分析,可求得輸出電壓為:

輸出電壓

  由式(18),式(19)可知,ωP,QP有源靈敏度也是較小的。

  4 電路仿真

  為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)濾波器電路的正確性,作者用PSpice對(duì)該電路進(jìn)行了電路仿真。當(dāng)R1=R2=R3=1 kΩ,C1=C2=0.1 μF,由式(8)得:fp=1.59 kHz,在PSpice9.1下,對(duì)圖2所示電路進(jìn)行仿真,得到幅頻特性(如圖3所示)與要求的技術(shù)參數(shù)相吻合。

幅頻特性

  5結(jié) 語(yǔ)

  本文提出了一種僅用2個(gè)電流反饋放大器(CFA)、2個(gè)電容和3個(gè)電阻構(gòu)成的電壓模式通用二階濾波器電路,能實(shí)現(xiàn)二階低通、帶通、高通、帶阻、全通濾波函數(shù)。對(duì)該電路進(jìn)行了電路分析,得到了電壓傳輸函數(shù)及電路參數(shù)。并用PSpice對(duì)該濾波器電路進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果表明,該濾波器電路設(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)電壓模式二階低通、帶通、高通、陷波、全通濾波函數(shù);

  (2)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;

  (3)具有的元器件較少;

  (4)無(wú)源、有源靈敏度較小;

  (5)ωP ,QP可調(diào)

  (6)電路易于實(shí)現(xiàn)。

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