新型有源模擬電感及其應(yīng)用

李 安

(陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院電子與信息工程系,陜西咸陽(yáng) 712046)

新型有源模擬電感及其應(yīng)用

李 安

(陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院電子與信息工程系,陜西咸陽(yáng) 712046)

基于新型電流模式器件 CFTA,設(shè)計(jì)了一個(gè)接地模擬電感和一個(gè)浮地模擬電感,其電路的特點(diǎn)是:使用接地電容,有源元件及其輸入、輸出端數(shù)最少.為證實(shí)電路工作的可靠性,基于該模擬電感,利用元件替換法,分別設(shè)計(jì)了電流模式三階巴特沃斯低通和高通濾波器,其極點(diǎn)頻率為 100 kHz,通帶增益為 0.5,計(jì)算機(jī)仿真表明:所設(shè)計(jì)的電路正確有效.

三階巴特沃斯濾波器;電流模式電路;模擬電感;電流跟隨跨導(dǎo)放大器

在各種現(xiàn)代有源積木塊中,電流差分跨導(dǎo)放大器 (CurrentDifferencing Transconductance Amplifier,CDTA)是一個(gè)使用靈活、功能齊全的新型電流模式器件,已在模擬電感、模擬濾波器和正弦振蕩器設(shè)計(jì)中被大量使用[1-7].然而,在已報(bào)道的大多數(shù)電路中,使用了 2個(gè)以上的 CDTA,而且出現(xiàn)了無(wú)用的p端或n端,這不僅會(huì)造成功率的浪費(fèi),而且還可能引起噪聲干擾,為此,一個(gè)改進(jìn)版本的 CDTA已經(jīng)出現(xiàn),人們稱(chēng)其為電流跟隨跨導(dǎo)放大器(Current Follower Transconductance Amplifier,CFTA).基于 CFTA的通用濾波器已有報(bào)道[8-10],而基于 CFTA接地模擬電感和浮地模擬電感尚不多見(jiàn).筆者受文獻(xiàn)[7]的啟發(fā),將其中模擬電感電路中的 CDTA換成 CFTA,分別實(shí)現(xiàn)了 CFTA接地模擬電感和浮地模擬電感.電路使用接地電容,有源器件最少,沒(méi)有懸空的輸入端和輸出端,是一個(gè)具有最少元件的模擬電感電路.為證實(shí)電路工作的可靠性,基于該浮地、接地模擬電感,利用元件替換法,分別設(shè)計(jì)了三階巴特沃斯低通和高通濾波器,其主要特點(diǎn)是極點(diǎn)頻率可被線性電調(diào)諧.計(jì)算機(jī)仿真表明:所設(shè)計(jì)的電路正確有效.

1 新型有源模擬電感

圖1給出了 CFTA的電路符號(hào)和等效電路.其端口特性可用下面的一組方程來(lái)描述:

圖1 (a)CFTA的電路符號(hào),(b)CFTA的等效電路

式中

其中,gm是 CFTA的跨導(dǎo)增益,VT是熱電壓,IB是跨導(dǎo)放大器的偏置電流.由于 CFTA以跨導(dǎo)放大器的輸出端作為輸出端,因此,使用 CFTA時(shí),根據(jù)需要x端和 -x端可隨意取舍.

圖2給出了新型有源模擬電感.圖 2(a)是基于 CFTA的接地模擬電感.由圖 2(a)可得

圖2 基于 CFTA的新型有源模擬電感

圖2(b)是基于 CFTA的浮地模擬電感.并選擇gm1=gm2=gm,由圖 2(b)可得:

2 新型有源模擬電感的應(yīng)用

2.1 基于 CFTA的三階巴特沃斯低通濾波器圖 3為一個(gè)經(jīng)典的LC梯形三階巴特沃斯低通濾波器,其中,RS和RL分別為信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載電阻,當(dāng)C1=C3=1 F,L2=2 H,RS=RL=1Ω,即可實(shí)現(xiàn)三階無(wú)源電流模式低通濾波器.其傳輸函數(shù)為

圖3 梯形LC三階巴特沃斯低通濾波器

要實(shí)現(xiàn)實(shí)際的濾波器,需要對(duì)圖 3電路的各元件去歸一化,去歸一化公式為

其中,kz為阻抗歸一化因子,ωo為頻率歸一化因子;RN,LN,CN分別為歸一化的電阻、電感、電容值;R,L,C分別為去歸一化的電阻、電感、電容值.若要設(shè)計(jì)的低通濾波器的截止頻率為fo=100 kHz,則對(duì)圖 3電路去歸一化 ,可得RS=RL=103×1=1 kΩ,L2=103×2/(2π ×105)=3.185 mH,C1=C3=1/(103×2π ×105)=1.592 nF.

將圖 3電路中的L2用圖 2(b)的浮地模擬電感代替,即可得基于 CFTA的三階巴特沃斯低通濾波器,如圖 4所示.選C=10 nF,根據(jù)公式 (4)可知模擬電感L2中的偏置電流為IB1=IB2=IB3=92.133 2μA.根據(jù)式 (4)和式 (6)可得

若設(shè)IB=92.133 2μA,其余參數(shù)同前,IB3的單位用μA,則fo與IB3成線性關(guān)系,說(shuō)明低通濾波器的極點(diǎn)頻率可被偏置電流IB3線性電控調(diào)諧.

圖4 基于 CFTA的三階巴特沃斯低通濾波器

2.2 基于 CFTA的三階巴特沃斯高通濾波器圖 5為一個(gè)經(jīng)典的LC梯形三階巴特沃斯高通濾波器,其中RS和RL分別為信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載電阻,當(dāng)C2=0.5 F,L1=L3=1 H,RS=RL=1Ω,即可實(shí)現(xiàn)三階無(wú)源電流模式高通濾波器.其傳輸函數(shù)為

圖5 梯形LC三階巴特沃斯高通濾波器

圖6 基于 CFTA的三階巴特沃斯高通濾波器

若要設(shè)計(jì)的高通濾波器的截止頻率為fo=100 kHz,則對(duì)圖 5電路去歸一化,可得RS=RL=103×1=1 kΩ,L1=L3=103×1/(2π ×105)=1.593 mH,C2=0.5/(103×2π ×105)=0.796 0 nF.

將圖 5電路中的L1,L3分別用圖 2(a)的接地模擬電感代替,即可得基于 CFTA的三階巴特沃斯高通濾波器,如圖 6所示.選C=10 nF,根據(jù)公式 (4)可知,模擬電感L1,L3中的偏置電流均為IB1=IB2=130.285 3μA.

類(lèi)似地,三階巴特沃斯高通濾波器的極點(diǎn)頻率也滿足式 (7),因此,其極點(diǎn)頻率亦可被偏置電流線性電控調(diào)諧.

3 計(jì)算機(jī)仿真

為了驗(yàn)證電路的正確性,先按文獻(xiàn) [8]中給出的 CFTA,在 EWB5.0平臺(tái)上創(chuàng)建一個(gè) CFTA子電路模型,NPN管選用 QNL,PNP管選用 QPL,2種管子的 BF均選擇 100,其余參數(shù)選用典型值.限于篇幅,僅介紹仿真圖 4電路.當(dāng)選擇RS=RL=1 kΩ,C1=C3=1.592 nF,C=10 nF,各 CFTA偏置電流為IB1=IB2=IB3=92.133 2μA,理論給出fo=100 kHz,Aup=0.5,仿真結(jié)果如圖 7所示.用 EWB5.0提供的指針可測(cè)得fo=95.219 kHz,Aup=0.4982.

圖7 基于 CFTA三階巴特沃斯低通濾波器的仿真結(jié)果

圖8 當(dāng) C=10 nF,RS=RL=1 kΩ,C1=C3=1.592 nF,IB1=IB2=92.133 2μA,IB3=23μA,46μA,69μA,92μA,低通濾波器的仿真結(jié)果

為了說(shuō)明電路的極點(diǎn)頻率受偏置電流控制 ,仍取RS=RL=1 kΩ,C1=C3=1.592 nF,C=10 nF,各CFTA偏置電流為IB1=IB2=92.133 2μA.IB3=23μA,46μA,69μA,92μA,理論給出fo=25 kHz,50 kHz,75 kHz,100 kHz.仿真結(jié)果如圖 8所示.用 EWB5.0提供的指針可測(cè)得:fo=26.569 kHz,53.722 kHz,76.568 kHz,95.219 kHz.可見(jiàn),計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)基本一致,說(shuō)明所設(shè)計(jì)電路正確有效.

4 結(jié) 論

利用 CFTA,設(shè)計(jì)了一個(gè)接地模擬電感和一個(gè)浮地模擬電感,并把它用于電流模式三階巴特沃斯低通和高通濾波器的設(shè)計(jì).與相關(guān)文獻(xiàn)相比,該模擬電感的特點(diǎn)是:無(wú)論是接地還是浮地模擬電感,都是無(wú)損的,因而使用靈活;使用接地電容,因而適宜集成;有源元件最少,輸入、輸出端數(shù)目最少,因而電路穩(wěn)定性高,功耗小.通過(guò)對(duì)三階巴特沃斯低通濾波器的計(jì)算機(jī)仿真,表明所設(shè)計(jì)的模擬電感正確有效,因此可用于各種模擬信號(hào)處理電路中.

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New Active S imulation I nductance and Its Applications

L IAn

(Department of Electronics and Information Engineering,Shanxi Institute of International Trade&Commerce,Xianyang 712046,China)

Based on CFTA,a grounded and a floating s imulated inductance circuitswere proposed.The circuits employed grounded capacitor,minimum number of active components and its input and output terminals.To confirm the reliability of the circuits,based on inductance circuits,component substitution method was used to design Butter worth third-order low-pass and high-pass filter respectively,its Pole frequencyfo=100 kHz and pass-band gainAup=0.5.The computer simulation results indicated that the proposed circuitswere valid and effective.

Butterworth third-order filter;current-mode circuit;simulation inductance;current follower transconductance amplifier

TN 722.7+7 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

A

1004-1729(2010)04-0327-05

2010-10-01

陜西省教育廳自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(2010JK889);陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目;陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目

李安 (1961-),男,陜西三原人,陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院電子與信息工程系教授.