新穎的電壓模式通用雙二階CFOA濾波器

臧睦君，王春悅，馮 進(jìn)

(吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，長春130012)

運(yùn)算放大器是模擬電路設(shè)計中的基本有源器件。電流反饋放大器(CFOA)是一種結(jié)構(gòu)全新的運(yùn)算放大器，它不僅能提供高線性的帶寬，而且還具有高轉(zhuǎn)換速率，其電路在頻率特性、動態(tài)范圍等方面具有良好的性能，因此處理高線性、寬幅度信號的能力遠(yuǎn)優(yōu)于電壓反饋放大器［1－3］。從電路與系統(tǒng)的發(fā)展看，電流反饋技術(shù)將會在更復(fù)雜的模擬集成子系統(tǒng)中變得更加有用，電流反饋放大器已成為某些單片集成結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵單元塊。因此，對電流反饋放大器的研究將有很強(qiáng)的理論現(xiàn)實意義。近年來，電流反饋放大器在模擬信號處理電路中得到了一些應(yīng)用，但用電流反饋放大器構(gòu)成的多功能濾波電路尚不多見［4－9］。本文提出了一種單輸入多輸出雙二階電壓型濾波傳輸函數(shù)電路，同時得到了低通、帶通、高通、帶阻和全通濾波函數(shù)輸出，且極點角頻率與品質(zhì)因數(shù)能實現(xiàn)獨立調(diào)節(jié)。該電路所有電容接地，適于實現(xiàn)全集成連續(xù)時間濾波器。

1 新型低壓CFOA的實現(xiàn)

本文采用一種新的 CFOA設(shè)計方法，即CCII+與一個運(yùn)算放大器級聯(lián)再反饋的方式，形成一個新的CFOA，這種CFOA設(shè)計簡單，且容易實現(xiàn)，性能優(yōu)良［10－12］，電路簡圖如圖1所示。其中CCII+由16個2μm工藝的MOS管構(gòu)成，具體實現(xiàn)電路如圖2所示。CFOA在電路中的符號如圖3所示，其中“x”為反相輸入端(電流輸入端)，“y”為同相輸入端(電壓輸入端)。

圖1 CFOA設(shè)計框圖Fig.1 The design circuit of CFOA

圖2 CCII+的CMOS電路圖Fig.2 The CCII+circuit diagram is made up by CMOS devices

CFOA的理想端口特性為:

式中:“+”表示CFOA+;“－”表示CFOA－。

2 濾波器電路設(shè)計及指標(biāo)分析

2.1 電路結(jié)構(gòu)圖

本文采用如圖4所示濾波器電路，該電路由四個CFOA、兩個電容和十個電阻構(gòu)成。

圖3 電流反饋放大器符號Fig.3 The block symbol of CFOA

圖4 新型通用雙二階濾波器電路Fig.4 New universal biquad filter configurations using CFOA

對圖4電路進(jìn)行電路分析得

由上述方程可得各種轉(zhuǎn)移函數(shù)為

由式(7)～式(11)可知，VO1是低通輸出，VO2是帶通輸出，VO3是高通輸出，當(dāng)開關(guān)接在BS端時VO4是帶阻輸出，當(dāng)開關(guān)接在AP端時VO4是全通輸出。

帶通濾波器的中心頻率(或低通和高通濾波器的諧振頻率)ω0和帶寬BW分別為

中心頻率可通過R2調(diào)整，改變R1可調(diào)整BW。

2.2 靈敏度分析

由(15)式可知，本文所提電路中ω0和Q對電阻、電容的靈敏度均小于1，因此該濾波器電路具有低靈敏度特性。

3 計算機(jī)仿真及仿真結(jié)果分析

3.1 計算機(jī)仿真

為了驗證圖4濾波器電路原理圖的正確性，本文用PSPICE軟件對其進(jìn)行了電路仿真。

設(shè)Q=1，VDD=5 V，VSS=－5 V，16個MOS管的寬長比如表1所示，取電阻值分別為R1=R3=R4=R5=1 kΩ，R2=4 kΩ，R6=200Ω，R7=R8=400Ω，fp=100 kHz，由式(13)可得電容值C1=C2=563 pF。低通、帶通、高通和帶阻的仿真結(jié)果如圖5所示。

PSPICE仿真結(jié)果表明，該濾波器具有良好的特性，并且具有較高的工作頻率范圍，極點角頻率和品質(zhì)因數(shù)可實現(xiàn)獨立調(diào)節(jié)，誤差只影響輸出振幅。

表1 CCII電路中MOS管寬長比Table 1 The w idth and the length ratio of MOS tube

圖5 通用雙二階濾波器的幅頻響應(yīng)曲線Fig.5 Gain response of universal biquad filter

3.2 仿真結(jié)果分析

由仿真圖可見，帶通濾波器的中心頻率f0= 100 kHz，仿真結(jié)果與理論設(shè)計一致。通過改變輸出信號的位置可分別實現(xiàn)低通、帶通、高通、帶阻以及全通濾波響應(yīng)特性。

由圖6可知，帶通濾波器的中心頻率f0=100 kHz，衰減3 dB帶寬處的頻率分別為 f+= 162.930 kHz，f-=61.235 kHz，可求得帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù):

圖6 衰減3 dB帶寬處頻率Fig.6 3 dB frequency bandw idth

4 結(jié)論

本文提出了一種新穎的電壓模式通用雙二階電流反饋放大器(CFOA)濾波電路結(jié)構(gòu)，給出了原理圖及濾波器設(shè)計的具體方法。該濾波器可實現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻和全通的濾波響應(yīng)特性。PSPICE仿真結(jié)果表明，圖4所示的濾波電路是正確可行的。該電路具有以下優(yōu)點:電路結(jié)構(gòu)簡單;濾波器靈敏度低;所有電容接地，有利于實現(xiàn)全集成;具有較高的工作頻率范圍。

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