一種基于CFA實(shí)現(xiàn)的n 階濾波器

曾菊員

（羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，廣東 羅定 527200）

一種基于CFA實(shí)現(xiàn)的n 階濾波器

曾菊員

（羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，廣東 羅定 527200）

本文提出了一種采用信號(hào)流圖為基本原理，基于阻抗元件與電流反饋放大器實(shí)現(xiàn)的n階電流模式濾波器。只需將阻抗元件進(jìn)行變換無需改變?yōu)V波電路結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)高通與低通濾波功能。設(shè)計(jì)了一個(gè)四階濾波器，并對(duì)此電路進(jìn)行PSPICE仿真，仿真結(jié)果與理論分析相一致，證明本文提出的方法是可行的。

電流反饋放大器；信號(hào)流圖；n階濾波器；電流模電路

在電子世界發(fā)展的歷史長(zhǎng)河中，電流模式電路越來越受到專家、學(xué)者以及電路愛好者的親瞇，電流反饋放大器（CFA）在模擬信號(hào)處理中也愈發(fā)起到越來越關(guān)鍵的作用。電流反饋放大器是一種不同以往的新型結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器，它不僅具有很高的轉(zhuǎn)換速率，而且可以提供可單獨(dú)調(diào)節(jié)的帶寬，并且它的帶寬不受增益帶寬積的限制，所以由電流反饋放大器構(gòu)成的電路在動(dòng)態(tài)范圍和頻率特性等方面具有更加優(yōu)良的特性。與第二代電流傳送器相比，電流反饋放大器內(nèi)部增加了一個(gè)單位增益的電壓緩沖器，所以采用電流反饋放大器實(shí)現(xiàn)的實(shí)際應(yīng)用電路的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔。目前基于電流反饋放大器二階濾波器的研究已經(jīng)較為成熟，如文獻(xiàn)[1-3]提出了比較典型的電路。而以電流反饋放大器為模塊構(gòu)成高階電流模式濾波器的文獻(xiàn)也有一些，如文獻(xiàn)[4-9]。文獻(xiàn)[3,6-8]只能實(shí)現(xiàn)低通濾波功能，其中文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一個(gè)電流模式五階CFA低通濾波器，該方法首先固定濾波器的階數(shù)，然后再用無源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有源的模擬設(shè)計(jì)，當(dāng)濾波器的階數(shù)需要改變時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)所有的參數(shù)。筆者在以上研究的基礎(chǔ)上，以電流反饋放大器為基本模塊，采用信號(hào)流圖設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)任意階的高通或低通濾波器結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件少，在不改變基本結(jié)構(gòu)的情況下，只調(diào)整阻抗元件的位置，即可實(shí)現(xiàn)高通或低通濾功能。

1　CFA的端口特性

電流反饋放大器是一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)，其理想的端口特性為:

圖1　CFA的符號(hào)

電流反饋放大器的代表符號(hào)如圖1所示，其中反相輸入端為“x”端，它是一個(gè)電流輸入端，同相輸入端為“y”端，它是一個(gè)電壓輸入端。在式（1）中，CFA+用“+”表示，CFA-用“-”表示，筆者設(shè)計(jì)的電路全部采用CFA+，記為CFA。

2　電路描述

設(shè)n階低通濾波器的傳輸函數(shù)為:

其信號(hào)流圖如下頁圖2所示，根據(jù)信號(hào)流圖，有

由以上式子可得

圖2　式（2）的信號(hào)流圖

同理，設(shè)n階高通濾波器的傳輸函數(shù)為:

其信號(hào)流圖如圖3所示，有

圖3　式（6）的信號(hào)流圖

根據(jù)n階低通、高通濾波器的信號(hào)流圖，可實(shí)現(xiàn)n階基于CFA的電流模式濾波器，如圖4所示。

圖4　基于CFA的n階濾波器

可得

聯(lián)立式(7-1)～式(7-n)和式(1)，可得電路的傳輸函數(shù)為:

其中，

有

其中，

（2）當(dāng)

可知

進(jìn)而可得

使用筆者提出的方法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)n階低通和高通濾波功能的優(yōu)點(diǎn)在于，只需要n+2個(gè)電阻，n+1個(gè)電流反饋放大器，n個(gè)電容，而且電容和電阻元件全部接地。

3　設(shè)計(jì)舉例及仿真分析

設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為500k赫茲的四階巴特沃斯濾波器，由文獻(xiàn)[10]查得四階巴特沃斯濾波器的歸一化傳遞函數(shù)的分母多項(xiàng)式為:

取截止頻率為500k赫茲，結(jié)合式（12），令Gm1=Gm2=1kΩ，R1=R3=R5=R7=1kΩ，則歸一化電容分別為:去歸一化電容分別為:C2=609pF，C4=97pF，C6=356pF，C8= 122×10-3pF。

四階巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性的PSPICE模擬仿真結(jié)果如圖5所示。

同樣，結(jié)合式(12)，令Gm1=Gm2=1kΩ，R2=R4= R6=R8=1kΩ，則歸一化電容分別為:，去歸一化電容分別為:C1=609pF， C3=97pF，C5=356pF，C7=122×10-3pF。

圖6所示即四階巴特沃斯高通濾波器的頻響。

由圖5和圖6的曲線可以看出，筆者提出的新方案完全正確。

圖5　四階巴特沃斯濾低通濾波器的頻響

圖6　四階巴特沃斯高通濾波器的頻響

4　結(jié)語

采用信號(hào)流圖法設(shè)計(jì)了一種基于電流反饋放大器的任意階電流模式濾波電路。對(duì)一個(gè)四階巴特沃斯濾波器進(jìn)行了模擬、設(shè)計(jì)計(jì)算和軟件實(shí)驗(yàn)仿真分析，結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)仿真分析結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果完全一致，證明筆者提出的設(shè)計(jì)電路是正確的。而且用此方法實(shí)現(xiàn)的濾波器與同類型濾波器電路相比較，它具有以下優(yōu)點(diǎn):第一，n階濾波器只需n+1個(gè)電流反饋放大器，n個(gè)電容以及n+2個(gè)電阻，而且電容和電阻元件全部接地；第二，能實(shí)現(xiàn)二種濾波功能，即低通濾波和高通濾波功能；第三，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單明了。

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【責(zé)任編校李林霞】

An Nth-order Filter Based on CFAs

ZENG Juyuan

In this paper，the configuration of nth-order current mode filter using CFA and impedances is presented based on the signal-flow graph.Under the condition that does not change the structure，theproposed circuit can realize the function of high-pass and low-pass respectively by only changing impedances.As an application of the proposed circuit，the realization of a four order filter is proved using PSPICE simulations，which verify the proposed configuration is applicable.

current feedback amplifier；signal-flow graph；nth-order filter；current mode circuit

TN713+.4

A

1674-0092（2016）03-0094-03

10.16858/j.issn.1674-0092.2016.03.020

2015-12-11

廣東省教育廳基金項(xiàng)目（20120302042）

曾菊員，男，苗族，湖南洪江人，羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系講師，碩士，主要從事信號(hào)處理及有源濾波器設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。